基于GPS共视法的原子频标远程校准技术

徐亮胥婕董莲徐信业/ .上海市计量测试技术研究院；.华东师范大学

基于GPS共视法的原子频标远程校准技术

徐亮1胥婕1董莲1徐信业2/ 1.上海市计量测试技术研究院；2.华东师范大学

基于GPS共视法远程校准原理，在上海市计量测试技术研究院与华东师范大学之间搭建了GPS共视比对远程校准系统。利用该系统为华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室（科技部）的铷原子频率标准装置提供远程校准服务。基于30 d CGGTTS标准格式文件的实验数据和所编制的数据分析软件，分别计算出铷原子频率标准的相对频率偏差、相对频率准确度、频率日漂移率和日稳定度。实验结果表明，这些参数满足技术规范提出的技术指标要求。该GPS共视比对远程校准系统具备正确性、稳定性和可靠性的优点，能够为铷原子频率标准装置提供可行的远程量值溯源服务。

远程校准；原子频率标准；GPS共视法；时间频率

0 引言

远程校准是现代时间频率计量校准技术发展的要求。传统的计量方式是通过一条不间断链路实现量值溯源和传递，从下一级计量部门到上一级计量部门的溯源通常为样品送检的方式。这种计量方式存在送检期间下一级计量标准无法正常使用而导致计量工作停止，以及部分下一级计量标准因不易于搬运而无法计量等问题。原子频率标准装置远程校准技术为原子频率标准装置的计量方式提供了一种全新的思路。

1 GPS共视法基本原理

现代时间频率测量的一个很重要特点是，可以通过无线电信号实现远程时间频率传递。GPS共视法、卫星双向法和GPS载波相位法是目前国际上高精度时间频率传递的实用手段。其中，GPS共视法技术因成本较低、可操作性强而得到广泛应用。

GPS系统可向全球范围内的用户提供导航、定位、授时功能。GPS卫星上配备高精度的星载原子钟，并由美国海军天文台保持独立的GPS时间（GPST）。

GPS共视法指两站同时观测同一颗GPS卫星，以实现两站之间的时间同步。在两地进行共视法实验时，需具备以下条件：

1）两个共视接收机分别安装在观测站A和B；

2）A、B两站的坐标需要准确测量；

3）测量时，A、B必须在同一时刻观测到同一颗GPS卫星i。

当GPS共视接收机同时接收4颗及4颗以上卫星的信号时，可以通过定位方程计算出接收机天线的位置坐标和接收机时钟相对于GPST的钟差。

S时间的秒脉冲，送至接收机内置的时间间隔计数器，与本地原子钟输出的秒脉冲比较，得到本地时刻tA与所跟踪卫星的时间ti之差ΔtAi，如式（1）所示。同理，在B地得到tB与ti之差ΔtBi，如式（2）所示。

式（1）与（2）相减可得两地两台原子钟之间的时间差，如式（3）所示。

2 GPS共视比对远程校准系统搭建

GPS共视比对远程校准系统包括：两台支持接收GPS卫星信号的共视接收机、参考原子频率标准装置、被校原子频率标准装置、天线、计算机、设备控制软件和数据处理软件。其中，参考原子频率标准装置采用的是上海市计量测试技术研究院购置的氢原子频率标准；被校原子频率标准装置采用的是华东师范大学购置的铷原子频率标准；两台支持接收GPS卫星信号的共视接收机分别是上海市计量测试技术研究院购置的TimeTrace公司 GPS共视接收机和华东师范大学购置的横河公司GPS共视接收机。GPS共视比对远程校准系统如图1所示。

图1 GPS共视比对远程校准系统

GPS共视比对远程校准系统中关键设备信息和技术指标如下：

1）氢原子频率标准：俄罗斯KVARZ公司型号CH1-75A的主动型氢原子钟，其频率稳定度和相位噪声特性指标如表1所示。

表1 频率稳定度和相位噪声特性指标

2）TimeTrace GPS共视接收机：具有良好的接收性能，最多可同时跟踪8颗卫星，配套计算机装有GPS CView软件。其主要功能如下：测量本地钟时间与GPS系统时间之差，进而可求出原子频率标准相对准确度、相对日频率漂移率、相对长期稳定度。

3）铷原子频率标准：采用Symmetricom公司型号TSC4400的 GPS锁铷振荡器，该铷原子频率标准是一台时间恢复设备，产生跟踪UTC（USNO）的精确定时信号。该设备利用GPS锁定铷原子频标，提供具有良好原子频标短期稳定性和GPS长期频率稳定性的定时输出。TSC4400内部使用高性能铷钟和高精度定时型GPS接收机，在锁定GPS情况下10 MHz频率长期稳定度优于普通5071A，接近高性能版5071A。

4）横河FT-001 GPS共视接收机：具有良好的接收性能，可以接收L1（1 574.42 MHZ）和C/A码，接收通道达50个，支持CGGTTS格式的1S数据输出。

