关于远程时间频率溯源的研究

冯理贤

摘要：随着秒定义的量子化，“时间”成为准确度最高、应用最广的物理量，诸多领域需要统一的时间频率，对时间和频率的准确度和稳定度不断提高要求广东省计量科学研究院配备了两台5071A铯原子频率標准，承担着检定下一级频率标准的任务，铯原子频率标准不仅价值高，同时对工作环境要求严格，恒温恒湿且避免断电因此必须找到一个安全稳定的方法，使铯原子频率标准通过频率测量仪器溯源到原子时标UTC（NIM）。综上所述铯原子频率标准的远程溯源是一个急需解决的问题。

关键词：远程时间;频率溯源;系统搭建;共视原理

当前，很多的省级计量部门或行业应用部门不能实现与UTC（NIM）之间的实时远程溯源，而使用原子钟或者GPS驯服后的原子钟作为时间频率的标准。用一种可被UTC（NIM）实时驯服、实时溯源的铷原子振荡器结合卫星共视技术，使区域时间标准实时同步和溯源至原子时标UTC（NIM），能够有效的实现时间同步和溯源的需求。

一、远程溯源方法的选择及系统搭建

时间频率的远程溯源主要依赖于3种方法：卫星双向法、光纤传递、GNSS卫星共视法，其中GNSS卫星共视法是最经济便捷的时间频率溯源方法。该方案设计的核心是通过GNSS卫星共视实现时间频率的远程传递。

鉴于广东省计量科学研究院配备了两台铯钟，可通过安装GNSS时间频率传递接收机实现与UTC时间频率源（或其它原子时标生成的共视数据）进行对比，对比后实现对本地原子时的相位准确度、频率准确度的修正，实现纳秒级别的时间频率溯源。系统搭建如下图。

纳秒级远程时间频率溯源系统中各设备的连接关系图

二、共视原理分析

GNSS共视法时间频率传递技术是目前时间频率远距离高精度量值传递的主要方法之一，利用全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）进行时间频率传递，基本原理是在一颗GNSS卫星的视角内、地球上任意两个地点的原子钟可以利用同一时刻收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对（见图1）。

接收机内置的时间间隔计数器测量GNSS秒脉冲信号与本地原子钟秒脉冲信号的时差△t_AGNSS、△t_BGNSS。两地通过数据交互计算得到传递双方参考时间及频率之差。设地点A、B的原子钟时间分别为t_A和t_B，GNSS时间为t_GNSS，则：

经过多次测量后可得到一系列的△t_ABi，由此可算出两台原子钟在一段时间内相对平均频率差：

式中：f_A、f_B一两台原子钟的频率;τ-平均时间间隔。

三、远程溯源由实现到改进的策略

为了克服铯钟不适宜搬运所以无法送检的困难，在该系统搭建以前，已经配备了一台单独的接收机配合对应的的软件，基本可以实现铯原子频率标准的基础版远程溯源。但是这个方法存在很多不是。首先，最关键的一点是，只是完成了频率的溯源，并没有完成时间的溯源。然后，完整的溯源过程还需要很多的人工辅助，把记录的数据通过邮件发送给中国计量科学研究院，总体而言没有实现较高的自动化。最后，整个流程会受到较大的外部环境因素影响。

该时间频率远程溯源系统的成功搭建解决了以上的问题。该系统通过Internet网络下载中国计量科学研究院的国家授时实验室的标准时间UTC（NIM）的共视数据，可实现对本地时钟的校准，解决高精度的时间与频率的远程溯源的问题。该系统也可作为GNSS时间频率传递接收机使用，连接原子钟的时间和频率信号，通过接收6PS、GLONASS、北斗、Galileo等多个导航系统的卫星信号，生成Rinex、CGGTTS等格式的数据，采用“GNSS共视法”实现两台原子钟之间的时间频率的远程比对。由此可知系统能全自动完成时间与频率的远程溯源。

四、远程溯源应用探究

1）构建区域时间频率标准

时间与频率标准需要通过频率测量仪器溯源至国家原子时标UTC（NIM），该套装置利用卫星共视法可实时溯源到UTC（NIM），采用实时通信，从参考站和本地站获得GNSS共视数据，通过来源于两个站之间的共视结果计算时间差值和频率差值，来控制可驯服的振荡器，使其具有高精度性能指标，实现几乎实时、短延时、长稳的UTC（NIM）驾驭。通过与UTC（NIM）的实时比对，以此构建准确可靠、可溯源的区域时间频率标准，向下一级有需求的应用部门传递，从而开展高精度的时间频率计量服务。

2）远程时间频率校准

远程校准是现代时间频率计量校准技术发展的趋势。远程时间频率校准可对频率标准的频率偏差、频率稳定度及日漂移率和时间标准的时间偏差及时间稳定度进行校准。

进行远程时间频率校准中，参考端和被校端配置GNSS时间频率传递装置，同时记录GNSS观测数据，通过计算，分别得到两端时间频率标准与GNSS系统时间的差，它们的差即为两站时间频率标准的比对（传递）结果。该套装置包括了GNSS时间频率传递装置，可进行卫星信号的接收、时间和频率差值的测量计算、CGGTTS共视数据的生成等，在远程校准过程中，可将其作为参考站，其计算的CGGTTS数据通过网络上传到指定的FTP服务器目录。另外一台GNSS时间频率传递装置放置于待校准端，连接有10MHz和1PPS输出的待校准的时间频率源，该接收机通过自身生成的CGGTTS数据和从FTP服务器下载参考站上传的CGGTTS数据，利用共视法计算客户端和参考站之间的时差，16分针一组数据。输出两台接收机比对之后的数据记为针差，从而计算相对频率偏差、频率稳定度和时间稳定度等。

3）网络授时服务

网络授时服务是利用网络进行时间同步的时间频率传递手段，主要用于校准网络中客户端的本地时间，以UDP协议为接入Internet网络上的客户端提供授时服务。采用TOD（时间戳）和1PPS对NTP Server时间服务器进行同步，构建网络授时服务系统以高准确度和高速率面向网络用户免费提供优质的时间同步信息，在非拥堵网络状态下网络用户端可以获得毫秒级的时间同步服务。

五、结束语

本文基于广东省计量科学研究院无线电室铯原子频率标准的远程溯源问题等待解决与完善，探讨了时间频率远程溯源的方法与原理。实现了铯针溯源问题的改进，最后讨论了设想的时间频率远程传递的应用。