国产皮秒级商用MTIM测量仪比测

张 军 陈 明 陈洪卿,2

(1.北京一朴时频科技有限公司，北京 100086；2.中国科学院国家授时中心，陕西西安 710600)

1 引 言

时间和时间间隔测量技术在计量测试、导航定位、航空航天、天文观测、电信、电力、网络安全等领域的应用越来越广，测量精度需求从ms，μs到ns，ps，fs量级[1-3]。美国把时间测量技术作为评估国防力量的重要标志。中国也开展高精度TI测量方法、技术研究，但精度高于1ns的TI测量仪市场主要是外国仪器。21世纪初，中国开启研制测量精度高于1ns的国产商用多通道时间间隔测量仪的征程[4-6]。

2 国产商用皮秒级MTIM测量仪

2004年，“GNSS系统中相对论修正改进”项目为验证卫星运动相对论效应及其影响，研制了精度优于100ps的时间间隔计数器，2006年，该成果被鉴定为“达到国际先进水平”。2009年，在此基础上北京卫星导航中心用该项成果研制的MDA712型TIM(Time Interval Meter)测量仪，与美国SR620型TIM测量仪进行比测，研究分析SR620测量多台氢、铯原子钟钟差数据出现的钟差值周期漂移的问题，发表“皮秒级时间间隔测量精度检定方法的研究”报告[7]，从电路理论、计量方法两方面深入探讨，奠定了国产皮秒级TIM测量仪的理论基础[8-10]。同时，获得“一种多次同步模拟内插的时间间隔测量方法和装置”(专利号：ZL201010562836.2)和“受控频偏时间间隔连续检测方法”(专利号：ZL 2016010021523.3)两项国家发明专利。在专利技术和多年工程应用基础上，将两通道拓展为多通道，研制成商用皮秒级MTIM多通道时间间隔测量仪，获得中国卫星导航定位协会(国家科技部授权)颁发的“2012年卫星导航定位科技进步一等奖”[11]。现将历次国产MTIM测量仪(包括多通道测量板卡MTIC)与国外名牌测量仪比测的结果，集腋成裘，以飨读者。

3 国产MTIM测量仪比测结果与分析

3.1 与美国SR620测量仪的比测

为厘清北斗导航系统主控站各原子钟的钟差数据出现周期性的异常起伏，究竟来自原子钟还是TI测量仪，2009年采用两台MDA712型测量仪与SR620测量仪对铯钟信号同时进行长期比测，测试框图如图1所示。其中约10天(900 000s)的比测记录如图2所示，图2(a)、2(b)分别是MDA712-1和MDA712-2测量仪测得的TI时差，图2(c)是SR620测量仪测得的TI时差。10天内3台设备测得的时差曲线的变化趋势一致，都有小于1ns的同步起伏(慢变化)，说明3台测量仪工作正常。但SR620测得的时差曲线每隔35000s就出现幅度约500ps的周期性起伏，而两台MDA712测量仪的测得时差曲线并无相似的规律性变化，短时间内的相对变化幅度都小于50ps，证明此前主控站监测不同原子钟所出现的时差数据带有约0.5ns周期性起伏，源于SR620，而非原子钟。主要原因在于MDA712测量仪采用自主专利“受控频偏时间间隔连续检测方法”，克服了原SR620在电路设计上的缺失[12]。

图1 两台MDA712TIM测量仪与SR620测量仪比测连接框图Fig.1 Connection diagram of TI test for two MDA712 meters compared with SR620 meter

图2 两台MDA712测量仪与SR620测量仪的时差比测曲线图Fig.2 Curves of TI tested for two MDA712 meters compared with SR620 Meter

3.2 与德国TIMETECH测量仪的比测

北斗系统主控站用德国TIMETECH公司的MCTIC多通道时间间隔测量仪替代SR620比测多台氢钟、铯钟[13]。两台国产的16通道的皮秒级MTIM712B测量仪陪同TIMETECH测量仪同时比测，运行6年多时间。为分析两者测得的时差数据存在部分不一致性，究竟是源于原子钟还是源于测量仪，从数据库中随机选择2016年4至6月的实测数据，进行统计处理分析[12]，获得10多组比测的TI时差数据曲线，为说明分析结果，选取有代表性的一组，如图3所示。

图3 MTIM712B测量仪与TIMETECH测量仪的TI比测结果曲线图Fig.3 Curves of TI tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH meter

图3中，黑色曲线表示MTIM712B测量仪的TI测量结果，浅灰色曲线表示MCTIC测量仪的TI测量结果，深灰色曲线表示黑色线与浅灰色线两者的差值曲线。不难看出，深灰色线出现的较大起伏，都与浅灰色线的较大起伏一一对应，而对应时段的黑色线则相对平稳，未有较大起伏。在两个月内，10多组时钟的钟差曲线，与图3曲线相类似，大同小异。

分析表明，钟差曲线较大起伏源于TIMETECH测量仪，而非原子钟；同时也可说明国产MTIM测量仪长期工作的稳定性、可靠性，其与TIMETECH测量仪的统计比较见表1。多年测试数据表明，MTIM_712B测量仪的性能略优于TIMETECH测量仪[12]。

