CN104614981B - 一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，包括：在校准方和被校方分别设置天线、共视接收机、计算机和原子钟以形成一原子钟远程校准系统；开启校准方和被校方的共视接收机和原子钟；运行至少三天，并存储CGGTTS标准格式文件；根据绝对值计算为主、灵活调整为辅的原则选取当天的采样时间点；选取所有N天中所述CGGTTS标准格式文件中都出现的同一颗卫星在所述该天的采样时间点的卫星数据，在第一天至第N天中的任一天均根据被校方的该卫星数据中的REFGPS值减去校准方的该卫星数据中的REFGPS值获得当天的时差数据；采用阿仑方差获得天频率稳定度。该方法简便及可靠，可以代替传统的搬运钟测量方法。

Description

一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法

技术领域

本发明涉及时间频率校准领域，尤其是一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法。

背景技术

随着科学发展和技术进步，时间频率测量成为最重要的测量活动之一。时间频率设备的计量校准方法研究也成为了当今计量领域的热点问题。传统的原子频率标准装置(也被称为原子钟)的校准大多采用送检的方式，即将设备送到上一级计量部门，由计量部门按照相应的检定规程完成检定校准。然而，时间频率计量标准因其具有自身的特性，使其可以避开逐级传递，将电磁波作为载体进行远距离的发播和发送。由于卫星定位系统的广泛应用和计算机网络传输技术的不断发展，更为此提供了机遇和条件，使其可以通过量值的传递来实现远程校准。

时间频率远程校准是未来原子频率标准装置计量技术发展的主要方向。随着科技的不断进步，原子频率标准装置的可携带性不断加强，但是由于时间频率计量自身固有的局限性，送检校准周期较长。国内一部分实验室的原子频率标准装置因参与科研项目研究，需24小时上电工作，因此远程校准技术的研究迫在眉睫。时间频率远程校准技术的研究，为时间频率计量的方式提供了一种全新的思路。国内外主流的远程校准技术有卫星共视法、双向卫星法和卫星载波相位法。其中，卫星共视法从成本和可操作性都优于另外两种方法，成为远程校准技术的主要手段。

传统的计量方式是通过一条不间断链路实现溯源和量值传递，从上一级计量部门到下一级计量部门，通常为样品送检的方式。但是传统的计量方式存在送检期间导致下一级计量标准无法正常使用，计量工作停止的问题、部分下一级计量标准不易于搬运等缺陷。上述缺陷在原子频率标准装置计量时尤为突出，不可避免。

现在正在使用的频率标准远程校准方法中，关于原子频率标准装置的校准只提供了频率偏差、频率准确度和频率日漂移率3个校准项目的校准方法。但是，当前远程校准原子频率标准装置的校准项目中并没有包括天频率稳定度的测量。而频率稳定度表征在一定时间内产生同样频率的能力，对评价一个原子频率标准的整体性能起着决定性作用。正在实施的原子频率标准规范中就原子频率标准装置的频率稳定度都列为了校准项目，并给出了详细的频率稳定度指标。因此，有必要提供一种获得天频率稳定度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于共视CGGTTS标准格式文件实现远程校准并获得原子频率标准装置的天频率稳定度的方法，用于为原子频率标准装置的校准检定工作提供技术支持。

为了达到上述目的，本发明提供了一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，包括：

步骤一：在校准方和被校方分别设置天线、共视接收机、计算机和原子钟以形成一原子钟远程校准系统；

步骤二：开启所述校准方和被校方的共视接收机和原子钟；

步骤三：将所述原子钟远程校准系统运行N天，N≥3，每天分别在校准方和被校方获得一组所述共视接收机输出的CGGTTS标准格式文件，并分别存储在校准方和被校方的所述计算机中；

步骤四：在每天的两组所述CGGTTS标准格式文件中均具有多个采样时间点，在第一天至第N天依次进行当天采样时间点的选取，在第一天的所述多个采样时间点中选取一个为第一采样时间点；在第j天，2≤j≤N，从第j天的多个采样时间点中选取一个与第j-1采样时间点之间的时间相差最短的采样时间点作为第j参考采样时间点，当所述第j参考采样时间点的小时数与第j-1采样时间点的小时数相同时，则选取所述第j参考采样时间点为第j采样时间点；当所述第j参考采样时间点的小时数与第j-1采样时间点的小时数不同时，则选取第j天的多个采样时间点中与第j-1采样时间点的小时数相同且与所述第一个采样时间点之间的时间相差最短的一个采样时间点为第j采样时间点；

