國產氫原子鐘移動守時性能測試與分析

李帥辰，武建鋒，崔海波，方 婧

國產氫原子鐘移動守時性能測試與分析

李帥辰1,2，武建鋒1,3，崔海波1,3，方 婧1,2

（1. 中國科學院 國家授時中心，西安 710699；2. 中國科學院大學 集成電路學院，北京 101408；3. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 101408）

國產氫原子鐘；頻率穩定度；阿倫方差；移動守時；原子鐘噪聲類型

0 引言

在當今高度信息化的時代，時間和頻率在軍用和民用領域的重要性與日俱增，已經成為十分重要的資源[1]。原子鐘作為守時系統中的關鍵設備，其性能直接影響著守時系統的穩定性。隨著時代的發展和國際形勢的變化，人們對國產原子鐘的性能和適用環境的需求不斷提高，在某些特定的使用環境下，如部隊作戰時，對于移動守時有很高的需求。因此，移動狀態下原子鐘的守時性能值得研究與分析。

1 移動守時系統概述

移動守時系統由信號產生分系統、溯源分系統、綜合保障分系統以及車輛分系統4個分系統組成，為用戶提供1 MHz、5 MHz、10 MHz、1個秒脈沖（pulse per second，PPS）、網絡時間協議（network time protocol，NTP）、精確時間協議（precision time protocol，PTP）等多路時間頻率信號，為實驗驗證、測試應用等提供信號。移動守時車內部系統結構如圖1所示。

圖1 移動守時系統結構

圖1中信號產生分系統負責產生用戶所需的多種時頻信號，為實驗驗證、測試應用等提供信號。其中，以高精度氫、銫原子鐘構成守時鐘組系統，通過多通道比相儀（以下簡稱比相儀）、多通道時間間隔計數器（以下簡稱計數器）實現原子鐘組之間的鐘差和相差比對。采用綜合原子時算法計算得到紙面時，通過相位微躍器實現主鐘物理信號的產生和保持。

溯源分系統以原子時標產生分系統輸入的時頻為參考，通過衛星雙向、全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）共視實現與標準時間的溯源比對，并將比對數據提供給原子時標產生分系統。原子時標產生分系統根據溯源比對數據進行二次駕馭，確保系統時間與標準時間的時間偏差保持在一定精度之內。

綜合保障分系統主要用于為系統運行提供良好的供電和溫濕度環境，為系統運行提供可靠的保障。其具備數據采集與監控功能，對各分系統的關鍵信息進行采集并顯示，同時提供原子時控制駕馭軟件和時間比對數據處理軟件的工作平臺。

車輛分系統主要用于承載其他分系統設備及提供移動能力，是整個系統的承載平臺。移動守時系統信號傳輸如圖2所示。

圖2 移動守時系統信號傳輸示意

2 測試環境與測試方法

2.1 測試環境

本次測試在移動守時車上進行，守時車的部分設備如圖3所示，車上載有2臺氫鐘和3臺銫鐘。車內溫度為（24±4）℃，氫鐘配備有恒溫箱，溫度為（22±0.1）℃，相對濕度為40%～60%。移動測試中，移動路徑為市區內道路，勻速行駛時的速度約為40～60 km/h。守時車部分設備連接情況如圖3所示。

圖3 守時車部分設備連接情況

由于本次測試在移動狀態下沒有溯源條件，同時為了提高生成時頻信號的可靠性，使用2臺氫鐘和3臺銫鐘作為精密時頻信號生成的主要頻率源，共同生成時頻信號，作為時頻信號的比對參考。將2臺氫鐘和3臺銫鐘的10 MHz時鐘信號先接入主備鐘切換裝置，通過軟件選擇和切換主鐘；接下來信號進入相位微躍計產生1個秒脈沖信號和10 MHz信號；將10 MHz信號送入比相儀作為參考信號，將1個秒脈沖信號送入計數器作為參考信號。

在靜止狀態下，選擇頻率穩定度和準確度最好的氫原子鐘為鐘組的工作主鐘；在移動狀態下，根據各鐘的穩定度優選主鐘（從測試實際情況來看，銫鐘通常被選為主鐘）。通過鐘組內原子鐘的比對測量及原子時算法，通過相位微躍計實現原子鐘輸出頻率信號的駕馭，獲得穩定、準確的標準頻率信號；同時產生標準時間，通過標準時間生成各種時間信號供用時設備使用。

2.2 測試方法

表征氫鐘性能的指標中最常用的有頻率準確度、頻率漂移率及頻率穩定度等。原子鐘是否可以提供長期連續、穩定的時頻信號是其能否用于守時系統的最重要的判斷條件，因此很多相關研究對原子鐘的性能評估主要考察頻率穩定度指標。因此，本文以頻率穩定度為指標，對氫鐘在靜止和移動2種狀態下的性能進行測試與分析。

