楊 帆 楊 軍,2 張 然

(1.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100039)

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，國(guó)防領(lǐng)域?qū)r(shí)間頻率的要求越來越高，為了滿足各部門的使用需求，地方協(xié)調(diào)時(shí)UTC(BIRM)的性能也隨之不斷提升。本文對(duì)原有的UTC(BIRM)守時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，對(duì)原子時(shí)算法、頻率駕馭控制算法、主備同步技術(shù)、GNSS遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)處理算法等方面進(jìn)行了深入研究，使得UTC(BIRM)相對(duì)協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的頻率偏差和時(shí)間偏差逐步減小。系統(tǒng)升級(jí)后持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，UTC(BIRM)與UTC的時(shí)差保持在±20ns以內(nèi)，優(yōu)于國(guó)際電聯(lián)要求的各守時(shí)實(shí)驗(yàn)室所保持的地方協(xié)調(diào)時(shí)UTC(k)與UTC的偏差控制在±100ns以內(nèi)的要求[1]。UTC(BIRM)與UTC的相對(duì)頻率偏差優(yōu)于3E-14，較之前的5E-13提高了一個(gè)多數(shù)量級(jí)。本文對(duì)當(dāng)前BIRM守時(shí)系統(tǒng)的組成、守時(shí)算法、UTC(BIRM)的駕馭控制算法，以及UTC(BIRM)保持情況等進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2 BIRM守時(shí)系統(tǒng)組成與工作原理

BIRM的守時(shí)系統(tǒng)主要由守時(shí)鐘組、內(nèi)部時(shí)間比對(duì)單元、外部時(shí)間比對(duì)單元、UTC(BIRM)控制單元、UTC(BIRM)信號(hào)分配單元，以及守時(shí)算法單元6部分組成，如圖1所示。

圖1 BIRM守時(shí)系統(tǒng)框圖Fig.1 Time-keeping system of BIRM

守時(shí)鐘組是守時(shí)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)輸出原始脈沖信號(hào)和頻率信號(hào)，為系統(tǒng)提供頻率源。內(nèi)部時(shí)間比對(duì)單元和外部時(shí)間比對(duì)單元分別實(shí)時(shí)采集本地原子鐘和遠(yuǎn)程站的時(shí)差數(shù)據(jù)，兩種時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后參與原子時(shí)計(jì)算后得到本地綜合原子時(shí)TA(BIRM)。UTC(BIRM)控制單元以TA(BIRM)為參考，對(duì)主鐘信號(hào)進(jìn)行駕馭控制，得到本地時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)UTC(BIRM)；為了提供守時(shí)系統(tǒng)的可靠性，UTC(BIRM)控制單元進(jìn)行了主備同步設(shè)計(jì)，使得主備路的1PPS信號(hào)和5MHz頻率信號(hào)時(shí)刻保持同步。UTC(BIRM)信號(hào)分配單元負(fù)責(zé)將本地標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分配為多路，供其他系統(tǒng)或用戶使用。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)間比對(duì)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)

時(shí)間比對(duì)包含鐘組內(nèi)部時(shí)間比對(duì)和遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)。

3.1.1 內(nèi)部時(shí)間比對(duì)

在鐘組內(nèi)部，利用程控開關(guān)+計(jì)數(shù)器的方式循環(huán)采集主鐘信號(hào)UTC(BIRM)與各原子鐘的時(shí)差，采集周期為1h，為原子時(shí)計(jì)算提供原始時(shí)差數(shù)據(jù)。眾多周知，由于受到環(huán)境、人為等因素影響，原始鐘差數(shù)據(jù)存在跳頻、跳相等異常情況，在進(jìn)行原子時(shí)計(jì)算之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。本文結(jié)合中位數(shù)探測(cè)法，提出了一種精準(zhǔn)高效的異常鐘差探測(cè)與修正算法，可準(zhǔn)確定位鐘差數(shù)據(jù)的異常位置、分析異常類型并修正[2]。

中位數(shù)探測(cè)法表達(dá)式如下

(1)

式中：m——序列{yi}的中位數(shù)，當(dāng)觀測(cè)量|yi|>(m+n×MAD)時(shí)(n為正整數(shù)，針對(duì)不同原子鐘，n的取值不同)，認(rèn)為其為異常值，進(jìn)行修正。

修正算法包括相位補(bǔ)償法、線性插值法、最小二乘擬合法、雙向最小二乘組合法，根據(jù)異常值類型的不同，選用的修正算法也不同。以2017年10月31日11點(diǎn)至2017年11月4日23點(diǎn)，2號(hào)鐘(Clock2)與主鐘之間的鐘差實(shí)測(cè)值為例，修正效果如圖2所示。

圖2 時(shí)差數(shù)據(jù)修正結(jié)果曲線圖Fig.2 Correction result of the time difference data

內(nèi)部時(shí)間比對(duì)的所有原始鐘差數(shù)據(jù)全部上報(bào)給國(guó)際計(jì)量局BIPM，參與國(guó)際原子時(shí)歸算。預(yù)處理后的鐘差數(shù)據(jù)用于本地綜合原子時(shí)TA(BIRM)的計(jì)算。

3.1.2 外部時(shí)間比對(duì)

外部時(shí)間比對(duì)主要是采用GNSS共視與GNSS載波相位時(shí)間傳遞兩種方式將本地時(shí)間UTC(BIRM)溯源至UTC。

BIRM的外部時(shí)間比對(duì)由兩臺(tái)熱備份的多通道時(shí)間傳遞接收機(jī)完成。為了減小遠(yuǎn)程比對(duì)不確定度，利用國(guó)際計(jì)量局(BIPM)的旅行接收機(jī)采用相對(duì)校準(zhǔn)法對(duì)BIRM與BIPM之間的遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)鏈路進(jìn)行了校準(zhǔn)[3,4]，將遠(yuǎn)程時(shí)間傳遞不確定度由20ns減小到3ns。相對(duì)校準(zhǔn)法如圖3所示。

圖3 相對(duì)校準(zhǔn)法框圖Fig.3 Relative calibration

GNSS共視與GNSS載波相位時(shí)間傳遞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件每天定時(shí)自動(dòng)上傳至BIPM的FTP，參與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC和快速協(xié)調(diào)世界時(shí)UTCr比對(duì)；同時(shí)，本地定時(shí)下載BIPM公布的T公報(bào)和快速T公報(bào)，根據(jù)UTC與UTC(BIRM)的偏差及時(shí)對(duì)本地鐘速進(jìn)行調(diào)整。

3.2 原子時(shí)算法技術(shù)

當(dāng)前，UTC(BIRM)守時(shí)系統(tǒng)共有6臺(tái)原子鐘，主鐘和備份主鐘分別選用1臺(tái)主動(dòng)型氫原子鐘[5]。BIRM的綜合時(shí)間尺度TA(BIRM)是利用6臺(tái)原子鐘與主鐘的時(shí)差數(shù)據(jù)綜合產(chǎn)生，對(duì)本地原子時(shí)算法，本文做了大量研究與試驗(yàn)。

原子時(shí)算法的目的是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，充分發(fā)揮鐘組中每臺(tái)鐘的優(yōu)勢(shì)，使得產(chǎn)生的綜合時(shí)間尺度的穩(wěn)定度大大高于單臺(tái)鐘的穩(wěn)定度，可見原子時(shí)算法在守時(shí)系統(tǒng)中處于舉足輕重的位置[6]。鐘組、原子時(shí)算法和綜合時(shí)間尺度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 鐘組、原子時(shí)算法和綜合時(shí)間尺度的關(guān)系框圖Fig.4 Relation among clock group,atomic time algorithm and time scale

國(guó)際上使用最多的原子時(shí)算法及經(jīng)典加權(quán)平均算法，其算法為[7]

(2)

本文以經(jīng)典加權(quán)平均算法為指導(dǎo)，建立了兩套時(shí)間尺度算法體系，分別為實(shí)時(shí)時(shí)間尺度算法和滯后時(shí)間尺度算法。實(shí)時(shí)時(shí)間尺度算法每小時(shí)計(jì)算一次，用于實(shí)時(shí)調(diào)整UTC(BIRM)；滯后時(shí)間尺度算法分別每周計(jì)算一次和每月計(jì)算一次，利用快速T公報(bào)和T公報(bào)的時(shí)差值對(duì)算法中的鐘速進(jìn)行調(diào)整。

3.3 UTC(BIRM)駕馭技術(shù)

UTC(BIRM)是守時(shí)系統(tǒng)最終輸出的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，由1臺(tái)相位微調(diào)儀對(duì)主鐘的5MHz頻率信號(hào)調(diào)整后產(chǎn)生。UTC(BIRM)駕馭子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 UTC(BIRM)駕馭子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The Structure of UTC(BIRM) Steering System

原子時(shí)算法獲得紙面的綜合時(shí)間尺度TA(BIRM)，利用TA(BIRM)對(duì)UTC(BIRM)的頻率信號(hào)實(shí)時(shí)控制，使得UTC(BIRM)跟蹤于TA(BIRM)。UTC(BIRM)的控制過程主要分為三個(gè)階段：數(shù)據(jù)積累階段、粗調(diào)階段和微調(diào)階段[8]。

