GNSS時頻檢測系統時間直接溯源及評定

孫海燕，王豐，馬煦，李齡

（北京衛星導航中心，北京　100094）

GNSS時頻檢測系統時間直接溯源及評定

孫海燕，王豐，馬煦，李齡

（北京衛星導航中心，北京100094）

本文基于直接溯源方法，實現GNSS時頻檢測系統向GNSS時間基準溯源，并對時間溯源不確定度評定方法進行了理論分析。該方法具有溯源精度高、可行性強等特點，能夠為保證GNSS時統終端的時頻參數測量精度提供前提條件。

全球衛星導航系統；時頻檢測；時間溯源

1　引言

隨著全球衛星導航系統（GNSS）技術日趨成熟，接收GNSS衛星信號的終端日益多樣化和批量化。衛星導航系統除定位功能外，授時能力也是其重要的能力，且定位精度依賴于系統定時精度。為了保證接收衛星導航信號的時統終端輸出準確可靠的時間和頻率信息，需要建立GNSS高精度時間頻率檢測系統，對終端輸出時間和頻率信號進行功能和性能檢測。由于時間頻率是國際計量局（BIPM）規定的法定計量參數之一，時間頻率檢測系統需要向上級時間頻率源即GNSS時間基準進行溯源，并對溯源的結果進行不確定度評定［1-3］。

傳統的時間頻率計量主要通過頻率溯源建立溯源鏈路。時間溯源往往通過間接接收衛星信號的方法實現，時間間接溯源方法受環境條件限制，空間無線信號容易受到電磁干擾，穩定性和可靠性低。此外，引入衛星接收設備誤差，精度受限［3-4］。隨著衛星導航技術的發展和系統建設，在GNSS時間基準并址建設時間頻率檢測系統，可以實現時頻檢測系統向時間基準的直接溯源。直接溯源法通過時頻線纜這種有線方式傳遞標準頻率和脈沖信號，能縮短溯源距離，減少電磁干擾，提高時間和頻率溯源的可靠性和精度。

本文針對GNSS高精度時間頻率檢測系統直接溯源的方法進行詳細探討，論述了系統時間溯源精度即溯源不確定度評定方法。該方法應用于實際系統溯源操作，溯源不確定度控制在納秒量級。

2　時頻檢測系統直接溯源方法

2.1GNSS時頻檢測系統工作原理

為了測試接收GNSS衛星信號的時統終端輸出定時信息與GNSS時間基準的定時偏差，需要建立GNSS高精度時頻檢測系統，且該系統必須向GNSS時間基準直接溯源，即系統時頻信號線纜通過有線的方式與GNSS時間基準設備直接連接，以保證溯源不確定度達到納秒量級。如圖1所示。

圖1　GNSS高精度時頻檢測系統溯源圖

GNSS時間基準由多臺氫原子鐘和銫原子鐘組成的原子鐘組和配套時頻設備組成。原子鐘組產生的標準時間為UTC（k），即GNSS時間基準，k表示建立和保持標準時間的守時實驗室。配套時頻設備包括相位微調器、分頻鐘、秒信號分配器等組成。秒信號分配器輸出1分多路的標準1pps脈沖信號，其中1路1pps信號輸出至GNSS時頻檢測系統。

GNSS時頻檢測系統由信號源輸入設備、時頻信號測量設備和測試數據處理設備等組成。完成對接收GNSS衛星信號的時統終端輸出的時間和頻率信號進行檢測。檢測指標包括：與GNSS標準時間源的定時偏差、輸出網絡信號授時精度、頻率準確度、頻率穩定度、相位噪聲等。其中，采用時差法時，可以通過測量定時偏差計算求得頻率準確度和頻率穩定度。因此，GNSS時統終端輸出的標準1pps脈沖信號與GNSS標準時間源的定時偏差是核心測量指標，并代表了GNSS時頻檢測系統的核心檢測能力。為了準確測量時統終端的定時偏差，需要GNSS時頻檢測系統向GNSS時間基準溯源，時間溯源精度水平直接影響定時偏差的測量精度。

