王莉萍 徐亮 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

時間是國際體系七個基本單位中最高精度和應(yīng)用最廣泛的物理量，用以描述物體運動的特性。由于計時工具不斷改進，對時間的準(zhǔn)確度已經(jīng)提升到了10-14數(shù)量級，甚至更高。因此高準(zhǔn)確度的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)及其傳遞比對和同步方法，可用于研究一些基本物理常數(shù)是否隨時間變化等基礎(chǔ)科學(xué)方面的重大問題，并且在衛(wèi)星導(dǎo)航、深空探測等前沿科學(xué)研究領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)對于環(huán)境要求非常嚴(yán)格，一旦達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，該裝置存在極大的不確定風(fēng)險。同時，傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法其裝置送檢校準(zhǔn)的周期較長，對于參與科研項目研究，需24 h上電工作的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置，難以滿足其校準(zhǔn)需求。因此遠程校準(zhǔn)技術(shù)的研究是未來發(fā)展的主要方向。

時間頻率的傳遞和發(fā)播是基準(zhǔn)鐘之間、守時鐘組之間以及守時鐘組和終端用戶之間量值溯源、傳遞和比對的橋梁?；谠隅婎l率標(biāo)準(zhǔn)有其自身的特點，可以避免地理限制，并以電磁波作為載波進行遠距離傳輸。隨著衛(wèi)星定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，為遠程校準(zhǔn)提供了契機和條件。

1 共識法校準(zhǔn)比對基礎(chǔ)

衛(wèi)星共視遠程校準(zhǔn)方法以衛(wèi)星為中間載體，以接收衛(wèi)星信號時間為中間量進行計算，因此衛(wèi)星授時是該遠程校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)。衛(wèi)星授時是指系統(tǒng)通過解析相應(yīng)衛(wèi)星授時接收機接收到的衛(wèi)星通信信號，得到時間信號，以實現(xiàn)時間的量值傳遞。衛(wèi)星授時涉及衛(wèi)星系統(tǒng)時間、相應(yīng)衛(wèi)星上星載鐘時間以及使用方時間。三者之間的關(guān)系如圖1所示。

設(shè)衛(wèi)星授時接收機接收到的是第i顆衛(wèi)星的信號，該信號發(fā)射時的衛(wèi)星系統(tǒng)時間為tXT，第i顆衛(wèi)星鐘時間為tWT；衛(wèi)星授時接收機接收時的衛(wèi)星系統(tǒng)時間為tXR，用戶鐘顯示時間為tYR；第i顆衛(wèi)星鐘時間在信號發(fā)射時與衛(wèi)星系統(tǒng)時間之間的偏差為ΔtWX，可利用星載鐘參數(shù)對導(dǎo)航電文播發(fā)的信號時刻進行修正；ΔtYX為利用衛(wèi)星信號算出的接收機接收時用戶鐘時間與衛(wèi)星系統(tǒng)時間的偏差；衛(wèi)星信號傳輸距離為ρ，則：

式中，（Xr，Yr，Zr）為用戶接收機坐標(biāo)

式中：ρ j—— 空間衛(wèi)星到授時接收機的空間直線距離；

c—— 光速

式中：Δτi（i= 1，2，…，5）—— 代表衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對流層誤差、接收機延遲和接收機噪聲等引入的誤差；

（Xs，Ys，Zs）—— 空間衛(wèi)星坐標(biāo)

將式（4）代入式（5），得到用戶鐘與衛(wèi)星系統(tǒng)時間之間的偏差ΔtYX，而ΔtYR- ΔtYX即為接收機接收信號時的衛(wèi)星系統(tǒng)時間tXR。

2 共視法校準(zhǔn)比對原理分析

衛(wèi)星共視法是指在不同地點的兩站（校準(zhǔn)方和待校準(zhǔn)方），均用同一種衛(wèi)星接收機如：GPS接收機、北斗接收機，以同一顆衛(wèi)星為觀測跟蹤對象，接收機分析提取某個相同時間段內(nèi)的兩個時間信號數(shù)據(jù)，對提取的數(shù)據(jù)進行計算處理，分析算出時間偏差，從而在兩個不同地點的時間就得到了同步。此法可基本清除接收衛(wèi)星信號過程中大氣層折射帶來的時間誤差，從而改進測量準(zhǔn)確度，其基本原理如圖2所示。

