SIMT守时氢原子钟频率漂移对稳定度影响

2022-01-25曾德灵董莲徐亮蔡青上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2021年6期

曾德灵董莲徐亮蔡青 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

时间、频率在国家安全、社会发展和人们日常生活等方面起着至关重要的作用。时间、频率标准信号通常由守时系统产生和保持[1]。时间、频率标准信号的质量很大程度上取决于守时系统的构成，包括守时钟组、原子时算法和驾驭方法等[2-4]。上海市计量测试技术研究院（SIMT）守时钟组[5-8]由2台主动型氢原子钟和8台铯原子钟构成。2台氢原子钟除了参与原子时计算，也作为主钟通过相位微跃器输出一主一备守时物理信号。实际应用表明，氢原子钟虽然短期稳定度较好，但存在频率漂移，导致长期稳定度受影响，不能作为实际长期稳定度指标。原子钟的频率稳定度性能通常用阿伦方差来评价[9-10]。阿伦方差由被测原子钟与参考频率标准的时间偏差或者频率偏差计算得到。氢原子钟由于频率漂移率较大，当频率漂移率和频率稳定度在一个数量级时，需扣除频率漂移率再评估频率稳定度。氢原子钟在某段时间内的频率漂移率，通常采用最小二乘法对该时间段内频率偏差数据进行拟合得到。哈达玛方差[11]是表征频率稳定度的另一种方法，其最大特点是对被测频率不敏感，因此结果不受频率漂移率影响。本文采用阿伦方差定量分析SIMT守时氢原子钟不同采样间隔的频率稳定性能，采用线性拟合的方式估计氢原子钟频率漂移率，通过比较阿伦方差和哈达玛方差分析频率漂移对频率稳定度的影响，以便更好地掌握氢原子钟性能，优化原子时计算参数，提高守时系统稳定度。

1 频率稳定度表示方法

1.1 阿伦方差

1.2 哈达玛方差

哈达玛方差为 3 次采样方差，可以很好地消除线性频率漂移的影响。重叠哈达玛方差的定义为

用时间偏差数据表示的重叠哈达玛方差为

2 频率漂移估计方法

3 测量结果与讨论

上海市计量测试技术研究院2台守时氢原子钟分别（以下分别记为HM1和HM2）与守时系统时间标准信号输出TS(SIMT)的相位差、2台氢原子钟之间的相位差如图1所示。数据测试时间为约化儒略日（MJD）= 58 484～59 000。从图1中可看出氢原子钟相位差随时间缓慢变化，无相位跳变的情况。

采用比相仪测量HM1和HM2的相对频率稳定度，测量时间为30 d，频率短期稳定度结果如表1所示。图2为氢原子钟频率短期稳定度曲线。

图1 两台守时氢原子钟相位差数据

表1 氢原子钟频率短期稳定度计算结果

图2 氢原子钟频率短期稳定度情况

基于图1中HM1-HM2的相位差数据计算出2台氢原子钟大约1.5 a时间的阿伦偏差（ADEV）和哈达玛偏差（HDEV），结果如图3所示。由于氢原子钟漂移量较大，会影响平均时间较长的阿伦偏差，而哈达玛偏差由于使用3次采样法，可以很好地消除线性频率漂移对长期稳定度的影响，因此，哈达玛偏差数值会比相同平均时间下的阿伦偏差小。从图3可看出，蓝色曲线的阿伦偏差最低点为1×10-15左右，由于频率漂移的影响，从105s之后开始上升；黑色曲线的哈达玛偏差在105s之后仍继续下降，至106s，由于其他噪声的存在，哈达玛偏差也开始上升。平均时间为15 d的哈达玛偏差达到了4.7×10-16。从阿伦偏差和哈达玛偏差曲线的变化趋势可以看出，2台氢原子钟的频率漂移在平均时间大于105s后开始影响阿伦偏差，使其数值比哈达玛偏差大，氢原子钟的日频率漂移率大致为1×10-15左右。

图3 氢原子钟长期稳定度情况

守时系统物理信号是通过连接在主钟上的相位微跃器实现的，根据主钟与原子时的历史数据预测下一时刻相位微跃器的调整量，使其输出物理信号与纸面时保持一致。调整量预测的准确程度与主钟的频率漂移率是否稳定有很大关系。主钟频率漂移率越稳定，频率预测就越准确，守时系统输出的物理信号也就越接近纸面时。为此，根据2台氢原子钟的历史数据研究其漂移率的变化情况。

基于2019年1月至2020年6月2台氢原子钟与守时系统时间标准TS（SIMT）的频率偏差数据，根据式（9）和式（10）对每个月的日频率漂移率进行估算，结果如图4所示。从图4中可以看出，HM1和HM2每个月的日频率漂移率都较为稳定，HM1的平均日频率漂移率大约为2×10-15，HM2的平均日频率漂移率大约为1.5×10-15，每台钟日频率漂移变化率小于7×10-16。从2020年4月开始，2台氢原子钟每月的日频率漂移率波动明显变小，尤其以HM2尤为显著。

图4 两台守时氢原子钟每个月日频率漂移变化情况

主钟稳定的频率漂移率有利于守时系统物理信号输出的稳定性。图4表明两台氢原子钟在2019年一季度的频率漂移率波动较大，这段时间SIMT守时系统时间标准TS(SIMT)与中国计量科学研究院时间标准UTC(NIM)的时间偏差波动也较大，如图5所示。2020年二季度，2台氢原子钟频率漂移率波动较小，这段时间SIMT守时系统时间标准TS(SIMT)与中国计量科学研究院时间标准UTC(NIM)的时间偏差波动明显较好，如图6所示。