时间频率远程校准系统的设计与实现

　　0　引　　言

　　随着科技的高速发展,各行各业尤其是通信、电力、卫星导航等部门对时间频率标准的精度要求越来越高。目前时间频率标准多采用氢钟、铯钟等高性能原子频率标准[1]。氢钟、铯钟对周围环境条件要求比较高,如恒温,不间断供电等,这给校准工作带来了一定难度。在传统的校准方式下,各种意外的情况都可能发生。如运输过程中设备的振动或碰撞都会给标准频率源带来不易觉察的影响。

　　因此研究建立一套远程计量校准系统,实现时间频率远程校准,将对我国工业技术发展起到极大的推动作用。本文依据JJF 1206-2008《频率标准与数字时钟的远程校准规范》设计了一套时间频率远程校准系统。该系统采用多通道GPS共视技术的时间频率传递方法,应用labview软件处理数据,自动存入数据库,自动生成校准报告等,方便了大型或长期不间断工作频标的校准,对工业生产发展起到了推进作用。

　　1　装置设计原理

　　根据国家计量校准规范JJF 1206-2008《频率标准与数字时钟的远程校准规范》和JJG 1004-2005《氢原子频率标准》国家计量检定规程等的要求,各种时间频率标准的检定周期为一年,且目前大都采用GPS共视技术进行远程校准。

　　GPS共视法是指在不同的两地用GPS接收机跟踪同一颗卫星,利用相同时间段内接收到的时间数据,通过计算得出时间偏差。这样可以大部分消除接收过程中的电离层和对流层折射带来的时间误差,从而提高精度。GPS共视技术是目前国际时间频率比对的主要手段。也是时间频率远程校准目前也主要采用的技术方法。其原理如图1所示,其对于校准装置要求如下:

　　1)校准双方都必须有GPS共视接收机,并且输出数据格式都必须是国际计量局(BIPM)规定的GGTTS格式;

　　2)用于数据传输的PC机以及互联网。

　　2　系统软件设计

　　GPS共视技术接收到的数据是国际计量局(BIPM)规定下的具有统一格式的数据内容,内容格式为GGTTS。所以我们所设计的软件,必须具有自动导入,选择有用的数据格式等功能,如跟踪卫星的星号、起始时间、仰角等参数。如果为多通道的GPS共视接收机,还必须有通道号。最后对上述满足相同条件下的数据进行做差,再对所得的结果进行拟合计算,得出被测频标的频率偏差,进而得出频率准确度、频率日漂移率。程序框图如图2所示。

　　2.1　校准数据处理

　　BIPM对GPS共视法的数据格式做了统一规定,即为GGTTS GPS DATA FORMAT。其包含的参数有:PRN,CL,MJD,STTIME,TRKL,ELV,AZTH,REFSV,SRSV,REFGPS, SRGPS, DSG, IOE, MDTR, SMDT, MDIO,SMDI,CK。以上的主要含义在文献[3-4]中都有完整的介绍。在以上数据中,对有用的数据有PRN, MJD,STTIME,REFGPS等。所以必须对这些数据进行处理。首先将从GPS共视接收机接收下来的文本数据写入电脑中,对数据进行分析,将错误数据剔除,然后选取有用的数据,在共星共时条件下,将时间频率数值提取出来进行做差,经过多次测量后,可得到一系列的ΔtABi,由此可算出两台原子钟之间的相对平均频率偏差: