CN103226324A - 一种实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源，可远程、近乎实时的获得由参考端与全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）生成的第一时频钟差序列，包括：被驯服端，生成待校时钟的N个时频信号，据此和卫星信号生成第二时频钟差序列。根据第一时频钟差序列和第二时频钟差序列得到参考时间频率源的N个时频信号和待校时钟的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，并据此计算得到相对频差序列，通过第三时频钟差序列和对应相对频差序列对待校时钟进行监测和校准。本发明的实施例能够使任何一个实验室都很容易的跟踪参考时间频率源（通常为时间频率标准，包括国家时间频率基准）的时间和频率性能，把时间和频率溯源到国际单位制，且可靠性、准确度和稳定度都较高。

Description

一种实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源

技术领域

本发明涉及时间频率校准技术领域，特别涉及一种实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源。 

背景技术

时间频率作为一个重要的基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要的作用。我们今天生活在信息时代，全球电信网络的迅猛发展，要保证电信网络的正常运行要求网络信号传输频率准确度高于1×10^-11，否则电信网络将瘫痪。因此在网络应用中必须使用原子钟，而且需要用高精度时间频率传递使这些原子钟同步。 

时间频率传递一直是研究的热点。过去很长一段时间，人们用无线电信号传播来进行时间和频率控制，把时钟同步到一个外部参考时间上，把振荡器同步到一个参考频率上。被一个外部参考信号控制的振荡器就是我们众所周知的可驯振荡器（DO）。现代大多数可驯振荡器逐渐发展成用GPS卫星作为外部参考源。 

目前时间频率在各行各业中越来越重要，很多机构都需要使用不同等级的时间频率标准，但在国内计量领域仅有极少数国家及行业计量机构以外拥有连续运行的时间尺度（时间标准），这造成了不拥有时间标准的单位对时间量值的传递工作无法进行，或非法溯源到GPS间的情况，使得我国的时间频率溯 源体系还不完整、完善；同时，虽然频率标准较容易实现，但当前一些单位应用的原子钟频率标准成本过高，同时不适合移动，溯源不便利。这样就产生了需求：需要研发较低成本可实时合理溯源到UTC(NIM)的高精密时间频率源，节省成本，提高校准效率。 

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。 

为此，本发明的目的在于提出一种使任何一个实验室都能很容易的将时间和频率溯源到国际单位制，获得具有校准时间精确度高、可靠性强、稳定性强等优点的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源。 

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源，可远程、近乎实时的获得由参考端与全球导航卫星系统生成的第一时频钟差序列，其中，所述参考端生成N个时频信号，并根据所述N个时频信号和来自全球导航卫星系统的卫星信号生成第一时频钟差序列，其中，所述N为正整数。所述时间频率源包括：被驯服端，所述被驯服端用于生成待校时钟的N个时频信号，并根据所述待校时钟的N个时频信号和所述卫星信号生成第二时频钟差序列，根据所述参考端生成的第一时频钟差序列和所述第二时频钟差序列得到参考时间频率源的N个时频信号和所述待校时钟的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，并根据所述第三时频钟差序列计算得到相对频差序列，再通过得到的第三时频钟差序列和对应计算得到的相对频差序列对被驯服端的待校时钟进行监测和校准。 

根据本发明实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源，基于卫星导航共视技术，能够为校准和计量实验室提供基准频标和时标，并直接参 考UTC(NIM)，使得实验室很容易把时间频率溯源到国际单位制，客户可以获得标准的频率和时间输出，具有校准时间精确度高、可靠性强、稳定性高等优点。 

另外，根据本发明上述实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源还可以具有如下附加的技术特征： 

在本发明的实施例中，所述参考端包括：参考时间频率源，所述参考时间频率源用于生成所述N个时频信号；第一GNSS时频传递模块，所述第一GNSS时频传递模块用于接收来自卫星导航系统的卫星信号以及接收来自所述参考时间频率源的所述N个时频信号；以及第一上位机，所述第一上位机用于根据所述参考时间频率源的N个时频信号和所述卫星信号生成所述第一时频钟差序列。 

