CN112068165A - 一种高精度时间性能间接检测方法 - Google Patents

一种高精度时间性能间接检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度时间性能间接检测方法，采用UTC(k)与被测时间单元进行实时比对测试，再通过UTC(k)与UTC对应时刻事后差分方式获得UTC(k)与UTC的时间偏差，经过数据处理即可有效获得被测时间单元相对于UTC的时间偏差；本发明还公开了一种实现长基线时间同步性能测试方法，采用两个不同的UTC(k)分别与被测时间单元比对测试获得时间偏差，经事后与UTC和UTC(k)对应时刻的时间偏差进行差分达到预期目标。采用本发明的技术方法，能够经济有效地实现纳秒级时间信号同步性能检测以及获知被测时间信号与UTC时间的偏差。

Description

一种高精度时间性能间接检测方法
技术领域
本发明属于卫星导航授时及高性能时间检测技术领域，尤其涉及一种高精度时间性能间接检测方法。
背景技术
导航卫星应用以来，基于GNSS的授时精度一般在数十纳秒级别(相对于UTC的偏差)。近年来由于采用GNSS共视(CV)、全视(AV)、卫星双向和精密单点定位(PPP)等技术实现授时，可以实现纳秒级甚至亚纳秒级别的授时精度。由此带来的新问题是如何检测或验证高精度的时间信号，成为目前业内比较突出的一个技术难点。
有关检测规程要求：“测试基准要高于被测对象极限精度3倍以上”。由于被测对象“极限精度”(或误差)有时难以确定，业内通常要求检测基准高于被测对象规定指标的一个数量级以上。因此，对于纳秒级或更高的时间信号检测，一般必须依赖更高精度的检测基准作为参考，而这一条件目前只有少数单位(如国家级时频实验室)可以做到。
协调世界时UTC是一个纸面时间，不是具体的物理信号，无法直接与其比对。因此，业内一般的时间测试是与地方协调世界时UTC(K)基准进行比对。但是由于UTC(K)与UTC之间一般也存在数纳秒的误差，因此，以其作为参考信号也不能满足上面提到的纳秒级时间信号的测量要求。
发明内容
为了实现纳秒级时间信号的检测以及获知被测时间信号与UTC时间的偏差，本发明采用UTC(K)与被测对象(DTU)进行比对测试，再通过UTC(K)与UTC对应时刻事后比对方式来进行时间同步精度测试，可以有效获得DTU相对于UTC的时间偏差。本发明的具体技术方案如下：
一种高精度时间性能间接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建测试环境；
将被测时间单元DTU，设置于时频实验室UTC(k)测试基准处，选择开阔视野处架设GNSS天线并连接至DTU，将DTU输出的待测1PPS信号和UTC(k)的1PPS基准信号均连接至时间间隔计数器的测试比对端口；所述UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称；
S2：开启DTU与时间间隔计数器，利用时间间隔计数器对DTU输出的待测1PPS信号与UTC(k)的1PPS基准信号测试比对，系统收敛稳定后，扣除测试连线等导致的固定偏差，采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt′＝tDTU-tUTC(k)，其中，tDTU为DTU的待测时间，tUTC(k)为UTC(k)的基准时间；
S3：采用事后比对的方式，将UTC(k)与国际权度局BIPM公布的事后对应UTC时刻比对，得到该UTC(k)与UTC的统计时间偏差ΔUTC＝tUTC(k)-tUTC，其中，tUTC为UTC的T公告时间；
S4：根据步骤S2和步骤S3的结果，计算DTU相对于UTC的间接时间偏差：Δt＝tDTU-tUTC＝Δt′+ΔUTC；
S5：根据步骤S4的结果进一步计算得到DTU的时间准确度和稳定度；
所述时间间隔计数器的时间测量不确定度需满足测试精度要求。
