阅读说明：本技术 一种原子频标远程时间频率校准方法、设备及系统 (Atomic frequency standard remote time frequency calibration method, equipment and system ) 是由 张然 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种原子频标远程时间频率校准方法、设备及系统,该方法包括：通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间；获取待测原子频标设备的输出时间与卫星系统时间的待测站单站钟差数据,以及获取主站单站钟差数据；根据待测站单站钟差数据和主站单站钟差数据,解算时间参量；其中,时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种；根据时间参量,确定至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。通过采用本方案,可以在远程情况下,实现原子频标与标准设备之间的校准,提高了原子频标时间频率校准的效率,并且无需特殊的校准条件限制,方案实用性更强。(The application discloses a method, equipment and a system for calibrating atomic frequency standard remote time frequency, wherein the method comprises the following steps: sending satellite system time to at least one atomic frequency standard device to be tested and a master station atomic frequency standard device through a satellite; acquiring clock error data of a single station to be tested of the output time of the atomic frequency standard equipment to be tested and the time of a satellite system, and acquiring clock error data of a single station of a main station; resolving a time parameter according to the clock error data of the single station of the station to be detected and the clock error data of the single station of the main station; wherein the time parameter comprises at least one of time deviation, relative frequency deviation, daily frequency drift rate and frequency stability; and determining a time frequency calibration result of at least one atomic frequency standard device to be tested according to the time parameters. By adopting the scheme, the calibration between the atomic frequency standard and the standard equipment can be realized under the remote condition, the efficiency of the atomic frequency standard time frequency calibration is improved, special calibration condition limitation is not needed, and the scheme has stronger practicability.)

一种原子频标远程时间频率校准方法、设备及系统

技术领域

本申请涉及时间频率校准技术领域，尤其涉及一种原子频标远程时间频率校准方法、设备及系统。

背景技术

随着科技水平的迅速发展，国内各地实验室内均会采用精准的本地参考时间和参考频率，常见的标准时间频率源为氢原子频标、铯原子频标等高性能原子频率标准。而传统的原子频标校准方式是校准用户将需要校准的原子频标与高一级计量标准进行比对，然后逐级溯源至国际单位制。这种校准方式不仅复杂，及时性差，还会因为供电、震动等方面对原子频标本身造成影响。

发明内容

本申请实施例提供一种原子频标远程时间频率校准方法、设备及系统。本方案可以在远程情况下，实现原子频标与标准设备之间的校准，提高了原子频标时间频率校准的效率，并且无需特殊的校准条件限制，方案实用性更强。

本申请实施例提供一种原子频标远程时间频率校准方法，所述方法包括：

通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间；

获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据；

根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量；其中，所述时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种；

根据所述时间参量，确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。

进一步的，获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据，包括：

在所述待测原子频标设备中采用快速共视时间比对技术，以每100s作为一个观测周期，获取观测数据；其中，所述观测数据包括100个初始钟差数据；

对所述初始钟差数据进行筛选操作，得到当前观测周期的待测站单站钟差数据；以及，

在所述主站原子频标设备中采用快速共视时间比对技术，以每100s作为一个观测周期，获取观测数据；其中，所述观测数据包括100个初始钟差数据；

对所述初始钟差数据进行筛选操作，得到当前观测周期的主站单站钟差数据。

进一步的，在完成当前观测周期的100s观测之后，进入下一观测周期的100s观测过程。

进一步的，根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量，包括：

根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，生成待测站和主站的共视时差序列；

采用预设算法确定每天零点的共视时差；其中，所述预设算法包括最小二乘线性拟合算法；

根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量。

进一步的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用如下公式计算时间偏差：

其中，T_AB为待测站与主站的时间偏差；t_ABi为待测站与主站第i个共视时差；n为待测站与主站共视时差序列总数目。

进一步的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用如下公式计算相对频率偏差：

其中，τ为时间间隔，取1天；y_AB(τ)为时间间隔τ内待测站原子频标的相对频率偏差；t0_ABi为第i天零点待测站与主站共视时差；t0_AB(i+1)为第i+1天零点待测站与主站共视时差。

进一步的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用如下公式计算频率日漂移率：

其中，k_AB为待测站原子频标频率日漂移率；y_ABi(τ)为第i天测量得到的相对频率偏差；τ为时间间隔，取1天；t_i第i天儒略日，为N天儒略日的平均值。

进一步的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用阿伦方差算法，根据所述待测站和主站的共视时差序列，计算原子频标100s频率稳定度、1000s频率稳定度、10000s频率稳定度；以及，根据所述每天零点的共视时差，计算日稳定度。