GNSS時頻檢測系統時間溯源的原理是將GNSS時間基準的秒信號分配器1輸出的標準1pps脈沖信號輸入至GNSS時頻檢測系統的秒信號分配器2，再由秒信號分配器2設備1分多路1pps脈沖信號輸入至多個時頻測量設備，作為標準時間參考輸入信號。時頻測量設備能夠測量出GNSS時統終端輸出的1pps秒脈沖信號與標準時間參考1pps信號的偏差，即時統終端輸出信號與標準時間UTC（k）的定時偏差。作為該過程的逆過程，就實現了時頻測量設備輸入的標準時間參考1pps信號向GNSS時間基準保持的標準時間UTC（k）溯源，且溯源精度越高越好。溯源過程會產生時間延遲，因此需要精確測定該時間延遲，以保證時頻測量設備輸入的1pps秒脈沖信號在扣除溯源時延后最大限度地接近于標準時間UTC（k）輸出的標準1pps秒脈沖信號。

GNSS時頻檢測系統向GNSS時間基準溯源的信號鏈路如圖2所示。

圖2　時間檢測系統時間源信號鏈路圖

GNSS時間基準的原子鐘組建立和保持的標準時間為UTC（k）。原子鐘組輸出標準頻率信號，通過分頻鐘后轉換為標準1pps秒脈沖信號，并由秒信號分配器1設備1分多路后輸出。秒信號分配器1輸出點（A點）的時間為UTC（k）+R1，R1為秒信號分配器1輸出點（A點）的時間延遲，并認為R1為已知的精確標定值。A點輸出的1pps信號輸入至秒信號分配器2，由秒信號分配器2設備1分多路后輸出多路1pps信號。即GNSS時頻檢測系統的時頻測量設備的標準參考輸入信號。在秒信號分配器2的輸出點（B點）標注時間為UTC（k）+R2，R2為秒信號分配器2輸出點（B點）的時間延遲。因此，R2為GNSS時頻檢測系統參考信號與標準時間UTC（k）的偏差，即需要精確標定的溯源值。

2.2系統時間直接溯源方法

GNSS時頻檢測系統直接溯源的時延精確標定方法如圖3所示。

圖3　系統時間直接溯源方法原理圖

時頻檢測系統向GNSS時間基準溯源引入的時間延遲由秒信號分配器1和分配器2中間的連接線纜時延D1和秒分2設備時延DS組成，即

因此，

式中，R1為已知值；D1和DS是待測定值。因此，GNSS時頻檢測系統直接溯源時延標定采用分段標定、整體合成的方法。先分別標定時頻線纜時延D1和秒分2設備時延Ds，然后再按公式（1）合成計算后得到溯源值R2。

2.3系統時間直接溯源步驟

2.3.1信號線纜時延標定

由于秒信號分配器1的輸出時頻線纜D1已埋入時頻檢測系統機房地下，固定不動。不能采用計數器對線纜D1直接標定時延的方法，因此采用與已知時延的線纜D3比對測量的方法進行時延標定。測量連接如圖4所示。

圖4　D1線纜時延測量圖

秒信號分配器1輸出的1pps信號經由線纜D1末端接入時間間隔計數器作為開門信號，并從分配器1另接出一路1pps信號經由線纜D3接入時間間隔計數器作為關門信號。時間間隔計數器測量值為y1。因此，y1=D3-D1，推導得到：

由于時間間隔計數器的測量不確定度約為0.1ns，D1線纜和D3線纜的時延差值應在0.1ns以上。因此，需選擇與D1線纜長度不一致的D3線纜進行測量標定。

2.3.2設備時延標定

秒信號分配器2的設備時延標定如圖5所示。

圖5　秒信號分配器設備時延測試圖

在時間間隔計數器的輸入端C點，即時頻線纜D1的末端連接一個三通器件，三通同時連接線纜D4。秒信號分配器2的輸出信號通過線纜D5輸出至時間間隔計數器。采用D5輸入為計數器關門信號，D1輸入為計數器開門信號，設時間間隔計數器測量值為y2。三通引入時延Dt約為0.1ns，則

