張 軍 陳 明 陳洪卿,2

(1.北京一樸時(shí)頻科技有限公司，北京 100086；2.中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，陜西西安 710600)

1 引 言

時(shí)間和時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)在計(jì)量測(cè)試、導(dǎo)航定位、航空航天、天文觀測(cè)、電信、電力、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，測(cè)量精度需求從ms，μs到ns，ps，fs量級(jí)[1-3]。美國把時(shí)間測(cè)量技術(shù)作為評(píng)估國防力量的重要標(biāo)志。中國也開展高精度TI測(cè)量方法、技術(shù)研究，但精度高于1ns的TI測(cè)量儀市場(chǎng)主要是外國儀器。21世紀(jì)初，中國開啟研制測(cè)量精度高于1ns的國產(chǎn)商用多通道時(shí)間間隔測(cè)量儀的征程[4-6]。

2 國產(chǎn)商用皮秒級(jí)MTIM測(cè)量儀

2004年，“GNSS系統(tǒng)中相對(duì)論修正改進(jìn)”項(xiàng)目為驗(yàn)證衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)相對(duì)論效應(yīng)及其影響，研制了精度優(yōu)于100ps的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，2006年，該成果被鑒定為“達(dá)到國際先進(jìn)水平”。2009年，在此基礎(chǔ)上北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心用該項(xiàng)成果研制的MDA712型TIM(Time Interval Meter)測(cè)量儀，與美國SR620型TIM測(cè)量儀進(jìn)行比測(cè)，研究分析SR620測(cè)量多臺(tái)氫、銫原子鐘鐘差數(shù)據(jù)出現(xiàn)的鐘差值周期漂移的問題，發(fā)表“皮秒級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量精度檢定方法的研究”報(bào)告[7]，從電路理論、計(jì)量方法兩方面深入探討，奠定了國產(chǎn)皮秒級(jí)TIM測(cè)量儀的理論基礎(chǔ)[8-10]。同時(shí)，獲得“一種多次同步模擬內(nèi)插的時(shí)間間隔測(cè)量方法和裝置”(專利號(hào)：ZL201010562836.2)和“受控頻偏時(shí)間間隔連續(xù)檢測(cè)方法”(專利號(hào)：ZL 2016010021523.3)兩項(xiàng)國家發(fā)明專利。在專利技術(shù)和多年工程應(yīng)用基礎(chǔ)上，將兩通道拓展為多通道，研制成商用皮秒級(jí)MTIM多通道時(shí)間間隔測(cè)量儀，獲得中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)(國家科技部授權(quán))頒發(fā)的“2012年衛(wèi)星導(dǎo)航定位科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”[11]。現(xiàn)將歷次國產(chǎn)MTIM測(cè)量儀(包括多通道測(cè)量板卡MTIC)與國外名牌測(cè)量儀比測(cè)的結(jié)果，集腋成裘，以饗讀者。

3 國產(chǎn)MTIM測(cè)量儀比測(cè)結(jié)果與分析

3.1 與美國SR620測(cè)量儀的比測(cè)

為厘清北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主控站各原子鐘的鐘差數(shù)據(jù)出現(xiàn)周期性的異常起伏，究竟來自原子鐘還是TI測(cè)量儀，2009年采用兩臺(tái)MDA712型測(cè)量儀與SR620測(cè)量儀對(duì)銫鐘信號(hào)同時(shí)進(jìn)行長期比測(cè)，測(cè)試框圖如圖1所示。其中約10天(900 000s)的比測(cè)記錄如圖2所示，圖2(a)、2(b)分別是MDA712-1和MDA712-2測(cè)量儀測(cè)得的TI時(shí)差，圖2(c)是SR620測(cè)量儀測(cè)得的TI時(shí)差。10天內(nèi)3臺(tái)設(shè)備測(cè)得的時(shí)差曲線的變化趨勢(shì)一致，都有小于1ns的同步起伏(慢變化)，說明3臺(tái)測(cè)量儀工作正常。但SR620測(cè)得的時(shí)差曲線每隔35000s就出現(xiàn)幅度約500ps的周期性起伏，而兩臺(tái)MDA712測(cè)量儀的測(cè)得時(shí)差曲線并無相似的規(guī)律性變化，短時(shí)間內(nèi)的相對(duì)變化幅度都小于50ps，證明此前主控站監(jiān)測(cè)不同原子鐘所出現(xiàn)的時(shí)差數(shù)據(jù)帶有約0.5ns周期性起伏，源于SR620，而非原子鐘。主要原因在于MDA712測(cè)量儀采用自主專利“受控頻偏時(shí)間間隔連續(xù)檢測(cè)方法”，克服了原SR620在電路設(shè)計(jì)上的缺失[12]。

圖1 兩臺(tái)MDA712TIM測(cè)量儀與SR620測(cè)量儀比測(cè)連接框圖Fig.1 Connection diagram of TI test for two MDA712 meters compared with SR620 meter

圖2 兩臺(tái)MDA712測(cè)量儀與SR620測(cè)量儀的時(shí)差比測(cè)曲線圖Fig.2 Curves of TI tested for two MDA712 meters compared with SR620 Meter

3.2 與德國TIMETECH測(cè)量儀的比測(cè)

北斗系統(tǒng)主控站用德國TIMETECH公司的MCTIC多通道時(shí)間間隔測(cè)量儀替代SR620比測(cè)多臺(tái)氫鐘、銫鐘[13]。兩臺(tái)國產(chǎn)的16通道的皮秒級(jí)MTIM712B測(cè)量儀陪同TIMETECH測(cè)量儀同時(shí)比測(cè)，運(yùn)行6年多時(shí)間。為分析兩者測(cè)得的時(shí)差數(shù)據(jù)存在部分不一致性，究竟是源于原子鐘還是源于測(cè)量儀，從數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)選擇2016年4至6月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理分析[12]，獲得10多組比測(cè)的TI時(shí)差數(shù)據(jù)曲線，為說明分析結(jié)果，選取有代表性的一組，如圖3所示。

圖3 MTIM712B測(cè)量儀與TIMETECH測(cè)量儀的TI比測(cè)結(jié)果曲線圖Fig.3 Curves of TI tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH meter

圖3中，黑色曲線表示MTIM712B測(cè)量儀的TI測(cè)量結(jié)果，淺灰色曲線表示MCTIC測(cè)量儀的TI測(cè)量結(jié)果，深灰色曲線表示黑色線與淺灰色線兩者的差值曲線。不難看出，深灰色線出現(xiàn)的較大起伏，都與淺灰色線的較大起伏一一對(duì)應(yīng)，而對(duì)應(yīng)時(shí)段的黑色線則相對(duì)平穩(wěn)，未有較大起伏。在兩個(gè)月內(nèi)，10多組時(shí)鐘的鐘差曲線，與圖3曲線相類似，大同小異。

分析表明，鐘差曲線較大起伏源于TIMETECH測(cè)量儀，而非原子鐘；同時(shí)也可說明國產(chǎn)MTIM測(cè)量儀長期工作的穩(wěn)定性、可靠性，其與TIMETECH測(cè)量儀的統(tǒng)計(jì)比較見表1。多年測(cè)試數(shù)據(jù)表明，MTIM_712B測(cè)量儀的性能略優(yōu)于TIMETECH測(cè)量儀[12]。

3.3 國產(chǎn)MTIM測(cè)量儀與德國TDC_GP21芯片、SR620測(cè)量儀的比測(cè)

2018年，某單位為北斗三號(hào)建設(shè)采購2臺(tái)由8塊7通道的皮秒級(jí)商用MTIC測(cè)量板卡嵌裝的國產(chǎn)MTIM測(cè)量儀。合同要求MTIC的測(cè)量噪聲小于15ps(rms)、測(cè)量不確定度小于30ps(max 100)、通道固定延遲[14-16]不一致性小于30ps。2019年4月現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)量結(jié)果表明，采用專利“受控頻偏時(shí)間間隔連續(xù)檢測(cè)方法”的國產(chǎn)測(cè)量板卡和MTIM712測(cè)量儀全部達(dá)到合同要求。為驗(yàn)證國產(chǎn)測(cè)量儀的整機(jī)性能，將MTIM712測(cè)量儀與1臺(tái)SR620測(cè)量儀以及1臺(tái)用德國ACAM公司的TDC-GP21芯片構(gòu)建的TI測(cè)量儀(稱為TDC_GP21測(cè)量儀)同時(shí)比測(cè)。德國TDC_GP21芯片采用延遲線技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)2通道高精度TI測(cè)量，其測(cè)量分辨力為10ps、測(cè)量噪聲為30ps、測(cè)量不確定度為100ps。3臺(tái)測(cè)量儀比對(duì)測(cè)量的TI數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

表1 MTIM712B測(cè)量儀與TIMETECH測(cè)量儀的長期比測(cè)結(jié)果評(píng)估Tab.1 Conclusion of results tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH over long-term性 能德國TIMETECH測(cè)量儀國產(chǎn)MTIM712B測(cè)量儀兩者不一致性不確定度(MAX_100)<50ps<50ps<88ps測(cè)量噪聲(RMS)<30ps<30ps<43ps固定時(shí)延變化范圍<29ps<29ps<29ps長期工作的穩(wěn)定性有瑕疵,出現(xiàn)8次異常數(shù)據(jù)和突發(fā)噪聲變大現(xiàn)象。性能良好,無性能異常現(xiàn)象。—

圖4 MTIM712B測(cè)量儀與SR620測(cè)量儀/TDC_GP21測(cè)量儀比測(cè)的TI曲線圖Fig.4 Curves of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter

圖4中，下部的黑色曲線是采用“受控頻偏TI連續(xù)檢測(cè)方法”設(shè)計(jì)的國產(chǎn)MTIM712測(cè)量儀測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線，深灰色曲線是SR620測(cè)量儀測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線，淺灰色曲線是TDC_GP21測(cè)量儀測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線，測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較見表2。

