龚涛

（长河导航监管中心，天津 300200）

0 引言

时频系统高精度在线计量、校准的目的是使时频系统输出稳定、可靠、连续，并与标准时间高精度同步的时间频率信号[1]。原子钟是时频系统的核心设备，其稳定性受自身性能、工作环境及运动状态等因素的影响，原子钟实际输出频率值与标称值并不一致，并随时间变化，频率漂移是原子频标的固有特性，是无法改变的，随着时间推移原子钟频率变得越来越不准，最终导致罗兰C发播信号超差，系统不能正常工作因此必须定期校准原子钟的输出频率值，确保良好的频率稳定度和频率准确度。

目前，罗兰C发播台时频系统的原子钟等核心设备的计量和校准需将被检设备寄送北京进行计量和校准，完成计量和校准后再发运回发播台。由于原子钟，特别是氢原子钟对周围环境敏感、设备体积大、运输不便、装卸要求高等诸多因素影响，送检难度较大；原子钟返回后其短期稳定度、长期稳定度、相噪等关键技术指标在运输过程中极易发生变化，也可能无法正常工作；再者发播台时频设备数量有限，要满足24h全时工作的在线率就难以保证定期送检计量，而且每次送检也需相当长的时间，一般需3个月左右，既要长时间不间断使用又要定期计量的矛盾较为突出，因此，开展时频系统高精度在线计量与校准方法研究具有重要的现实意义。

1 远程高精度时间频率溯源比对方法

时间频率系统的溯源与比对是时频系统在线计量与校准的关键，目前比较可行的高精度远程溯源比对方法有两种，一是通过卫星双向法实现时频系统向标准时间频率源的溯源与比对[2]；二是通过卫星共视法实现时频系统向标准时间频率源的溯源与比对[3]。所以，采用卫星双向或卫星共视时间频率传递校准方法，精确地测量和校准发播台时频系统设备的时延、卫星双向空间传播时延、卫星和地面站相对运动引起时延等，是提高时频系统溯源比对精度，实现高精度时间同步的关键，是发播台时频系统在线计量的前提。

1.1 卫星双向法

卫星双向比对原理是两个台站同时发送和接收时间信号，由于信号通过相同路径，信号路径的时延被抵消掉，如图1所示。

图1 卫星双向比对原理图

设A站和B站处于同等地位，A站的主钟秒信号经终端调制后发送给卫星，卫星接收A站的信号后转发给B站，B站解调来自A站的秒信号，用时间间隔计数器测定接收秒信号与B站主钟秒信号之间的时刻差；B站过程与A站上述过程一样，同时A站和B站由时间间隔计数器每秒测定各自终端引起的时延，那么TWSTFT的计算方法如下：

式中，TIC(A)和TIC(B)是A、B站计数器的读数；TA和TB是两站各自的钟面时间；dTA和dTB是A、B站的发射机时延；dRA和dRB是 A、B站的接收机时延；dAS和dBS是A、B两站到卫星的时延；dSA和dSB是卫星到 A、B两站的时延；dSAB和dSBA是卫星转发器的时延；SA和SB是Sagnac效应修正，是由于地球自转而引起的一种相对论修正。两式相减可得：

式（3）中第一项表示计数器测量差；第二项表示地面站设备时延的计算，可通过事先测量得到；第三项表示空间传播时延的计算，基本上可以抵消；第四项表示卫星转发器时延部分计算可以完全抵消；第五项表示Sagnac效应的计算，可通过公式准确计算。由此可见，式中两地钟的时差信息、地面站设备时延、Sagnac效应都可以准确计算，且基本与路径即卫星位置、电离层、对流层、卫星转发器的影响无关，因为两地是路径基本相同，方向相反的通信链路，基本被完全抵消。

图 2是临潼站与乌鲁木齐站之间的卫星双向1pps信号比对结果，从1个小时的数据看，比对结果优于2ns。

1.2 卫星共视法

卫星共视原理如图3所示，以GPS卫星共视为例，设A地点的钟时间为tA，B地点的钟时间为tB，GPS时间为tGPS，dA和dB为路径延迟。A、B两地时差测量原理如下：

两地的 GPS接收机在同一个共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗GPS卫星信号，接收机输出代表GPS时间的秒脉冲，送至时间间隔计数器，与本地原子钟输出的秒脉冲比较，在A地，我们得到本地时刻tA与tGPS差ΔtAGPS。同时，在B地我们得到tB与tGPS的差ΔtBGPS。A、B两地通过通信网交换数据，进行比对即得到两台钟之间的时间差。

图2 CAPS临潼站与乌鲁木齐站之间的卫星双向比对结果

图3 卫星共视原理图

从式（5）可看出，卫星共视技术消除了或大大降低了两个观测站共有的误差，从而将误差最大限度地减至最小，提高了两地相对钟差的精度，达到高精度时间比对的目的。

图4是国家授时中心与罗兰C发播台通过GPS共视时间比对画出的图表，偏差从-3.8ns到-7.0ns之间，优于5ns。

图4 GPS共视时间比对的结果

2 时间频率设备在线计量校准方法

罗兰C发播台要求频率基准的频率准确度不低于 1E-11，以上述卫星双向法为例，若溯源时差为2ns，则溯源频差为5.6E-13，完全满足时频计量参考标准高于被检设备3倍以上要求。

在线计量总体思路是用卫星双向或卫星共视设备替代高精度频率标准，对发播台时频系统进行检定校准，其框图见如图5、图6。其中NTSC和CMTC即UTC(NTSC) UTC(CMTC)，分别代表国家标准时间和军用标准时间。

图5 时频系统在线计量校准示意图

图6 在线时频计量平台框图

首先建立基于卫星双向或卫星共视的在线时频计量平台，主要包括溯源与远程比对设备、时差频差测量系统、测量数据采集、分析、处理软件等；然后，通过卫星双向或卫星共视法等远程高精度时间频率传递技术，将国家授时中心或北斗卫星定位总站时频中心建立和保持的标准时间和频率信号传递至计量平台并跟踪锁定，因其频差足够小，我们认为这个信号接近标准时间频率，可以代替标准频率信号fs，作为在线计量主标准器的频率源，对时频系统相关频率fx进行在线计量检定；最后，按照计量相关检定规程和测试方法要求，用该标准频率信号为参考对发播台时频系统相关设备进行频率稳定度、频率准确度和相位噪声等技术指标测量，实现发播台本地在线计量。

有限于篇幅以及非本文重点，时频计量的环境条件范围、测量系统的选择、设备仪器构成、测量数据采集与处理以及计量与测量不确定度评定等不再分析讨论和赘述。

3 结束语

构建高精度时频在线计量平台，关键是主标准器也就是标准频率的选择。基于卫星双向、卫星共视法的时频在线计量方法，用跟踪锁定标准时间的频率信号代替标准频率，有效地解决了发播台本地计量受主标准器（通常为昂贵的高稳定度、高准确度的原子钟）和相当苛刻的实验室环境条件限制的难题，使被检时频系统在线工作的同时可以实现定期计量，极大提高系统时频校准效率，减少计量成本。由于每个发播台均有卫星共视和卫星双向接收设备，构建小型化、工程化、机动化的时频设备在线计量平台是现实可行的。

随着我国科技的发展和卫星技术、原子钟技术的不断突破，时间频率比对传递技术研究将会进一步深入，精度会进一步提高，这些技术无疑会在时间频率溯源、比对、传递、计量等诸多方面得到更广泛的应用。