一种亚纳秒级远程时间比对/传递系统误差测试方法

摘要

本发明提供了一种亚纳秒级远程时间比对/传递系统误差测试方法，使用一套可搬移的双向移动校准站，与被测系统并址安装，同时测量两地时钟信号的时差，在高精度校准自身系统误差的基础上，测得两地时钟信号时差的真值，用该结果校准被测系统测得的两地时钟信号时差值，从而得到被测系统测量远程时间的系统偏差，即为该系统的系统误差。本发明提高了远程时间比对系统的准确度，提高基于卫星双向或共视方法的异地时钟比对、同步精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种远程时间比对/传递系统误差测试方法。

背景技术

通常所说的时间由时刻和时间间隔两部分组成，基本时间间隔的单位是秒，而时刻是由国际统一协商确定，二者密不可分。根据时间定义可知，独立运行的原子钟，即使有最准确的秒间隔，因为没有与参考标准时间对应的时刻量，也不能产生时间。为了统一全世界的时间，国际计量委员会协调各国，规定协调世界时UTC是国际上统一的法定时间，并规定了秒间隔和时刻。国际计量局(BIPM)负责并建立国际时间频率基准，时间频率信号能在全世界范围传递的特殊性质，使其不像其它量值传递需要层层递进，这也为在全世界范围内统一时间创造了条件。各国的时间频率基准通过远程时间、频率比对，与其保持同步，从而使各国时间保持一致性。

随着各行业对时间统一精度要求越来越高，纳秒级甚至更高精度的时间同步需求逐渐成为发展趋势，针对这类需求，目前已经发展了卫星双向时间频率传递方法、卫星共视等能实现几个纳秒远程时间比对精度的方法，但是这类方法受测试安装条件、测试仪器体积较大、测试持续性要求等原因限制，难以精确标定测试系统的系统误差，导致对远距离时钟之间时差测试结果存在确定的系统偏差，并且受仪器自身时延慢变化的影响，该系统偏差非固定值，有研究表明，卫星双向比对系统的系统误差在7年间变化了约7ns，并且系统误差的变化方向随机，难以通过某种已知的规律进行补偿。

表1主要授时手段及其性能汇总表

由上表可知，各种授时手段覆盖了不同精度时频信号需求，其中对于纳秒级时间比对方法，为了保证比对结果的精度，需要对设备时延等导致系统误差的项目进行校准，包括导航系统授时、卫星共视、卫星双向比对、光纤时间频率传递等方法，比对规范均建议应定期校准比对系统的系统误差。

根据测试规范要求，对被测系统的系统误差校准需要使用具有更高计量标准的设备或系统，通常要求高出被测系统精度性能三倍或甚至一个数量级才足以给出客观的测试结果。目前，综合考虑设备可用性、支出成本、性能需要等各种客观条件，不同的远程时间比对系统有不同的测量方法、测量设备校准系统误差可供选择，主要有以下两种方法：

1)移动站法

如卫星共视、卫星双向比对的系统误差主要来源于设备时延，因此主要采用的方法是使用一台移动设备P，分别与参与比对的两台设备A和B进行零基线共钟测试，分别测得A相对于P的设备时延，以及B相对于P的相对设备时延，然后假定P设备的时延在两段测试期间为固定值，使用两组测试结果相减，抵消移动设备P的时延量，从而得到A和B两台设备的相对时延。这种方法较为常用，优点是移动设备搬运方便，测试成本主要是运输与时间，缺点是不同的比对系统需要不同类型的移动设备，通用性不强，且受设备搬运、拆装对设备时延影响，不能保证每次测试的移动站设备时延固定不变，因此测量不确定度在纳秒量级。

2)模拟器法

模拟器法是使用信号模拟器模拟信号，测试设备的绝对时延。模拟器法需要购买信号模拟器，一次性成本投入较高，对于位于异地的远程时间比对设备使用不方便，不适用需要定期校准的远程时间比对系统，常用于初始设备时延校准场合。