在本发明的实施例中，所述被驯服端包括：待校时钟，所述待校时钟用于生成所述待校时钟的时频信号；第二GNSS时频传递模块，所述第二GNSS时频传递模块用于接收来自所述卫星导航系统的卫星信号以及接收来自所述待校时钟生成的所述N个时频信号；第二上位机，所述第二上位机用于根据所述待校时钟的N个时频信号和所述卫星信号生成第二时频钟差序列。根据所述第一时频钟差序列和所述第二时频钟差序列得到所述参考时间频率源的N个时频信号和所述待校时钟的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，并根据所述第三时频钟差序列计算得到相对频差序列，再通过得到的第三时频钟差序列和对应计算得到的相对频差序列对被驯服端的待校时钟进行监测和校准。 

在本发明的实施例中，该时间频率源还包括：通讯模块，所述通讯模块分别与所述参考端和所述被驯服端相连，用于将所述参考端的第一时频钟差序列 发送至所述被驯服端。 

在本发明的实施例中，所述通讯模块为FTP模块。 

在本发明的实施例中，所述被驯服端为一个或多个。 

在本发明的实施例中，所述待校时钟为铷钟。 

在本发明的实施例中，每相邻两个待校时钟的时频信号和每相邻两个参考时频信号均间隔预设时间。 

在本发明的实施例中，所述预设时间为16min。 

在本发明的实施例中，所述相对频差序列与所述第三时频钟差序列之间存在以下关系： 

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_{\mathrm{Ref}}}=\frac{f_x-f_{\mathrm{Ref}}}{f_{\mathrm{Ref}}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{i+1}-\mathrm{\Δ}{t}_i}{\mathrm{\τ}}$

其中，Δf为待校时钟的时频信号与参考时频信号的频率之差，f_Ref为参考时频信号的频率，f_x为待校时钟的时频信号的频率，Δt_i+1为第i+1个第三时频钟差，Δt_i为第i个第三时频钟差，τ为预设时间。 

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。 

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中： 

图1为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的结构图； 

图2为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间 频率源的共视单颗卫星时的原理图； 

图3为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的共视多颗卫星时的原理图； 

图4为根据本发明一个实施例的的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的NIMDO-100的硬件结构示意图； 

图5为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的NIMDO-100的硬件原理图； 

图6为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的驯服之前铷钟与UTC（NIM）时差变化曲线示意图；和 

图7为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的驯服之后铷钟与UTC（NIM）时差变化曲线示意图。 

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普 通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 

以下结合附图详细描述根据本发明实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源。 

图1为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率的结构图。如图1所示，根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率100，可以远程、近乎实时的获得由参考端120与全球导航卫星系统生成的第一时频钟差序列。该时间频率源100包括：被驯服端110。 

被驯服端110用于生成待校时钟的N个时频信号，并根据待校时钟的N个时频信号和卫星信号生成第二时频钟差序列，根据参考端120生成的第一时频钟差序列和第二时频钟差序列得到参考时间频率源N个时频信号和待校时钟的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，并根据该第三时频钟差序列计算得到相对频差序列，再通过得到的第三时频钟差序列和对应计算得到的相对频差序列对被驯服端的待校时钟进行监测和校准。其中，第二时频钟差序列即待校时钟的N个时频信号与卫星信号的时频之差组成的序列。第三时频钟差序列即第二时频钟差序列与第一时频钟差序列之差。相对频差序列与第三时频钟差序列之间存在如下关系： 

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_{\mathrm{Ref}}}=\frac{f_x-f_{\mathrm{Ref}}}{f_{\mathrm{Ref}}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{i+1}-\mathrm{\Δ}{t}_i}{\mathrm{\τ}}$