推導得到：

式中，線纜D4和D5可以采用計數器對線纜直接標定時延的方法得到。

2.3.3 設備輸出端口時延標定

如圖3所示，秒信號分配器2端口輸出的1pps信號與標準時間UTC（k）的定時偏差為R2。R1為已知值，根據上述步驟精確標定D1和DS后，根據公式（1），可以計算得到R2。

2.4實驗驗證方法

為了用實驗驗證理論計算得到的R2的正確性，設計實驗如圖3所示。秒信號分配器2輸出信號通過線纜D2輸入至時間間隔計數器作為關門信號。從秒信號分配器1輸出信號通過線纜D3輸入至時間間隔計數器作為開門信號。將時間間隔計數器的采樣頻率設置為1s，測量次數為n次，時間間隔計數器測量值為y3i，（i=1，2，…n）。將采集數據取算術平均值，，則

推導得到

式中，線纜D2和D3可以采用計數器對線纜直接標定時延的方法得到。

通過該實驗得到的R2可以作為公式（1）的驗證方法，驗證理論計算R2的正確性。

3　系統時間直接溯源不確定度分析

通過詳細分析［5］，GNSS時頻檢測系統時間直接溯源方法的不確定度分量如下：

（1）測量重復性引入的測量不確定度分量uA，根據實驗測量結果取n次測量（每次測量數據R2i（i=1，2，…n）取3次測量結果的平均值）算術平均值為

則實驗標準偏差為

平均值的實驗標準偏差為

測量重復性引入的A類不確定度為

（2）時間基準作為參考源引入的不確定度分量為uB1（取樣時間為1s），即R1引入的不確度分量為uB1。

（3）時間間隔計數器作為測量儀器引入的不確定度為uB2。

（4）環境條件變化引起的不確定度uB3，可以忽略不計。

（5）合成標準不確定度uC（取樣時間為1s）：

（6）擴展不確定度U（取樣時間為1s）：

通常，k=3。

4　結束語

本文對GNSS時頻檢測系統向GNSS時間基準直接溯源的方法進行了詳細論述，探討了系統時間直接溯源的必要性和可行性，并對系統時間直接溯源方法的詳細時延標定步驟進行了論述，給出了實驗驗證方法。最后，對該溯源方法的不確定度進行了分析評定。依據該方法，在實驗室內多次對時頻檢測系統進行溯源標定，實驗結果滿足溯源要求，說明對該方法的分析論證是合理可行的。時頻檢測系統的直接溯源方法提高了系統時間溯源的可靠性和精度，并為GNSS時統終端的時間頻率參數精確測量提供了前提保障。

［1］和濤，張慧君，李孝輝，趙志雄.基于UTC（NTSC）的時間頻率遠程校準與溯源研究［J］.電子測量技術，2013，05，P15-20

［2］倪廣仁，許錄平，和康元.時間頻率溯源鏈的重要性及其應用［J］.天文研究與技術，2006，01，P13-20

［3］陳瑞瓊，劉婭，李孝輝.基于SR620的遠程時間頻率測量系統設計與實現［J］.時間頻率學報，2013，03，P134-140

［4］李孝輝，劉陽，張慧君，施韶華.基于UTC（NTSC）的GPS定時接收機時延測量［J］.時間頻率學報，2009，01，P18-21

［5］范巧成，田靜，宋韜等.計量基礎知識（第三版）［M］.北京：中國質檢出版社和中國標準出版社，2014，02

Time Traceability Directly and Evaluating of GNSS Time & Frequency Measurement System

Sun Haiyan，Wang Feng，Ma Xu，Li Ling
（Beijing satellite navigation center，Beijing，100094）

It has been discussed this paper that the time of time & frequency measurement system is traceable directly to Global Navigation Satellite Systems （GNSS） time standard. The uncertainty evaluating method of time traceability has been analyzed in theory. This way can guarantee the measuring level of GNSS time & frequency terminals with high precision and feasibility.

Global Navigation Satellite Systems （GNSS）； time & frequency measuring； time traceability

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.004

TN96

A

1672-7274（2015）04-0016-04