趙 娜，湯廷松，王冬霞

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

趙 娜，湯廷松，王冬霞

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

跨地區(qū)遠(yuǎn)程一體化運(yùn)行系統(tǒng)，尤其是測(cè)量精度要求高的測(cè)距系統(tǒng)，不同區(qū)域間時(shí)間同步精度如何精確的標(biāo)定評(píng)估是系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)過程中必須要解決的重要問題。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、實(shí)現(xiàn)周期、操作便捷等約束因素，在對(duì)目前常用的遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定方法進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，提出了基于搬運(yùn)鐘的遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性，同步測(cè)試精度可達(dá)到0.108 ns。

遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定；搬運(yùn)鐘法；實(shí)現(xiàn)方法；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、無線電通訊、系統(tǒng)集成等高新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，各行各業(yè)研究應(yīng)用的系統(tǒng)不再僅限于同地域建設(shè)，跨地區(qū)遠(yuǎn)程一體化運(yùn)行系統(tǒng)更加適應(yīng)各類資源互通、集成管理、統(tǒng)籌分配的企業(yè)集團(tuán)規(guī)模化現(xiàn)代發(fā)展潮流。跨區(qū)域系統(tǒng)中不同區(qū)域的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都是緊密相關(guān)的，各測(cè)試設(shè)備的觸發(fā)也要求按照統(tǒng)一的時(shí)序和節(jié)拍。為了保證各區(qū)域間數(shù)據(jù)的精確測(cè)量、信息的同步更新，系統(tǒng)需要使用統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和節(jié)拍，以保證他們能夠協(xié)調(diào)有序的工作，即所有設(shè)備(尤其是測(cè)量精度要求高的測(cè)距設(shè)備)均應(yīng)保持精準(zhǔn)的時(shí)間同步。系統(tǒng)建成后，時(shí)間同步性能評(píng)估是系統(tǒng)測(cè)試的重要項(xiàng)目之一，通常需要采用比被測(cè)對(duì)象更高一級(jí)精度的時(shí)間標(biāo)定設(shè)備和標(biāo)定方法來實(shí)現(xiàn)。

本文在對(duì)目前常用的遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定方法進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述搬運(yùn)鐘法的遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法及其驗(yàn)證結(jié)果。

1 遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法

目前，工程上尤其是高精度測(cè)距系統(tǒng)常用的遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法主要包括：搬運(yùn)鐘法、衛(wèi)星共視法、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法。

1.1 搬運(yùn)鐘法

搬運(yùn)鐘法是搬運(yùn)鐘法是一種既古老又年輕的時(shí)刻和頻率比對(duì)方法[1]。以可便攜移動(dòng)的高精度原子鐘(氫鐘、銫鐘)為中間基準(zhǔn)，將其在參考鐘實(shí)驗(yàn)室與用戶所在地之間往返搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶鐘的校準(zhǔn)和同步評(píng)估。搬運(yùn)鐘法的原理如圖1所示。

該方法測(cè)試評(píng)估設(shè)備主要為精度較高的搬運(yùn)鐘(通用設(shè)備)，實(shí)施方便、組成簡單，對(duì)被測(cè)設(shè)備所處環(huán)境要求不高，閉合驗(yàn)證精度較高。

1.2 衛(wèi)星共視法

衛(wèi)星共視法是指在一顆衛(wèi)星的視角內(nèi)，地球上任何兩個(gè)地點(diǎn)的原子鐘可以利用同一時(shí)間收到的同一顆衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)間頻率比對(duì)。20世紀(jì)90年代初，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(national institute of standards and technology，NIST)開發(fā)出全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)衛(wèi)星共視技術(shù)[2]。目前，共視法是國際原子時(shí)(coordinated universal time，UTC)合作的主要技術(shù)手段之一。GPS共視法是地球上遠(yuǎn)距離時(shí)鐘比對(duì)性價(jià)比最優(yōu)的方法之一，傳遞不確定度可達(dá)到幾個(gè)ns[3]。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的快速發(fā)展，BDS共視法也可以完成遠(yuǎn)距離時(shí)鐘比對(duì)，同時(shí)，BDS特有的地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星對(duì)兩地始終處于可見位置，更有利于共視法的測(cè)量與分析。衛(wèi)星共視法測(cè)試原理如圖2所示。

該方法測(cè)試評(píng)估設(shè)備主要為專用的共視接收機(jī)及其處理軟件，測(cè)量精度較高，但被測(cè)設(shè)備需要能夠正常接收同一顆衛(wèi)星信號(hào)。

尤其在近年的研究中，內(nèi)創(chuàng)業(yè)的概念界定越來越寬：內(nèi)創(chuàng)業(yè)不僅包括組織內(nèi)新業(yè)務(wù)創(chuàng)造活動(dòng)，而且也包括現(xiàn)有組織中的一種創(chuàng)業(yè)精神(Yaghoubi等，2008)；內(nèi)創(chuàng)業(yè)不僅包括新產(chǎn)品、新技術(shù)開發(fā)，也包括競(jìng)爭態(tài)勢(shì)開發(fā)和新戰(zhàn)略等類創(chuàng)新活動(dòng)(Hanns，2008)。

1.3 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法

衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)自1990年逐漸被采用作為常規(guī)的時(shí)間比對(duì)方法，1999年起被用于國際原子時(shí)(international atomic time scale，TAI)產(chǎn)生計(jì)算。TWSTFT是相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室，通過通信衛(wèi)星，同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送本地鐘的時(shí)間信號(hào)，并同時(shí)接收和測(cè)量對(duì)方鐘的時(shí)間信號(hào)和本地鐘信號(hào)之間的時(shí)刻差，經(jīng)過雙向本身的數(shù)據(jù)傳送功能交換測(cè)量數(shù)據(jù)后，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出兩地鐘差。由于兩地信號(hào)通過的路徑完全相同，可以很好的消除傳遞路徑時(shí)延變化所造成的影響，這種方法是目前精度最高的遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)方法，最高比對(duì)精度可達(dá)幾百ps[4-6]，它是實(shí)現(xiàn)地面站之間時(shí)間頻率傳遞的重要方法，也是國際范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)站間時(shí)間頻率傳遞，建立UTC/TAI的重要手段。目前歐美地區(qū)有13個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用TWSTFT，亞太地區(qū)有8個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用TWSTFT。衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞原理如圖3所示。

該方法比對(duì)精度高，但需要在被測(cè)系統(tǒng)兩地均搭建衛(wèi)通收發(fā)鏈路，測(cè)試評(píng)估設(shè)備構(gòu)建復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)周期長、成本較高。

2 搬運(yùn)鐘法遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證

比較以上3種遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法，搬運(yùn)鐘法采用通用設(shè)備，且實(shí)現(xiàn)較便捷、容易，在不同行業(yè)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程集成系統(tǒng)中可以廣泛應(yīng)用。我們重點(diǎn)對(duì)搬運(yùn)鐘法遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)示意圖如圖1所示，圖中A時(shí)間基準(zhǔn)地點(diǎn)，B為需與A做時(shí)間同步的地點(diǎn)。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及要求

試驗(yàn)采用瑞士產(chǎn)的銫原子鐘做搬運(yùn)鐘，搬運(yùn)前在基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行一個(gè)月以上，以確保其運(yùn)行性能穩(wěn)定，頻率漂移K小至可忽略不計(jì)。搬運(yùn)鐘采用的交通工具是汽車(帶密閉貨箱，配空調(diào)保持溫度、濕度恒定)，搬運(yùn)期間，搬運(yùn)鐘固定放置且始終帶電連續(xù)運(yùn)行，汽車盡量運(yùn)行在平坦路面，保持勻速運(yùn)行，故可不考慮相對(duì)論效應(yīng)修正。

2.2 搬運(yùn)鐘的校準(zhǔn)測(cè)量

搬運(yùn)前，需要對(duì)搬運(yùn)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。A地時(shí)頻系統(tǒng)和搬運(yùn)鐘分別向時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器輸出秒脈沖信號(hào)，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量兩路信號(hào)的時(shí)差結(jié)果x(t)，利用該時(shí)差結(jié)果計(jì)算頻率準(zhǔn)確度，計(jì)算方法如下：

(1)

頻率準(zhǔn)確度計(jì)算公式為

(2)

利用計(jì)算得到的頻率準(zhǔn)確度，調(diào)整搬運(yùn)鐘的頻率綜合器，使其與A地時(shí)頻的頻差逐漸減小，小于搬運(yùn)鐘的最小步進(jìn)調(diào)整量時(shí)，即完成搬運(yùn)鐘的校準(zhǔn)。

2.3 B地(待測(cè)地)時(shí)頻性能測(cè)試

搬運(yùn)鐘至B地，B地時(shí)頻和搬運(yùn)鐘分別向時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器輸出秒脈沖信號(hào)，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量兩路信號(hào)的時(shí)差結(jié)果x(t)，利用該時(shí)差結(jié)果可以計(jì)算B地(待測(cè)地)時(shí)頻的頻率準(zhǔn)確度(計(jì)算方法見式(2))和頻率穩(wěn)定度。

頻率穩(wěn)定度根據(jù)阿倫方差計(jì)算公式[7-8]的變換計(jì)算得到

(3)