表2中，國產(chǎn)MTIM712測(cè)量儀的溫度系數(shù)之所以良好，在于電路設(shè)計(jì)時(shí)，將每路測(cè)試信號(hào)的輸入模擬部分與時(shí)間展寬電路模擬部分，都設(shè)計(jì)為成對(duì)的溫度系數(shù)負(fù)相關(guān)電路，使其時(shí)延隨溫度變化的影響相互相抵消，達(dá)90%以上，并采用良導(dǎo)熱性能材料進(jìn)行一體化屏蔽盒設(shè)計(jì)，使整個(gè)測(cè)量板成為一個(gè)等溫體，正常工作時(shí)不同通道間的溫度差別減小到2℃內(nèi)[12,16]。此外，還采取測(cè)溫反饋算法補(bǔ)償通道固定時(shí)延，不斷迭代優(yōu)化，使固定時(shí)延溫度系數(shù)<1.0ps/℃。因此，MTIM測(cè)量儀器能克服環(huán)境溫度劇變對(duì)TI測(cè)量的影響及其引發(fā)的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，滿足北斗三號(hào)系統(tǒng)工程對(duì)測(cè)量通道固定時(shí)延的溫度系數(shù)小于(1～2)ps/℃要求。

表2 MTIM_712B測(cè)量儀與SR620測(cè)量儀/TDC_GP21測(cè)量儀的TI比測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter性 能測(cè)試方法概要描述TDC_GP21測(cè)量儀MTIM712測(cè)量儀SR620測(cè)量儀不確定度MAX_100(ps)參考和被測(cè)信號(hào)間均同源下,對(duì)同一時(shí)差源時(shí)間間隔連續(xù)9h的測(cè)量統(tǒng)計(jì)92971測(cè)量噪聲RMS(ps)加電1h恒溫后,參考和被測(cè)信號(hào)間均同源下,300s取樣的TI測(cè)量58921溫度系數(shù)(ps/℃)加電30min內(nèi),參考和被測(cè)信號(hào)間均同源情況下,測(cè)量時(shí)間間隔變化量與溫度變化的比值3.60.65.0

3.4 國產(chǎn)商用MTIM測(cè)量儀的批量驗(yàn)收比測(cè)

2018年，A單位招標(biāo)采購24塊多通道的國產(chǎn)OEM時(shí)間間隔測(cè)量板卡(MTIC)，要求噪聲<20ps(rms)、不確定度<70ps、通道固定延遲不一致性<50ps、通道固定時(shí)延溫度系數(shù)<2ps/℃，用于發(fā)射天線信號(hào)相位比測(cè)[16,17]；采購24塊7通道的MTIC測(cè)量板卡，要求測(cè)量噪聲、不確定度、通道固定延遲差及其溫度系數(shù)分別小于15ps，20ps，30ps和1ps/℃，用于原子鐘組比測(cè)。2019年，經(jīng)過近2個(gè)月的驗(yàn)收測(cè)量，驗(yàn)測(cè)結(jié)果(數(shù)據(jù)表，略)表明，皮秒級(jí)商用MTIC測(cè)量設(shè)備全部達(dá)到合同要求。國產(chǎn)皮秒級(jí)商用MTIM測(cè)試儀面市多年，供給北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心、中國計(jì)量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院上海天文臺(tái)、等多家單位，近3年就有24批次、40臺(tái)整機(jī)、131塊MTIC測(cè)量板卡、約1409個(gè)測(cè)量通道產(chǎn)品在為用戶服務(wù)。

4 結(jié)束語

伴隨北斗系統(tǒng)發(fā)展[16,20]的國產(chǎn)皮秒級(jí)MTIM測(cè)量儀與進(jìn)口名牌產(chǎn)品的性能指標(biāo)(手冊(cè))比較，見表3。

目前，國內(nèi)已有各種研究皮秒級(jí)TIM技術(shù)方法和測(cè)量設(shè)備[18,19]，但是能小批量產(chǎn)商用的、不確定度優(yōu)于50ps的MTIM測(cè)量儀仍少見。國產(chǎn)皮秒級(jí)MTIM主要技術(shù)指標(biāo)與國外同類設(shè)備相當(dāng)，可用于國家高精度新時(shí)空綜合定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)體系建設(shè)[20-22]。

表3 MTIM測(cè)量儀與國外同類產(chǎn)品性能比較Tab.3 Conclusion for capability of MTIM meter compared with same famous foreign products型號(hào)生產(chǎn)廠商分辨力測(cè)量范圍噪聲RMS不確定度MAX_100最高采樣率溫度特性測(cè)量通道SR620美國斯坦福25ps比相儀50ps500ps1ksps/ch15ps/℃2MCTIC德國TIMETECH10ps±1s20ps100ps1sps/ch2.0ps/℃16GP21芯片德國ACAM公司10ps0～10μs30ps100ps500ksps/ch10ps/℃2MTIM712C北京一樸時(shí)頻10ps±42s15ps20ps500ksps/ch1.0ps/℃16