远程时间同步性能标定方法及试验验证

赵 娜，汤廷松，王冬霞

(北京卫星导航中心，北京 100094)

远程时间同步性能标定方法及试验验证

赵 娜，汤廷松，王冬霞

(北京卫星导航中心，北京 100094)

跨地区远程一体化运行系统，尤其是测量精度要求高的测距系统，不同区域间时间同步精度如何精确的标定评估是系统工程实现过程中必须要解决的重要问题。综合考虑经济成本、实现周期、操作便捷等约束因素，在对目前常用的远程时间同步标定方法进行分析比较的基础上，提出了基于搬运钟的远程时间同步标定试验实现方法，并通过试验验证了方法的可行性，同步测试精度可达到0.108 ns。

远程时间同步标定；搬运钟法；实现方法；试验验证

0 引言

随着我国经济建设的蓬勃发展，互联网应用、无线电通讯、系统集成等高新技术得到广泛应用，各行各业研究应用的系统不再仅限于同地域建设，跨地区远程一体化运行系统更加适应各类资源互通、集成管理、统筹分配的企业集团规模化现代发展潮流。跨区域系统中不同区域的各项数据都是紧密相关的，各测试设备的触发也要求按照统一的时序和节拍。为了保证各区域间数据的精确测量、信息的同步更新，系统需要使用统一的时间基准和节拍，以保证他们能够协调有序的工作，即所有设备(尤其是测量精度要求高的测距设备)均应保持精准的时间同步。系统建成后，时间同步性能评估是系统测试的重要项目之一，通常需要采用比被测对象更高一级精度的时间标定设备和标定方法来实现。

本文在对目前常用的远程时间同步标定方法进行分析比较的基础上，重点论述搬运钟法的远程时间同步标定试验实现方法及其验证结果。

1 远程时间同步性能标定方法

目前，工程上尤其是高精度测距系统常用的远程时间同步性能标定方法主要包括：搬运钟法、卫星共视法、卫星双向时间频率传递法。

1.1 搬运钟法

搬运钟法是搬运钟法是一种既古老又年轻的时刻和频率比对方法[1]。以可便携移动的高精度原子钟(氢钟、铯钟)为中间基准，将其在参考钟实验室与用户所在地之间往返搬运，实现对用户钟的校准和同步评估。搬运钟法的原理如图1所示。

该方法测试评估设备主要为精度较高的搬运钟(通用设备)，实施方便、组成简单，对被测设备所处环境要求不高，闭合验证精度较高。

1.2 卫星共视法

卫星共视法是指在一颗卫星的视角内，地球上任何两个地点的原子钟可以利用同一时间收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对。20世纪90年代初，美国标准技术研究院(national institute of standards and technology，NIST)开发出全球定位系统(global positioning system，GPS)卫星共视技术[2]。目前，共视法是国际原子时(coordinated universal time，UTC)合作的主要技术手段之一。GPS共视法是地球上远距离时钟比对性价比最优的方法之一，传递不确定度可达到几个ns[3]。随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)的快速发展，BDS共视法也可以完成远距离时钟比对，同时，BDS特有的地球静止轨道(geostationary Earth orbit，GEO)卫星对两地始终处于可见位置，更有利于共视法的测量与分析。卫星共视法测试原理如图2所示。

该方法测试评估设备主要为专用的共视接收机及其处理软件，测量精度较高，但被测设备需要能够正常接收同一颗卫星信号。

尤其在近年的研究中，内创业的概念界定越来越宽：内创业不仅包括组织内新业务创造活动，而且也包括现有组织中的一种创业精神(Yaghoubi等，2008)；内创业不仅包括新产品、新技术开发，也包括竞争态势开发和新战略等类创新活动(Hanns，2008)。

1.3 卫星双向时间频率传递法

卫星双向时间频率传递法(two-way satellite time and frequency transfer，TWSTFT)自1990年逐渐被采用作为常规的时间比对方法，1999年起被用于国际原子时(international atomic time scale，TAI)产生计算。TWSTFT是相距遥远的两个时间实验室，通过通信卫星，同时向对方发送本地钟的时间信号，并同时接收和测量对方钟的时间信号和本地钟信号之间的时刻差，经过双向本身的数据传送功能交换测量数据后，就可以实时计算出两地钟差。由于两地信号通过的路径完全相同，可以很好的消除传递路径时延变化所造成的影响，这种方法是目前精度最高的远程时间比对方法，最高比对精度可达几百ps[4-6]，它是实现地面站之间时间频率传递的重要方法，也是国际范围内实现站间时间频率传递，建立UTC/TAI的重要手段。目前欧美地区有13个实验室采用TWSTFT，亚太地区有8个实验室采用TWSTFT。卫星双向时间频率传递原理如图3所示。

该方法比对精度高，但需要在被测系统两地均搭建卫通收发链路，测试评估设备构建复杂、实现周期长、成本较高。

2 搬运钟法远程时间同步标定试验验证

比较以上3种远程时间同步性能标定方法，搬运钟法采用通用设备，且实现较便捷、容易，在不同行业领域的远程集成系统中可以广泛应用。我们重点对搬运钟法远程时间同步标定进行了试验验证，实现示意图如图1所示，图中A时间基准地点，B为需与A做时间同步的地点。

2.1 试验准备及要求

试验采用瑞士产的铯原子钟做搬运钟，搬运前在基准实验室运行一个月以上，以确保其运行性能稳定，频率漂移K小至可忽略不计。搬运钟采用的交通工具是汽车(带密闭货箱，配空调保持温度、湿度恒定)，搬运期间，搬运钟固定放置且始终带电连续运行，汽车尽量运行在平坦路面，保持匀速运行，故可不考虑相对论效应修正。