3.3 国产MTIM测量仪与德国TDC_GP21芯片、SR620测量仪的比测

2018年，某单位为北斗三号建设采购2台由8块7通道的皮秒级商用MTIC测量板卡嵌装的国产MTIM测量仪。合同要求MTIC的测量噪声小于15ps(rms)、测量不确定度小于30ps(max 100)、通道固定延迟[14-16]不一致性小于30ps。2019年4月现场验收测量结果表明，采用专利“受控频偏时间间隔连续检测方法”的国产测量板卡和MTIM712测量仪全部达到合同要求。为验证国产测量仪的整机性能，将MTIM712测量仪与1台SR620测量仪以及1台用德国ACAM公司的TDC-GP21芯片构建的TI测量仪(称为TDC_GP21测量仪)同时比测。德国TDC_GP21芯片采用延迟线技术，能实现2通道高精度TI测量，其测量分辨力为10ps、测量噪声为30ps、测量不确定度为100ps。3台测量仪比对测量的TI数据曲线如图4所示。

表1 MTIM712B测量仪与TIMETECH测量仪的长期比测结果评估Tab.1 Conclusion of results tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH over long-term性 能德国TIMETECH测量仪国产MTIM712B测量仪两者不一致性不确定度(MAX_100)<50ps<50ps<88ps测量噪声(RMS)<30ps<30ps<43ps固定时延变化范围<29ps<29ps<29ps长期工作的稳定性有瑕疵,出现8次异常数据和突发噪声变大现象。性能良好,无性能异常现象。—

图4 MTIM712B测量仪与SR620测量仪/TDC_GP21测量仪比测的TI曲线图Fig.4 Curves of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter

图4中，下部的黑色曲线是采用“受控频偏TI连续检测方法”设计的国产MTIM712测量仪测得的数据曲线，深灰色曲线是SR620测量仪测得的数据曲线，浅灰色曲线是TDC_GP21测量仪测得的数据曲线，测量数据统计结果比较见表2。

表2中，国产MTIM712测量仪的温度系数之所以良好，在于电路设计时，将每路测试信号的输入模拟部分与时间展宽电路模拟部分，都设计为成对的温度系数负相关电路，使其时延随温度变化的影响相互相抵消，达90%以上，并采用良导热性能材料进行一体化屏蔽盒设计，使整个测量板成为一个等温体，正常工作时不同通道间的温度差别减小到2℃内[12,16]。此外，还采取测温反馈算法补偿通道固定时延，不断迭代优化，使固定时延温度系数<1.0ps/℃。因此，MTIM测量仪器能克服环境温度剧变对TI测量的影响及其引发的关联效应，满足北斗三号系统工程对测量通道固定时延的温度系数小于(1～2)ps/℃要求。

表2 MTIM_712B测量仪与SR620测量仪/TDC_GP21测量仪的TI比测结果Tab.2 Results of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter性 能测试方法概要描述TDC_GP21测量仪MTIM712测量仪SR620测量仪不确定度MAX_100(ps)参考和被测信号间均同源下,对同一时差源时间间隔连续9h的测量统计92971测量噪声RMS(ps)加电1h恒温后,参考和被测信号间均同源下,300s取样的TI测量58921温度系数(ps/℃)加电30min内,参考和被测信号间均同源情况下,测量时间间隔变化量与温度变化的比值3.60.65.0

3.4 国产商用MTIM测量仪的批量验收比测

2018年，A单位招标采购24块多通道的国产OEM时间间隔测量板卡(MTIC)，要求噪声<20ps(rms)、不确定度<70ps、通道固定延迟不一致性<50ps、通道固定时延温度系数<2ps/℃，用于发射天线信号相位比测[16,17]；采购24块7通道的MTIC测量板卡，要求测量噪声、不确定度、通道固定延迟差及其温度系数分别小于15ps，20ps，30ps和1ps/℃，用于原子钟组比测。2019年，经过近2个月的验收测量，验测结果(数据表，略)表明，皮秒级商用MTIC测量设备全部达到合同要求。国产皮秒级商用MTIM测试仪面市多年，供给北京卫星导航中心、中国计量科学研究院、中国科学院上海天文台、等多家单位，近3年就有24批次、40台整机、131块MTIC测量板卡、约1409个测量通道产品在为用户服务。

4 结束语

伴随北斗系统发展[16,20]的国产皮秒级MTIM测量仪与进口名牌产品的性能指标(手册)比较，见表3。

目前，国内已有各种研究皮秒级TIM技术方法和测量设备[18,19]，但是能小批量产商用的、不确定度优于50ps的MTIM测量仪仍少见。国产皮秒级MTIM主要技术指标与国外同类设备相当，可用于国家高精度新时空综合定位导航授时(PNT)体系建设[20-22]。

表3 MTIM测量仪与国外同类产品性能比较Tab.3 Conclusion for capability of MTIM meter compared with same famous foreign products型号生产厂商分辨力测量范围噪声RMS不确定度MAX_100最高采样率温度特性测量通道SR620美国斯坦福25ps比相仪50ps500ps1ksps/ch15ps/℃2MCTIC德国TIMETECH10ps±1s20ps100ps1sps/ch2.0ps/℃16GP21芯片德国ACAM公司10ps0～10μs30ps100ps500ksps/ch10ps/℃2MTIM712C北京一朴时频10ps±42s15ps20ps500ksps/ch1.0ps/℃16