时间频率远程校准的数据分析与算法设计

　　计量校准是国家计量体系中的一项重要工作,计量校准的结果涉及国计民生的方方面面,其重要性不言而喻.时间频率作为一个重要基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要的作用;然而,时间频率的计量标准和量值传递,尤其是高精度频率源在传统的校准过程中还存在许多重要的问题需要解决,如氢钟、铯钟等大的设备运行环境的差异,不易搬运及不能断电运行等因素给校准带来了很大麻烦.因此,我们据上海市计量测试技术研究院现有的硬件条件,通过软件的数据分析和算法设计等方法,来实现对频率源的远程校准.

　　1　总体设计思路

　　目前对高精度的频标,大都是通过GPS共视技术来校准的.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.软件的算法设计,必须具有自动导入,选择有用的数据,如跟踪相同的卫星,起始时间、仰角的选择;如果为多通道的GPS共视接收机,还必须有相同的通道.最后对满足相同条件下的两参数相减(REFGPS1-REFGPS2),再对所得的结果进行拟合计算得出被测频标的频率偏差,进而算出频率准确度及频率日漂移.结构框图如图1.

　　1.1　数据文件及软件参数设定

　　由GGTTS数据格式可以知道,在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.其中对我们计算有用的几个参数如下.

　　REFSV:实际跟踪长度中点处本地秒脉冲与所跟踪的卫星时间的差值,单位0.1 ns.

　　REFGPS:实际跟踪长度中点处本地钟与GPS时间之差,单位0.1 ns,其中已经加了有广播星历表和天线坐标采用值计算出的几何时延改正、有电离层模型计算出的时延改正以及地球自转有关的时延改正.

　　MDTR:实际跟踪长度中点处对流层引入的传播延时.单位0.1 ns.

　　MDIO:实际跟踪长度中点处电离层引入的传播延时.

　　对计算有用的参数数据,我们必须将共星共时条件下进行提取.由于GPS共视法将两地的对流层,电离层的影响大大降低甚至抵消,所以我们要重点考虑的是REFGPS.在相同儒略日(JulianDay)条件下,将所得数据进行作差,得到一天的相对平均频率差值.

　　1.2　频率偏差两种算法的比较

　　软件中涉及到日频率漂移率与频率偏差的算法,这两种算法,我们在软件进行了比较.

　　a)两点时差法

　　设被校准源于参考源的平均频率偏差分别为:

　　fA(τ)和fB(τ)分别是τ内的平均值,取fA0=fB0= f0为源的频率标称值,则有:

　　由于在GPS共视接收机中,时差是每16 min一个,设τ0=16 min,则τ0内平均频率差为: