贾丹 盛传贞 陈永昌 应俊俊 张子腾

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050002）

1 引言

随着精确导航、卫星精准测控和分布式雷达等国防科技领域对高精确的时间频率的要求，构建高性能时间频率基准产生与维持系统，为系统或末节点提供精准、稳定的时间频率服务，已成为国防科技应用系统的重要组成部分。同时，时间频率作为国家科技、经济和社会生活中至关重要的参量，高性能的时间频率基准产生与同步设施资源已成为国家的重要战略资源，是现今信息时代的重要基础支撑，其研究水平成为了一个国家核心竞争力的重要体现。

当前，国际电联要求：各守时实验室所保持的地方协调世界时UTC（K）与UTC 的时间偏差控制在100ns 之内的要求。实际中，各地方协调世界时UTC（K）为了维持良好的时间频率性能，从时间比对与处理、综合原子时、频率驾驭控制等方面出发，优化当前时间频率基准产生与维持设计方案，严格控制与UTC 的时间偏差维持在±20ns 之内，相对频率偏差维持在3E-14。本文针对时间频率实验室的时间频率基准产生与维持的连续性、可靠性与冗余性特征需求，从工程设计与建设角度进行了针对化的设计，分别从时间频率基准产生与维持系统的软硬件组成、综合原子时、频率驾驭控制、钟异常监测识别等内容进行全面的详述，尤其围绕系统的可靠性维度，从原子钟异常监测、信号异常识别、原子钟信号主备冗余性设计等内容进行重点设计，并从原子钟驾驭的策略与方法方面进行着重的分析，本文的方案为时间频率基准产生与维持等建设维护提供基础支撑。

2 软硬件组成

时间频率中心时间频率基准产生与维持系统主要包含守时的原子钟组、多通道比相仪、时间频率信号选择器、相位微跃计、时频信号产生器、脉冲信号分配器、频率信号分配器、B 码信号分配器、网络时间服务器以及时间传递接收机等时间频率信号产生与分配设备。此外，还包含内外部数据采集与监控软件、综合原子钟算法、比对综合处理软件、钟异常监测控制单元、UTC（K）驾驭软件等。

内部数据采集与处理软件主要实时采集本地原子钟时差数据与相位差数据，经预处理后提供给综合原子时算法软件；外部数据采集与监控软件主要根据时间传递接收机为媒介，采集本地原子钟与远程站的时差数据，经时间比对数据处理软件处理后，提供给综合原子时算法软件，综合原子时算法软件综合本地原子钟时间偏差和本地钟与远程原子钟之间的时差数据进行本地综合原子时计算。UTC(K)控制单元以综合原子时为参考（纸面时），对主钟信号进行驾驭控制，得到本地时间频率标准UTC(K)；同时为了提供守时系统的可靠性，UTC（K）控制单元进行主备同步设计，使得主备路时频率信号间时刻保持同步。如图1 所示。

图1： 时频中心时间频率基准产生维持系统方案

时频中心守时钟组是时间频率系统的核心，负责输出原始脉冲信号和频率信号，为系统提供原始频率源。本系统守时钟主要有2 台主动型氢钟和3 台高性能铯钟（5071A），这5 台原子钟自由运行，不对其施加相位、频率调整。他们每秒输出一次脉冲信号（简称为1PPS 信号）进入多通道计数器，进行钟差测量。多通道计数器每秒进行一次钟差测量，测量结果实时发送给内部数据采集与处理软件，综合原子时算法软件按照约定的时间频度，基于测量的钟差数据进行综合原子时的计算，得到每台守时钟相对于综合原子时（纸面时）的时差。

在守时钟组中选择稳定度、可靠性相对较高2 台氢原子钟作为主原子钟及备份主原子钟，两台主原子钟经时间频率信号选择器后各接1 台相位微跃计，根据综合原子钟计算结果，获得主原子钟与综合原子钟之间的时差，基于此，对主原子钟输出的10MHz 信号进行频率驾驭，使得主原子钟向纸面时进行时间溯源；同时对备份主原子钟进行频率驾驭，同时，将备份原子钟向主原子钟溯源，保持两者的相位一致。

相位微跃计输出的2 路10MHz 信号分别接入双输入时频信号产生器，由系统选择1 路输入作为主输入并对该信号进行分配输出，产生多路的1PPS 信号、B 码信号与10MHz信号，当主路信号出现异常，双输入时频信号产生器将自动切换至另一路正常的信号，从而保证本地时频信号的连续；经主、备两路时间频率信号产生器产生的1PPS 信号、B 码信号与10MHz 信号，分别输出给双输入脉冲信号分配器、双输入频率信号分配器以及双输入B 码信号分配器，由系统选择1 路输入作为主输入并对该信号进行分配输出，产生多路1PPS 信号、B 码信号和10MHz 信号，当主路信号出现异常，双输入时频信号产生器将自动切换至另一路正常的信号，从而保证本地时频信号的连续输出。

3 关键技术研究

3.1 时间比对与处理

时间比对与处理主要包含原子钟组内部时间比对单元和远程时间比对单元，其中内部时间比对单元主要完成各原子钟时频信号以及主备原子钟驱动的时频信号等信号之间的相对时间偏差信息；远程时间比对单元主要基于GNSS 时间比对、卫星双向或者光纤双向等时间比对设备，测量本地原子钟时频信号与异地原子钟时频信号之间的相对时间偏差信息。

内部时间比对单元主要基于时频信号选择器、相位微跃计以及时间间隔器等设备测量UTC（K）与各原子钟之间的时差，时差测量的频度为1Hz，并按照用户配置的时间周期（通常为1 小时）推送给综合原子时算法软件。实际中，原子钟易受到环境、人为等因素影响，测量的钟差数据会存在跳频、跳相等异常情况，在使用之前需要首先进行数据的预处理工作，目前系统应用较多的为中位数探测法，基于该方法可探测钟差的异常位置并识别异常的类型，然后，根据钟差异常的类型进行确定是否进行钟差的内插修正或进行异常标识，当需要进行钟差内插时，需要根据异常的类型自动选择最优的内插方法，目前常用的钟差数据包括最小二乘拟合、相位补偿、线性插值等方法。

在远程时间比对技术手段中，目前从建设、维护和使用成本角度，GNSS 时间比对手段是当前应用最广、使用最便捷的技术手段，在各时间频率中心被广泛采用，该技术手段主要采用GNSS 共视时间比对或GNSS 全视时间比对技术方法，实现本地UTC（K）向高等级的时间频率中心溯源，其GNSS 时间比对单元逻辑流程图如图2 所示。

图2： GNSS 时间比对单元逻辑流程图

GNSS 时间比对主要采用GNSS 时频接收机，在本地基准时间频率信号1PPS 和10M 信号的支撑下（UTC(K)的物理实现），GNSS 时频接收机采集GNSS 数据，GNSS 时间比对软件基于该数据进行处理，得到本地时间UTC(K)与参考时间RefT 之间的偏差，从而获得异地分布的两原子钟时频信号之间的时间偏差UTC(K1)-UTC(K2)。

3.2 综合原子时算法

时间频率中心基于5 台原子钟与主钟的相对时差数据，采用综合原子时算法产生综合时间尺度，其基本思想如下：综合原子时算法利用钟差信息，基于统计学方法，在考虑每台原子钟性能基础上，基于加权平均方法，产生高于单台钟稳定度的综合时间尺度，其综合原子时的加权平均方法为：

在实际应用中，为了规避单台原子钟权重过大，引起综合原子时过分依赖某原子钟，通常对原子钟进行限权，当某台原子钟权超过一定量值时需要进行权重限制，通常可采用百分比限权法或方差限权法。依据上述时间尺度算法体系，系统需要维护实时时间尺度算法和事后时间尺度算法，实时时间尺度算法每小时估计估计一次，用于实时识别异常并调整UTC(K)；事后时间尺度算法每周/每月估计一次，利用快速公报和T 公报的时差值对算法中的钟速进行调整。