步骤五：选取所有N天所述CGGTTS标准格式文件中都出现的同一颗卫星在第一采样时间点到第N采样时间点的卫星数据，记录该卫星数据中的REFGPS值，并在第一天至第N天中的任一天均根据被校方的该卫星数据中的REFGPS值减去校准方的该卫星数据中的REFGPS值获得当天的时差数据；

步骤六：采用阿仑方差获得天频率稳定度，根据第i天的时差数据、第i+1天的时差数据、第i+2天的时差数据、运行天数N和CGGTTS标准格式文件生成的间隔时间获得天频率稳定度，1≤i≤N-2。

进一步地，在步骤一中，具体包括：

在校准方和被校方分别设置第一基准点和第二基准点，并测量获得所述第一基准点和第二基准点相对参考坐标系的坐标；

在校准方设置第一原子钟和与所述第一原子钟连接的第一共视接收机，并在所述第一基准点处设置与所述第一共视接收机连接的第一天线，在被校方设置第二原子钟和与所述第二原子钟连接的第二共视接收机，在所述第二基准点处设置与所述第二共视接收机连接的第二天线。

进一步地，所述参考坐标系为WGS-84坐标系。

进一步地，所述第一原子钟的频率准确度高于第二原子钟的频率准确度一个数量级，所述第一原子钟的频率日漂移率高于第二原子钟的频率日漂移率一个数量级。

进一步地，通过所述第一原子钟为所述第一共视接收机提供频率信号和1pps信号，通过所述第二原子钟为所述第二共视接收机提供频率信号和1pps信号。

进一步地，在步骤二中，具体包括：

步骤a.将所述第一原子钟和第二原子钟上电，并均预热至正常工作状态，且观察所述第一共视接收机和第二共视接收机的工作状态指示灯是否显示正常，若是，则进入步骤b，若否，则进行设备检查和/或替换直至显示正常；

步骤b.设置所述第一共视接收机和第二共视接收机的运行参数，再开启所述第一共视接收机和第二共视接收机。

进一步地，所述运行参数包括天线点坐标、数据存放目录和链路延时。

进一步地，在步骤三中，所述N为15。

进一步地，在步骤四中，所述第一采样时间点为所述多个采样时间点中小时数为4且与4点整之间的时间相差最短的一个采样时间点。

进一步地，在步骤六中，所述天频率稳定度为：

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{\frac{1}{2(N-2){\mathrm{\τ}}^2}\underset{i=1}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{i+2}-2x_{i+1}+x_i)}^2}$

其中，σ(τ)为所述天频率稳定度，x_i为所述第i天的时差数据，x_i+1为所述第i+1天的时差数据，x_i+2为所述第i+2天的时差数据，τ为所述CGGTTS标准格式文件生成的间隔时间。

与现有技术相比，本发明提供了一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，该方法简便及可靠，可以代替传统的搬运钟测量方法，并适用于各类原子频率标准装置远程校准系统的天频率稳定度的计算，为原子频率标准装置的校准检定工作提供技术支持，且在校准过程中并不影响原子钟的正常工作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的原子钟远程校准系统的系统结构图；

图2为本发明实施例提供的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提供了一种原子钟远程校准系统(亦可称为原子频率标准装置远程校准系统)，其具有校准方和被校方，在校准方设置有第一天线(图未示出)、第一共视接收机、第一原子钟(即校准原子钟)和计算机，在被校方设置有第二天线(图未示出)、第二共视接收机、第二原子钟(即被校原子钟)和计算机。其中，第一天线和第一共视接收机可以接收导航卫星信号并生成共视CGGTTS(CCTF Group on GNSS Time Transfer Standards，国际时间频率咨询委员会全球导航卫星系统时间传递标准组)标准格式文件，且第二天线和第二共视接收机亦可接收导航卫星信号并生成共视CGGTTS标准格式文件；第一原子钟可以提供频率信号(即参考频率信号)和1PPS(Pulse Per Second,秒脉冲)信号；第二原子钟可以提供频率信号(即被校频率信号)和1PPS信号；所述计算机可以进行从第一共视接收机及第二共视接收机获得的共视数据的采集和对所述第一共视接收机和第二共视接收机的运行参数的调节；通过所述计算机还可以对CGGTTS标准格式文件中数据进行处理和计算。

