國產皮秒級商用MTIM測量儀比測

張 軍 陳 明 陳洪卿,2

(1.北京一樸時頻科技有限公司，北京 100086；2.中國科學院國家授時中心，陜西西安 710600)

1 引 言

時間和時間間隔測量技術在計量測試、導航定位、航空航天、天文觀測、電信、電力、網絡安全等領域的應用越來越廣，測量精度需求從ms，μs到ns，ps，fs量級[1-3]。美國把時間測量技術作為評估國防力量的重要標志。中國也開展高精度TI測量方法、技術研究，但精度高于1ns的TI測量儀市場主要是外國儀器。21世紀初，中國開啟研制測量精度高于1ns的國產商用多通道時間間隔測量儀的征程[4-6]。

2 國產商用皮秒級MTIM測量儀

2004年，“GNSS系統中相對論修正改進”項目為驗證衛星運動相對論效應及其影響，研制了精度優于100ps的時間間隔計數器，2006年，該成果被鑒定為“達到國際先進水平”。2009年，在此基礎上北京衛星導航中心用該項成果研制的MDA712型TIM(Time Interval Meter)測量儀，與美國SR620型TIM測量儀進行比測，研究分析SR620測量多臺氫、銫原子鐘鐘差數據出現的鐘差值周期漂移的問題，發表“皮秒級時間間隔測量精度檢定方法的研究”報告[7]，從電路理論、計量方法兩方面深入探討，奠定了國產皮秒級TIM測量儀的理論基礎[8-10]。同時，獲得“一種多次同步模擬內插的時間間隔測量方法和裝置”(專利號：ZL201010562836.2)和“受控頻偏時間間隔連續檢測方法”(專利號：ZL 2016010021523.3)兩項國家發明專利。在專利技術和多年工程應用基礎上，將兩通道拓展為多通道，研制成商用皮秒級MTIM多通道時間間隔測量儀，獲得中國衛星導航定位協會(國家科技部授權)頒發的“2012年衛星導航定位科技進步一等獎”[11]?，F將歷次國產MTIM測量儀(包括多通道測量板卡MTIC)與國外名牌測量儀比測的結果，集腋成裘，以饗讀者。

3 國產MTIM測量儀比測結果與分析

3.1 與美國SR620測量儀的比測

為厘清北斗導航系統主控站各原子鐘的鐘差數據出現周期性的異常起伏，究竟來自原子鐘還是TI測量儀，2009年采用兩臺MDA712型測量儀與SR620測量儀對銫鐘信號同時進行長期比測，測試框圖如圖1所示。其中約10天(900 000s)的比測記錄如圖2所示，圖2(a)、2(b)分別是MDA712-1和MDA712-2測量儀測得的TI時差，圖2(c)是SR620測量儀測得的TI時差。10天內3臺設備測得的時差曲線的變化趨勢一致，都有小于1ns的同步起伏(慢變化)，說明3臺測量儀工作正常。但SR620測得的時差曲線每隔35000s就出現幅度約500ps的周期性起伏，而兩臺MDA712測量儀的測得時差曲線并無相似的規律性變化，短時間內的相對變化幅度都小于50ps，證明此前主控站監測不同原子鐘所出現的時差數據帶有約0.5ns周期性起伏，源于SR620，而非原子鐘。主要原因在于MDA712測量儀采用自主專利“受控頻偏時間間隔連續檢測方法”，克服了原SR620在電路設計上的缺失[12]。

圖1 兩臺MDA712TIM測量儀與SR620測量儀比測連接框圖Fig.1 Connection diagram of TI test for two MDA712 meters compared with SR620 meter

圖2 兩臺MDA712測量儀與SR620測量儀的時差比測曲線圖Fig.2 Curves of TI tested for two MDA712 meters compared with SR620 Meter

3.2 與德國TIMETECH測量儀的比測

北斗系統主控站用德國TIMETECH公司的MCTIC多通道時間間隔測量儀替代SR620比測多臺氫鐘、銫鐘[13]。兩臺國產的16通道的皮秒級MTIM712B測量儀陪同TIMETECH測量儀同時比測，運行6年多時間。為分析兩者測得的時差數據存在部分不一致性，究竟是源于原子鐘還是源于測量儀，從數據庫中隨機選擇2016年4至6月的實測數據，進行統計處理分析[12]，獲得10多組比測的TI時差數據曲線，為說明分析結果，選取有代表性的一組，如圖3所示。

圖3 MTIM712B測量儀與TIMETECH測量儀的TI比測結果曲線圖Fig.3 Curves of TI tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH meter

圖3中，黑色曲線表示MTIM712B測量儀的TI測量結果，淺灰色曲線表示MCTIC測量儀的TI測量結果，深灰色曲線表示黑色線與淺灰色線兩者的差值曲線。不難看出，深灰色線出現的較大起伏，都與淺灰色線的較大起伏一一對應，而對應時段的黑色線則相對平穩，未有較大起伏。在兩個月內，10多組時鐘的鐘差曲線，與圖3曲線相類似，大同小異。

分析表明，鐘差曲線較大起伏源于TIMETECH測量儀，而非原子鐘；同時也可說明國產MTIM測量儀長期工作的穩定性、可靠性，其與TIMETECH測量儀的統計比較見表1。多年測試數據表明，MTIM_712B測量儀的性能略優于TIMETECH測量儀[12]。