移动参考站法校准设备时延的不确定度到纳秒量级，模拟器法不适用定期校准，并且需要注意的是，无论是移动参考站法还是模拟器法，测试的主要目标是设备时延，设备时延是远程时间频率比对系统系统误差的主要来源，可能还存在信号空间传播路径不对称等时延量的影响，仅校准设备时延不能满足系统误差校准需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种亚纳秒级远程时间比对/传递系统误差校准方法，能够提高对远程时间频率比对系统的系统误差校准准确度，满足不同远程 比对系统的系统误差校准需求，远程时间比对精度达到纳秒级，可适用于卫星共视、卫星双向等远程时间比对/传递系统的系统误差测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，在被测A站，将两套完全相同的双向移动校准设备放置在一起，以被测A站远程时间比对系统的参考时间为两套双向移动校准设备提供参考；两套双向移动校准设备通过卫星互发互收，进行零基线比对，比对结果T1即为两套双向移动校准设备在被测A站环境下的相对时延；

步骤二，将任意一套双向移动校准设备移动到被测B站，使用被测B站远程时间比对系统的参考时间为参考，通过卫星与被测A站的双向移动校准设备建立双向时间频率传递链路，进行两地时差测试，测得的结果T2中包含被测A、B两站远程时间比对系统参考时间的钟差和两套移动校准设备相对时延；

步骤三，在被测B站，将两套双向移动校准设备放置在一起，以被测B站远程时间比对系统的参考时间为两套双向移动校准设备提供参考；双向移动校准通过卫星互发互收，进行零基线比对，比对结果T3为两套双向移动校准设备在被测B站环境下的相对时延；

步骤四，计算T1和T3的均值，作为两套双向移动校准设备自身的相对时延；

步骤五，在T2中扣除两套双向移动校准设备自身的相对时延，得到被测A、B两站远程时间比对系统的参考时间的钟差真值，与被测A、B两站远程时间比对系统的实际测得钟差相减，得到被测系统测量远程时间的系统误差，用于校准该远程时间测量系统。

所述的双向移动校准站包括射频发射与接收单元、基带处理单元、时间间隔测量单元、数据采集与处理单元。

所述的射频发射与接收单元以被测远程时间比对系统同源输出的10MHz为参考，将基带处理单元产生的70MHz信号上变频并放大，经双工器和天线向卫星发射，同时接收卫星下行的外站信号，经过低噪放大后下变频到70MHz，送到基带处理单元；在向卫星发射信号的同时，从天线口面耦合一部分信号，经测试转发器下变频后，供基带处理单元测量，对设备时延进行校准；

所述的基带处理单元包括发射终端和接收终端，发射终端根据A站或B站的参考时间信号产生测距码和调制信号，将信号调制到70MHz中频；接收终端接收卫星下行信号和从天线口面耦合的信号，测量出伪距，将测量结果送交数据采集与处理单元；

所述的时间间隔测量单元测量A站或B站的参考时间信号与基带处理单元内部产生的1pps信号的时差，将时差送交数据采集与处理单元；

所述的数据采集与处理单元对基带处理单元测量的伪距与解调得到的外站测量结果进行分析，结合时间间隔测量单元的测量结果，计算得到被测系统的系统误差结果。

本发明的有益效果是：

利用同一地点的时钟信号可以被分配多个信号，且各信号之间高度相关，具有确定相位关系的属性，使用一套可搬移的双向移动校准站，与被测系统并址安装，同时测量两地时钟信号的时差，在高精度校准自身系统误差的基础上，测得两地时钟信号时差的真值，用该结果校准被测系统测得的两地时钟信号时差值，从而得到被测系统测量远程时间的系统偏差，即为该系统的系统误差。

本发明的主要贡献是校准远程时间比对系统的系统误差到0.5ns以内，提高了远程时间比对系统的准确度，提高基于卫星双向或共视方法的异地时钟比对、同步精度。

附图说明

图1是TWSTFT工作原理图；

图2是单套双向移动校准设备组成示意图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是测试前设备自身系统误差标定工作原理图；