2.2 搬运钟的校准测量

搬运前，需要对搬运钟进行校准。A地时频系统和搬运钟分别向时间间隔计数器输出秒脉冲信号，时间间隔计数器测量两路信号的时差结果x(t)，利用该时差结果计算频率准确度，计算方法如下：

(1)

频率准确度计算公式为

(2)

利用计算得到的频率准确度，调整搬运钟的频率综合器，使其与A地时频的频差逐渐减小，小于搬运钟的最小步进调整量时，即完成搬运钟的校准。

2.3 B地(待测地)时频性能测试

搬运钟至B地，B地时频和搬运钟分别向时间间隔计数器输出秒脉冲信号，时间间隔计数器测量两路信号的时差结果x(t)，利用该时差结果可以计算B地(待测地)时频的频率准确度(计算方法见式(2))和频率稳定度。

频率稳定度根据阿伦方差计算公式[7-8]的变换计算得到

(3)

2.4 A、B两地时间同步测试

t1时刻，在A地测量A地秒脉冲与铯钟秒脉冲时差x1，然后搬运至B地，在t2时差测量B地秒脉冲与铯钟秒脉冲时差x2。

由于A、B两地时间同源，A地时间与铯钟的频率偏差记为Δf，则可以推算出A地在t2时刻秒脉冲与铯钟秒脉冲的时差为

(4)

则可以在t2时刻测试出A、B两地的时间同步精度为

(5)

当A、B两地为同一个地方时，则得到的测试结果即可以认为是搬运钟的同步测试精度。

2.5 远程时间同步标定试验验证结果

搬运前，提前1天将搬运钟(铯钟)加电稳定，并采集A地秒脉冲(开门)与搬运钟秒脉冲(关门)时差。待搬运钟稳定后，计算搬运钟相对于A地系统时间的相对频率偏差为-6.99e-13，时差曲线如图4所示。

搬运钟搬运至B地，再由B地搬运至A地，可通过往返计算得出A地与B地的时差。从整个搬运钟往返测试过程来分析，从A地运至B地，再由B地运至A地两次钟差测试结果基本一致(相差0.11 ns)，平均值为74.795 ns。搬运钟往返测试结果详见表1。

从A地出发至返回A地的整个过程，通过闭环验证可得出搬运钟的同步测试精度为0.108 ns，搬运钟闭环测试结果详见表2。

序号测试地点测试时间铯钟与本地钟之差扣除铯钟频率偏差引起的相位变化两地时差1A地2014⁃07⁃21T10：34：570594765868237s2B地2014⁃07⁃21T11：46：530594765790368s302ns7485ns3B地2014⁃07⁃21T11：46：530594765790368s4A地2014⁃07⁃21T13：07：120594765861739s337ns7474nsA地与B地时差(均值)74795ns

表2 搬运钟闭环测试结果

以上结果表明：在整个测试过程中，搬运钟没有出现显著的频率变化，整个测试数据合理有效。

3 结束语

常用的远程时间同步性能标定方法主要包括：搬运钟法、卫星共视法、卫星双向时间频率传递法。其中，搬运钟法标定设备均为通用部件，操作简单，对被测设备所处环境要求不高，闭合验证精度较高，可以广泛应用于各个行业的远程时间同步性能标定。本文对搬运钟法的标定结果进行了验证，试验结果表明：在确保搬运钟始终保持稳定运行的基础上，搬运钟的同步测试精度可达到0.108 ns。该试验对搬运钟法的工程实现具有借鉴意义。

[1] 卫志斌.搬运钟法比对时刻和测定时延[J].测绘科技动态，1993(1)：51-53.

[2] 屈俐俐，李变.基线高准确度时间传递研究[J].宇航计测技术，2010(2)：64-67.

[3] 王正明.GPS共视资料的处理和分析[J].天文学报，2001，42(2)：184-190.

[4] 王正明，高俊法.精度国际时间比对的进展[J].天文学进展，2000，18(3)：181-184.

[5] 惠卫华，李焕信.双向卫星时频传递系统与应用[J].陕西天文台台刊，2001，24(2)：115-120.

[6] 郭海荣，杨生，杨元喜，等.基于卫星双向时间频率传递进行钟差预报的方法研究[J]. 武汉大学学报·信息科学版，2007，32(1)：43-46.

[7] 胡永辉，漆贯荣.时间测量原理[M].香港：香港亚太科学出版社，2000.

[8] 郭海荣，郭树人，焦文海，等.原子钟时域频率稳定性计算方法[J].飞行器测控学报，2007，26(2)：47-52.

Long-distance time synchronization performance testing method and experiment validation

ZHAONa，TANGTingsong，WANGDongxia

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

To the multiregional long-distance integrative function system，especially to a region measure system whose measure precision demand is very high，how to demarcate and evaluate accurately the time synchronization performance is very important in system’s engineering realization.Considering the restriction such as economy cost，realization period，operation handiness，this paper brings forward the realization method of clock travel，basing on analysis and compare of the common used time synchronization performance testing method.It is validated that the method is feasibility and the time synchronization performance testing precision attains 0.108 ns.

long-distance time synchronization performance testing；clock travel method；realization method；experiment validation

2016-02-22

赵娜(1977—)，女，山东泰安人，硕士，高级工程师，研究方向为卫星导航与工程实践。

赵娜，汤廷松，王冬霞.远程时间同步性能标定方法及试验验证[J].导航定位学报，2017，5(1)：31-34,64.(ZHAO Na，TANG Tingsong，WANG Dongxia.Long-distance time synchronization performance testing method and experiment validation[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：31-34,64.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170107.

TN98

A

2095-4999(2017)01-0031-05