进一步的，在确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果之后，所述方法还包括：

将所述校准结果生成校准报告，并发送至待测原子频标设备的使用用户。

本申请实施例还提供一种原子频标远程时间频率校准设备，所述设备包括：

卫星系统时间发送模块，用于通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间；

钟差数据接收模块，用于获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据；

时间参量确定模块，用于根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量；其中，所述时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种；

时间频率校准模块，用于根据所述时间参量，确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。

本申请实施例所提供的原子频标远程时间频率校准系统，所述系统包括：

待测原子频标设备，与卫星连接，用于接收卫星系统时间，并基于快速共视时间比对技术确定待测站单站钟差数据；

主站原子频标设备，与卫星连接，用于接收卫星系统时间，并基于快速共视时间比对技术确定主站单站钟差数据；

数据传输单元，与所述待测原子频标设备和主站原子频标设备连接，用于将待测站单站钟差数据和主站单站钟差数据传输至数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据所述待测站单站钟差数据和主站单站钟差数据，进行校准数据处理，并生成校准报告。

本申请实施例采用下述技术方案：通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间；获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据；根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量；其中，所述时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种；根据所述时间参量，确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：该远程时间频率校准系统，基于快速共视时间比对技术实现了远程用户原子频标的本地时间与主站参考时间的连续高精度校准。快速共视时间比对技术以100s为一个观测周期，重新制定共视时刻表，连续观测原子频标输出时间与GNSS系统时间差，相邻观测周期之间无缝衔接，避免了传统共视方式跟踪盲区的数据浪费。

上述方案中，测量终端是远程时间频率校准系统的核心部分，主要完成接收机数据采集，数据解算以及将解算结果经数据传输单元发送给数据处理单元等工作。数据传输单元兼容网络传输、北斗短报文、GPRS传输多种模式。数据处理单元是系统的重要组成部分，主要负责共视时差解算和时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率、频率稳定度等校准项目计算。原子频标远程时间频率校准系统打破传统共视时刻表，实现远程用户原子频标的无间隙高精度校准，推动了时间频率计量服务的发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一提供的原子频标远程时间频率校准方法的示意图；

图2为本申请实施例一提供的快速共视时间比对流程的示意图；

图3为本申请实施例一提供的数据处理流程的示意图；

图4为本申请实施例二提供的原子频标远程时间频率校准设备的结构示意图；

图5为本申请实施例三提供的原子频标远程时间频率校准系统的框架示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

卫星共视时间比对是目前国际上实现远程时间传递最广泛的方式之一，简便易行，成本较低，传统共视方式以16min为一个观测周期，每个观测周期需要3min的观测间隙，观测周期长以及间断测量使远程用户无法实现真正意义上的溯源。因此，研究卫星共视快速连续观测的方法，是建立原子频标远程时间频率校准系统亟待解决的问题。

实施例一

图1为本申请实施例一提供的原子频标远程时间频率校准方法的示意图。所述原子频标远程时间频率校准方法可以由本申请实施例提供的原子频标远程时间频率校准设备执行，所述设备可以包括软件和/或硬件功能模块。如图1所示，所述方法包括：

S11、通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间。

其中，卫星可以是指全球导航卫星系统，利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。具体的，可以是北斗导航卫星、GPS卫星以及其他卫星。

卫星可以通过向主站原子频标设备和待测原子频标设备发送数据的方式，将卫星系统时间信息发送至主站原子频标设备和待测原子频标设备。其中，所发送的数据可以是连续的，用于为主站原子频标设备和待测原子频标设备提供数据基础。

其中，主站原子频标设备可以是包括快速共视装置，电子计数器以及原子频标等设备构成，主站的原子频标可以是准确度较高的原子频标。待测原子频标设备的个数可以是一个，还可以是多个。可以理解的，可以通过一个主站原子频标设备同时对一个或者多个待测原子频标设备进行校准。

S12、获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据。

其中，待测原子频标设备和主站原子频标设备的输出时间，是基于内部的原子频标产生的，将其与卫星系统时间做差，可以得到主站单站钟差数据以及待测站单站钟差数据。这样就可以根据待测站单站钟差数据与主站单站钟差数据来评价待测原子频标设备的原子频标的准确度。