如图2所示，本发明还提供了一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，以获得上述原子钟远程校准系统的天频率稳定度，包括：

步骤一：在校准方和被校方分别设置天线、共视接收机、计算机和原子钟以形成一原子钟远程校准系统；

步骤二：开启所述校准方和被校方的共视接收机和原子钟；

步骤三：将所述原子钟远程校准系统运行N天，N≥3，每天分别在校准方和被校方获得一组所述共视接收机输出的CGGTTS标准格式文件，并分别存储在校准方和被校方的所述计算机中；

步骤四：在每天的两组所述CGGTTS标准格式文件中均具有多个采样时间点，在第一天至第N天依次进行当天采样时间点的选取，在第一天的所述多个采样时间点中选取一个为第一采样时间点；在第j天，2≤j≤N，从第j天的多个采样时间点中选取一个与第j-1采样时间点之间的时间相差最短的采样时间点作为第j参考采样时间点，当所述第j参考采样时间点的小时数与第j-1采样时间点的小时数相同时，则选取所述第j参考采样时间点为第j采样时间点；当所述第j参考采样时间点的小时数与第j-1采样时间点的小时数不同时，则选取第j天的多个采样时间点中与第j-1采样时间点的小时数相同且与所述第一个采样时间点之间的时间相差最短的一个采样时间点为第j采样时间点；

步骤五：选取所有N天所述CGGTTS标准格式文件中都出现的同一颗卫星在第一采样时间点到第N采样时间点的卫星数据，记录该卫星数据中的REFGPS(实际跟踪长度中点处本地钟与GPS时间之差)值，并在第一天至第N天中的任一天均根据被校方的该卫星数据中的REFGPS值减去校准方的该卫星数据中的REFGPS值获得当天的时差数据；

步骤六：采用阿仑方差获得天频率稳定度，根据第i天的时差数据、第i+1天的时差数据、第i+2天的时差数据、运行天数N和CGGTTS标准格式文件生成的间隔时间获得天频率稳定度，1≤i≤N-2。

优选地，在步骤一中，具体包括：

在校准方和被校方分别设置第一基准点和第二基准点，并测量获得所述第一基准点和第二基准点相对参考坐标系的坐标；

在校准方设置第一原子钟和与所述第一原子钟连接的第一共视接收机，并在所述第一基准点处设置与所述第一共视接收机连接的第一天线，在被校方设置第二原子钟和与所述第二原子钟连接的第二共视接收机，在所述第二基准点处设置与所述第二共视接收机连接的第二天线。

此外，在本实施例中，在校准方和被校方设置的第一基准点和第二基准点均要求具有良好的视野，对于第一基准点和第二基准点的坐标进行精确测量，且测量精度为厘米级。

在本实施例中，所述参考坐标系为WGS-84坐标系(World Geodetic System-1984Coordinate System，1984年世界大地坐标系)，且在X、Y、Z方向的绝对误差应小于10厘米，所述第一原子钟的频率准确度高于第二原子钟的频率准确度一个数量级，所述第一原子钟的和频率日漂移率指标高于第二原子钟的频率日漂移率一个数量级。

优选地，在步骤二中，具体包括：

步骤a.将所述第一原子钟和第二原子钟上电，并均预热至正常工作状态，且观察所述第一共视接收机和第二共视接收机的工作状态指示灯是否显示正常，若是，则进入步骤b，若否，则进行设备检查和/或替换直至显示正常；

步骤b.设置所述第一共视接收机和第二共视接收机的运行参数，再开启所述第一共视接收机和第二共视接收机。

优选地，在上述步骤a中，所述第一共视接收机的工作状态指示灯包括三部分，分别为显示第一原子钟的参考频率信号是否接通的第一指示灯、显示第一原子钟的1PPS信号是否接通的第二指示灯以及显示第一天线是否接通的第三指示灯。在本实施例中，当第一共视接收机收到第一原子钟的参考频率信号时，第一指示灯亮，否则不亮；当第一共视接收机收到第一原子钟的1PPS信号时，第二指示灯亮，否则不亮；当第一共视接收机与第一天线接通时，第三指示灯亮，否则不亮。同理，第二共视接收机亦包括三部分，请参考第一共视接收机的工作状态指示灯，故在此不再赘述。