2.4 A、B兩地時(shí)間同步測(cè)試

t1時(shí)刻，在A地測(cè)量A地秒脈沖與銫鐘秒脈沖時(shí)差x1，然后搬運(yùn)至B地，在t2時(shí)差測(cè)量B地秒脈沖與銫鐘秒脈沖時(shí)差x2。

由于A、B兩地時(shí)間同源，A地時(shí)間與銫鐘的頻率偏差記為Δf，則可以推算出A地在t2時(shí)刻秒脈沖與銫鐘秒脈沖的時(shí)差為

(4)

則可以在t2時(shí)刻測(cè)試出A、B兩地的時(shí)間同步精度為

(5)

當(dāng)A、B兩地為同一個(gè)地方時(shí)，則得到的測(cè)試結(jié)果即可以認(rèn)為是搬運(yùn)鐘的同步測(cè)試精度。

2.5 遠(yuǎn)程時(shí)間同步標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

搬運(yùn)前，提前1天將搬運(yùn)鐘(銫鐘)加電穩(wěn)定，并采集A地秒脈沖(開門)與搬運(yùn)鐘秒脈沖(關(guān)門)時(shí)差。待搬運(yùn)鐘穩(wěn)定后，計(jì)算搬運(yùn)鐘相對(duì)于A地系統(tǒng)時(shí)間的相對(duì)頻率偏差為-6.99e-13，時(shí)差曲線如圖4所示。

搬運(yùn)鐘搬運(yùn)至B地，再由B地搬運(yùn)至A地，可通過往返計(jì)算得出A地與B地的時(shí)差。從整個(gè)搬運(yùn)鐘往返測(cè)試過程來分析，從A地運(yùn)至B地，再由B地運(yùn)至A地兩次鐘差測(cè)試結(jié)果基本一致(相差0.11 ns)，平均值為74.795 ns。搬運(yùn)鐘往返測(cè)試結(jié)果詳見表1。

從A地出發(fā)至返回A地的整個(gè)過程，通過閉環(huán)驗(yàn)證可得出搬運(yùn)鐘的同步測(cè)試精度為0.108 ns，搬運(yùn)鐘閉環(huán)測(cè)試結(jié)果詳見表2。

序號(hào)測(cè)試地點(diǎn)測(cè)試時(shí)間銫鐘與本地鐘之差扣除銫鐘頻率偏差引起的相位變化兩地時(shí)差1A地2014?07?21T10：34：570594765868237s2B地2014?07?21T11：46：530594765790368s302ns7485ns3B地2014?07?21T11：46：530594765790368s4A地2014?07?21T13：07：120594765861739s337ns7474nsA地與B地時(shí)差(均值)74795ns

表2 搬運(yùn)鐘閉環(huán)測(cè)試結(jié)果

以上結(jié)果表明：在整個(gè)測(cè)試過程中，搬運(yùn)鐘沒有出現(xiàn)顯著的頻率變化，整個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)合理有效。

3 結(jié)束語

常用的遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法主要包括：搬運(yùn)鐘法、衛(wèi)星共視法、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法。其中，搬運(yùn)鐘法標(biāo)定設(shè)備均為通用部件，操作簡單，對(duì)被測(cè)設(shè)備所處環(huán)境要求不高，閉合驗(yàn)證精度較高，可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定。本文對(duì)搬運(yùn)鐘法的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：在確保搬運(yùn)鐘始終保持穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，搬運(yùn)鐘的同步測(cè)試精度可達(dá)到0.108 ns。該試驗(yàn)對(duì)搬運(yùn)鐘法的工程實(shí)現(xiàn)具有借鑒意義。

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Long-distance time synchronization performance testing method and experiment validation

ZHAONa，TANGTingsong，WANGDongxia

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

To the multiregional long-distance integrative function system，especially to a region measure system whose measure precision demand is very high，how to demarcate and evaluate accurately the time synchronization performance is very important in system’s engineering realization.Considering the restriction such as economy cost，realization period，operation handiness，this paper brings forward the realization method of clock travel，basing on analysis and compare of the common used time synchronization performance testing method.It is validated that the method is feasibility and the time synchronization performance testing precision attains 0.108 ns.

long-distance time synchronization performance testing；clock travel method；realization method；experiment validation

2016-02-22

趙娜(1977—)，女，山東泰安人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與工程實(shí)踐。

趙娜，湯廷松，王冬霞.遠(yuǎn)程時(shí)間同步性能標(biāo)定方法及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(1)：31-34,64.(ZHAO Na，TANG Tingsong，WANG Dongxia.Long-distance time synchronization performance testing method and experiment validation[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：31-34,64.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170107.

TN98

A

2095-4999(2017)01-0031-05