图5是系统误差测试原理图；

图6是测试后设备自身系统误差标定工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明能够解决远距离时间比对/传递系统的系统误差难以高精度校准的问题，通过使用两套可搬移的卫星双向时间比对设备，将被测远距离时间比对/传递系统的系统误差校准到亚纳秒量级，降低远程时间比对/传递系统的系统误差。

本发明主要解决两个方面的关键问题：

(1)校准设备自身系统误差的校准

用于校准其它系统的设备，首先需要能准确校准自身在测试中的系统误差，才能用于校准其它远程时间比对系统。

本发明通过采用两种手段解决系统误差自校准问题：一是在设备内部设计了模拟转发器，测试期间，信号在设备内部形成自行发射、接收的环路，实时监视设备自身时延的变化，用于补偿测试结果；二是将设备设计为可拆卸、方便搬运的设备，同时设计中还兼顾反复拆卸、安装设备时设备时延保持稳定，另外两套可搬移的卫星双向时间比对设备完全相同，包括各组成模块、电缆长度、接口型号、器件批次等，以确保两套设备具有相似的时延变化属性。利用两套设备的可搬移属性，将其安装在同一地点，使用相同的时钟源驱动，即使用零基线共钟法测量系统自身的系统误差，理想情况下使用同一钟源驱动，应测得零值的钟差结果，实际测量结果受测量系统误差影响，实测结果即为测量系统的系统偏差，短时间内(数天之内)，设备时延变换量远小于0.5ns，可视为常数值，在测量中校准设备自身的系统误差。

(2)高精度校准被测系统的系统误差

在对自身系统误差高精度校准基础上，将校准设备用于高精度的校准被测系统的系统误差，要求校准系统的远程时间比对测量精度高于被测系统，才能确保校准结果的可信度。

基于GEO卫星转发的卫星双向时间频率传递(TWSTFT)是目前公认实现远距离高精度时间比对的主要方法，用于各原子频标间、守时实验室间的时间、频率比对，以及用于如卫星导航系统等含有多个精密时间单元，且分布于不同的地理位置，需要高精度时间同步的场合。TWSTFT的链路时延校准不确定度约为1ns，这也是目前该方法能实现的比对精度水平。链路时延可按传播介质不同分为设备时延和空间传播时延两类，其中设备时延主要来源于地面设备和卫星设备，设备时延非恒定值，且与环境条件关系密切，另外受器件老化影响，设备时延还存在随机的慢变化特性，导致设备时延难以精确校准。与设备时延相比，信号空间传播中的时延来源更加复杂、环境多变，主要包括电离层、对流层、卫星运动、Sagnac效应等，难以被准确标校。本发明提出了一种基于卫星双向时间频率传递原理，使用两套可搬移的卫星双向时间比对设备(简称：双向移动校准站)校准包括卫星双向比对系统、卫星共视比对系统等远程时间比对系统的系统误差的方法，能将被测系统的系统误差(包括设备时延、信号空 间传播时延)标定到亚纳秒量级，校准不确定度小于0.5ns，该指标也高于目前卫星双向1ns的比对不确定度，卫星共视5ns的比对不确定度，满足校准其系统误差的要求。

卫星双向时间传递的基本工作原理如图1所示，分别位于两个站的测量设备同时测量本站时间与经卫星转发，来自对方站的时间信号之差。如在站点1，计数器测得的时差结果TW(1,2)，是站点1在接收到来自站点2信号的时刻，测得站点2发射信号时刻与站点1参考信号之差，与此同时，在站点2的测量设备，测得时差结果TW(2,1)，由于两地测得结果所含信号传输路径相同，两地互换测试数据，抵消共同路径时延影响，可得两地时间之差。

但是实际应用中，由于信号传输路径不完全对称，时延不完全能被抵消，因此，卫星双向可实现比对精度约为1ns，主要误差源是两套设备时延等不完全相等导致测量结果存在系统偏差，难以准确标校导致。