3.3 國產MTIM測量儀與德國TDC_GP21芯片、SR620測量儀的比測

2018年，某單位為北斗三號建設采購2臺由8塊7通道的皮秒級商用MTIC測量板卡嵌裝的國產MTIM測量儀。合同要求MTIC的測量噪聲小于15ps(rms)、測量不確定度小于30ps(max 100)、通道固定延遲[14-16]不一致性小于30ps。2019年4月現場驗收測量結果表明，采用專利“受控頻偏時間間隔連續檢測方法”的國產測量板卡和MTIM712測量儀全部達到合同要求。為驗證國產測量儀的整機性能，將MTIM712測量儀與1臺SR620測量儀以及1臺用德國ACAM公司的TDC-GP21芯片構建的TI測量儀(稱為TDC_GP21測量儀)同時比測。德國TDC_GP21芯片采用延遲線技術，能實現2通道高精度TI測量，其測量分辨力為10ps、測量噪聲為30ps、測量不確定度為100ps。3臺測量儀比對測量的TI數據曲線如圖4所示。

表1 MTIM712B測量儀與TIMETECH測量儀的長期比測結果評估Tab.1 Conclusion of results tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH over long-term性 能德國TIMETECH測量儀國產MTIM712B測量儀兩者不一致性不確定度(MAX_100)<50ps<50ps<88ps測量噪聲(RMS)<30ps<30ps<43ps固定時延變化范圍<29ps<29ps<29ps長期工作的穩定性有瑕疵,出現8次異常數據和突發噪聲變大現象。性能良好,無性能異?，F象?！?/p>

圖4 MTIM712B測量儀與SR620測量儀/TDC_GP21測量儀比測的TI曲線圖Fig.4 Curves of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter

圖4中，下部的黑色曲線是采用“受控頻偏TI連續檢測方法”設計的國產MTIM712測量儀測得的數據曲線，深灰色曲線是SR620測量儀測得的數據曲線，淺灰色曲線是TDC_GP21測量儀測得的數據曲線，測量數據統計結果比較見表2。

表2中，國產MTIM712測量儀的溫度系數之所以良好，在于電路設計時，將每路測試信號的輸入模擬部分與時間展寬電路模擬部分，都設計為成對的溫度系數負相關電路，使其時延隨溫度變化的影響相互相抵消，達90%以上，并采用良導熱性能材料進行一體化屏蔽盒設計，使整個測量板成為一個等溫體，正常工作時不同通道間的溫度差別減小到2℃內[12,16]。此外，還采取測溫反饋算法補償通道固定時延，不斷迭代優化，使固定時延溫度系數<1.0ps/℃。因此，MTIM測量儀器能克服環境溫度劇變對TI測量的影響及其引發的關聯效應，滿足北斗三號系統工程對測量通道固定時延的溫度系數小于(1～2)ps/℃要求。

表2 MTIM_712B測量儀與SR620測量儀/TDC_GP21測量儀的TI比測結果Tab.2 Results of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter性 能測試方法概要描述TDC_GP21測量儀MTIM712測量儀SR620測量儀不確定度MAX_100(ps)參考和被測信號間均同源下,對同一時差源時間間隔連續9h的測量統計92971測量噪聲RMS(ps)加電1h恒溫后,參考和被測信號間均同源下,300s取樣的TI測量58921溫度系數(ps/℃)加電30min內,參考和被測信號間均同源情況下,測量時間間隔變化量與溫度變化的比值3.60.65.0

3.4 國產商用MTIM測量儀的批量驗收比測

2018年，A單位招標采購24塊多通道的國產OEM時間間隔測量板卡(MTIC)，要求噪聲<20ps(rms)、不確定度<70ps、通道固定延遲不一致性<50ps、通道固定時延溫度系數<2ps/℃，用于發射天線信號相位比測[16,17]；采購24塊7通道的MTIC測量板卡，要求測量噪聲、不確定度、通道固定延遲差及其溫度系數分別小于15ps，20ps，30ps和1ps/℃，用于原子鐘組比測。2019年，經過近2個月的驗收測量，驗測結果(數據表，略)表明，皮秒級商用MTIC測量設備全部達到合同要求。國產皮秒級商用MTIM測試儀面市多年，供給北京衛星導航中心、中國計量科學研究院、中國科學院上海天文臺、等多家單位，近3年就有24批次、40臺整機、131塊MTIC測量板卡、約1409個測量通道產品在為用戶服務。

4 結束語

伴隨北斗系統發展[16,20]的國產皮秒級MTIM測量儀與進口名牌產品的性能指標(手冊)比較，見表3。

目前，國內已有各種研究皮秒級TIM技術方法和測量設備[18,19]，但是能小批量產商用的、不確定度優于50ps的MTIM測量儀仍少見。國產皮秒級MTIM主要技術指標與國外同類設備相當，可用于國家高精度新時空綜合定位導航授時(PNT)體系建設[20-22]。

表3 MTIM測量儀與國外同類產品性能比較Tab.3 Conclusion for capability of MTIM meter compared with same famous foreign products型號生產廠商分辨力測量范圍噪聲RMS不確定度MAX_100最高采樣率溫度特性測量通道SR620美國斯坦福25ps比相儀50ps500ps1ksps/ch15ps/℃2MCTIC德國TIMETECH10ps±1s20ps100ps1sps/ch2.0ps/℃16GP21芯片德國ACAM公司10ps0～10μs30ps100ps500ksps/ch10ps/℃2MTIM712C北京一樸時頻10ps±42s15ps20ps500ksps/ch1.0ps/℃16