徐亮胥婕董蓮徐信業(yè)/ .上海市計量測試技術(shù)研究院；.華東師范大學(xué)

基于GPS共視法的原子頻標(biāo)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)

徐亮1胥婕1董蓮1徐信業(yè)2/ 1.上海市計量測試技術(shù)研究院；2.華東師范大學(xué)

基于GPS共視法遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理，在上海市計量測試技術(shù)研究院與華東師范大學(xué)之間搭建了GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)為華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室（科技部）的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置提供遠(yuǎn)程校準(zhǔn)服務(wù)?；?0 d CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件的實驗數(shù)據(jù)和所編制的數(shù)據(jù)分析軟件，分別計算出銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對頻率偏差、相對頻率準(zhǔn)確度、頻率日漂移率和日穩(wěn)定度。實驗結(jié)果表明，這些參數(shù)滿足技術(shù)規(guī)范提出的技術(shù)指標(biāo)要求。該GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)具備正確性、穩(wěn)定性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)，能夠為銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置提供可行的遠(yuǎn)程量值溯源服務(wù)。

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)；原子頻率標(biāo)準(zhǔn)；GPS共視法；時間頻率

0 引言

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)是現(xiàn)代時間頻率計量校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的計量方式是通過一條不間斷鏈路實現(xiàn)量值溯源和傳遞，從下一級計量部門到上一級計量部門的溯源通常為樣品送檢的方式。這種計量方式存在送檢期間下一級計量標(biāo)準(zhǔn)無法正常使用而導(dǎo)致計量工作停止，以及部分下一級計量標(biāo)準(zhǔn)因不易于搬運(yùn)而無法計量等問題。原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)為原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的計量方式提供了一種全新的思路。

1 GPS共視法基本原理

現(xiàn)代時間頻率測量的一個很重要特點(diǎn)是，可以通過無線電信號實現(xiàn)遠(yuǎn)程時間頻率傳遞。GPS共視法、衛(wèi)星雙向法和GPS載波相位法是目前國際上高精度時間頻率傳遞的實用手段。其中，GPS共視法技術(shù)因成本較低、可操作性強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用。

GPS系統(tǒng)可向全球范圍內(nèi)的用戶提供導(dǎo)航、定位、授時功能。GPS衛(wèi)星上配備高精度的星載原子鐘，并由美國海軍天文臺保持獨(dú)立的GPS時間（GPST）。

GPS共視法指兩站同時觀測同一顆GPS衛(wèi)星，以實現(xiàn)兩站之間的時間同步。在兩地進(jìn)行共視法實驗時，需具備以下條件：

1）兩個共視接收機(jī)分別安裝在觀測站A和B；

2）A、B兩站的坐標(biāo)需要準(zhǔn)確測量；

3）測量時，A、B必須在同一時刻觀測到同一顆GPS衛(wèi)星i。

當(dāng)GPS共視接收機(jī)同時接收4顆及4顆以上衛(wèi)星的信號時，可以通過定位方程計算出接收機(jī)天線的位置坐標(biāo)和接收機(jī)時鐘相對于GPST的鐘差。

S時間的秒脈沖，送至接收機(jī)內(nèi)置的時間間隔計數(shù)器，與本地原子鐘輸出的秒脈沖比較，得到本地時刻tA與所跟蹤衛(wèi)星的時間ti之差ΔtAi，如式（1）所示。同理，在B地得到tB與ti之差ΔtBi，如式（2）所示。

式（1）與（2）相減可得兩地兩臺原子鐘之間的時間差，如式（3）所示。

2 GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)搭建

GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)包括：兩臺支持接收GPS衛(wèi)星信號的共視接收機(jī)、參考原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置、被校原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置、天線、計算機(jī)、設(shè)備控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件。其中，參考原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置采用的是上海市計量測試技術(shù)研究院購置的氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)；被校原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置采用的是華東師范大學(xué)購置的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)；兩臺支持接收GPS衛(wèi)星信號的共視接收機(jī)分別是上海市計量測試技術(shù)研究院購置的TimeTrace公司 GPS共視接收機(jī)和華東師范大學(xué)購置的橫河公司GPS共視接收機(jī)。GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)

GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備信息和技術(shù)指標(biāo)如下：

1）氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)：俄羅斯KVARZ公司型號CH1-75A的主動型氫原子鐘，其頻率穩(wěn)定度和相位噪聲特性指標(biāo)如表1所示。

表1 頻率穩(wěn)定度和相位噪聲特性指標(biāo)

2）TimeTrace GPS共視接收機(jī)：具有良好的接收性能，最多可同時跟蹤8顆衛(wèi)星，配套計算機(jī)裝有GPS CView軟件。其主要功能如下：測量本地鐘時間與GPS系統(tǒng)時間之差，進(jìn)而可求出原子頻率標(biāo)準(zhǔn)相對準(zhǔn)確度、相對日頻率漂移率、相對長期穩(wěn)定度。

3）銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)：采用Symmetricom公司型號TSC4400的 GPS鎖銣振蕩器，該銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是一臺時間恢復(fù)設(shè)備，產(chǎn)生跟蹤UTC（USNO）的精確定時信號。該設(shè)備利用GPS鎖定銣原子頻標(biāo)，提供具有良好原子頻標(biāo)短期穩(wěn)定性和GPS長期頻率穩(wěn)定性的定時輸出。TSC4400內(nèi)部使用高性能銣鐘和高精度定時型GPS接收機(jī)，在鎖定GPS情況下10 MHz頻率長期穩(wěn)定度優(yōu)于普通5071A，接近高性能版5071A。

4）橫河FT-001 GPS共視接收機(jī)：具有良好的接收性能，可以接收L1（1 574.42 MHZ）和C/A碼，接收通道達(dá)50個，支持CGGTTS格式的1S數(shù)據(jù)輸出。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件

1994年BIPM制定了共視法數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件，并在1995年原子時計算中實施。根據(jù)《GPS接收機(jī)軟件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)指南》中的相關(guān)要求，GPS接收機(jī)每次跟蹤接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時間為13 min，每隔12.5 min生成一次電離層延遲數(shù)據(jù)。由于GPS衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期為11 h 58 min，所以第二天將比第一天提前4 min進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。每次進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的間隔為16 min，前2 min鎖定衛(wèi)星信號，中間13 min跟蹤接收數(shù)據(jù)，最后1 min進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。接收機(jī)每隔一天生成前一天的數(shù)據(jù)，并按照CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件輸出。CGGTTS格式的各參數(shù)詳解如表2所示，圖2為CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件。

表2 CGGTTS參數(shù)詳解

3.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件中的各項參數(shù)定義，作者編譯了專門的處理軟件，以該文件作為整體輸入，計算相對頻率偏差、相對頻率準(zhǔn)確度、頻率日漂移率和日穩(wěn)定度。

圖2 CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件

3.2.1 相對頻率偏差

在CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件中，REFGPS表示時間跟蹤長度中點(diǎn)處本地秒脈沖與GPS時間之差。相對頻率偏差采用直線擬合法進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，計算被校準(zhǔn)方相對于校準(zhǔn)方的頻率偏差?；具^程如下：

M個TAB隨時間變化，過其平均點(diǎn)做一擬合直線，平均點(diǎn)的坐標(biāo)為，其中，取ti。直線擬合法就是利用擬合直線的斜率計算平均頻率偏差，公式如式（4）所示。

式中：M —— 測量總天數(shù)；

ti—— 第ti個測量日；

TABi—— 第i次測量得到的本地與GPST的鐘差

計算時，需要將分子分母用同一時間單位表示，kAB就變成無量綱的值，即相對頻率偏差。

3.2.2 相對頻率準(zhǔn)確度

JJG 292-2009《銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)》中指出，連續(xù)測量7 d，記錄每天的相對頻率偏差為yAB（τ），選取其中絕對值最大的相對頻率偏差作為該設(shè)備的相對頻率準(zhǔn)確度，公式表達(dá)為A= |yAB（τ）|max。

3.2.3 頻率日漂移率

連續(xù)測量M d，可得M個相對日頻率偏差yAB（τ）值，若參考源的日漂移率比校準(zhǔn)源高一個量級，則可認(rèn)為yAB（τ）的日漂移率即為被校準(zhǔn)源的日漂移率。

銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的頻率日漂移率可以用最小二乘法計算，如式（5）所示。

式中：M —— 測量總天數(shù)；

ti—— 第ti個測量日；

yAB（τ） —— 相對日頻率偏差

3.2.4 日穩(wěn)定度

從穩(wěn)定度測量原理出發(fā)，取樣時間1 d，相對頻率偏差為yi（τ），連續(xù)測量15 d，根據(jù)式（6）計算阿侖方差，即得日穩(wěn)定度，如式（6）所示。

式中：τ —— 1 d的取樣時間；

yi（τ） —— 第i次測量得到的頻率偏差；

M —— 測量總天數(shù)

4 實驗

本實驗采用了約化儒略日：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總計 30 d兩地 的GPS共視接收機(jī)數(shù)據(jù)。按照編譯的計算軟件，計算結(jié)果如表3所示，兩次試驗的日頻率偏差如圖3、圖4所示。

表3 實驗結(jié)果

圖3 實驗一日漂移曲線

圖4 實驗二日漂移曲線

5 結(jié)語

本文基于GPS共視法遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理，在上海市計量測試技術(shù)研究院與華東師范大學(xué)之間搭建GPS共視比對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)，并采用30 d CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件的實驗數(shù)據(jù)分別計算了銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的相對頻率偏差、準(zhǔn)確度、日漂移和天穩(wěn)定度。實驗結(jié)果表明，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)在實踐中具備可操作性，并且計算出的結(jié)果與技術(shù)規(guī)范指標(biāo)一致。但是在計算過程中，由于GPS運(yùn)轉(zhuǎn)周期和衛(wèi)星信號強(qiáng)弱引起的誤差并沒有納入考慮，因此在進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)時，可以從原始的CGGTTS文件出發(fā)，盡量選取缺省較少的數(shù)據(jù)，合理地對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

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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