其中，Δf为待校时钟的时频信号与参考时频信号的频率之差，f_Ref为参考时频信号的频率，f_x为待校时钟的时频信号的频率，Δt_i+1为第i+1个第三时频钟差，Δt_i为第i个第三时频钟差，τ为预设时间。 

卫星信号是由GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）产生的。优选地，由GPS（Global Positioning System，全球定位系统）产 生的GPS信号作为卫星信号。 

结合图1，被驯服端110进一步包括：待校时钟111、第二GNSS时频传递模块112和第二上位机113。 

具体而言，待校时钟111用于产生待校时钟的N个时频信号。第二GNSS时频传递模块112分别与待校时钟111和全球导航卫星系统相互通信，用于接收来自全球导航卫星系统的卫星信号及接收来自待校时钟111的N个时频信号。第二上位机113与第二GNSS时频传递模块112相连，用于根据第二GNSS时频传递模块112接收的待校时钟的N个时频信号和卫星信号生成第二时频钟差序列。根据第二时频钟差序列和第一时频钟差序列之差，得到参考时间频率源的N个时频信号和待校时钟111的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，再通过第三时频钟差序列计算得到相对频差序列，再通过得到的第三时频钟差序列和对应计算得到的相对频差序列对被驯服端的待校时钟进行监测和校准。其中，待校时钟111为但不限于铷钟，铷钟具有价格便宜，且短期稳定性好的优点。在待校时钟111生成的N个时频信号中，每相邻两个时频信号均间隔预设时间。在本发明的一个实施例中，预设时间为但不限于16min。 

如图1所示，参考端120与实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源100相互通信。参考端120用于生成N个时频信号，并根据这N个时频信号和来自全球导航卫星系统的卫星信号生成第一时频钟差序列，其中，N为正整数。第一时频钟差序列即参考端120的N个时频信号与卫星信号的时频之差组成的序列。作为一个具体的示例，例如参考时频信号为UTC（Universal Time Coordinated，协调世界时）时频信号。 

结合图1，参考端120进一步包括：参考时间频率源121、第一GNSS时频传递模块122和第一上位机123。 

具体而言，参考时间频率源121用于生成N个时频信号。第一GNSS时频传递模块122分别与参考时间频率源121和全球导航卫星系统相互通信，用于接收来自全球导航卫星系统的卫星信号和接收来自参考时间频率源121的N个时频信号。第一上位机123与第一GNSS时频传递模块123相连，用于根据第一GNSS时频传递模块122接收的N个时频信号和全球导航卫星系统发出的卫星信号生成第一时频钟差序列。其中，在N个参考时频信号中，每相邻两个参考时频信号均间隔预设时间，在本发明的一个实施例中，预设时间为但不限于16min。 

进一步地，根据本发明另一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源100还包括：通讯模块130。 

通讯模块130分别与参考端120和被驯服端110相连，用于将参考端120生成的第一时频钟差序列发送至被驯服端110。其中，通讯模块130为但不限于为FTP模块。 

在上述示例中，参考端120与全球导航卫星系统相互通信生成第一时频钟差序列，被驯服端110与全球导航卫星系统相互通信生成第二时频钟差序列，参考端120通过通讯模块130将第一时频钟差序列发送至被驯服端110，被驯服端110通过第二时频钟差序列和第一时频钟差序列之差得到第三时频钟差序列，再根据第三时频钟差序列通过上述示例中的对应关系计算得到相对频差序列，从而实现对待校时钟进行监测和校准。 

作为具体的示例，以下结合图2—图5描述根据本发明实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源。以下以NIMDO系统作为具体的示例对本发明实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源进行详细描述。 

NIMDO系统中选用铷钟作为被控时钟，铷钟相对于铯钟来说具有价格便 宜，且短期内稳定性好的优点。经过NIMDO系统校准之后完全可以满足大多数校准实验室的要求。 

NIMDO系统可同时共视多颗GPS卫星。为了更好的说明NIMDO系统的原理，以下分别以共视一颗卫星和共视多颗卫星作为具体的例子来说明。 

图2为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的NIMDO系统共视单颗卫星时的原理图。 

如图2所示，以一个GPS卫星、参考端为NIN端、参考时频信号为UTC（NIM）时频信号为例对本发明实施例的NIMDO系统（即实时驯服到参考时间频率源的高精密时间频率源）进行说明。具体地，NIMDO系统包括被驯服端和通信工具FTP。被驯服端包括GNSS时频传递模块A、上位机A和一台需要校准的铷钟，NIM端包括GNSS时频传递模块B、上位机B和UTC（NIM）。 

在NIM端，GNSS时频传递模块B接收来GPS信号和标准时UTC（NIM）时频信号（即参考时频信号），以UTC（NIM）的1pps和10MHz信号作为参考输出两种时频的钟差△t_{UTC（NIM）-GPS}，由GNSS时频传递模块B的上位机B把结果上传到FTP，供客户端下载，其中由（1）式得出： 

Δt_{UTC（NIM）-GPS}=t_UTC（NIM）-t_GPS  （1） 

在被驯服端，GNSS时频传递模块A和NIM端共视同一颗卫星，接收GPS信号和铷钟产生的时频信号，以铷钟的1pps和10MHz信号作为参考输出两种时频的钟差Δt_Rb-GPS： 

Δt_Rb-GPS=t_Rb-t_GPS  （2） 

GNSS时频传递模块A的上位机A从FTP上下载Δt_{UTC（NIM）-GPS}，和被驯服端自己生成的Δt_Rb-GPS进行比较，把同一时刻的Δt_Rb-GPS和Δt_{UTC（NIM）-GPS}做差运算，获得待校铷钟和UTC（NIM）的时频钟差，Δt_{RbUTC（NIM）}，即（2）式- （1）式： 

Δt_{Rb-UTC（NIM）}=Δt_Rb-GPS-Δt_{UTC（NIM）-GPS}=（t_Rb-t_GPS）-（t_UTC（NIM）-t_GPS） 

=t_Rb-t_UTC（NIM）  （3） 

经过连续接收多个数据后，可得到一系列的Δt_{Rb-UTC（NIM）}，这里把第i个数据Δt_{Rb-UTC（NIM）}简写成Δt_i，接收到的数据之间时间间隔τ=16min。为了校准铷钟的频率，计算相对频差

其中相对频差和相对时差存在公式（4）所示的关系： 

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_{\mathrm{UTC}\left(\mathrm{NIM}\right)}}=\frac{f_{\mathrm{Rb}}-f_{\mathrm{UTC}\left(\mathrm{NIM}\right)}}{f_{\mathrm{UTC}\left(\mathrm{NIM}\right)}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{i+1}-\mathrm{\Δ}{t}_i}{\mathrm{\τ}}---\left(4\right)$

其中，Δf为待校铷原子钟的时频信号与参考端UTC（NIM）时频信号的频率之差，f_UTC（NIM）为参考端UTC（NIM）时频信号的频率，f_Rb为待校铷原子钟的时频信号的频率，Δt_i+1为第i+1个UTC（NIM）时频信号与第i+1个待校铷原子钟的时频信号的时频钟差，Δt_i为第i个UTC（NIM）时频信号与第i个待校铷原子钟的时频信号的时频钟差，τ为预设时间。 

因此，每隔16分钟GNSSⁱ时频传递模块A的上位机A即可得到一个UTC（NIM）和铷钟钟差Δt_i，从32分钟开始每隔16分钟，计算得到一个相对频差值

NIMDO系统利用Δt_i和

实现对铷钟的实时监测和校准。 

图3为根据本发明一个实施例的实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源的NIMDO系统共视多颗卫星时的原理图。 

在本发明一个实施例中，通常情况下，NIM端（即参考端）和被驯服端可共视到多颗卫星，即包括多个GPS卫星；钟差信息是通过文件形式进行传输，本实施例中把包含钟差信息文件的文件夹命名为RFile（RFile文件夹中包 含的即为RFile类型文件，这些文件是为NIMDO专门定制的，它的格式借鉴了共视法标准数据文件CGGTTS）。一个RFile文件中包含了一个或多个卫星与本地时钟比对的钟差信息，RFile文件的上传和下载遵守FTP协议。具体原理如图3所示：其中，被驯服端包括：铷钟、上位机A和GNSS时频传递模块A。NIM端包括：UTC（NIM）、上位机B和GNSS时频传递模块B。 

GNSS时频传递模块B的上位机B生成RFile（B）文件并上传到FTP，RFile（B）文件中存有多个GPS卫星与UTC（NIM）比对的钟差结果Δt_{UTC（NIM）-GPS}。其中，在RFile（B）文件中Δt_{UTC（NIM）-GPS}以REFGPS数据类型保存。 

被驯服端的上位机A生成RFile（A）文件，RFile（A）文件中REFGPS存有Δt_Rb-GPS。被驯服端的上位机A同时下载FTP上的RFile（B）文件。被驯服端的上位机A上装有处理文件并驯服铷钟的相关软件，该相关软件处理同一时刻生成的RFile（A）文件和RFile（B）文件，去除掉两个文件中不存在共视的REFGPS数据，收集能够共视的REFGPS数据，经过平均得到铷钟和UTC（NIM）的钟差TD。算法如公式（5）： 

$\mathrm{TD}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N[{\mathrm{REFGPS}}_i\left(A\right)-{\mathrm{REFGPS}}_i\left(B\right)]}{N}---\left(5\right)$

上式中N表示共视的卫星个数，REFGPS_i(A)是铷钟与共视卫星的钟差，REFGPS_i(B)是UTC（NIM）与共视卫星的钟差。 

和共视单个卫星的NIMDO系统一样，在共视多个卫星的NIMDO系统中，利用铷钟和UTC（NIM）的钟差TD，用公式（4），可以算得铷钟和UTC（NIM）的相对频差

利用铷钟和UTC（NIM）的钟差TD和相对频差

完成对铷钟的校准工作。 

如果被驯服端与NIM端距离较远，则可以在被驯服端安装全视软件，这 样即使没有共视卫星，被驯服端也可以完成对铷钟的校准。 

进一步地，在得到铷钟和UTC（NIM）的钟差TD和相对频差之后，为了更好的驯服铷钟，使铷钟的校准更加精确，还需要进行一下操作： 

（1）在驯服之前，计算铷钟的频率漂移，建立模型进行预测。 

（2）利用相对频差，对铷钟和UTC（NIM）的频差进行补偿。 

（3）利用TD，对铷钟和UTC（NIM）的时钟相位差进行补偿。 

NIMDO系统主要有两大部分构成，即：硬件部分和软件设计部分。以下详细描述硬件部分和软件设计部分。 

1、NIMDO的硬件和连线部分包括： 

（1）设备： 

2台GNSS时频传递接收机（例如：一台在A区，一台在B区）和天线； 

2台工控机（例如：一台在A区，一台在B区）； 

服务器； 

本地待校准铷钟（B区）。 

（2）连线： 

GNSS时频传递模块A： 

ANT：接入天线； 

OSC：接入参考端UTC（NIM）时频信号的频率； 

EVENTA：接入参考端UTC（NIM）时频信号的1pps。 

工控机A: 

COM1：与时频传递模块A的串口连接； 

LAN:接入网线。 

GNSS时频传递模块B： 

ANT：接入天线； 

OSC：接入待校准铷原子钟的时钟频率； 

EVENTA：接入铷钟1pps。 

工控机B: 

COM1：与时频传递模块A的串口连接； 

COM2：与铷钟RS232串口连接； 

LAN:接入网线。 

铷钟： 

1pps输出； 

时钟频率10MHz输出； 

RS232串口与GNSS时频传递模块B的COM1相连。 

2、软件设计部分包括以下步骤： 

（1）远程服务端GNSS接收机通过上位机TR程序每16分钟生成包含有UTC（NIM）和GPS钟差的文件夹名为RFile的文件四个（借鉴CGGTTS，文件名前几位分别是RGMIM,RGZIM,RRMIM,RRZIM），并实时的上传到FTP。 

（2）本地GNSS上位机FTP下载模块下载FTP上远程服务端上传的钟差文件；同时本地GNSS接收机通过本地上位机TR程序每16分钟生成含有铷钟和GPS钟差的文件夹名为RFile的文件四个（借鉴CGGTTS，文件名前几 位分别是RGMIM,RGZIM,RRMIM,RRZIM）。注：本地文件和FTP文件在同一时刻生成。 

（3）本地上位机中，取出同一时刻远程服务端和本地生成的文件名头几位相同的文件，取出里面的星号和钟差信息，经过数据处理模块（NIMDO实现原理），得到UTC（NIM）和铷钟钟差。 

（4）生成铷钟驯服指令，通过串口指令模块驯服铷钟。 

以下为NIMDO系统的初步驯服结果。 

①驯服之前铷钟与UTC（NIM）时差变化曲线如图6所示。 

在图6中，取一天中的时差数据（245540ns，253930ns）。计算一天的频率偏差率，公式如下： 

$f\left(\mathrm{offset}\right)=\frac{\mathrm{\Δt}}{T}---\left(6\right)$

得f（offset）=9.71×10^-11。 

稳定度公式： 

${\mathrm{\σ}}_y\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{\frac{1}{2(M-1)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{(y_{i+1}-y_i)}^2}---\left(7\right)$

其中，σ_y(τ)为阿伦方差，M为相对频率偏差值的个数，y_i为相对频率偏差值。 

τ等于64分钟的不稳定度为： ${\mathrm{\σ}}_y\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{\frac{1}{2(M-1)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{(y_{i+1}-y_i)}^2}=6.12\×{10}^{-12}$

②开始驯服之后铷钟与UTC（NIM）时差变化曲线如图7所示。 

取第16分钟和第80分钟的两个数据（1.13ns，-0.9ns）。计算64分钟的频率偏差率：f（offset）=2.31×10^-14。 

τ等于64分钟的不稳定度为： 

${\mathrm{\σ}}_y\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{\frac{1}{2(M-1)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{M-1}{(y_{i+1}-y_i)}^2}=9.87\×{10}^{-13}.$

作为一个具体的示例，图4为根据本发明的一个实施例的NIMDO系统的NIMDO-100的硬件结构示意图。图5为根据本发明一个实施例的NIMDO系统的NIMDO-100的硬件原理图。其中，图中箭头方向表示数据或电源的方向。 