本文使用的氫鐘穩定度的測試方法如圖4所示。

圖4 氫鐘穩定度測試方法

將2臺氫鐘的10 MHz時鐘信號分別接入比相儀和計數器，以主鐘信號為參考，完成時差和相差測量。利用時差和相差數據分析阿倫方差，用以分析氫鐘的頻率穩定度。

2.3 頻率穩定度分析

原子鐘的頻率穩定度是衡量信號頻率穩定與否的標準，是衡量原子鐘性能的重要指標之一[7]。分析頻率穩定度最常用的方法之一是計算阿倫方差。阿倫（Allan）方差法是一種基于時域的分析方法[8]，其標準計算公式為

同時 Allan 方差公式也可使用相位測量值計算，計算公式為

氫原子鐘的頻率穩定度標稱指標如表1所示。

表1 氫原子鐘頻率穩定度的標稱指標

2.4 原子鐘的噪聲類型

原子鐘的噪聲可以看成是5種噪聲的疊加，即白色調相噪聲（white phase modulation，WPM）、閃爍調相噪聲（flicker phase modulation，FPM）、白色調頻噪聲（white frequency modulation，WFM）、閃爍調頻噪聲（flicker frequency modulation，FFM）和隨機游走調頻噪聲（random walk frequency modulation，RWFM）[9]，其中，白色調相噪聲、白色調頻噪聲和隨機游走調頻噪聲對原子鐘頻率穩定度的影響較大[10]。原子鐘的誤差分為確定性偏差和隨機噪聲2個部分。確定性偏差可以通過模型預測加以補償，隨機噪聲部分通常利用阿倫方差或噪聲的冪律譜模型估計噪聲的強度[11]。Allan方差法的主要特點是能非常容易地對各種誤差源及其對整個噪聲統計特性的貢獻進行細致的表征和辨識，而且便于計算，易于分離，能夠識別并量化存在于數據中的不同噪聲項。

阿倫方差和功率譜密度之間的關系為

3 測試結果與分析

經過測試，對比分析比相儀和計數器分別連續采集3 d的原子鐘鐘差數據，觀察二者在頻率穩定度方面的差距；使用比相儀連續采集3 d的原子鐘鐘差數據對比分析氫原子鐘在靜止狀態下和移動狀態下的頻率穩定度的差距；測試分析氫原子鐘在結束移動之后，恢復為靜止狀態后的一段時間內的頻率穩定度；對靜止和移動狀態下氫原子鐘的3種主要噪聲進行測試與分析。結果分析過程如圖5所示。

圖5 本文測試數據的對比分析

3.1 比相儀和計數器采集數據的對比

在本次測量中，分別使用比相儀和計數器對處于靜止狀態下的2臺氫鐘的鐘差數據進行采集，采集的數據計算得到的阿倫方差如表2所示，表2中的數據為鐘差數據的阿倫方差。

表2 使用比相儀和計數器的采集數據 s

圖6所示為2臺儀器測量數據阿倫方差的對比。

圖6 比相儀和計數器采集數據的比較

由表2和圖6可知，在短期穩定度方面，計數器采集的氫原子鐘鐘差數據的阿倫方差遠大于比相儀采集的鐘差數據的阿倫方差。（1～10）s阿倫方差相差約3個量級，（0.1～10）×103s阿倫方差相差1～2個量級。查閱資料可知：本文使用的計數器的標稱分辨率約為10 ps，且自身的噪聲較大；在測量短期穩定度時自身較大的噪聲會淹沒測量的鐘差數據，導致對數據的影響較大；在測量長期穩定度時影響較小，且計數器采集數據的抖動明顯大于比相儀采集數據的抖動。雖然比相儀采集數據的精度更高，但為了增加系統的可靠性和穩定性，依然同時使用比相儀和計數器進行數據的采集，二者采集到的數據互為備份。

由于比相儀采集數據的效果較好，本文后面章節采用的數據均為多通道比相儀采集的鐘差數據。

3.2 靜止狀態下頻率穩定度

首先分別測試靜止狀態下2臺氫鐘的頻率穩定度。計算由多通道比相儀連續采集3 d的原子鐘鐘差數據的阿倫方差，可以得到如表3所示的氫鐘的頻率穩定度。

表3 靜止狀態下氫鐘頻率穩定度計算結果 s

3.3 移動狀態下頻率穩定度

本節測試并分析移動狀態下氫鐘的頻率穩定度。計算由多通道比相儀連續采集的約9 h的2臺原子鐘的鐘差數據的阿倫方差，得到如表4所示的頻率穩定度計算結果。

表4 移動狀態下各氫鐘的頻率穩定度計算結果 s

圖7所示為氫鐘1靜止和移動狀態下數據阿倫方差的比較。

圖7 氫鐘1靜止狀態和移動狀態數據的比較

靜止狀態下，2臺氫鐘的頻率穩定度幾乎相同；而在移動狀態下，氫鐘1的頻率穩定度略優于氫鐘2。2臺氫原子鐘測試環境相同，分析2臺氫原子鐘移動性能存在差異的原因包括原子鐘抗震性能存在差異，以及2臺鐘配備的減震設備和恒溫箱控溫效果存在差異等。

