李帥辰，武建鋒，崔海波，方 婧

國(guó)產(chǎn)氫原子鐘移動(dòng)守時(shí)性能測(cè)試與分析

李帥辰1,2，武建鋒1,3，崔海波1,3，方 婧1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710699；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 集成電路學(xué)院，北京 101408；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101408）

國(guó)產(chǎn)氫原子鐘；頻率穩(wěn)定度；阿倫方差；移動(dòng)守時(shí)；原子鐘噪聲類(lèi)型

0 引言

在當(dāng)今高度信息化的時(shí)代，時(shí)間和頻率在軍用和民用領(lǐng)域的重要性與日俱增，已經(jīng)成為十分重要的資源[1]。原子鐘作為守時(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響著守時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著時(shí)代的發(fā)展和國(guó)際形勢(shì)的變化，人們對(duì)國(guó)產(chǎn)原子鐘的性能和適用環(huán)境的需求不斷提高，在某些特定的使用環(huán)境下，如部隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)，對(duì)于移動(dòng)守時(shí)有很高的需求。因此，移動(dòng)狀態(tài)下原子鐘的守時(shí)性能值得研究與分析。

1 移動(dòng)守時(shí)系統(tǒng)概述

移動(dòng)守時(shí)系統(tǒng)由信號(hào)產(chǎn)生分系統(tǒng)、溯源分系統(tǒng)、綜合保障分系統(tǒng)以及車(chē)輛分系統(tǒng)4個(gè)分系統(tǒng)組成，為用戶提供1 MHz、5 MHz、10 MHz、1個(gè)秒脈沖（pulse per second，PPS）、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（network time protocol，NTP）、精確時(shí)間協(xié)議（precision time protocol，PTP）等多路時(shí)間頻率信號(hào)，為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、測(cè)試應(yīng)用等提供信號(hào)。移動(dòng)守時(shí)車(chē)內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)守時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中信號(hào)產(chǎn)生分系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生用戶所需的多種時(shí)頻信號(hào)，為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、測(cè)試應(yīng)用等提供信號(hào)。其中，以高精度氫、銫原子鐘構(gòu)成守時(shí)鐘組系統(tǒng)，通過(guò)多通道比相儀（以下簡(jiǎn)稱比相儀）、多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器（以下簡(jiǎn)稱計(jì)數(shù)器）實(shí)現(xiàn)原子鐘組之間的鐘差和相差比對(duì)。采用綜合原子時(shí)算法計(jì)算得到紙面時(shí)，通過(guò)相位微躍器實(shí)現(xiàn)主鐘物理信號(hào)的產(chǎn)生和保持。

溯源分系統(tǒng)以原子時(shí)標(biāo)產(chǎn)生分系統(tǒng)輸入的時(shí)頻為參考，通過(guò)衛(wèi)星雙向、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）共視實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的溯源比對(duì)，并將比對(duì)數(shù)據(jù)提供給原子時(shí)標(biāo)產(chǎn)生分系統(tǒng)。原子時(shí)標(biāo)產(chǎn)生分系統(tǒng)根據(jù)溯源比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次駕馭，確保系統(tǒng)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間偏差保持在一定精度之內(nèi)。

綜合保障分系統(tǒng)主要用于為系統(tǒng)運(yùn)行提供良好的供電和溫濕度環(huán)境，為系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠的保障。其具備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能，對(duì)各分系統(tǒng)的關(guān)鍵信息進(jìn)行采集并顯示，同時(shí)提供原子時(shí)控制駕馭軟件和時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件的工作平臺(tái)。

車(chē)輛分系統(tǒng)主要用于承載其他分系統(tǒng)設(shè)備及提供移動(dòng)能力，是整個(gè)系統(tǒng)的承載平臺(tái)。移動(dòng)守時(shí)系統(tǒng)信號(hào)傳輸如圖2所示。