一种长基线高精度时间性能间接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建测试环境，在相距超过100km的两个UTC(k)处分别设置被测时间单元DTU1和被测时间单元DTU2；
S1-1：对于第一UTC(k)处的DTU1，选择开阔视野处架设GNSS天线并连接至DTU1，将DTU1输出的待测1PPS信号和第一UTC(k)的1PPS基准信号均连接至第一时间间隔计数器的测试比对端口；所述UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称；
S1-2：对于第二UTC(k)处的DTU2，选择开阔视野处架设GNSS天线并连接至DTU2，将DTU2输出的待测1PPS信号和第二UTC(k)的1PPS基准信号均连接至第二时间间隔计数器的测试比对端口；
S2：开启DTU1与第一时间间隔计数器，利用第一时间间隔计数器对DTU1输出的待测1PPS信号与第一UTC(k)的1PPS基准信号测试比对，系统收敛稳定后，扣除测试连线等导致的固定偏差，采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt1＝tDTU1-tUTC(k)1，其中，tDTU1为DTU1的待测时间，tUTC(k)1为第一UTC(k)的基准时间；
开启DTU2与第二时间间隔计数器，利用第二时间间隔计数器对DTU2输出的待测1PPS信号与第二UTC(k)的1PPS基准信号测试比对，系统收敛稳定后，按相同速率采集相同一段时间的测试数据并得到比对结果Δt2＝tDTU2-tUTC(k)2，其中，tDTU2为DTU2的待测时间，tUTC(k)2为第二UTC(k)的基准时间；
S3：采用事后比对的方式，将第一UTC(k)和第二UTC(k)分别与国际权度局BIPM公布的事后对应UTC时刻比对，得到ΔUTC1＝tUTC(k)1-tUTC，ΔUTC2＝tUTC(k)2-tUTC，进一步计算得到第一UTC(k)和第二UTC(k)的时间偏差ΔtUTC(k)＝tUTC(k)1-tUTC(k)2＝ΔUTC1-ΔUTC2；
S4：根据步骤S2和步骤S3的结果，计算第一UTC(k)处的DTU1与第二UTC(k)处的DTU2之间的时间比对结果，即两个被测时间单元之间的长基线时间同步偏差：Δt″＝tDTU1-tDTU2＝Δt1-Δt2+ΔtUTC(k)；
S5：根据步骤S2和步骤S3的结果进一步计算得到两个被测时间单元之间的时间准确度和稳定度；
所述第一时间间隔计数器与所述第二时间间隔计数器的时间测量不确定度需满足测试精度要求。
进一步地，所述被测时间单元为GNSS接收机、时间服务器、时间频率信号分配器或GNSS卫星信号定时单元。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的方法能够解决检测方无高精度时间信号参考源而难以实施检测的问题；
2.本发明的方法可以经济有效地实现纳秒级时间信号的检测；
3.本发明的方法可以间接获得被测时间信号相对于UTC的偏差；
4.本发明的方法可以实现长基线(异地远距离)时间同步性能检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的长基线时间同步精度测试方法图；
图2是本发明的测试平台示意图；
图3是本发明的方法流程图；
图4是本发明的光纤测试方法图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
现有类似技术受检测参考基准精度的限制，难以实现纳秒或皮秒级的时间的绝对检测，因此成为业内一个突出的薄弱环节。
UTC(k)是代号为k的时间实验室产生和保持的实验室标准时间，k为实验室的通称，每个实验室有自身的代码，比如UTC(NIM)是指由中国计量科学研究院产生和保持的实验室标准时间，UTC(NIST)是指由美国标准技术研究院产生和保持的实验室标准时间，UTC(NTSC)是指由中科院国家授时中心(西安)产生和保持的实验室标准时间，以此类推。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。通过实时比对测试、事后差分处理、扣除媒介偏差等步骤最后获得间接测试结果。