在本实施例中，可选的，获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据，包括：

在所述待测原子频标设备中采用快速共视时间比对技术，以每100s作为一个观测周期，获取观测数据；其中，所述观测数据包括100个初始钟差数据；

对所述初始钟差数据进行筛选操作，得到当前观测周期的待测站单站钟差数据；以及，

在所述主站原子频标设备中采用快速共视时间比对技术，以每100s作为一个观测周期，获取观测数据；其中，所述观测数据包括100个初始钟差数据；

对所述初始钟差数据进行筛选操作，得到当前观测周期的主站单站钟差数据。

图2为本申请实施例一提供的快速共视时间比对流程的示意图。如图2所示，首先，清空接收机串口输入输出缓冲区，以用于接收卫星发送的数据，然后由采集接收机串口输出数据，获取卫星数据的相关信息，具体的，可以包括采集接收机时间信息、卫星星历信息、可视卫星信息和电离层参数信息等，进而根据这些信息确定数据是否为有效数据。若是，则观测数据解算，计算原子频标时间与GNSS系统时间的时差，若持续观测100s，则认为完成当前周期的观测，并对当前周期观测到的数据进行数据处理，以得到当前观测周期的观测结果。

具体的，利用快速共视时间比对技术实现远程时间传递，工作流程分为数据采集，数据解算和数据发送三部分。首先，通过串口每秒采集接收机时间信息、卫星星历信息、可视卫星信息和电离层参数信息等数据。然后，在采集数据有效的情况下，进行本地原子频标参考时间与GNSS系统时间的时差解算。快速共视时间比对技术将观测周期缩短至100s，重新制定共视时刻表，实现远程快速连续时间比对。在完成一个100s观测周期后，进行100s观测周期数据处理，主要分为两步：第一步，将本周期100s观测数据平均分为10组，根据最小二乘二次拟合出10个中点值；第二步，再通过最小二乘线性拟合求取10个中点值的中点值作为最终的输出结果。最后，将最终的计算结果经数据传输单元发送至数据处理单元进行数据处理。

在上述技术方案的基础上，可选的，在完成当前观测周期的100s观测之后，进入下一观测周期的100s观测过程。通过这样的设置，可以无需等待解算时间，提高本方案的时间频率校准效率，以及实现时间频率校准具有实时性的效果。

S13、根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量；其中，所述时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种。

本方案中，可以将待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据发送至数据处理单元，并解算时间参量，其中，时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种。

在本方案中，可选的，根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量，包括：

根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，生成待测站和主站的共视时差序列；

采用预设算法确定每天零点的共视时差；其中，所述预设算法包括最小二乘线性拟合算法；

根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量。

可以理解的，共视时差序列可以是存在对应关系的，例如，对应于卫星系统时间的每一秒，主站和待测站都会产生一个钟差数据，可以将两个数据之间以序号或者其他形式相关联，这样既可以得到对同一时间主站和待测站的钟差数据分别是什么，又能够形成序列，对于主站和待测站进行全时段的分析。

图3为本申请实施例一提供的数据处理流程的示意图。其中的步骤可以由数据处理单元来执行。如图3所示，数据处理单元接收到远程用户单站钟差数据和主站单站钟差数据后，经共视数据处理软件得到远程用户与主站的共视时差序列，并根据最小二乘线性拟合算法求取每天零点的共视时差，以远程用户与主站的共视时差数据和二者零点的共视时差序列作为输入数据，计算时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度等校准等时间参量。

S14、根据所述时间参量，确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。

其中，可以根据一个或者多个时间参量，对待测原子频标设备进行稳定性或者准确性的评价，进而确定校准结果。

在本方案中，具体的，对于时间参量的计算可以采用如下手段进行。

其中，远程用户与主站共视时差序列t_ABi(i＝1,2…n)求平均值，即为远程用户与主站的时间偏差T_AB。

在本实施例中，可选的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用如下公式计算时间偏差：

其中，T_AB为待测站与主站的时间偏差；t_ABi为待测站与主站第i个共视时差；n为待测站与主站共视时差序列总数目。

相对频率偏差y_AB(τ)(τ＝1d)，可用相邻两天零点共视时差作差计算。

在本实施例中，可选的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用如下公式计算相对频率偏差：

其中，τ为时间间隔，取1天；y_AB(τ)为时间间隔τ内待测站原子频标的相对频率偏差；t0_ABi为第i天零点待测站与主站共视时差；t0_AB(i+1)为第i+1天零点待测站与主站共视时差。