圖2 移動(dòng)守時(shí)系統(tǒng)信號(hào)傳輸示意

2 測(cè)試環(huán)境與測(cè)試方法

2.1 測(cè)試環(huán)境

本次測(cè)試在移動(dòng)守時(shí)車(chē)上進(jìn)行，守時(shí)車(chē)的部分設(shè)備如圖3所示，車(chē)上載有2臺(tái)氫鐘和3臺(tái)銫鐘。車(chē)內(nèi)溫度為（24±4）℃，氫鐘配備有恒溫箱，溫度為（22±0.1）℃，相對(duì)濕度為40%～60%。移動(dòng)測(cè)試中，移動(dòng)路徑為市區(qū)內(nèi)道路，勻速行駛時(shí)的速度約為40～60 km/h。守時(shí)車(chē)部分設(shè)備連接情況如圖3所示。

圖3 守時(shí)車(chē)部分設(shè)備連接情況

由于本次測(cè)試在移動(dòng)狀態(tài)下沒(méi)有溯源條件，同時(shí)為了提高生成時(shí)頻信號(hào)的可靠性，使用2臺(tái)氫鐘和3臺(tái)銫鐘作為精密時(shí)頻信號(hào)生成的主要頻率源，共同生成時(shí)頻信號(hào)，作為時(shí)頻信號(hào)的比對(duì)參考。將2臺(tái)氫鐘和3臺(tái)銫鐘的10 MHz時(shí)鐘信號(hào)先接入主備鐘切換裝置，通過(guò)軟件選擇和切換主鐘；接下來(lái)信號(hào)進(jìn)入相位微躍計(jì)產(chǎn)生1個(gè)秒脈沖信號(hào)和10 MHz信號(hào)；將10 MHz信號(hào)送入比相儀作為參考信號(hào)，將1個(gè)秒脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器作為參考信號(hào)。

在靜止?fàn)顟B(tài)下，選擇頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最好的氫原子鐘為鐘組的工作主鐘；在移動(dòng)狀態(tài)下，根據(jù)各鐘的穩(wěn)定度優(yōu)選主鐘（從測(cè)試實(shí)際情況來(lái)看，銫鐘通常被選為主鐘）。通過(guò)鐘組內(nèi)原子鐘的比對(duì)測(cè)量及原子時(shí)算法，通過(guò)相位微躍計(jì)實(shí)現(xiàn)原子鐘輸出頻率信號(hào)的駕馭，獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)；同時(shí)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間生成各種時(shí)間信號(hào)供用時(shí)設(shè)備使用。

2.2 測(cè)試方法

表征氫鐘性能的指標(biāo)中最常用的有頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率及頻率穩(wěn)定度等。原子鐘是否可以提供長(zhǎng)期連續(xù)、穩(wěn)定的時(shí)頻信號(hào)是其能否用于守時(shí)系統(tǒng)的最重要的判斷條件，因此很多相關(guān)研究對(duì)原子鐘的性能評(píng)估主要考察頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。因此，本文以頻率穩(wěn)定度為指標(biāo)，對(duì)氫鐘在靜止和移動(dòng)2種狀態(tài)下的性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

本文使用的氫鐘穩(wěn)定度的測(cè)試方法如圖4所示。

圖4 氫鐘穩(wěn)定度測(cè)試方法

將2臺(tái)氫鐘的10 MHz時(shí)鐘信號(hào)分別接入比相儀和計(jì)數(shù)器，以主鐘信號(hào)為參考，完成時(shí)差和相差測(cè)量。利用時(shí)差和相差數(shù)據(jù)分析阿倫方差，用以分析氫鐘的頻率穩(wěn)定度。

2.3 頻率穩(wěn)定度分析

原子鐘的頻率穩(wěn)定度是衡量信號(hào)頻率穩(wěn)定與否的標(biāo)準(zhǔn)，是衡量原子鐘性能的重要指標(biāo)之一[7]。分析頻率穩(wěn)定度最常用的方法之一是計(jì)算阿倫方差。阿倫（Allan）方差法是一種基于時(shí)域的分析方法[8]，其標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式為

