遠程時間同步性能標定方法及試驗驗證

趙 娜，湯廷松，王冬霞

(北京衛星導航中心，北京 100094)

遠程時間同步性能標定方法及試驗驗證

趙 娜，湯廷松，王冬霞

(北京衛星導航中心，北京 100094)

跨地區遠程一體化運行系統，尤其是測量精度要求高的測距系統，不同區域間時間同步精度如何精確的標定評估是系統工程實現過程中必須要解決的重要問題。綜合考慮經濟成本、實現周期、操作便捷等約束因素，在對目前常用的遠程時間同步標定方法進行分析比較的基礎上，提出了基于搬運鐘的遠程時間同步標定試驗實現方法，并通過試驗驗證了方法的可行性，同步測試精度可達到0.108 ns。

遠程時間同步標定；搬運鐘法；實現方法；試驗驗證

0 引言

隨著我國經濟建設的蓬勃發展，互聯網應用、無線電通訊、系統集成等高新技術得到廣泛應用，各行各業研究應用的系統不再僅限于同地域建設，跨地區遠程一體化運行系統更加適應各類資源互通、集成管理、統籌分配的企業集團規模化現代發展潮流。跨區域系統中不同區域的各項數據都是緊密相關的，各測試設備的觸發也要求按照統一的時序和節拍。為了保證各區域間數據的精確測量、信息的同步更新，系統需要使用統一的時間基準和節拍，以保證他們能夠協調有序的工作，即所有設備(尤其是測量精度要求高的測距設備)均應保持精準的時間同步。系統建成后，時間同步性能評估是系統測試的重要項目之一，通常需要采用比被測對象更高一級精度的時間標定設備和標定方法來實現。

本文在對目前常用的遠程時間同步標定方法進行分析比較的基礎上，重點論述搬運鐘法的遠程時間同步標定試驗實現方法及其驗證結果。

1 遠程時間同步性能標定方法

目前，工程上尤其是高精度測距系統常用的遠程時間同步性能標定方法主要包括：搬運鐘法、衛星共視法、衛星雙向時間頻率傳遞法。

1.1 搬運鐘法

搬運鐘法是搬運鐘法是一種既古老又年輕的時刻和頻率比對方法[1]。以可便攜移動的高精度原子鐘(氫鐘、銫鐘)為中間基準，將其在參考鐘實驗室與用戶所在地之間往返搬運，實現對用戶鐘的校準和同步評估。搬運鐘法的原理如圖1所示。

該方法測試評估設備主要為精度較高的搬運鐘(通用設備)，實施方便、組成簡單，對被測設備所處環境要求不高，閉合驗證精度較高。

1.2 衛星共視法

衛星共視法是指在一顆衛星的視角內，地球上任何兩個地點的原子鐘可以利用同一時間收到的同一顆衛星的時間信號進行時間頻率比對。20世紀90年代初，美國標準技術研究院(national institute of standards and technology，NIST)開發出全球定位系統(global positioning system，GPS)衛星共視技術[2]。目前，共視法是國際原子時(coordinated universal time，UTC)合作的主要技術手段之一。GPS共視法是地球上遠距離時鐘比對性價比最優的方法之一，傳遞不確定度可達到幾個ns[3]。隨著北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)的快速發展，BDS共視法也可以完成遠距離時鐘比對，同時，BDS特有的地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛星對兩地始終處于可見位置，更有利于共視法的測量與分析。衛星共視法測試原理如圖2所示。

該方法測試評估設備主要為專用的共視接收機及其處理軟件，測量精度較高，但被測設備需要能夠正常接收同一顆衛星信號。

尤其在近年的研究中，內創業的概念界定越來越寬：內創業不僅包括組織內新業務創造活動，而且也包括現有組織中的一種創業精神(Yaghoubi等，2008)；內創業不僅包括新產品、新技術開發，也包括競爭態勢開發和新戰略等類創新活動(Hanns，2008)。

1.3 衛星雙向時間頻率傳遞法

衛星雙向時間頻率傳遞法(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)自1990年逐漸被采用作為常規的時間比對方法，1999年起被用于國際原子時(international atomic time scale，TAI)產生計算。TWSTFT是相距遙遠的兩個時間實驗室，通過通信衛星，同時向對方發送本地鐘的時間信號，并同時接收和測量對方鐘的時間信號和本地鐘信號之間的時刻差，經過雙向本身的數據傳送功能交換測量數據后，就可以實時計算出兩地鐘差。由于兩地信號通過的路徑完全相同，可以很好的消除傳遞路徑時延變化所造成的影響，這種方法是目前精度最高的遠程時間比對方法，最高比對精度可達幾百ps[4-6]，它是實現地面站之間時間頻率傳遞的重要方法，也是國際范圍內實現站間時間頻率傳遞，建立UTC/TAI的重要手段。目前歐美地區有13個實驗室采用TWSTFT，亞太地區有8個實驗室采用TWSTFT。衛星雙向時間頻率傳遞原理如圖3所示。

該方法比對精度高，但需要在被測系統兩地均搭建衛通收發鏈路，測試評估設備構建復雜、實現周期長、成本較高。

2 搬運鐘法遠程時間同步標定試驗驗證

比較以上3種遠程時間同步性能標定方法，搬運鐘法采用通用設備，且實現較便捷、容易，在不同行業領域的遠程集成系統中可以廣泛應用。我們重點對搬運鐘法遠程時間同步標定進行了試驗驗證，實現示意圖如圖1所示，圖中A時間基準地點，B為需與A做時間同步的地點。

2.1 試驗準備及要求

試驗采用瑞士產的銫原子鐘做搬運鐘，搬運前在基準實驗室運行一個月以上，以確保其運行性能穩定，頻率漂移K小至可忽略不計。搬運鐘采用的交通工具是汽車(帶密閉貨箱，配空調保持溫度、濕度恒定)，搬運期間，搬運鐘固定放置且始終帶電連續運行，汽車盡量運行在平坦路面，保持勻速運行，故可不考慮相對論效應修正。

2.2 搬運鐘的校準測量

搬運前，需要對搬運鐘進行校準。A地時頻系統和搬運鐘分別向時間間隔計數器輸出秒脈沖信號，時間間隔計數器測量兩路信號的時差結果x(t)，利用該時差結果計算頻率準確度，計算方法如下：

(1)

頻率準確度計算公式為

(2)

利用計算得到的頻率準確度，調整搬運鐘的頻率綜合器，使其與A地時頻的頻差逐漸減小，小于搬運鐘的最小步進調整量時，即完成搬運鐘的校準。

2.3 B地(待測地)時頻性能測試

搬運鐘至B地，B地時頻和搬運鐘分別向時間間隔計數器輸出秒脈沖信號，時間間隔計數器測量兩路信號的時差結果x(t)，利用該時差結果可以計算B地(待測地)時頻的頻率準確度(計算方法見式(2))和頻率穩定度。

頻率穩定度根據阿倫方差計算公式[7-8]的變換計算得到

(3)

2.4 A、B兩地時間同步測試

t1時刻，在A地測量A地秒脈沖與銫鐘秒脈沖時差x1，然后搬運至B地，在t2時差測量B地秒脈沖與銫鐘秒脈沖時差x2。

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

(4)

則可以在t2時刻測試出A、B兩地的時間同步精度為

(5)

當A、B兩地為同一個地方時，則得到的測試結果即可以認為是搬運鐘的同步測試精度。

2.5 遠程時間同步標定試驗驗證結果

搬運前，提前1天將搬運鐘(銫鐘)加電穩定，并采集A地秒脈沖(開門)與搬運鐘秒脈沖(關門)時差。待搬運鐘穩定后，計算搬運鐘相對于A地系統時間的相對頻率偏差為-6.99e-13，時差曲線如圖4所示。

搬運鐘搬運至B地，再由B地搬運至A地，可通過往返計算得出A地與B地的時差。從整個搬運鐘往返測試過程來分析，從A地運至B地，再由B地運至A地兩次鐘差測試結果基本一致(相差0.11 ns)，平均值為74.795 ns。搬運鐘往返測試結果詳見表1。

從A地出發至返回A地的整個過程，通過閉環驗證可得出搬運鐘的同步測試精度為0.108 ns，搬運鐘閉環測試結果詳見表2。

序號測試地點測試時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地時差(均值)74795ns

表2 搬運鐘閉環測試結果

以上結果表明：在整個測試過程中，搬運鐘沒有出現顯著的頻率變化，整個測試數據合理有效。

3 結束語

常用的遠程時間同步性能標定方法主要包括：搬運鐘法、衛星共視法、衛星雙向時間頻率傳遞法。其中，搬運鐘法標定設備均為通用部件，操作簡單，對被測設備所處環境要求不高，閉合驗證精度較高，可以廣泛應用于各個行業的遠程時間同步性能標定。本文對搬運鐘法的標定結果進行了驗證，試驗結果表明：在確保搬運鐘始終保持穩定運行的基礎上，搬運鐘的同步測試精度可達到0.108 ns。該試驗對搬運鐘法的工程實現具有借鑒意義。

[1] 衛志斌.搬運鐘法比對時刻和測定時延[J].測繪科技動態，1993(1)：51-53.

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[6] 郭海榮，楊生，楊元喜，等.基于衛星雙向時間頻率傳遞進行鐘差預報的方法研究[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2007，32(1)：43-46.

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[8] 郭海榮，郭樹人，焦文海，等.原子鐘時域頻率穩定性計算方法[J].飛行器測控學報，2007，26(2)：47-52.

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，高級工程師，研究方向為衛星導航與工程實踐。

趙娜，湯廷松，王冬霞.遠程時間同步性能標定方法及試驗驗證[J].導航定位學報，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