本地标准时间频率的产生与保持

杨 帆 杨 军,2 张 然

(1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.计量与校准技术重点实验室，北京 100039)

1 引 言

随着科技的发展，国防领域对时间频率的要求越来越高，为了满足各部门的使用需求，地方协调时UTC(BIRM)的性能也随之不断提升。本文对原有的UTC(BIRM)守时系统进行升级，对原子时算法、频率驾驭控制算法、主备同步技术、GNSS远程时间比对数据处理算法等方面进行了深入研究，使得UTC(BIRM)相对协调世界时UTC的频率偏差和时间偏差逐步减小。系统升级后持续稳定运行，UTC(BIRM)与UTC的时差保持在±20ns以内，优于国际电联要求的各守时实验室所保持的地方协调时UTC(k)与UTC的偏差控制在±100ns以内的要求[1]。UTC(BIRM)与UTC的相对频率偏差优于3E-14，较之前的5E-13提高了一个多数量级。本文对当前BIRM守时系统的组成、守时算法、UTC(BIRM)的驾驭控制算法，以及UTC(BIRM)保持情况等进行简要介绍。

2 BIRM守时系统组成与工作原理

BIRM的守时系统主要由守时钟组、内部时间比对单元、外部时间比对单元、UTC(BIRM)控制单元、UTC(BIRM)信号分配单元，以及守时算法单元6部分组成，如图1所示。

图1 BIRM守时系统框图Fig.1 Time-keeping system of BIRM

守时钟组是守时系统的核心，负责输出原始脉冲信号和频率信号，为系统提供频率源。内部时间比对单元和外部时间比对单元分别实时采集本地原子钟和远程站的时差数据，两种时差数据经过预处理之后参与原子时计算后得到本地综合原子时TA(BIRM)。UTC(BIRM)控制单元以TA(BIRM)为参考，对主钟信号进行驾驭控制，得到本地时间频率标准UTC(BIRM)；为了提供守时系统的可靠性，UTC(BIRM)控制单元进行了主备同步设计，使得主备路的1PPS信号和5MHz频率信号时刻保持同步。UTC(BIRM)信号分配单元负责将本地标准信号分配为多路，供其他系统或用户使用。

3 关键技术

3.1 时间比对和数据处理技术

时间比对包含钟组内部时间比对和远程时间比对。

3.1.1 内部时间比对

在钟组内部，利用程控开关+计数器的方式循环采集主钟信号UTC(BIRM)与各原子钟的时差，采集周期为1h，为原子时计算提供原始时差数据。众多周知，由于受到环境、人为等因素影响，原始钟差数据存在跳频、跳相等异常情况，在进行原子时计算之前需要进行数据预处理。本文结合中位数探测法，提出了一种精准高效的异常钟差探测与修正算法，可准确定位钟差数据的异常位置、分析异常类型并修正[2]。

中位数探测法表达式如下

(1)

式中：m——序列{yi}的中位数，当观测量|yi|>(m+n×MAD)时(n为正整数，针对不同原子钟，n的取值不同)，认为其为异常值，进行修正。

修正算法包括相位补偿法、线性插值法、最小二乘拟合法、双向最小二乘组合法，根据异常值类型的不同，选用的修正算法也不同。以2017年10月31日11点至2017年11月4日23点，2号钟(Clock2)与主钟之间的钟差实测值为例，修正效果如图2所示。

图2 时差数据修正结果曲线图Fig.2 Correction result of the time difference data

内部时间比对的所有原始钟差数据全部上报给国际计量局BIPM，参与国际原子时归算。预处理后的钟差数据用于本地综合原子时TA(BIRM)的计算。

3.1.2 外部时间比对

外部时间比对主要是采用GNSS共视与GNSS载波相位时间传递两种方式将本地时间UTC(BIRM)溯源至UTC。

BIRM的外部时间比对由两台热备份的多通道时间传递接收机完成。为了减小远程比对不确定度，利用国际计量局(BIPM)的旅行接收机采用相对校准法对BIRM与BIPM之间的远程时间比对链路进行了校准[3,4]，将远程时间传递不确定度由20ns减小到3ns。相对校准法如图3所示。

图3 相对校准法框图Fig.3 Relative calibration

GNSS共视与GNSS载波相位时间传递产生的数据文件每天定时自动上传至BIPM的FTP，参与协调世界时UTC和快速协调世界时UTCr比对；同时，本地定时下载BIPM公布的T公报和快速T公报，根据UTC与UTC(BIRM)的偏差及时对本地钟速进行调整。

3.2 原子时算法技术

当前，UTC(BIRM)守时系统共有6台原子钟，主钟和备份主钟分别选用1台主动型氢原子钟[5]。BIRM的综合时间尺度TA(BIRM)是利用6台原子钟与主钟的时差数据综合产生，对本地原子时算法，本文做了大量研究与试验。