本发明提出的一种亚纳秒级远程时间比对/传递系统误差校准方法，是基于卫星双向时间传递基本原理，使用双向移动校准站测试远程时间比对系统的系统误差，双向移动校准站设计重点是便携、拆卸拼装快捷、对星方便、多次拆卸天线性能不受影响，特别是时延稳定性要求高，要求是系统本身重复拆卸、安装造成的时延变化不超过0.1ns。

双向移动校准站由两套设备组成，每套设备的配置如图2所示。设备由四个部分组成，射频发射与接收单元、基带处理单元、时间间隔测量单元、数据采集与处理单元。

射频发射与接收单元以待校准系统同源的频率源输出的10MHz为参考，将基带发射终端产生的70MHz信号上变频并放大，向卫星发射，同时接收卫星下行的外站信号，下变频到70MHz，送到基带接收终端。在向卫星发射信号的同时，从天线口面耦合一部分信号，经测试转发器下变频后重新送到射频接收通道，供基带对设备时延进行校准。

基带处理单元包括发射终端和接收终端，发射终端根据外部待测的1pps信号(A站或B站的参考时间信号)产生测距码和调制信号，将信号调制到70MHz中频。接收终端接收卫星下行信号和小环信号(从天线口面耦合的信号)，测量出伪距，将测量结果送交数据采集与处理单元。

时间间隔测量单元测量待测的1pps信号与基带处理单元内部产生的1pps信号的时差，将时差送交数据采集与处理单元。

数据采集与处理单元对基带处理单元测量的伪距与解调得到的外站测量结果进行分析，结合时间间隔测量单元的测量结果，分析得到被测系统的系统误差结果。

假设被测的两站分别为A站和B站。使用双向移动校准站测试被测远程时间比对系统的系统误差测试的流程如图3所示。

首先，在被测A站，先将两套双向移动校准设备放置在一起，以A站远程时间比对系统的参考时间为两套设备提供参考。通过卫星互发互收，进行零基线比对(零基线比对是将两套设备紧邻安装，使用相同的参考信号驱动两套设备，进行测试，“紧邻”是指两套设备安装的距离小于2m)，测得的结果记为T1。因为两移动站为同源零基线比对，上下行传播时延基本相等，所以T1为两套移动校准设备在A站环境下的相对时延。

然后，将其中一套双向移动校准设备移动到被测B站，使用B站远程时间比对系统的参考时间为参考，与A站的双向移动校准设备建立双向时间频率传递链路，进行测试，测得的结果记为T2。T2中包含A、B两站被测远程时间比对系统参考时间的钟差和两套移动校准设备相对时延。

第三，在被测B站，将两套双向移动校准设备放置在一起，以B站远程时间比对系统的参考时间为两套设备提供参考，通过卫星互发互收，进行零基线比对，测得的结果记为T3，因为两移动站为同源零基线比对，上下行传播时延基本相等，所以T3为两套移动校准设备在B站环境下的相对时延。

最后，计算T1和T3的均值，作为两套双向移动校准设备自身的相对时延；在对双向移动校准设备的测试数据T2中，扣除两套移动校准设备自身的相对时延，得到A、B两远程时间比对系统的参考时间的真实钟差，与A、B两远程时间比对系统的实际测得钟差相减，即为被测系统测量远程时间的系统误差，用于校准该远程时间测量系统。

开展基于双向移动校准站的纳秒级远程时间比对/传递系统误差校准，每次测试分为四个阶段，分别是测试前设备自身系统误差标定、系统误差测试、测试后设备自身系统误差复核和数据处理，下面分别阐述：

1)测试前设备自身系统误差标定

如图4所示，本阶段的目标是在正式测试前，采用零基线方法自校系统误差。首先将参与测试的两套双向移动校准站1和2安装到同一测试地点A(被校准系统误差的远程时间比对系统的其中一个地点)，以与A站被测系统输入相同的10MHz和1pps 信号为参考信号，分别接入两双向移动校准站，用于校准设备自身系统误差。