同時(shí) Allan 方差公式也可使用相位測(cè)量值計(jì)算，計(jì)算公式為

氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度標(biāo)稱指標(biāo)如表1所示。

表1 氫原子鐘頻率穩(wěn)定度的標(biāo)稱指標(biāo)

2.4 原子鐘的噪聲類(lèi)型

原子鐘的噪聲可以看成是5種噪聲的疊加，即白色調(diào)相噪聲（white phase modulation，WPM）、閃爍調(diào)相噪聲（flicker phase modulation，F(xiàn)PM）、白色調(diào)頻噪聲（white frequency modulation，WFM）、閃爍調(diào)頻噪聲（flicker frequency modulation，F(xiàn)FM）和隨機(jī)游走調(diào)頻噪聲（random walk frequency modulation，RWFM）[9]，其中，白色調(diào)相噪聲、白色調(diào)頻噪聲和隨機(jī)游走調(diào)頻噪聲對(duì)原子鐘頻率穩(wěn)定度的影響較大[10]。原子鐘的誤差分為確定性偏差和隨機(jī)噪聲2個(gè)部分。確定性偏差可以通過(guò)模型預(yù)測(cè)加以補(bǔ)償，隨機(jī)噪聲部分通常利用阿倫方差或噪聲的冪律譜模型估計(jì)噪聲的強(qiáng)度[11]。Allan方差法的主要特點(diǎn)是能非常容易地對(duì)各種誤差源及其對(duì)整個(gè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的貢獻(xiàn)進(jìn)行細(xì)致的表征和辨識(shí)，而且便于計(jì)算，易于分離，能夠識(shí)別并量化存在于數(shù)據(jù)中的不同噪聲項(xiàng)。

阿倫方差和功率譜密度之間的關(guān)系為

3 測(cè)試結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試，對(duì)比分析比相儀和計(jì)數(shù)器分別連續(xù)采集3 d的原子鐘鐘差數(shù)據(jù)，觀察二者在頻率穩(wěn)定度方面的差距；使用比相儀連續(xù)采集3 d的原子鐘鐘差數(shù)據(jù)對(duì)比分析氫原子鐘在靜止?fàn)顟B(tài)下和移動(dòng)狀態(tài)下的頻率穩(wěn)定度的差距；測(cè)試分析氫原子鐘在結(jié)束移動(dòng)之后，恢復(fù)為靜止?fàn)顟B(tài)后的一段時(shí)間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度；對(duì)靜止和移動(dòng)狀態(tài)下氫原子鐘的3種主要噪聲進(jìn)行測(cè)試與分析。結(jié)果分析過(guò)程如圖5所示。

圖5 本文測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

3.1 比相儀和計(jì)數(shù)器采集數(shù)據(jù)的對(duì)比

在本次測(cè)量中，分別使用比相儀和計(jì)數(shù)器對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)下的2臺(tái)氫鐘的鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的阿倫方差如表2所示，表2中的數(shù)據(jù)為鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差。

表2 使用比相儀和計(jì)數(shù)器的采集數(shù)據(jù) s

圖6所示為2臺(tái)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)阿倫方差的對(duì)比。

圖6 比相儀和計(jì)數(shù)器采集數(shù)據(jù)的比較

由表2和圖6可知，在短期穩(wěn)定度方面，計(jì)數(shù)器采集的氫原子鐘鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差遠(yuǎn)大于比相儀采集的鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差。（1～10）s阿倫方差相差約3個(gè)量級(jí)，（0.1～10）×103s阿倫方差相差1～2個(gè)量級(jí)。查閱資料可知：本文使用的計(jì)數(shù)器的標(biāo)稱分辨率約為10 ps，且自身的噪聲較大；在測(cè)量短期穩(wěn)定度時(shí)自身較大的噪聲會(huì)淹沒(méi)測(cè)量的鐘差數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)的影響較大；在測(cè)量長(zhǎng)期穩(wěn)定度時(shí)影響較小，且計(jì)數(shù)器采集數(shù)據(jù)的抖動(dòng)明顯大于比相儀采集數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。雖然比相儀采集數(shù)據(jù)的精度更高，但為了增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，依然同時(shí)使用比相儀和計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，二者采集到的數(shù)據(jù)互為備份。

由于比相儀采集數(shù)據(jù)的效果較好，本文后面章節(jié)采用的數(shù)據(jù)均為多通道比相儀采集的鐘差數(shù)據(jù)。

3.2 靜止?fàn)顟B(tài)下頻率穩(wěn)定度

首先分別測(cè)試靜止?fàn)顟B(tài)下2臺(tái)氫鐘的頻率穩(wěn)定度。計(jì)算由多通道比相儀連續(xù)采集3 d的原子鐘鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差，可以得到如表3所示的氫鐘的頻率穩(wěn)定度。

表3 靜止?fàn)顟B(tài)下氫鐘頻率穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果 s

3.3 移動(dòng)狀態(tài)下頻率穩(wěn)定度

本節(jié)測(cè)試并分析移動(dòng)狀態(tài)下氫鐘的頻率穩(wěn)定度。計(jì)算由多通道比相儀連續(xù)采集的約9 h的2臺(tái)原子鐘的鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差，得到如表4所示的頻率穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果。

表4 移動(dòng)狀態(tài)下各氫鐘的頻率穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果 s

圖7所示為氫鐘1靜止和移動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)阿倫方差的比較。

圖7 氫鐘1靜止?fàn)顟B(tài)和移動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的比較

靜止?fàn)顟B(tài)下，2臺(tái)氫鐘的頻率穩(wěn)定度幾乎相同；而在移動(dòng)狀態(tài)下，氫鐘1的頻率穩(wěn)定度略優(yōu)于氫鐘2。2臺(tái)氫原子鐘測(cè)試環(huán)境相同，分析2臺(tái)氫原子鐘移動(dòng)性能存在差異的原因包括原子鐘抗震性能存在差異，以及2臺(tái)鐘配備的減震設(shè)備和恒溫箱控溫效果存在差異等。

3.4 從移動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)至靜止?fàn)顟B(tài)的頻率穩(wěn)定度

在守時(shí)車(chē)結(jié)束移動(dòng)狀態(tài)，切換為靜止?fàn)顟B(tài)后采集了約16 h的氫原子鐘鐘差數(shù)據(jù)，這部分工作旨在測(cè)試和分析原子鐘由移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)初期的過(guò)程中氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 轉(zhuǎn)換過(guò)程中各氫鐘的頻率穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果 s

圖8為氫鐘1三種狀態(tài)下鐘差數(shù)據(jù)的阿倫方差的對(duì)比。

圖8 靜止?fàn)顟B(tài)、移動(dòng)狀態(tài)和恢復(fù)過(guò)程數(shù)據(jù)的比較

4 原子鐘不同類(lèi)型噪聲的影響

分析氫原子鐘3種主要噪聲對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響，需要測(cè)試和分析氫原子鐘在靜止?fàn)顟B(tài)和移動(dòng)狀態(tài)下的3種主要噪聲，觀察哪一種噪聲在移動(dòng)過(guò)程中的增加量最大，以此推測(cè)哪一種噪聲對(duì)移動(dòng)過(guò)程中氫鐘的頻率穩(wěn)定度的影響最大。靜止和移動(dòng)狀態(tài)下3種主要噪聲的對(duì)比結(jié)果如表6所示。

由表6可知，氫鐘1的3種主要噪聲均明顯小于氫鐘2，以此可以解釋上文氫鐘1的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于氫鐘2的結(jié)論。相較于靜止?fàn)顟B(tài)，移動(dòng)狀態(tài)下氫原子鐘的3種主要噪聲均有增加。其中：頻率白噪聲增加2個(gè)量級(jí)；頻率隨機(jī)游走噪聲增加1個(gè)量級(jí)；調(diào)相白噪聲增加約3～4個(gè)量級(jí)，且在移動(dòng)狀態(tài)下調(diào)相白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差可以達(dá)到0.1 ns。在移動(dòng)過(guò)程中，調(diào)相白噪聲的增加量最大，由此推測(cè)在氫鐘的移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)其頻率穩(wěn)定度影響最大的噪聲是調(diào)相白噪聲。