实施例1
对被测对象DTU，在中科院国家授时中心(西安)UTC(NTSC)或中国计量科学研究院(北京)UTC(NIM)布设一台广域精确授时技术授时接收机，用时间间隔计数器(不确定度优于50ps)对接收机与参考时间源进行比对测试，并在事后通过数据处理方式间接获得DTU相对于UTC的时间偏差。具体步骤如下：
S1：搭建测试环境；
对于被测对象DTU，在中科院国家授时中心(西安)UTC(NTSC)选择开阔视野处架设GNSS接收机天线并连接至GNSS接收机，将GNSS接收机的待测1PPS信号和UTC(NTSC)的1PPS基准信号均连接至时间间隔计数器的测试比对端口；
S2：开启GNSS接收机与时间间隔计数器，利用时间间隔计数器对GNSS接收机输出的1PPS与UTC(NTSC)的1PPS进行比对测试，系统收敛稳定后，扣除测试连线等导致的固定偏差，按一定速率采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt′＝tDTU-tUTC(NTSC)，其中，tDTU为DTU的待测时间，tUTC(NTSC)为UTC(NTSC)的基准时间；
S3：鉴于UTC(NTSC)与UTC之间存在一定的系统偏差，为了消除有关偏差对于测试结果的影响，采用事后比对的方式将UTC(NTSC)与国际权度局BIPM公布的事后UTC比对得到ΔUTC＝tUTC(NTSC)-tUTC，；
S4：根据S2和S3的结果，计算GNSS接收机与UTC之间的时间偏差Δt＝tDTU-tUTC＝Δt′+ΔUTC；
S5：根据步骤S2和步骤S3的结果进一步采用标准公式计算得到被测时间单元的时间准确度和稳定度。
实施例2
如图1-3所示，对被测对象DTU，分别在中科院国家授时中心(西安)UTC(NTSC)和中国计量科学研究院(北京)UTC(NIM)布设一台广域精确授时技术授时接收机，用时间间隔计数器(不确定度优于50ps)对接收机与参考时间源进行比对测试，并在事后通过数据处理方式间接获得DTU相对于UTC的时间偏差。如图1-3所示，具体步骤如下：
S1：搭建测试环境；
S1-1：对于被测对象DTU1，在中科院国家授时中心(西安)UTC(NTSC)选择开阔视野处架设第一GNSS接收机天线并连接至第一GNSS接收机，将第一GNSS接收机的待测1PPS信号和UTC(NTSC)的1PPS基准信号均连接至第一时间间隔计数器的测试比对端口；
S1-2：对于被测对象DTU2，在中国计量科学研究院(北京)UTC(NIM)，选择开阔视野处架设第二GNSS接收机天线并连接至第二GNSS接收机，将第二GNSS接收机的待测1PPS信号和UTC(NIM)的1PPS基准信号均连接至第二时间间隔计数器的测试比对端口；
S2：开启第一GNSS接收机与第一时间间隔计数器，利用第一时间间隔计数器对第一GNSS接收机输出的1PPS与UTC(NTSC)的1PPS比对，系统收敛稳定后，按一定速率采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt1＝tDTU1-tUTC(NTSC)，其中，tDTU1为DTU1的待测时间，tUTC(NTSC)为UTC(NTSC)的基准时间；
开启第二GNSS接收机与第二时间间隔计数器，利用第二时间间隔计数器对第二GNSS接收机输出的1PPS与UTC(NIM)的1PPS比对，系统收敛稳定后，按相同速率采集相同一段时间的测试数据并得到比对结果Δt2＝tDTU2-tUTC(NIM)，其中，tDTU2为DTU2的待测时间，tUTC(NIM)为UTC(NIM)的基准时间；
S3：鉴于UTC(NTSC)与UTC(NIM)之间存在一定的系统偏差，且UTC(NTSC)和UTC(NIM)均与UTC之间存在时间偏差，为了消除有关偏差对于测试结果的影响，采用事后比对的方式将UTC(NTSC)和UTC(NIM)分别与国际计量局公布的事后UTC比对得到ΔUTC(NTSC)＝tUTC(NTSC)-tUTC，ΔUTC(NIM)＝tUTC(NIM)-tUTC，进一步计算得到UTC(NTSC)和UTC(NIM)的时间偏差ΔtUTC(k)＝tUTC(NTSC)-tUTC(NIM)＝ΔUTC(NTSC)-ΔUTC(NIM)-；