原子时算法的目的是利用统计学方法，充分发挥钟组中每台钟的优势，使得产生的综合时间尺度的稳定度大大高于单台钟的稳定度，可见原子时算法在守时系统中处于举足轻重的位置[6]。钟组、原子时算法和综合时间尺度的关系如图4所示。

图4 钟组、原子时算法和综合时间尺度的关系框图Fig.4 Relation among clock group,atomic time algorithm and time scale

国际上使用最多的原子时算法及经典加权平均算法，其算法为[7]

(2)

本文以经典加权平均算法为指导，建立了两套时间尺度算法体系，分别为实时时间尺度算法和滞后时间尺度算法。实时时间尺度算法每小时计算一次，用于实时调整UTC(BIRM)；滞后时间尺度算法分别每周计算一次和每月计算一次，利用快速T公报和T公报的时差值对算法中的钟速进行调整。

3.3 UTC(BIRM)驾驭技术

UTC(BIRM)是守时系统最终输出的时间频率标准信号，由1台相位微调仪对主钟的5MHz频率信号调整后产生。UTC(BIRM)驾驭子系统结构如图5所示。

图5 UTC(BIRM)驾驭子系统结构图Fig.5 The Structure of UTC(BIRM) Steering System

原子时算法获得纸面的综合时间尺度TA(BIRM)，利用TA(BIRM)对UTC(BIRM)的频率信号实时控制，使得UTC(BIRM)跟踪于TA(BIRM)。UTC(BIRM)的控制过程主要分为三个阶段：数据积累阶段、粗调阶段和微调阶段[8]。

第一阶段：数据积累。新系统运行初始阶段，需要积累数据，用于分析主钟特性。在这一过程中不对相位微调仪进行任何控制操作。第二阶段：粗调。待数据积累一个月后，根据UTC(BIRM)与TA(BIRM)之间的时差计算主钟的相位调整量和频率调整量，并将其通过串口送入主钟的相位微跃计完成粗调。经过粗调，UTC(BIRM)与TA(BIRM)的时差可调至纳秒量级，相对频率偏差可调至E-14量级。第三阶段：微调。粗调完成后，为了保证相位连续性，不再对主钟相位进行调整，而是实时监测UTC(BIRM)与TA(BIRM)之间的时差并计算相对频率偏差，根据运行情况判断是否需要进行微调。在微调阶段，频率调整量一般在E-15量级。

3.4 主备同步技术

为了保证UTC(BIRM)的持续稳定可靠运行，本文进行了主备同步设计。主备同步调整过程分为两个阶段：初始脉冲同步和微调频率同步[9]。

第一阶段：初始脉冲同步。利用相位微调器的PPS同步功能，将主备钟输出的脉冲信号同步到一个较小的范围内(该范围由相位微调器决定)，实现主备信号的粗同步。第二阶段：微调频率同步。设置时间间隔计数器的采样周期为1s，利用计数器实时采集主备钟差，根据该时差实时计算备份钟相对于主钟的相对频率偏差和相位偏差。若偏差超出阈值，则计算备份钟的频率调整量，并利用相位微调器对备份钟的频率进行驾驭；若偏差在允许范围以内，则不采取任何动作，待倒计时进入本次调整时刻，则利用本调整周期内的主备钟差计算备份钟的频率调整量，并对备钟进行驾驭。至此，一个调整周期结束，进入下一个调整周期，重复以上采集、计算与调整操作。

通过主备同步技术，可使两路信号的时差时刻保持在1ns以内，相对频率偏差保持在E-15量级。如图6所示。

图6 主备同步结果示意图Fig.6 Consistency result of master-backup system

4 UTC(BIRM)的保持情况

统计BIPM的T公报数据[4]，BIRM守时系统运行一年间，UTC(BIRM)与UTC的时差始终控制在20ns以内，即，|UTC-UTC(BIRM)|<20ns，优于国际电联ITU要求的各守时实验室所保持的协调世界时UTC(k)与国际协调时UTC的差小于100ns的要求；相对频率偏差优于3E-14。UTC-UTC(BIRM)时差曲线如图7所示，频差曲线如图8所示。

图7 UTC-UTC(BIRM)时差曲线图Fig.7 Time difference between UTC(BIRM) and UTC

图8 UTC-UTC(BIRM)相对频率偏差曲线图Fig.8 Relative frequency deviation between UTC(BIRM)and UTC

5 结束语

近年来，通过改善UTC(BIRM)守时系统的硬件组成，开展守时理论和方法、原子时算法研究等，使得时间频率标准信号UTC(BIRM)性能得到长足提升。不过，相较于国际先进守时实验室的守时指标，UTC(BIRM)仍有很大提升空间。当前，BIRM还在不断深入研究守时技术，研制守时相关设备，改善守时环境，增强守时系统稳定性，UTC(BIRM)性能将会得到进一步提升。