3 数据分析

3.1 CGGTTS标准格式文件

1994年BIPM制定了共视法数据标准CGGTTS标准格式文件，并在1995年原子时计算中实施。根据《GPS接收机软件标准化技术指南》中的相关要求，GPS接收机每次跟踪接收卫星数据的时间为13 min，每隔12.5 min生成一次电离层延迟数据。由于GPS卫星的运转周期为11 h 58 min，所以第二天将比第一天提前4 min进行数据接收。每次进行数据接收的间隔为16 min，前2 min锁定卫星信号，中间13 min跟踪接收数据，最后1 min进行数据存储。接收机每隔一天生成前一天的数据，并按照CGGTTS标准格式文件输出。CGGTTS格式的各参数详解如表2所示，图2为CGGTTS标准格式文件。

表2 CGGTTS参数详解

3.2 数据处理

根据CGGTTS标准格式文件中的各项参数定义，作者编译了专门的处理软件，以该文件作为整体输入，计算相对频率偏差、相对频率准确度、频率日漂移率和日稳定度。

图2 CGGTTS标准格式文件

3.2.1 相对频率偏差

在CGGTTS标准格式文件中，REFGPS表示时间跟踪长度中点处本地秒脉冲与GPS时间之差。相对频率偏差采用直线拟合法进行了数据处理，计算被校准方相对于校准方的频率偏差。基本过程如下：

M个TAB随时间变化，过其平均点做一拟合直线，平均点的坐标为，其中，取ti。直线拟合法就是利用拟合直线的斜率计算平均频率偏差，公式如式（4）所示。

式中：M —— 测量总天数；

ti—— 第ti个测量日；

TABi—— 第i次测量得到的本地与GPST的钟差

计算时，需要将分子分母用同一时间单位表示，kAB就变成无量纲的值，即相对频率偏差。

3.2.2 相对频率准确度

JJG 292-2009《铷原子频率标准》中指出，连续测量7 d，记录每天的相对频率偏差为yAB（τ），选取其中绝对值最大的相对频率偏差作为该设备的相对频率准确度，公式表达为A= |yAB（τ）|max。

3.2.3 频率日漂移率

连续测量M d，可得M个相对日频率偏差yAB（τ）值，若参考源的日漂移率比校准源高一个量级，则可认为yAB（τ）的日漂移率即为被校准源的日漂移率。

铷原子频率标准装置的频率日漂移率可以用最小二乘法计算，如式（5）所示。

式中：M —— 测量总天数；

ti—— 第ti个测量日；

yAB（τ） —— 相对日频率偏差

3.2.4 日稳定度

从稳定度测量原理出发，取样时间1 d，相对频率偏差为yi（τ），连续测量15 d，根据式（6）计算阿仑方差，即得日稳定度，如式（6）所示。

式中：τ —— 1 d的取样时间；

yi（τ） —— 第i次测量得到的频率偏差；

M —— 测量总天数

4 实验

本实验采用了约化儒略日：56981、56982、56983、56984、56985、56986、56987、56988、56989、56990、56991、56992、56993、56994、56995、56996、56997、56998、56999、57000、57001、57002、57003、57004、57005、57006、57007、57009、57010、57012总计 30 d两地 的GPS共视接收机数据。按照编译的计算软件，计算结果如表3所示，两次试验的日频率偏差如图3、图4所示。

表3 实验结果

图3 实验一日漂移曲线

图4 实验二日漂移曲线

5 结语

本文基于GPS共视法远程校准原理，在上海市计量测试技术研究院与华东师范大学之间搭建GPS共视比对远程校准系统，并采用30 d CGGTTS标准格式文件的实验数据分别计算了铷原子频率标准的相对频率偏差、准确度、日漂移和天稳定度。实验结果表明，远程校准技术在实践中具备可操作性，并且计算出的结果与技术规范指标一致。但是在计算过程中，由于GPS运转周期和卫星信号强弱引起的误差并没有纳入考虑，因此在进行远程校准时，可以从原始的CGGTTS文件出发，尽量选取缺省较少的数据，合理地对数据进行预处理。

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Remote calibration technology of atomic frequency standard based on GPS common view method

Xu Liang1， Xu Jie1， Dong Lian1， Xu Xinye2
（1.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology； 2.East China Normal University）

Based on the principle of GPS common view method of remote calibration， we built a remote comparison and calibration system between Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology and East China Normal University， and used the system to provide remote calibration service of rubidium atomic frequency standard for Key Precision Spectroscopy Science and Technology Laboratory（Ministry of Science and Technology） of East China Normal University.Based on the experimental data of 30 days CGGTTS standard file and compiled data analysis software， we calculated the relative frequency deviation，relative frequency accuracy， daily drift and daily stability of the rubidium atomic frequency standard which were consistent with their technical requirements of technical regulations.The experimental results showed that the remote calibration system based GPS common view method had the advantages of accuracy， stability and reliability， which can provide feasible remote traceability for the rubidium atomic frequency standard system.

remote calibration； atomic frequency standard； GPS common view； time frequency