GNSS时频检测系统时间直接溯源及评定

孙海燕，王丰，马煦，李龄

（北京卫星导航中心，北京　100094）

GNSS时频检测系统时间直接溯源及评定

孙海燕，王丰，马煦，李龄

（北京卫星导航中心，北京100094）

本文基于直接溯源方法，实现GNSS时频检测系统向GNSS时间基准溯源，并对时间溯源不确定度评定方法进行了理论分析。该方法具有溯源精度高、可行性强等特点，能够为保证GNSS时统终端的时频参数测量精度提供前提条件。

全球卫星导航系统；时频检测；时间溯源

1　引言

随着全球卫星导航系统（GNSS）技术日趋成熟，接收GNSS卫星信号的终端日益多样化和批量化。卫星导航系统除定位功能外，授时能力也是其重要的能力，且定位精度依赖于系统定时精度。为了保证接收卫星导航信号的时统终端输出准确可靠的时间和频率信息，需要建立GNSS高精度时间频率检测系统，对终端输出时间和频率信号进行功能和性能检测。由于时间频率是国际计量局（BIPM）规定的法定计量参数之一，时间频率检测系统需要向上级时间频率源即GNSS时间基准进行溯源，并对溯源的结果进行不确定度评定［1-3］。

传统的时间频率计量主要通过频率溯源建立溯源链路。时间溯源往往通过间接接收卫星信号的方法实现，时间间接溯源方法受环境条件限制，空间无线信号容易受到电磁干扰，稳定性和可靠性低。此外，引入卫星接收设备误差，精度受限［3-4］。随着卫星导航技术的发展和系统建设，在GNSS时间基准并址建设时间频率检测系统，可以实现时频检测系统向时间基准的直接溯源。直接溯源法通过时频线缆这种有线方式传递标准频率和脉冲信号，能缩短溯源距离，减少电磁干扰，提高时间和频率溯源的可靠性和精度。

本文针对GNSS高精度时间频率检测系统直接溯源的方法进行详细探讨，论述了系统时间溯源精度即溯源不确定度评定方法。该方法应用于实际系统溯源操作，溯源不确定度控制在纳秒量级。

2　时频检测系统直接溯源方法

2.1GNSS时频检测系统工作原理

为了测试接收GNSS卫星信号的时统终端输出定时信息与GNSS时间基准的定时偏差，需要建立GNSS高精度时频检测系统，且该系统必须向GNSS时间基准直接溯源，即系统时频信号线缆通过有线的方式与GNSS时间基准设备直接连接，以保证溯源不确定度达到纳秒量级。如图1所示。

图1　GNSS高精度时频检测系统溯源图

GNSS时间基准由多台氢原子钟和铯原子钟组成的原子钟组和配套时频设备组成。原子钟组产生的标准时间为UTC（k），即GNSS时间基准，k表示建立和保持标准时间的守时实验室。配套时频设备包括相位微调器、分频钟、秒信号分配器等组成。秒信号分配器输出1分多路的标准1pps脉冲信号，其中1路1pps信号输出至GNSS时频检测系统。

GNSS时频检测系统由信号源输入设备、时频信号测量设备和测试数据处理设备等组成。完成对接收GNSS卫星信号的时统终端输出的时间和频率信号进行检测。检测指标包括：与GNSS标准时间源的定时偏差、输出网络信号授时精度、频率准确度、频率稳定度、相位噪声等。其中，采用时差法时，可以通过测量定时偏差计算求得频率准确度和频率稳定度。因此，GNSS时统终端输出的标准1pps脉冲信号与GNSS标准时间源的定时偏差是核心测量指标，并代表了GNSS时频检测系统的核心检测能力。为了准确测量时统终端的定时偏差，需要GNSS时频检测系统向GNSS时间基准溯源，时间溯源精度水平直接影响定时偏差的测量精度。