具体而言，结合图4、图5，GPS温控设备等主要包括GPS接收机、温度产生及控制系统、隔热材料、机箱等。 

工控机硬件主要包括工控机主板、硬盘、鼠标、键盘等。可用于控制GPS、铷钟、计数卡等设备及软件的运行。 

铷钟及频率分配放大设备用于对铷钟输出的10MHz正弦波、1pps进行分 配放大。 

GT210PCI计数卡用于测量GPS和铷钟的1PPS信号的时间间隔等。 

ATX电源可输出3.3V、5V、12V直流电，用于给工控机、GPS温控设备供电。 

开关电源可输出24V直流电，用于给铷钟及频率分配放大部分供电。 

在本发明的一个实施例中，NIMDO系统分为前面板和后面板。 

1、前面板包括：工控机电源开关PWR、硬盘指示灯H.D.D、GPS指示灯、铷钟指示灯和USB接口。 

具体地，对于工控机电源开关PWR，按下该按钮，可打开、关闭工控机。当关闭工控机时，GPS温控设备的电源也将关闭。 

硬盘指示灯H.D.D用于显示硬盘的运行状态。 

GPS指示灯用于显示GPS的收星状况，绿灯闪烁次数代表GPS收星数目，红灯闪烁次数代表GLONASS收星数目。 

铷钟指示灯用于显示铷钟是否输出1PPS信号，当铷钟启动1-10分钟，温度约恒定在60度左右，正常输出1PPS信号后，该灯闪烁。 

USB接口前置于工控机。 

2、后面板包括：GPS部分、计数卡部分、铷钟部分、工控机部分和电源总开关。 

其中，GPS部分包括： 

ANT：天线接口，用于连接室外GPS天线； 

PORTC：GPS的portC端口，可连接PC串口，进行设置调试等； 

PPSA：GPS输出的1PPS（A）信号。 

计数卡部分包括： 

CH-A：通道A，用于连接铷钟的PPSA； 

CH-B：通道B，用于连接GPS的PPSA； 

CLK：外部频率输入端口，用于连接铷钟的10M-A； 

ARM。 

铷钟部分包括： 

PPSB：铷钟1PPS信号输出，分路后的B端口； 

10M-B：铷钟10MHz正弦波输出端口，分路后的B端口； 

10M-A：铷钟10MHz正弦波输出端口，分路后的A端口； 

PPSA：铷钟1PPS信号输出，分路后的A端口。 

工控机部分包括：后置USB、COM1、LAN、HDMI和VGA接口等。 

电源总开关用于打开和关闭所有设备的电源。 

以下具体介绍关于NIMDO系统的快速操作指南。 

首先关于GPS温控设备：GPS设备的A端口连接工控机的串口4，温控设备的串口连接工控机的串口5，通过该串口，可控制温度系统的输入输出。串口默认波特率为9600bps，N81，不可更改。输入输出均采用ASCII码，以#开始，回车换行结束，区分字母大小写。如下： 

输入协议： 

当协议输入正确的时候，设备返回<OK；当输入错误时，设备返回command error或其它。 

1、目标温度设定：#TEMP，XX*HH<回车><换行>，XX为目标温度值，范围：35.0-45.0°，小数位为1位。例如：#TEMP，40*HH<回车><换行>，设定目标温度为40°。 

2、输出频率设定：#RATE，XX*HH<回车><换行>，XX为多少秒输出一 组数据，范围：1-999秒，整数。例如：#RATE，60*HH<回车><换行>，设定输出频率为60秒一组数据。 

输出协议： 

#TEMP，<1>，P，<2>，T*<3><回车><换行>#TEMP为字头，其中P代表当前温度，T代表目标温度值。 

<1>为当前采集温度值，范围-15.0-45.0°； 

<2>为目标温度值，范围35.0-45.0°； 

<3>为校验位，指“#”和“*”（不含这两个字符）之间所有字节按位异或。 

例如：#TEMP，40.0，P，40.0，T*08。 

关于铷钟及频率分配放大设备： 

铷钟的串口连接工控机的串口3，默认波特率为9600bps，N81。 

脉冲、频率分配放大电路板对铷钟输出的1PPS信号和10MHz正弦波频率信号进行了分配放大，已外接至设备的后面板，用户可根据需要选择连接计数器或其它设备。其中分路后的10MHz频率为LVTTL电平，Vpp为2.5V（无负载），可连接50欧或更大负载；1PPS信号为TTL电平(5V)，脉冲宽度为10us，上升时间小于10ns。 

关于计数卡：计数卡与工控机通过PCI接口连接。 

根据本发明实施例的NIMDO系统，基于GPS共视技术，能够为校准和计量实验室提供基准频标和时标，并直接参考UTC(NIM)，从而把时间频率溯源到国际单位制，客户可以获得标准的频率和时间输出，具有校准时间精确度高、可靠性强、稳定性高等优点。 