远程校准系统连续测量N天(N≥15)，可得N个相对频率偏差值y_AB(τ)(τ＝1d)，再根据最小二乘线性拟合算法计算频率日漂移率k_AB。

在本实施例中，可选的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用如下公式计算频率日漂移率：

其中，k_AB为待测站原子频标频率日漂移率；y_ABi(τ)为第i天测量得到的相对频率偏差；τ为时间间隔，取1天；t_i第i天儒略日，为N天儒略日的平均值。

在本实施例中，可选的，根据所述待测站和主站的共视时差序列以及所述每天零点的共视时差，解算时间参量，包括：

采用阿伦方差算法，根据所述待测站和主站的共视时差序列，计算原子频标100s频率稳定度、1000s频率稳定度、10000s频率稳定度；以及，根据所述每天零点的共视时差，计算日稳定度。

具体的，阿伦方差计算公式如下：

其中：x_i为共视时差序列；N为共视时差采样数；τ为采样间隔，τ可取100s，1000s，10000s，1d。

本申请提供的技术方案，通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间；获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据；根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量；其中，所述时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种；根据所述时间参量，确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。通过执行本方案，可以在远程情况下，实现原子频标与标准设备之间的校准，提高了原子频标时间频率校准的效率，并且无需特殊的校准条件限制，方案实用性更强。

在上述各技术方案的基础上，可选的，在确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果之后，所述方法还包括：将所述校准结果生成校准报告，并发送至待测原子频标设备的使用用户。通过这样的设置，可以使待测原子频标设备的使用用户，能够溯源至高精度的原子频标设备，从而使得使用用户所使用的原子频标设备更加精确。

实施例二

本实施例提供的原子频标远程时间频率校准设备，可以执行本申请实施例一所提供的原子频标远程时间频率校准方法，具有与之相应的功能模块和有益效果。

图4为本申请实施例二提供的原子频标远程时间频率校准设备的结构示意图。如图4所示，所述原子频标远程时间频率校准设备包括：

卫星系统时间发送模块410，用于通过卫星向至少一个待测原子频标设备以及主站原子频标设备发送卫星系统时间；

钟差数据接收模块420，用于获取待测原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的待测站单站钟差数据，以及获取主站原子频标设备的输出时间与所述卫星系统时间的主站单站钟差数据；

时间参量确定模块430，用于根据所述待测站单站钟差数据和所述主站单站钟差数据，解算时间参量；其中，所述时间参量包括时间偏差、相对频率偏差、频率日漂移率和频率稳定度中的至少一种；

时间频率校准模块440，用于根据所述时间参量，确定所述至少一个待测原子频标设备的时间频率校准结果。

本申请所提供的原子频标远程时间频率校准设备，可以用于执行上述实施例所提供的方法的任意步骤，并且达到相应的有益效果。

实施例三

图5为本申请实施例三提供的原子频标远程时间频率校准系统的框架示意图。如图5所示，所述系统包括：

待测原子频标设备，与卫星连接，用于接收卫星系统时间，并基于快速共视时间比对技术确定待测站单站钟差数据；

主站原子频标设备，与卫星连接，用于接收卫星系统时间，并基于快速共视时间比对技术确定主站单站钟差数据；

数据传输单元，与所述待测原子频标设备和主站原子频标设备连接，用于将待测站单站钟差数据和主站单站钟差数据传输至数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据所述待测站单站钟差数据和主站单站钟差数据，进行校准数据处理，并生成校准报告。

其中，数据处理单元具体用于共视数据处理软件处理远程用户和主站单站钟差数据，得到二者共视时差序列；最小二乘线性拟合每天零点共视时差；以共视时差序列和零点共视时差作为输入数据，计算时差偏差、相对频率偏差、频率日漂移率以及频率稳定度等校准项目；校准结果存入数据库，生成校准报告。

本发明提供一种原子频标远程时间频率校准系统，该系统基于快速共视时间比对技术，以解决远程用户原子频标不宜搬移与运输，以及传统共视观测数据缺失的问题，既节省了人力、财力和时间，也避免了运输过程中对原子频标性能的影响。同时，提高了远程共视时间比对频度，实现了无间断高精度时间传递。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。