S4：根据S2和S3的结果，计算第一接收机与第二接收机之间的真实时间比对结果，即长基线时间同步精度Δt″＝tDTU1-tDTU2＝Δt1-Δt2+ΔtUTC(k)；
S5：根据步骤S2和步骤S3的结果进一步采用标准公式计算得到被测时间单元的时间准确度和稳定度。
实施例3
如图4所示，在相距1000km的两地分别布设一台WPT授时接收机来进行长基线系统测试，具体步骤如下：
S1：搭建长基线测试环境；
S1-1：对于被测时间单元DTU，在A地选择开阔视野处架设第一GNSS接收机天线并连接至第一WPT授时接收机，将第一WPT授时接收机连接至第一时间间隔计数器，将UTC(k)或其他时间参考源与光纤的发端连接后再连接至第一时间间隔计数器；
S1-2：对于被测时间单元DTU，在距离A地1000公里的B地选择开阔视野处架设第二GNSS接收机天线并连接至第二WPT授时接收机，将第二WPT授时接收机连接至第二时间间隔计数器，将光纤的收端连接至第二时间间隔计数器；
S2：开启第一WPT授时接收机与第一时间间隔计数器，利用第一时间间隔计数器对接收机输出的1PPS与参考时间源的1PPS比对，系统收敛稳定后，按一定速率采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt1；
开启第二WPT授时接收机与第二时间间隔计数器，利用第二时间间隔计数器对接收机输出的1PPS与参考时间源的1PPS比对，系统收敛稳定后，扣除测试连线等固定偏差，按相同速率采集相同一段时间的测试数据并得到比对结果Δt2；
S3：考虑到光纤收端和发端之间存在已知的系统偏差，通过计算第一WPT授时接收机和第二WPT授时接收机之间的真实时间比对结果，再扣除光纤已知系统偏差，得到被测时间单元之间的长基线时间同步精度；
S4：搭建短基线测试环境；
S4-1：对于被测时间单元DTU，在C地选择开阔视野处架设第三接收机天线并连接至第三WPT授时接收机，将第三WPT授时接收机连接至第三时间间隔计数器，将UTC(k)或其他时间参考源与光纤的发端连接后再连接至第三时间间隔计数器；
S4-2：对于被测时间单元DTU，在距离C地100公里的D地选择开阔视野处架设第四接收机天线并连接至第四WPT授时接收机，将第四WPT授时接收机连接至第四时间间隔计数器，将光纤的收端连接至第四时间间隔计数器；
S5：开启第三WPT授时接收机与第三时间间隔计数器，利用第三时间间隔计数器对接收机输出的1PPS与参考时间源的1PPS比对，系统收敛稳定后，按一定速率采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt3；
开启第四WPT授时接收机与第四时间间隔计数器，利用第四时间间隔计数器对接收机输出的1PPS与参考时间源的1PPS比对，系统收敛稳定后，按相同速率采集相同一段时间的测试数据并得到比对结果Δt4；
S6：考虑到光纤收端和发端之间存在已知的系统偏差，通过计算第三WPT授时接收机和第四WPT授时接收机之间的真实时间比对结果，再扣除光纤已知系统偏差，得到被测时间单元DTU的短基线时间同步精度；
S7：根据S3和S6的结果，得到被测时间单元的准确度和稳定度。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度时间性能间接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建测试环境；
将被测时间单元DTU，设置于时频实验室UTC(k)测试基准处，选择开阔视野处架设GNSS天线并连接至DTU，将DTU输出的待测1PPS信号和UTC(k)的1PPS基准信号均连接至时间间隔计数器的测试比对端口；所述UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称；