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、 “具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。 

Claims (10)

1.一种实时驯服到时间频率标准的高精密时间频率源，可远程、近乎实时的获得由参考端与全球导航卫星系统生成的第一时频钟差序列，其中，所述参考端生成N个时频信号，并根据所述N个时频信号和来自全球导航卫星系统的卫星信号生成第一时频钟差序列，其中，所述N为正整数。其特征在于，所述时间频率源包括：

被驯服端，所述被驯服端用于生成待校时钟的N个时频信号，并根据所述待校时钟的N个时频信号和所述卫星信号生成第二时频钟差序列，根据所述参考端生成的第一时频钟差序列和所述第二时频钟差序列得到参考时间频率源的N个时频信号和所述待校时钟的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，并根据所述第三时频钟差序列计算得到相对频差序列，再通过得到的第三时频钟差序列和对应计算得到的相对频差序列对被驯服端的待校时钟进行监测和校准。

2.根据权利要求1所述的时间频率源，其特征在于，所述参考端包括：

参考时间频率源，所述参考时间频率源用于生成所述N个时频信号；

第一GNSS时频传递模块，所述第一GNSS时频传递模块用于接收来自卫星导航系统的卫星信号以及接收来自所述参考时间频率源的所述N个时频信号；

第一上位机，所述第一上位机用于根据所述参考时间频率源的N个时频信号和所述卫星信号生成所述第一时频钟差序列。

3.根据权利要求1或2所述的时间频率源，其特征在于，所述被驯服端包括：

待校时钟，所述待校时钟用于生成所述待校时钟的N个时频信号；

第二GNSS时频传递模块，所述第二GNSS时频传递模块用于接收来自所述卫星导航系统的卫星信号以及接收来自所述待校时钟生成的所述N个时频信号；

第二上位机，所述第二上位机用于根据所述待校时钟的N个时频信号和所述卫星信号生成第二时频钟差序列。根据所述第一时频钟差序列和所述第二时频钟差序列得到所述参考时间频率源的N个时频信号和所述待校时钟的N个时频信号之间的第三时频钟差序列，并根据所述第三时频钟差序列计算得到相对频差序列，再通过得到的第三时频钟差序列和对应计算得到的相对频差序列对被驯服端的待校时钟进行监测和校准。

4.根据权利要求1所述的时间频率源，其特征在于，还包括：

通讯模块，所述通讯模块分别与所述参考端和所述被驯服端相连，用于将所述参考端的第一时频钟差序列发送至所述被驯服端。

5.根据权利要求4所述的时间频率源，其特征在于，所述通讯模块为FTP模块。

6.根据权利要求1所述的时间频率源，其特征在于，所述被驯服端为一个或多个。

7.根据权利要求1所述的时间频率源，其特征在于，所述待校时钟为铷钟。

8.根据权利要求1所述的时间频率源，其特征在于，每相邻两个待校时钟的时频信号和每相邻两个参考时频信号均间隔预设时间。

9.根据权利要求8所述的时间频率源，其特征在于，所述预设时间为16min。

10.根据权利要求1所述的时间频率源，其特征在于，所述相对频差序列与所述第三时频钟差序列之间存在以下关系：

$\frac{\mathrm{\&Delta;f}}{f_{\mathrm{Ref}}}=\frac{f_x-f_{\mathrm{Ref}}}{f_{\mathrm{Ref}}}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i+1-\mathrm{\&Delta;}{t}_i}{\mathrm{\&tau;}}$

其中，Δf为待校时钟的时频信号与参考时频信号的频率之差，f_Ref为参考时频信号的频率，f_x为待校时钟的时频信号的频率，Δt_i+1为第i+1个第三时频钟差，Δt_i为第i个第三时频钟差，τ为预设时间。

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