3.3 时间驾驭同步技术

UTC(k)是守时系统最终输出的时间频率标准信号，通过相位微跃计对主钟的10MHz 信号进行调整输出，其时间驾驭同步的基本逻辑如图3 所示。

图3： 时间驾驭同步技术逻辑流程图

基于原子时算法获得纸面的综合时间尺度TA(k)，利用TA(k)对UTC(k)的频率信号实时控制，使得UTC(k)跟踪于TA(k)。构建UTC(k)需要经过粗调和精调两个阶段过程，其基本的实现过程如下：在粗调阶段，基于初始累计数据（1月～2 月），估计UTC(k)与TA(k)之间的时差，获得主钟的相位调整量以及频率调整量，依据此，控制相位微跃计完成初步调整，调整后保障UTC(k)与TA(k)之间的时间偏差为纳秒级；随后执行微调，在微调阶段，实时监测UTC(k)与TA(k)之间的时差，基于此估计相对的频率偏差，若偏差大于一定的阈值，则控制相位微跃计完成微调。

在时间的驾驭控制钟，除了考虑控制相位微跃计输出UTC(k)物理信号，同时通常系统采用主备同步设计，保证UTC(k)持续稳定运行。因此，运行过程中，需要保证备信号相对于主信号的实时伴随运行，两者时间偏差和相对频率偏差控制在容许的范围内，为了实现该目标，需要对备钟进行适时初始脉冲同步调整和微调频率同步调整，其具体的实现方法如下：基于相位微跃计的PPS 同步功能，将主备钟输出的脉冲信号同步到一定范围（取决于相位微跃计分辨率），实现主备信号的粗同步；利用时间间隔计数器实时测量主备钟之间的时间偏差，基于此，估计备钟相对于主钟的相对频率偏差和相位偏差，若偏差超过一定的阈值，则计算备钟相对于主钟的频率调整量，并利用相位微跃计对备份钟的频率进行驾驭。通常主备钟同步需要控制两路信号的时间偏差保持在1ns 内，相对频率偏差保持在E-15 量纲。

3.4 原子钟异常处理

为了保障稳定可靠的时间频率基准信号输出，本系统设计采用冗余设计，即采用多原子钟在线伴随运行（热备），选择氢钟作为主原子钟。同时，采用了主备时间驾驭同步技术，该技术有效保障了主备两物理信号（主钟和备钟经相位微跃计控制输出）之间时间偏差与频率偏差维持在一定阈值范围，保障当主输出信号异常时，备信号具备随时的切入能力。然而，主原子钟长期运行中不可避免的会发生异常时，此时，需要实时进行甄别异常，并进行勿扰下切换至备份原子钟。如图4 所示。

图4： 原子钟异常监测逻辑流程图

原子钟异常监测以高精度比相仪测量的原子钟相位偏差数据为基础，结合综合原子时软件提供的频率相对偏差数据，实时监控各原子钟之间的相位或频率偏差，当发现某台原子钟相位数据发生明显偏差或相对频率偏差存在明显异常时，则进行钟的异常标识与隔离，并将异常的钟标识反馈给综合原子时算法软件，在后续综合原子时算法中将该原子钟进行隔离剔除。值得说明的是，当识别发现主钟异常时，还需要控制时频信号选择器，重新优选主钟，并驱动时频信号产生器完成主备时频信号的切换。

4 结束语

本文针对各时间实验室时间频率基准产生与维持的系统设计、综合原子时、频率驾驭控制、钟异常监测识别等关键技术，进行全面的概述，从系统设计的可靠性、冗余性和连续性角度，给出了时间实验室时间频率基准产生与维持涉及的软硬件设备组成、功能以及设备的逻辑连接关系。尤其从冗余性角度，给出了主备原子钟备份方案、主备时频信号产生重点设计方案。同时，给出了时间频率实验室最广泛的时间比对手段-GNSS 综合时间比对技术。最后对原子钟异常、时间频率驾驭技术以及综合原子时方法等重点内容，分别设计了原子钟异常监测形式与方法、时间频率驾驭的实施步骤、构建综合原子时的详细方案，本文设计成果可直接应用和服务于时间频率中心开展时间频率基准产生与维持工作。