表6 靜止和移動(dòng)狀態(tài)下3種主要噪聲的對(duì)比 s

5 結(jié)束語(yǔ)

[1] 王一桁, 袁海波, 李宗源, 等. 國(guó)產(chǎn)銫原子鐘性能分析[C]// 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)組委會(huì). 第十三屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)論文集：S05時(shí)間頻率與精密授時(shí). 北京: 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航年會(huì)組委會(huì), 2022: 51-55. DOI:10.26914/c.cnkihy. 2022.001226[2022-07-26].

[2] 李孝輝, 劉婭, 王文利, 等. 多通道數(shù)字化頻率測(cè)量方法研究[R]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2011.

[3] 李雨薇. 精密時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生與性能評(píng)估方法研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2019.

[4] 張軍, 王向磊, 王路生, 等. 國(guó)產(chǎn)小銫鐘比測(cè)結(jié)果分析[J]. 時(shí)間頻率報(bào), 2018, 41(3): 162-170.

[5] 劉峰宇, 王宇譜, 李錫瑞. 國(guó)產(chǎn)SOHM-4型氫鐘長(zhǎng)期性能分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2020, 8(5): 102-106, 116.

[6] 張為群, 王文明, 蔡勇, 等. 上海天文臺(tái)主動(dòng)型氫原子鐘的天穩(wěn)好于2E-15[C]// 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì). 2009全國(guó)時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 成都: 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì), 2009: 45-51[2022-07-26].

[7] 王宇譜, 呂志平, 李林陽(yáng), 等. GPS BLOCK IIF星載原子鐘長(zhǎng)期性能分析[J]. 天文學(xué)報(bào), 2017, 58(3): 13-23.

[8] 于奇. 利用單站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行星載鐘短期穩(wěn)定性分析[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2021, 44(5): 41-44.

[9] 袁海波, 董紹武, 武福平. 原子鐘信號(hào)主要噪聲類(lèi)別的判定與分析[C]//《儀器儀表學(xué)報(bào)》雜志社. 2008’“先進(jìn)集成技術(shù)”院士論壇暨第二屆儀表、自動(dòng)化與先進(jìn)集成技術(shù)大會(huì)論文集. 北京: 《儀器儀表學(xué)報(bào)》雜志社, 2008: 192-196.

[10] 潘雄, 楊玉鋒, 卿晨昕, 等. Galileo在軌衛(wèi)星鐘性能評(píng)估與分析[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 53-59.

[11] 宋會(huì)杰, 董紹武, 李瑋, 等. 原子鐘噪聲誤差估計(jì)方法研究[J]. 天文學(xué)報(bào), 2017, 58(3): 3-12.

[12] 伍貽威, 楊斌, 肖勝紅, 等. 原子鐘模型和頻率穩(wěn)定度分析方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2019, 44(8): 1226-1232.

Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks

LI Shuaichen1,2, WU Jianfeng1,3, CUI Haibo1,3, FANG Jing1,2

（1. National Time Service Center of Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710699, China; 2. College of Integrated Circuits, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China; 3. College of Electrical, Electronic and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China）

domestic hydrogen atomic clock; frequency stability; Allen variance; mobile time keeping; atomic clock noise type

李帥辰, 武建鋒, 崔海波, 等. 國(guó)產(chǎn)氫原子鐘移動(dòng)守時(shí)性能測(cè)試與分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(3): 38-44.（LI Shuaichen, WU Jianfeng, CUI Haibo, et al. Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 38-44.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230306.

P228

A

2095-4999(2023)03-0038-07

2022-09-08

李帥辰（2000—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)守時(shí)、數(shù)據(jù)處理。

武建鋒（1976—），男，陜西西安人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闀r(shí)間頻率與衛(wèi)星導(dǎo)航。