优选地，在上述步骤b中，所述运行参数包括天线点坐标、数据存放目录和链路延时，在本实施例中，设置所述天线点坐标即在所述计算机上分别输入所述第一基准点和第二基准点的坐标，设置所述数据存放目录即为在校准方和被校方分别选择输出CGGTTS标准格式文件的目录。

N为不小于3的任意整数，当运行天数N较大时，求得的天频率稳定度较为精确，但随着运行天数的增加时，计算复杂度会随之提高。在本实施例中，所述N优选为15。

优选地，在步骤四中，在CGGTTS标准格式文件中，字段STTIME对应所述多个采样时间点，所述第一采样时间点为所述字段STTIME对应的多个采样时间点中小时数为4且与4点整之间的时间相差最短的一个采样时间点，也就是说，在第1天的2组CGGTTS标准格式文件中，均选取字段STTIME出现04XX00(CGGTTS的STTIME采用UTC时间，UTC时间与北京时间有8小时固定偏差，故其表示北京时间中午12点XX分，XX为未知量)的第一组数据。这是由于正午卫星天线搜星情况最佳，特别是使用多通道共视接收机时，搜星数量越多，后续计算的准确性越高。

在余下的14天的28组数据中，也要进行筛选。由于卫星运行的周期为11小时58分，故每2天采集时间点存在4分钟的固定延时，在筛选时，采用以绝对值计算为主，灵活调整为辅的原则。例如第一天选择数据的第一采样时间点为041400(即北京时间12点14分)，第二天可能选取的第二采样时间点有041000和042600(任一共视接收机均每经16分钟具有一采样时间点，并在该采样时间点获得卫星数据)，由于|041000-041400|＜|041400-042600|，故第二天选择的第二采样时间点为041000时采样获得的卫星数据。不过要注意，按绝对值方法选择的下一天的时间段不在以04XX00的形式出现，需要灵活调整，重新选择下一天中以04XX00形式出现的第一组卫星数据，以免使得采样间隔首尾差距太大，影响计算天频率稳定度的准确性。对于该例，第三天和第四天选取的第三采样时间点和第四采样时间点分别为040600及040200，而如果没有采用灵活调整原则，则第五天选取的第五采样时间点为035800，该第五采样时间点虽然距离第四采样时间点的时间段满足绝对值计算为主(即绝对值最小)原则，但由于该第五采样时间点的存在，必然导致第五采样时间点直至第N采样时间点(即第N天的采样时间点)均与第一采样时间点之间的时间间隔较长，尤其是第N采样时间点与第一采样时间点之间时间间隔差距太大，故根据灵活调整原则，在选取第五采样时间点时，不选取035800，而选取041400(即035800的16分钟后的采样时间点)。

在步骤五中，第一采样时间点到第N采样时间点指的是第一采样时间点、第二采样时间点〃〃〃〃〃〃第N采样时间点。在本实施例中，即第一采样时间点、第二采样时间点、第三采样时间点、〃〃〃〃〃〃、第十四采样时间点和第十五采样时间点。

在步骤六中，所述天频率稳定度为：

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{\frac{1}{2(N-2){\mathrm{\τ}}^2}\underset{i=1}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{i+2}-2x_{i+1}+x_i)}^2}$

其中，σ(τ)为所述天频率稳定度，x_i为所述第i天的时差数据，x_i+1为所述第i+1天的时差数据，x_i+2为所述第i+2天的时差数据，τ为所述CGGTTS标准格式文件生成的间隔时间，由于本发明的目的是为了获得天频率稳定度，那么τ为一天。

综上，与现有技术相比，本发明基于CGGTTS的数据更新为1天1次的特性，提供了一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，该方法简便及可靠，可以代替传统的测量方法，并适用于各类原子频率标准装置远程校准系统的天频率稳定度的计算，为原子频率标准装置的校准检定工作提供技术支持，且在校准过程中并不影响原子钟的正常工作。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，包括：

