1、时频计量体系守时系统与原子时算法 王莉萍 徐亮 上海交通大学 上海市计量测试技术研究院 摘 要： 阐述了守时系统的硬件模块与软件模块, 介绍两台主动型氢钟和八台铯钟组成的守时钟组, 论述钟组运行模式。探究 ALGOS 原子时算法, 采用百分比限权法对原子钟的权重加以设定, 保障算法的可靠性。通过稳定的钟组及可靠的原子时算法使守时系统正常运行, 从而服务时间频率计量体系建设。关键词： 时间频率计量体系; 守时系统; 原子时算法; 原子钟; Exploration of time keeping system and atomic time algorithm in time and freque
2、ncy measurement systemWang Liping X Liang Shanghai Jiaotong University; Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology; Abstract： This paper discusses the operation mode of the time-keeping system through explanation of its hardware modules and software modules of and the introduction of t
3、he clock set which consists of two active hydrogen clocks and eight cesium clock. Studying ALGOS atom time algorithm, we use the method of percentage limiting to set the weight of the atomic clock. By this way, we could ensure the algorithm is reliable. The normal operation of the time-keeping syste
4、m depends on the steady clock set and the reliable atomic time algorithm, which serves to establish the time frequency metrology system.Keyword： time frequency metrology system; time-keeping system; atom time algorithm; atom clock; 0 引言时间作为国际单位制中准确度最高的量值, 对计量技术的发展起到了举足轻重的作用, 是我国建设科技强国的重要基础。在现今信息时代,
5、原子钟及时间频率高精度传递链路等已成为一个国家的重要战略资源。时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量, 其研究水平也成为了一个国家核心竞争力的重要体现。上海是我国经济科技发展的重要之地, 其在金融、电力、交通等多个领域对于时间的准确度量有着较高的要求。金融行业需要高精度的时间尺度, 以保证交易的可靠性。电力行业需要高精度时间戳, 以促进智能电网快速发展。导航产品伪距测量的本质是利用高准确度的时间测量来提高产品的定位精度。高精度导航终端对授时准确度也提出了较高的要求。目前, 我国已提出建立中国协调时, 按照国家战略布局及上海地区相关产业时间频率计量的需求, 建设了时频
6、计量体系守时系统, 以更好地符合国家战略需求, 服务上海产业发展, 服务上海科创中心建设。1 守时系统的硬件构成守时系统一般包括硬件和软件两部分。硬件主要包括:时频基准分系统、时间频率信号产生与分配分系统、时差测量分系统、频率稳定度检测分系统、远程时间比对分系统、运行监控与数据存储分析处理以及计量检测分系统。软件主要包括:数据库管理软件、综合原子时计算软件、时间溯源与频率驾驭控制软件、原子钟性能评估软件、设备工况采集及监控软件。优良的硬件系统是守时实验室不可或缺的基础, 但是没有良好的软件支撑, 守时水平就无法达到世界领先水平。守时系统模块如图 1 所示。目前世界各国都采用原子钟产生和保持标准
7、时间, 如美国海军天文台不仅为美国海军和美国国防部提供授时服务, 还与其他机构合作为美国和国际社会提供授时服务1。UTC (USNO) -协调世界时数据由近百台铯钟和氢钟构成的组合钟组产生, 占据 UTC 最大权重2。本实验室守时系统中的守时钟组由 6 台高性能铯钟和 2 台主动型氢钟组成。这8 台原子钟自由运行, 不对其施加相位、频率调整。它们每秒输出一次脉冲信号 (简称为 1 PPS 信号) 进入多通道计数器, 进行钟差测量。多通道计数器每秒进行一次钟差测量, 测量结果通过 UDP 协议播发, 供数据库服务器以及综合数据处理服务器提取。综合原子时计算软件每隔一段时间提取需要的钟差数据并进行
8、综合原子时的计算, 得到每台守时钟相对于综合原子时 (纸面时) 的时差, 这些时差也将一同存入数据库。在守时钟组中选择两台稳定度、可靠性都较高的原子钟作为系统主钟及备份主钟。两台主 (备) 钟后各接一台相位微跃器。根据综合原子时计算结果, 获得主钟与综合原子时之间的时差, 对主钟输出的 10 MHz 信号进行频率驾驭, 使主钟向纸面时进行时间溯源;同时对备份主钟进行频率驾驭, 将备份主钟向主钟溯源, 保持两者相位一致。相位微跃器输出的 10 MHz 信号分别接入两台时码产生器, 产生 1 PPS 信号和 B 码信号。其中 B 码信号输入到网络时间服务器, 供系统内部计算机进行时间同步。两台时码