S2：开启DTU与时间间隔计数器，利用时间间隔计数器对DTU输出的待测1PPS信号与UTC(k)的1PPS基准信号测试比对，系统收敛稳定后，扣除测试连线等导致的固定偏差，采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt′＝tDTU-tUTC(k)，其中，tDTU为DTU的待测时间，tUTC(k)为UTC(k)的基准时间；
S3：采用事后比对的方式，将UTC(k)与国际权度局BIPM公布的事后对应UTC时刻比对，得到该UTC(k)与UTC的统计时间偏差ΔUTC＝tUTC(k)-tUTC，其中，tUTC为UTC的T公告时间；
S4：根据步骤S2和步骤S3的结果，计算DTU相对于UTC的间接时间偏差：Δt＝tDTU-tUTC＝Δt′+ΔUTC；
S5：根据步骤S4的结果进一步计算得到DTU的时间准确度和稳定度；
所述时间间隔计数器的时间测量不确定度需满足测试精度要求。
2.一种长基线高精度时间性能间接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建测试环境，在相距超过100km的两个UTC(k)处分别设置被测时间单元DTU1和被测时间单元DTU2；
S1-1：对于第一UTC(k)处的DTU1，选择开阔视野处架设GNSS天线并连接至DTU1，将DTU1输出的待测1PPS信号和第一UTC(k)的1PPS基准信号均连接至第一时间间隔计数器的测试比对端口；所述UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称；
S1-2：对于第二UTC(k)处的DTU2，选择开阔视野处架设GNSS天线并连接至DTU2，将DTU2输出的待测1PPS信号和第二UTC(k)的1PPS基准信号均连接至第二时间间隔计数器的测试比对端口；
S2：开启DTU1与第一时间间隔计数器，利用第一时间间隔计数器对DTU1输出的待测1PPS信号与第一UTC(k)的1PPS基准信号测试比对，系统收敛稳定后，扣除测试连线等导致的固定偏差，采集一段时间的测试数据并得到比对结果Δt1＝tDTU1-tUTC(k)1，其中，tDTU1为DTU1的待测时间，tUTC(k)1为第一UTC(k)的基准时间；
开启DTU2与第二时间间隔计数器，利用第二时间间隔计数器对DTU2输出的待测1PPS信号与第二UTC(k)的1PPS基准信号测试比对，系统收敛稳定后，按相同速率采集相同一段时间的测试数据并得到比对结果Δt2＝tDTU2-tUTC(k)2，其中，tDTU2为DTU2的待测时间，tUTC(k)2为第二UTC(k)的基准时间；
S3：采用事后比对的方式，将第一UTC(k)和第二UTC(k)分别与国际权度局BIPM公布的事后对应UTC时刻比对，得到ΔUTC1＝tUTC(k)1-tUTC，ΔUTC2＝tUTC(k)2-tUTC，进一步计算得到第一UTC(k)和第二UTC(k)的时间偏差ΔtUTC(k)＝tUTC(k)1-tUTC(k)2＝ΔUTC1-ΔUTC2；
S4：根据步骤S2和步骤S3的结果，计算第一UTC(k)处的DTU1与第二UTC(k)处的DTU2之间的时间比对结果，即两个被测时间单元之间的长基线时间同步偏差：Δt′′＝tDTU1-tDTU2＝Δt1-Δt2+ΔtUTC(k)；
S5：根据步骤S2和步骤S3的结果进一步计算得到两个被测时间单元之间的时间准确度和稳定度；
所述第一时间间隔计数器与所述第二时间间隔计数器的时间测量不确定度需满足测试精度要求。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度时间性能间接检测方法，其特征在于，所述被测时间单元为GNSS接收机、时间服务器、时间频率信号分配器或GNSS卫星信号定时单元。
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