(1)两套设备的室外天线安装地点的几何中心距离小于2m；

(2)连接好设备，利用地质罗盘或水平仪测量水平度，通过调节天线的三个支腿，使天线处于水平状态，根据水平指南仪将天线朝向正南；

(3)将被测地点A提供的10MHz信号和1pps分别接入双向移动校准站1的参考信号输入端口，生成4个同源的10MHz信号和2个1pps信号作为两套双向移动校准站系统误差标定所需的公共参考信号；

(4)启动双向移动校准站设备；

(5)准备就绪后，开始对星操作；

(6)根据卫星信息表中的极化角，将极化转动到指定值；

(7)根据卫星信息表中的高度角，将天线后的俯仰刻条的箭头移动至指定值；

(8)根据卫星信息表中的方位角值，将天线的方位调整至指定值；

(9)利用便携频谱仪进行细调，断开变频器IF OUT与时频调制解调器RF IN的连接，用测试电缆连接变频器IF OUT到便携频谱仪测试输入端，使接收信号信噪比最大，断开测试电缆与变频器IF OUT，恢复变频器IF OUT与时频调制解调器RF IN的连接，启动双向移动校准站；

(10)按步骤(4)～(9)相同方法启动另一套双向移动校准站，确认两套双向移动校准站正常工作后，测试两套设备间的通信链路是否畅通，方法是通过串口调试助手向对方站发送测试数据，同时观察是否能正常接收来自对方站的测试数据，正常后关闭串口调试助手；

(11)开启站间时间同步精度评估软件，设置测量间隔为10s，其余选择默认设置，启动软件；

(12)测试数据采信双向移动校准站稳定运行1小时后的数据，连续观测24小时；

(13)获得足够的测试数据后，关闭两套双向移动校准站的各软硬件设备，并将其中一套双向移动校准站拆卸，包装，准备运往下一测试地点。

2)系统误差测试

如图5所示，本阶段的目标是在完成对被测远程时间比对系统系统误差的原始测试。将参与测试的双向移动校准站1安装到被测试地点A，双向移动校准站2安装到测试地点B，以A和B地与输入被测系统同源的10MHz和1pps信号分别为两套双向 移动校准站提供测试参考。

(1)双向移动校准站2被运往B站安装，并开展相应测试工作；

(2)利用地质罗盘或水平仪测量水平度，通过调节天线的三个支腿，使天线处于水平状态，根据水平指南仪将天线朝向正南；

(3)将被测地点B提供的10MHz信号和1pps分别接入双向移动校准站2的参考信号输入端口，生成2个同源的10MHz信号和1个1pps信号作为双向移动校准站2测试的参考信号；

(4)启动双向移动校准站设备；

(5)根据卫星信息表中的极化角，将极化转动到指定值；

(6)根据卫星信息表中的高度角，将天线后的俯仰刻条的箭头移动至指定值；

(7)根据卫星信息表中的方位角值，将天线的方位调整至指定值；

(8)利用便携频谱仪进行细调，断开变频器IF OUT与时频调制解调器RF IN的连接，用测试电缆连接变频器IF OUT到便携频谱仪测试输入端，使接收信号信噪比最大，断开测试电缆与变频器IF OUT，恢复变频器IF OUT与时频调制解调器RF IN的连接，启动双向移动校准站；

(9)测试两套双向移动校准站设备间的通信链路是否畅通，方法是通过串口调试助手向对方站发送测试数据，同时观察是否能正常接收来自对方站的测试数据，正常后关闭串口调试助手；