3.4 從移動狀態恢復至靜止狀態的頻率穩定度

在守時車結束移動狀態，切換為靜止狀態后采集了約16 h的氫原子鐘鐘差數據，這部分工作旨在測試和分析原子鐘由移動狀態進入靜止狀態初期的過程中氫原子鐘的頻率穩定度。計算結果如表5所示。

表5 轉換過程中各氫鐘的頻率穩定度計算結果 s

圖8為氫鐘1三種狀態下鐘差數據的阿倫方差的對比。

圖8 靜止狀態、移動狀態和恢復過程數據的比較

4 原子鐘不同類型噪聲的影響

分析氫原子鐘3種主要噪聲對頻率穩定性的影響，需要測試和分析氫原子鐘在靜止狀態和移動狀態下的3種主要噪聲，觀察哪一種噪聲在移動過程中的增加量最大，以此推測哪一種噪聲對移動過程中氫鐘的頻率穩定度的影響最大。靜止和移動狀態下3種主要噪聲的對比結果如表6所示。

由表6可知，氫鐘1的3種主要噪聲均明顯小于氫鐘2，以此可以解釋上文氫鐘1的頻率穩定度優于氫鐘2的結論。相較于靜止狀態，移動狀態下氫原子鐘的3種主要噪聲均有增加。其中：頻率白噪聲增加2個量級；頻率隨機游走噪聲增加1個量級；調相白噪聲增加約3～4個量級，且在移動狀態下調相白噪聲的標準差可以達到0.1 ns。在移動過程中，調相白噪聲的增加量最大，由此推測在氫鐘的移動過程中，對其頻率穩定度影響最大的噪聲是調相白噪聲。

表6 靜止和移動狀態下3種主要噪聲的對比 s

5 結束語

[1] 王一桁, 袁海波, 李宗源, 等. 國產銫原子鐘性能分析[C]// 中國衛星導航年會組委會. 第十三屆中國衛星導航年會論文集：S05時間頻率與精密授時. 北京: 中國衛星導航年會組委會, 2022: 51-55. DOI:10.26914/c.cnkihy. 2022.001226[2022-07-26].

[2] 李孝輝, 劉婭, 王文利, 等. 多通道數字化頻率測量方法研究[R]. 西安: 中國科學院國家授時中心, 2011.

[3] 李雨薇. 精密時頻信號產生與性能評估方法研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2019.

[4] 張軍, 王向磊, 王路生, 等. 國產小銫鐘比測結果分析[J]. 時間頻率報, 2018, 41(3): 162-170.

[5] 劉峰宇, 王宇譜, 李錫瑞. 國產SOHM-4型氫鐘長期性能分析[J]. 導航定位學報, 2020, 8(5): 102-106, 116.

[6] 張為群, 王文明, 蔡勇, 等. 上海天文臺主動型氫原子鐘的天穩好于2E-15[C]// 中國衛星導航定位協會. 2009全國時間頻率學術會議論文集. 成都: 中國衛星導航定位協會, 2009: 45-51[2022-07-26].

[7] 王宇譜, 呂志平, 李林陽, 等. GPS BLOCK IIF星載原子鐘長期性能分析[J]. 天文學報, 2017, 58(3): 13-23.

[8] 于奇. 利用單站GPS數據進行星載鐘短期穩定性分析[J]. 測繪與空間地理信息, 2021, 44(5): 41-44.

[9] 袁海波, 董紹武, 武福平. 原子鐘信號主要噪聲類別的判定與分析[C]//《儀器儀表學報》雜志社. 2008’“先進集成技術”院士論壇暨第二屆儀表、自動化與先進集成技術大會論文集. 北京: 《儀器儀表學報》雜志社, 2008: 192-196.

[10] 潘雄, 楊玉鋒, 卿晨昕, 等. Galileo在軌衛星鐘性能評估與分析[J]. 中國慣性技術學報, 2020, 28(1): 53-59.

[11] 宋會杰, 董紹武, 李瑋, 等. 原子鐘噪聲誤差估計方法研究[J]. 天文學報, 2017, 58(3): 3-12.

[12] 伍貽威, 楊斌, 肖勝紅, 等. 原子鐘模型和頻率穩定度分析方法[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2019, 44(8): 1226-1232.

Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks

LI Shuaichen1,2, WU Jianfeng1,3, CUI Haibo1,3, FANG Jing1,2

（1. National Time Service Center of Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710699, China; 2. College of Integrated Circuits, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China; 3. College of Electrical, Electronic and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China）

domestic hydrogen atomic clock; frequency stability; Allen variance; mobile time keeping; atomic clock noise type

李帥辰, 武建鋒, 崔海波, 等. 國產氫原子鐘移動守時性能測試與分析[J]. 導航定位學報, 2023, 11(3): 38-44.（LI Shuaichen, WU Jianfeng, CUI Haibo, et al. Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(3): 38-44.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20230306.

P228

A

2095-4999(2023)03-0038-07

2022-09-08

李帥辰（2000—），男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為移動守時、數據處理。

武建鋒（1976—），男，陜西西安人，博士，研究員，博士生導師，研究方向為時間頻率與衛星導航。