时间频率远程校准的数据分析与算法设计

左建生,张树生,董 莲,陆福敏

(1.中国计量学院机电工程学院,浙江 杭州 310018；2.上海市计量测试技术研究院,上海 201203)

计量校准是国家计量体系中的一项重要工作,计量校准的结果涉及国计民生的方方面面,其重要性不言而喻.时间频率作为一个重要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；然而,时间频率的计量标准和量值传递,尤其是高精度频率源在传统的校准过程中还存在许多重要的问题需要解决,如氢钟、铯钟等大的设备运行环境的差异,不易搬运及不能断电运行等因素给校准带来了很大麻烦.因此,我们依据上海市计量测试技术研究院现有的硬件条件,通过软件的数据分析和算法设计等方法,来实现对频率源的远程校准.

1 总体设计思路

目前对高精度的频标,大都是通过GPS共视技术来校准的.GPS共视技术接收到的数据是国际计量局(BIPM)规定下的具有统一格式的数据内容,内容格式为GGTTS.软件的算法设计,必须具有自动导入,选择有用的数据,如跟踪相同的卫星,起始时间、仰角的选择；如果为多通道的GPS共视接收机,还必须有相同的通道.最后对满足相同条件下的两参数相减(REFGPS1-REFGPS2),再对所得的结果进行拟合计算得出被测频标的频率偏差,进而算出频率准确度及频率日漂移.结构框图如图1.

图1 软件流程图Figure 1 Software How chart

1.1 数据文件及软件参数设定

由GGTTS数据格式可以知道,在BIPM对GPS共视法的数据格式做了统一规定,即为GGTTS GPS DATA FORMAT.其包含的参数有:PRN,CL,MJD,STTIME,T RKL,ELV,AZT H,REFSV,SRSV,REFGPS,SRGPS,DSG,IOE,MDT R,SMDT,MDIO,SMDI,CK.其中对我们计算有用的几个参数如下.

REFSV:实际跟踪长度中点处本地秒脉冲与所跟踪的卫星时间的差值,单位0.1 ns.

REFGPS:实际跟踪长度中点处本地钟与GPS时间之差,单位0.1 ns,其中已经加了有广播星历表和天线坐标采用值计算出的几何时延改正、有电离层模型计算出的时延改正以及地球自转有关的时延改正.

MDT R:实际跟踪长度中点处对流层引入的传播延时.单位0.1 ns.

MDIO:实际跟踪长度中点处电离层引入的传播延时.

对计算有用的参数数据,我们必须将共星共时条件下进行提取.由于GPS共视法将两地的对流层,电离层的影响大大降低甚至抵消,所以我们要重点考虑的是REFGPS.在相同儒略日(Julian Day)条件下,将所得数据进行作差,得到一天的相对平均频率差值.

1.2 频率偏差两种算法的比较

软件中涉及到日频率漂移率与频率偏差的算法,这两种算法,我们在软件进行了比较.

a)两点时差法

设被校准源于参考源的平均频率偏差分别为:

fA(τ)和 fB(τ)分别是τ内的平均值,取 fA0=fB0=f0为源的频率标称值,则有:

由于在GPS共视接收机中,时差是每16 min一个,设τ0=16 min,则 τ0内平均频率差为:

在一天内共有(M+1)个 TAB,可得到M个yAB(τ0),其平均值为 :

其中τ=M◦τ0,可取τ=1d(M=90),2d(M=180)或更长.这样就可以求出B的相对频率偏差.

b)直线拟合法

所以将kAB值的分子和分母都用同一时间单位表示,kAB值就变成无量纲的值,用k表示,则yAB(τ)=k

我们采用上述不同的算法,用本地数据和中国计量科学研究院的数据进行计算,得到两个不同的结果如表1所示.结果表明b)算法更接近科学.

对于日频率漂移来说,当偏差为10 ns/d时,日频率漂移为1.1574×10-13.从上面的两个算法计算结果我们可以看出被校准频率标准的日频率偏差,在数量级上可以得出两个算法都是正确的,都能满足要求.但是,由于接收卫星数据受卫星运行、电离层、对流层以及钟运行环境等影响,数据有些波动,如果仅按照a)算法中的最后测量值减去第一个测量值的话,容易造成较大误差.

表1 计算结果Table 1 Calculated results

1.3 数据库的构建

由于GPS接收机接收下来的数据比较大,如果存储在文本之中,会需要很大的硬盘空间.数据库的设计是采用LabVIEW公司提供的免费访问数据库工具包来实现的,总体包括数据的存储与数据的访问两部分.LabSQL的开发是在 Lab-VIEW中利用ActiveX功能,通过调用Microsoft ALO控件,结合SOL语言,并通过ODBC接口函数库驱动程序实现对数据库的访问.

2 实 例

用2009年11月20到12月20的数据,上海市计量测试技术研究院时间频率科室的氢原子频标与中国计量科学研究院进行了校准比对,并与参考频标给出的校准结果做了比较,如表2.结果符合要求,软件性能可靠.图2为一个月数据拟合的图表.

表2 结果比对Table 2 Result comparison

图2 数据拟合Figure 2 Data fitting

3 结 语

在目前对于大型原子频率源校准比较困难的情况下,我们基于上海市计量测试技术研究院时间频率科室现有的硬件设备,结合国家计量校准规范JJF 1206-2008《频率标准与数字时钟的远程校准规范》和氢原子频率标准检定规程JJG 1004-2005《氢原子频率标准》等法规的要求,借助GPS共视技术并通过软件设计和编程,实现了对大型频标进行远程校准.测量给出的校准结果,经验证比对,数据可靠.试验与验证结果显示,由该数据分析与算法设计支持的软件系统符合国家相关标准和计量技术规范的要求,方便实用,可以实现大型频标的远距离校准.如何对其他电参数转化为时间频率参数进行校准也是时下的一个计量热点问题,我们将继续探索如何将电压,电流参数转化为频率信号进行校准,以便为推进该领域的科技进步,为国家经济建设做好服务.

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