步骤一：在校准方和被校方分别设置天线、共视接收机、计算机和原子钟以形成一原子钟远程校准系统；

步骤二：开启所述校准方和被校方的共视接收机和原子钟；

步骤三：将所述原子钟远程校准系统运行N天，N≥3，每天分别在校准方和被校方获得一组所述共视接收机输出的CGGTTS标准格式文件，并分别存储在校准方和被校方的所述计算机中；

步骤四：在每天的两组所述CGGTTS标准格式文件中均具有多个采样时间点，在第一天至第N天依次进行当天采样时间点的选取，在第一天的所述多个采样时间点中选取一个为第一采样时间点；在第j天，2≤j≤N，从第j天的多个采样时间点中选取一个与第j-1采样时间点之间的时间相差最短的采样时间点作为第j参考采样时间点，当所述第j参考采样时间点的小时数与第j-1采样时间点的小时数相同时，则选取所述第j参考采样时间点为第j采样时间点；当所述第j参考采样时间点的小时数与第j-1采样时间点的小时数不同时，则选取第j天的多个采样时间点中与第j-1采样时间点的小时数相同且与所述第一采样时间点之间的时间相差最短的一个采样时间点为第j采样时间点；

步骤五：选取所有N天所述CGGTTS标准格式文件中都出现的同一颗卫星在第一采样时间点到第N采样时间点的卫星数据，记录该卫星数据中的REFGPS值，并在第一天至第N天中的任一天均根据被校方的该卫星数据中的REFGPS值减去校准方的该卫星数据中的REFGPS值获得当天的时差数据；

步骤六：采用阿仑方差获得天频率稳定度，根据第i天的时差数据、第i+1天的时差数据、第i+2天的时差数据、运行天数N和CGGTTS标准格式文件生成的间隔时间获得天频率稳定度,1≤i≤N-2。

2.如权利要求1所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，在步骤一中，具体包括：

在校准方和被校方分别设置第一基准点和第二基准点，并测量获得所述第一基准点和第二基准点相对参考坐标系的坐标；

在校准方设置第一原子钟和与所述第一原子钟连接的第一共视接收机，并在所述第一基准点处设置与所述第一共视接收机连接的第一天线，在被校方设置第二原子钟和与所述第二原子钟连接的第二共视接收机，在所述第二基准点处设置与所述第二共视接收机连接的第二天线。

3.如权利要求2所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，所述参考坐标系为WGS-84坐标系。

4.如权利要求2所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，所述第一原子钟的频率准确度高于第二原子钟的频率准确度一个数量级，所述第一原子钟的频率日漂移率高于第二原子钟的频率日漂移率一个数量级。

5.如权利要求2所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，通过所述第一原子钟为所述第一共视接收机提供频率信号和1pps信号，通过所述第二原子钟为所述第二共视接收机提供频率信号和1pps信号。

6.如权利要求2所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，在步骤二中，具体包括：

步骤a.将所述第一原子钟和第二原子钟上电，并均预热至正常工作状态，且观察所述第一共视接收机和第二共视接收机的工作状态指示灯是否显示正常，若是，则进入步骤b，若否，则进行设备检查和/或替换直至显示正常；

步骤b.设置所述第一共视接收机和第二共视接收机的运行参数，再开启所述第一共视接收机和第二共视接收机。

7.如权利要求6所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，所述运行参数包括天线点坐标、数据存放目录和链路延时。

8.如权利要求1所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，在步骤三中，所述N为15。

9.如权利要求1所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，在步骤四中，所述第一采样时间点为所述多个采样时间点中小时数为4且与4点整之间的时间相差最短的一个采样时间点。

10.如权利要求1所述的获得原子钟远程校准系统的天频率稳定度的方法，其特征在于，在步骤六中，所述天频率稳定度为：

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{\frac{1}{2(N-2){\mathrm{\τ}}^2}\underset{i=1}{\overset{N-2}{\Σ}}{(x_{i+2}-2x_{i+1}+x_i)}^2}$

其中，σ(τ)为所述天频率稳定度，x_i为所述第i天的时差数据，x_i+1为所述第i+1天的时差数据，x_i+2为所述第i+2天的时差数据，τ为所述CGGTTS标准格式文件生成的间隔时间。