第一階段：數(shù)據(jù)積累。新系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，需要積累數(shù)據(jù)，用于分析主鐘特性。在這一過程中不對(duì)相位微調(diào)儀進(jìn)行任何控制操作。第二階段：粗調(diào)。待數(shù)據(jù)積累一個(gè)月后，根據(jù)UTC(BIRM)與TA(BIRM)之間的時(shí)差計(jì)算主鐘的相位調(diào)整量和頻率調(diào)整量，并將其通過串口送入主鐘的相位微躍計(jì)完成粗調(diào)。經(jīng)過粗調(diào)，UTC(BIRM)與TA(BIRM)的時(shí)差可調(diào)至納秒量級(jí)，相對(duì)頻率偏差可調(diào)至E-14量級(jí)。第三階段：微調(diào)。粗調(diào)完成后，為了保證相位連續(xù)性，不再對(duì)主鐘相位進(jìn)行調(diào)整，而是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UTC(BIRM)與TA(BIRM)之間的時(shí)差并計(jì)算相對(duì)頻率偏差，根據(jù)運(yùn)行情況判斷是否需要進(jìn)行微調(diào)。在微調(diào)階段，頻率調(diào)整量一般在E-15量級(jí)。

3.4 主備同步技術(shù)

為了保證UTC(BIRM)的持續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，本文進(jìn)行了主備同步設(shè)計(jì)。主備同步調(diào)整過程分為兩個(gè)階段：初始脈沖同步和微調(diào)頻率同步[9]。

第一階段：初始脈沖同步。利用相位微調(diào)器的PPS同步功能，將主備鐘輸出的脈沖信號(hào)同步到一個(gè)較小的范圍內(nèi)(該范圍由相位微調(diào)器決定)，實(shí)現(xiàn)主備信號(hào)的粗同步。第二階段：微調(diào)頻率同步。設(shè)置時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的采樣周期為1s，利用計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)采集主備鐘差，根據(jù)該時(shí)差實(shí)時(shí)計(jì)算備份鐘相對(duì)于主鐘的相對(duì)頻率偏差和相位偏差。若偏差超出閾值，則計(jì)算備份鐘的頻率調(diào)整量，并利用相位微調(diào)器對(duì)備份鐘的頻率進(jìn)行駕馭；若偏差在允許范圍以內(nèi)，則不采取任何動(dòng)作，待倒計(jì)時(shí)進(jìn)入本次調(diào)整時(shí)刻，則利用本調(diào)整周期內(nèi)的主備鐘差計(jì)算備份鐘的頻率調(diào)整量，并對(duì)備鐘進(jìn)行駕馭。至此，一個(gè)調(diào)整周期結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)調(diào)整周期，重復(fù)以上采集、計(jì)算與調(diào)整操作。

通過主備同步技術(shù)，可使兩路信號(hào)的時(shí)差時(shí)刻保持在1ns以內(nèi)，相對(duì)頻率偏差保持在E-15量級(jí)。如圖6所示。

圖6 主備同步結(jié)果示意圖Fig.6 Consistency result of master-backup system

4 UTC(BIRM)的保持情況

統(tǒng)計(jì)BIPM的T公報(bào)數(shù)據(jù)[4]，BIRM守時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行一年間，UTC(BIRM)與UTC的時(shí)差始終控制在20ns以內(nèi)，即，|UTC-UTC(BIRM)|<20ns，優(yōu)于國(guó)際電聯(lián)ITU要求的各守時(shí)實(shí)驗(yàn)室所保持的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(k)與國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)UTC的差小于100ns的要求；相對(duì)頻率偏差優(yōu)于3E-14。UTC-UTC(BIRM)時(shí)差曲線如圖7所示，頻差曲線如圖8所示。

圖7 UTC-UTC(BIRM)時(shí)差曲線圖Fig.7 Time difference between UTC(BIRM) and UTC

圖8 UTC-UTC(BIRM)相對(duì)頻率偏差曲線圖Fig.8 Relative frequency deviation between UTC(BIRM)and UTC

5 結(jié)束語

近年來，通過改善UTC(BIRM)守時(shí)系統(tǒng)的硬件組成，開展守時(shí)理論和方法、原子時(shí)算法研究等，使得時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)UTC(BIRM)性能得到長(zhǎng)足提升。不過，相較于國(guó)際先進(jìn)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的守時(shí)指標(biāo)，UTC(BIRM)仍有很大提升空間。當(dāng)前，BIRM還在不斷深入研究守時(shí)技術(shù)，研制守時(shí)相關(guān)設(shè)備，改善守時(shí)環(huán)境，增強(qiáng)守時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性，UTC(BIRM)性能將會(huì)得到進(jìn)一步提升。