(10)开启A和B站的站间时间同步精度评估软件，设置测量间隔为10s，其余选择默认设置，启动软件；

(11)测试数据采信双向移动校准站稳定运行1小时后的数据，连续观测不少于3天×24小时，建议测试7天；

(12)获得足够的测试数据后，关闭两套双向移动校准站的各软硬件设备，并将A站的双向移动校准站拆卸，包装，准备运往下一测试地点。

3)测试后设备自身系统误差标定

如图6所示，本阶段的目标是在完成原始测试后，采用零基线方法复核设置自身系统误差。保持B站的双向移动校准站2设备安装不变，将A站的双向移动校准站1搬运至B站，以B站的10MHz和1pps信号为公共参考测试系统误差。

(1)双向移动校准站1被运往B站安装，并开展相应测试工作；

(2)将双向移动校准站1安装到B站与双向移动校准站2邻近地点安装，两套设备的室外天线安装地点的几何中心距离小于2m；

(3)在B站按照双向移动校准站的使用说明书将双向移动校准站1连接完成，利用地质罗盘或水平仪测量水平度，通过调节天线的三个支腿，使天线处于水平状态，根据水平指南仪将天线朝向正南；

(4)将被测地点B提供的10MHz信号和1pps分别接入双向移动校准站2的参考信号输入端口，生成4个同源的10MHz信号和2个1pps信号作为两套双向移动校准站系统误差标定所需的公共参考信号；

(5)启动双向移动校准站设备2；

(6)根据卫星信息表中的极化角，将极化转动到指定值；

(7)根据卫星信息表中的高度角，将天线后的俯仰刻条的箭头移动至指定值；

(8)根据卫星信息表中的方位角值，将天线的方位调整至指定值；

(9)利用便携频谱仪进行细调，断开变频器IF OUT与时频调制解调器RF IN的连接，用测试电缆连接变频器IF OUT到便携频谱仪测试输入端，使接收信号信噪比最大，断开测试电缆与变频器IF OUT，恢复变频器IF OUT与时频调制解调器RF IN的连接，启动双向移动校准站；

(10)测试两套双向移动校准站设备间的通信链路是否畅通，方法是通过串口调试助手向对方站发送测试数据，同时观察是否能正常接收来自对方站的测试数据，正常后关闭串口调试助手；

(11)开启双向移动校准站1和2数据传输模块；

(12)开启站间时间同步精度评估软件，设置测量间隔为10s，其余选择默认设置，启动软件；

(13)测试数据采信双向移动校准站稳定运行1小时后的数据，连续观测24小时；

(14)获得足够的测试数据后，关闭两套双向移动校准站的各软硬件设备，并将两套双向移动校准站拆卸，包装，结束本轮外场测试工作。

4)数据处理

完成上述测试过程后，进行数据处理，根据测试数据分析处理获得被测远程时间比对系统的系统误差测试结果。

(1)测试前设备自身系统误差标定数据分析方法为：测得24小时原始数据，根 据3σ原则粗差剔除后，计算24小时测量数据的均值和标准差，均值反映零基线测试条件下，在A站两套双向移动校准站设备自身的系统误差TT_A，标准差反映零基线测试条件下双向移动校准站在A站测试结果的离散程度；

(2)测试后设备自身系统误差标定阶段数据分析处理方法为：测得24小时原始数据，根据3σ原则粗差剔除后，计算24小时测量数据的均值和标准差，均值反映零基线测试条件下，在B站两套双向移动校准站设备自身的系统误差TT_B，标准差反映零基线测试条件下系统在B站测试结果的离散程度；

(3)系统误差测试数据分析方法为：测得3×24小时原始数据，根据3σ原则粗差剔除后，计算3×24小时测量数据的均值和标准差，均值为两站参考时间的原始差值TI，标准差为两站参考时间随机变化情况；

(4)根据电缆时延标定结果得到电缆时延改正量TL_A和TL_B；

(5)则待测试的A和B两站参考时间差TI_P＝TI-(TT_A+TT_B)/2-(TL_A-TL_B)；

(6)被测A和B两站间的远程时间比对系统同期测得的参考时间差为TI_u，则根据双向移动校准站测得的两站参考时间差TI_P结果，可以得到被校准远程时间比对系统的系统误差TS_error＝TI_u-TI_P。