9、产生器输出的 1 PPS 信号进入双输入脉冲分配器;两台相位微跃器输出的 10 MHz 频率信号输入到双输入频率分配器, 由系统选择一路输入作为主路信号并对该信号进行分配输出。当主路信号出现异常, 双输入脉冲 (或频率) 分配器将会自动切换至另一路正常的信号, 从而保证本地时频信号的连续。图 1 守时系统图 下载原图通过分配器产生的 1 PPS 和 10 MHz 频率信号输出到各用户终端, 其中包括为多通道时间间隔计数器以及多通道比相仪提供参考 10 MHz 信号, 并为多模共视接收机和卫星双向时间比对仪提供参考 10 MHz 和 1 PPS 信号。通过这些远程比对设备, 可以将本地原子时与各
10、地方原子时以及各导航系统的系统时间进行时间比对, 并将本地原子钟加入到 BIPM 国际原子时的归纳计算中去。2 守时算法ALGOS 算法是 BIPM 用来产生自由原子时 (EAL) 的算法。一个完整的 EAL 计算周期 T=30 d。在这 30 d 中, 利用阿伦方差, 计算 5 d 频率稳定度, 根据 5 d频率稳定度对钟差数据加权平均, 计算出 EAL。在 , (n=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6;t0为起始时间) 时刻, 根据以下公式计算 EAL:式中:t计算周期内的某一时刻;EAL (t) t 时刻的自由原子时, s;hi (t) 原子钟 Hi在 t 时刻的读数, s;hi (
11、t) t 时刻对原子钟 Hi施加的时间补偿, s;pi原子钟 Hi对应的权重;N参与计算原子时的钟的个数然而在实际工作中原子钟读数 hi (t) 不能直接获取。为了计算 EAL, 定义以下变量:式中:x i (t) 自由原子时与原子钟 Hi的钟差, s而在 t 时刻原子钟 Hi与原子钟 Hj之间的钟差测量值可用 xij (t) 表示, 单位为s。其计算公式为式中:x i (t) 自由原子时与原子钟 Hi在 t 时刻的钟差, s;xj (t) 自由原子时与原子钟 Hj在 t 时刻的钟差, s根据以上的定义, 对由 n 台原子钟组成的综合原子时, 可以得到以下由 n 个方程组成的方程组:n-1 个
12、钟差比对值组成了其中 n-1 个方程, 可称之为观测方程。而余下的方程称为约束方程。约束方程的右边是各钟时间调整项之和。时间调整项定义为式中:a i0 (t0) 在 t0时刻, 即本计算周期 (30 d) 的起始时刻, 原子钟 Hi的相对于 EAL 的相位差;ai1 (t) 对原子钟 Hi在时间区间t 0, t0+T内, 相对于 EAL 频率偏移的预测值;ai2 (t) ai1 (t) 关于变量 t 的导数ai0 (t0) 的计算公式为式中:EAL (t 0) 起始时刻自由原子时;hi (t0) 原子钟 Hi在 t0时刻的读数而在每次计算周期的起点重新计算 ai1 (t0) , 认为 ai1
13、(t) 在时间区间t 0, t0+T是一个常量, 它的值是通过对上一次计算周期内, 也就是时间区间t 0, t0+T内计算出来的 xi, 通过最小二乘法进行拟合而得到的斜率。在约束方程的左边是 xi (t) 的加权和。p i在每次计算周期起点 t0重新计算, 在整个计算周期内保持不变。原子钟在综合原子时中的权重 pi是根据原子钟 Hi的历史频率稳定度来计算的。在 t0时刻, 计算得到 ai1 (t0) , 对这个频率值连同之前计算的 5 个 ai1值 (共 6 个频率值) , 求它们的方差 i (6, T) 。方差越大, 认为钟相对于综合原子时越不稳定, 所以其对应的在原子钟组内的权重也越小:
14、式中:w i单台钟在原子钟组内的权重; i (6, T) 计算得出的 6 个频率值的方差为了避免单台钟在钟组中占的权重过大, 从而影响钟组综合原子时的可靠性, 需要对性能较好的钟设定一个最大权重, 并设定一个相应的阈值 mini。当某台钟的频率方差小于阈值时, 其权重取常量, 不再随着方差的减小而增大:阈值的选取与组成钟组的各原子钟性能分布有关。对原子钟的限权也可以采用百分比限权的方法, 即对单台钟设定其在钟组里所占权重的最大百分比。百分比的限值可以设置为和钟组的台数相关。如钟组有10 台钟组成, 那么可以设置为单台钟的百分比权重最大值为 。百分比限权的基本算法为1) 对钟组所有原子钟采用公式
15、: 计算绝对权重;2) 计算单台钟在钟组里的百分比权重:3) 按百分比权重由大到小对原子钟进行排序;4) 如果最大百分比权重大于限值, 那么需要对每一台钟的权重进行重新分配;5) 根据百分比权重由大到小, 对钟权重进行重新分配, 计算方法为在分配前, 待分配的权重百分比为 100%。每对一台原子钟进行调整后, 待分配的权重百分比就要减去分配给此台钟的权重百分比。值得注意的是, 根据上述 ALGOS 算法的文字描述, ALGOS 在每一次测量钟差时都会进行一次纸面时计算。但并不是每一次纸面时计算都会进行频率预测、更新以及权重的重新计算。频率预测、更新以及权重计算的周期可以根据实际情况进行设置。3
16、 结语守时系统与原子时算法研究是时间频率计量领域中的重要研究方向, 稳定的守时系统及可靠的原子时算法是时间频率计量体系建立的重要基础。实验室积极发挥区域在时间频率等产业的发展优势, 依托科研院所、高校等社会资源, 瞄准国家战略目标, 以现有硬件与技术基础建立时间频率技术创新体系, 与产业链中技术、产品、装置、标准等一体的产业化服务链对接, 在实际检测过程中不断创新、完善系统建设, 以满足产业发展需求。上海通过参加中国协调时建设, 将充分利用计量技术手段为时间信息的安全、高准确度授时的自主化服务, 促进地区产业形成竞争力较强的导航与位置、时间服务链。参考文献1肖明耀, 吴长华, 黄秉英, 等.时
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