GNSS时频检测系统时间溯源的原理是将GNSS时间基准的秒信号分配器1输出的标准1pps脉冲信号输入至GNSS时频检测系统的秒信号分配器2，再由秒信号分配器2设备1分多路1pps脉冲信号输入至多个时频测量设备，作为标准时间参考输入信号。时频测量设备能够测量出GNSS时统终端输出的1pps秒脉冲信号与标准时间参考1pps信号的偏差，即时统终端输出信号与标准时间UTC（k）的定时偏差。作为该过程的逆过程，就实现了时频测量设备输入的标准时间参考1pps信号向GNSS时间基准保持的标准时间UTC（k）溯源，且溯源精度越高越好。溯源过程会产生时间延迟，因此需要精确测定该时间延迟，以保证时频测量设备输入的1pps秒脉冲信号在扣除溯源时延后最大限度地接近于标准时间UTC（k）输出的标准1pps秒脉冲信号。

GNSS时频检测系统向GNSS时间基准溯源的信号链路如图2所示。

图2　时间检测系统时间源信号链路图

GNSS时间基准的原子钟组建立和保持的标准时间为UTC（k）。原子钟组输出标准频率信号，通过分频钟后转换为标准1pps秒脉冲信号，并由秒信号分配器1设备1分多路后输出。秒信号分配器1输出点（A点）的时间为UTC（k）+R1，R1为秒信号分配器1输出点（A点）的时间延迟，并认为R1为已知的精确标定值。A点输出的1pps信号输入至秒信号分配器2，由秒信号分配器2设备1分多路后输出多路1pps信号。即GNSS时频检测系统的时频测量设备的标准参考输入信号。在秒信号分配器2的输出点（B点）标注时间为UTC（k）+R2，R2为秒信号分配器2输出点（B点）的时间延迟。因此，R2为GNSS时频检测系统参考信号与标准时间UTC（k）的偏差，即需要精确标定的溯源值。

2.2系统时间直接溯源方法

GNSS时频检测系统直接溯源的时延精确标定方法如图3所示。

图3　系统时间直接溯源方法原理图

时频检测系统向GNSS时间基准溯源引入的时间延迟由秒信号分配器1和分配器2中间的连接线缆时延D1和秒分2设备时延DS组成，即

因此，

式中，R1为已知值；D1和DS是待测定值。因此，GNSS时频检测系统直接溯源时延标定采用分段标定、整体合成的方法。先分别标定时频线缆时延D1和秒分2设备时延Ds，然后再按公式（1）合成计算后得到溯源值R2。

2.3系统时间直接溯源步骤

2.3.1信号线缆时延标定

由于秒信号分配器1的输出时频线缆D1已埋入时频检测系统机房地下，固定不动。不能采用计数器对线缆D1直接标定时延的方法，因此采用与已知时延的线缆D3比对测量的方法进行时延标定。测量连接如图4所示。

图4　D1线缆时延测量图

秒信号分配器1输出的1pps信号经由线缆D1末端接入时间间隔计数器作为开门信号，并从分配器1另接出一路1pps信号经由线缆D3接入时间间隔计数器作为关门信号。时间间隔计数器测量值为y1。因此，y1=D3-D1，推导得到：

由于时间间隔计数器的测量不确定度约为0.1ns，D1线缆和D3线缆的时延差值应在0.1ns以上。因此，需选择与D1线缆长度不一致的D3线缆进行测量标定。

2.3.2设备时延标定

秒信号分配器2的设备时延标定如图5所示。

图5　秒信号分配器设备时延测试图

在时间间隔计数器的输入端C点，即时频线缆D1的末端连接一个三通器件，三通同时连接线缆D4。秒信号分配器2的输出信号通过线缆D5输出至时间间隔计数器。采用D5输入为计数器关门信号，D1输入为计数器开门信号，设时间间隔计数器测量值为y2。三通引入时延Dt约为0.1ns，则

