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时频系统实时在线计量校准方法研究

项目背景授时、定位、导航是以北斗卫星为核心建立的 PNT 服务的三大要素，在国民经济、国家安全和科学研究诸多领域发挥广泛的支撑作用，是国家重要的基础设施。目前，时间比其他物理量要高出至少四个数量级，是当今测量准确度最高、应用最广泛、唯一实现全球高精度传递的基本物理量。西方国家在高精尖技术领域对我们实行封锁和禁运，2019 年 8 月，美国国防部发布了其公开版《国防部定位、导航与授时体系战略》报告。报告明确了以授时为核心的定位、导航与授时体系建设。近年来国内外花费大量的财力和人力所建立的不同的卫星导航定位系统的基础工作，其中最关键的设备---精密时频设备（原子钟）远程实时在线计量、测试和校准工作的必要性也日渐展现出来。目前国内外技术仍存在一些问题：时频系统之间的高精度时间同步特别是纳秒量级、亚纳秒量级时间同步一直无法解决，一定程度上制约了时频系统的建设和发展，也会给用户造成很大的困惑。原子频率标准的频率校准与计量，特别是在线校准与计量一直无法解决。我国有若干个时频实验室和若干个时间统一系统，按照规定，每间隔一定的周期，需要对这些系统的时间同步能力和守时能力进行计量、校准和评估，因此，急需建立一种远程计量校准平台对时频系统时间同步、守时能力进行计量、校准和评估。本项目基于 NTSC 现有硬件和软件资源，开展基于卫星共视/卫星双向的时频设备远程在线计量、测试和校准方法研究，解决各卫星测控基地、雷达站、各武器试验靶场及海军长河二号系统守时实验室等全军武器装备建设中的精密时频设备（原子钟）的远程实时在线计量、测试和校准困难的问题，为军用时频体系建设中高精度时频系统计量校准研究做铺垫。（二）项目简介本项目要对时间频率进行测量，根据时间频率量值传递基本方法，可采用直接与已知的标准信号进行比较和通过接收机接收参考标准信号然后比较两种方法。要实现时间频率的计量校准，根据相关国军标规定，在对频率稳定度进行测量时，标准频率源的频率稳定度应优于待测频率源频率稳定度的 3 倍，对频率准确度、频率漂移率等其它指标进行测量时，标准频率源的相应指标应优于待测频率源一个数量级。据此要求，我们拟研制基于卫星共视的远程时频计量校准平台，共视主站外接国家授时中心钟房主钟信号，共视副站外接一台铷原子钟，根据时间频率量值传递要求，通过共视接收系统接收 BDS/GPS 卫星信号，一方面通过 BDS/GPS 共视比对实现对时频设备的校准。另一方面可利用共视比对数据对副站的铷原子钟进行驯服，使其通过 BDS/GPS 共视比对同步到UTC(NTSC)，作为待测时频系统远程在线计量校准可靠的参考频率源。时频系统实时在线计量和校准示意图如图 1 所示，时间频率基准采用中国科学院国家授时中心保持的标准时间和标准频率，在国家授时中心放置卫星共视设备和卫星双向设备，在主要节点的时频系统放置卫星双向设备，在次要节点的时频系统放置卫星共视设备，使各个时频系统与国家授时中心之间建立远程的高精度时间比对，然后根据钟差比对结果完成时频系统的远程实时在线计量和校准功能。图 1 时频系统实时在线计量和校准示意图时频系统实时在线计量和校准装置包括 GNSS 接收机模块、卫星双向传递终端设备、卫星共视比对数据处理软件、卫星双向远程比对数据处理软件及远程在线计量和校准软件，接收机天线等模块组成。时间频率源远程校准采用共视比对法，原理如图 2 所示。主要指标包括频率准确度和频率稳定度、频率漂移率。图 2 共视比对法原理框图本项目中远程用户时频系统本地时间向 UTC（NTSC）（或 UTC（CMTC））的溯源采用 BDS/GPS 共视时间比对与传递方法实现。卫星共视比对数据处理软件最后将 GNSS 卫星的星历数据、电文信息、相位测量值、GNSS 共视数据及共视比对结果以文字、图形显示。我们利用已有条件搭建了如图 3 所示的卫星双向高精度时间比对与传递平台的调制解调器部分，并进行了 100 米电缆自环试验，得到了初步结果。图 3 卫星双向高精度时间比对与传递平台的调制解调器（三）关键技术本项目涉及到的关键技术包括以下七个方面： 1.时频系统的溯源方法 2.单点对多点的远程实时在线计量技术 3.单点对多点实时在线计量和校准的 C/S 结构设计 4.自适应同步校准驯服算法 5.多线程技术研究 6.时频系统实时在线计量和校准系统 7.基于 UTC（NTSC）远程时频校准方法

西安电子科技大学 2023-05-25