在兩站地坐標(biāo)準(zhǔn)確測定的前提下，假設(shè)A地和B地觀測站分別安裝兩個共視接收機，兩站在同一時刻觀測同一顆衛(wèi)星i。其中tA、tB、ti分別表示A、B兩地時鐘示值和衛(wèi)星系統(tǒng)時間，根據(jù)單向時間傳遞原理，可得到：

則式（6）為A地共視接收機和衛(wèi)星i的鐘差；式（7）為B地共視接收機和衛(wèi)星i的鐘差 ；將式（6）與式（7）做差，則得到AB兩站之間的鐘差為ΔtAB

經(jīng)過多次測量，得到一組ΔtABi，就可計算出本地參考鐘和遠程待校鐘之間的相對頻率偏差：

τ—— 取樣時間

多通道共視接收機的使用原理和單通道共視接收機原理相同，但可以同時接收更多數(shù)據(jù)。

3 實驗驗證

基于衛(wèi)星共視法遠程校準(zhǔn)原理，在校準(zhǔn)實驗室與被校實驗室之間選擇一顆GPS可視衛(wèi)星作為中間載體，以輸入基準(zhǔn)信號的原子頻標(biāo)、接收衛(wèi)星信號的天線、分析數(shù)據(jù)的衛(wèi)星共視接收機以及進行數(shù)據(jù)處理的工控計算機搭建遠程校準(zhǔn)硬件平臺，采用單臺主動型氫鐘作為本地參考原子頻率標(biāo)準(zhǔn)對銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)進行遠程校準(zhǔn)實驗，利用共視接收機內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對分析軟件進行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)選取的約化儒略日，收集保存30 d的實驗室數(shù)據(jù)，分A、B兩組進行兩次數(shù)據(jù)分析。分析得到A組頻率準(zhǔn)確度為8.3×10-13，頻率日漂移為6.2×10-13，頻率穩(wěn)定度為2.4×10-13；B組頻率準(zhǔn)確度為9.2×10-13，頻率日漂移為3.2×10-13，頻率穩(wěn)定度為1.1×10-13。分析實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，A組實驗和B組實驗計算得到的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對頻率偏差、準(zhǔn)確度、天漂移度和日穩(wěn)定度數(shù)值上基本保持一致。天頻率穩(wěn)定度指標(biāo)與其產(chǎn)品說明書中的技術(shù)指標(biāo)也基本一致。

圖2 共視法原理圖

共視法比對技術(shù)中不確定度的影響分量來源主要有衛(wèi)星誤差、信號傳播誤差、接收機偏差等三個方面，包括衛(wèi)星星歷引起的偏差（一般情況下小于10 ns）、星載時鐘誤差（運行1 d后鐘的漂移誤差大約為 25 ns）、電離層延遲（修正大小在 5～50 ns范圍內(nèi)）、對流程延遲（10 ns以內(nèi)）、接收機通道延遲誤差（出廠時測試確定）、天線相位中心誤差（約為3 ns）等。另外還考慮信號傳播的多路徑、接收機時鐘、接收機坐標(biāo)等引起的誤差。綜合評定合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度約為 11 ns。

綜合分析實驗結(jié)果和不確定度評定，表明該共視比對遠程校準(zhǔn)系統(tǒng)具備正確性、穩(wěn)定性和可靠性，能夠為銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)提供可行的遠程量值溯源服務(wù)。

4 結(jié)語

基于衛(wèi)星共視法的遠程校準(zhǔn)技術(shù)研究對現(xiàn)代先進的頻率和時間校準(zhǔn)服務(wù)具有重要意義，也為研究其余物理參量的遠程校準(zhǔn)服務(wù)提供了一定的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)平臺的大力發(fā)展，不僅使得計量標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞實時快速，還降低了傳遞的時間、運輸風(fēng)險以及管理成本，為全面提升時頻校準(zhǔn)覆蓋面打下了重要的基礎(chǔ)。在實施校準(zhǔn)的同時，還可以發(fā)現(xiàn)下一級實驗室存在的問題，可以及時糾正與解決，將監(jiān)管與提升服務(wù)融合在一起，提高整體計量實力和水平。亦可擴展參與到計量標(biāo)準(zhǔn)國際比對活動中，為促進貿(mào)易公平作出一定的貢獻。