推导得到：

式中，线缆D4和D5可以采用计数器对线缆直接标定时延的方法得到。

2.3.3 设备输出端口时延标定

如图3所示，秒信号分配器2端口输出的1pps信号与标准时间UTC（k）的定时偏差为R2。R1为已知值，根据上述步骤精确标定D1和DS后，根据公式（1），可以计算得到R2。

2.4实验验证方法

为了用实验验证理论计算得到的R2的正确性，设计实验如图3所示。秒信号分配器2输出信号通过线缆D2输入至时间间隔计数器作为关门信号。从秒信号分配器1输出信号通过线缆D3输入至时间间隔计数器作为开门信号。将时间间隔计数器的采样频率设置为1s，测量次数为n次，时间间隔计数器测量值为y3i，（i=1，2，…n）。将采集数据取算术平均值，，则

推导得到

式中，线缆D2和D3可以采用计数器对线缆直接标定时延的方法得到。

通过该实验得到的R2可以作为公式（1）的验证方法，验证理论计算R2的正确性。

3　系统时间直接溯源不确定度分析

通过详细分析［5］，GNSS时频检测系统时间直接溯源方法的不确定度分量如下：

（1）测量重复性引入的测量不确定度分量uA，根据实验测量结果取n次测量（每次测量数据R2i（i=1，2，…n）取3次测量结果的平均值）算术平均值为

则实验标准偏差为

平均值的实验标准偏差为

测量重复性引入的A类不确定度为

（2）时间基准作为参考源引入的不确定度分量为uB1（取样时间为1s），即R1引入的不确度分量为uB1。

（3）时间间隔计数器作为测量仪器引入的不确定度为uB2。

（4）环境条件变化引起的不确定度uB3，可以忽略不计。

（5）合成标准不确定度uC（取样时间为1s）：

（6）扩展不确定度U（取样时间为1s）：

通常，k=3。

4　结束语

本文对GNSS时频检测系统向GNSS时间基准直接溯源的方法进行了详细论述，探讨了系统时间直接溯源的必要性和可行性，并对系统时间直接溯源方法的详细时延标定步骤进行了论述，给出了实验验证方法。最后，对该溯源方法的不确定度进行了分析评定。依据该方法，在实验室内多次对时频检测系统进行溯源标定，实验结果满足溯源要求，说明对该方法的分析论证是合理可行的。时频检测系统的直接溯源方法提高了系统时间溯源的可靠性和精度，并为GNSS时统终端的时间频率参数精确测量提供了前提保障。

［1］和涛，张慧君，李孝辉，赵志雄.基于UTC（NTSC）的时间频率远程校准与溯源研究［J］.电子测量技术，2013，05，P15-20

［2］倪广仁，许录平，和康元.时间频率溯源链的重要性及其应用［J］.天文研究与技术，2006，01，P13-20

［3］陈瑞琼，刘娅，李孝辉.基于SR620的远程时间频率测量系统设计与实现［J］.时间频率学报，2013，03，P134-140

［4］李孝辉，刘阳，张慧君，施韶华.基于UTC（NTSC）的GPS定时接收机时延测量［J］.时间频率学报，2009，01，P18-21

［5］范巧成，田静，宋韬等.计量基础知识（第三版）［M］.北京：中国质检出版社和中国标准出版社，2014，02

Time Traceability Directly and Evaluating of GNSS Time & Frequency Measurement System

Sun Haiyan，Wang Feng，Ma Xu，Li Ling
（Beijing satellite navigation center，Beijing，100094）

It has been discussed this paper that the time of time & frequency measurement system is traceable directly to Global Navigation Satellite Systems （GNSS） time standard. The uncertainty evaluating method of time traceability has been analyzed in theory. This way can guarantee the measuring level of GNSS time & frequency terminals with high precision and feasibility.

Global Navigation Satellite Systems （GNSS）； time & frequency measuring； time traceability

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.004

TN96

A

1672-7274（2015）04-0016-04