资料介绍
中华人民共和国国家计量技术规范
JJF 1206—2008
频率标准与数字时钟的远程校准规范
2008-04-23发布 2008-07-23实施
国家 质量 监督 检验 检疫 总局 发布
频率标准与数字时钟的
远程校准规范
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本规范经国家质量监督检验检疫总局于 2008年 4 月 23 日批准 , 并自2008年 7月 23 日起施行。
归口单位 : 全国时间频率计量技术委员会
起草单位 : 中国计量科学研究院
本规范由归口单位负责解释
本规范主要起草人 :
高小珣 (中国计量科学研究院)参加起草人 :
宁大愚 (中国计量科学研究院)
王伟波 (中国计量科学研究院)
目录
1 范围
本规范适用于 : 原子频标、石英晶体频标的频率偏差 (频率准确度) 及日漂移率和精密数字时钟的时间偏差及速率的远程校准。
2 引用文献
JJF 1001—1998 通用计量术语及定义
JJF 1059—1999 测量不确定度评定与表示
国际时间 频率 咨询 委员 会 (CCTF) 关于 GPS定时 接收 机软 件标 准的 技术 指南(TechnicalDirectives forStandardization ofGPS Time ReceiverSoftware, 1994)
使用本规范时 , 应注意使用上述引用文献的现行有效版本。
3 术语及定义
3.1 频率偏差 (frequency offset)
频率实际值与标称值之差 , 一般用相对值表示 , 即偏差与标称值之比。
3.2 频率准确度 (frequency accuracy)
频率偏差的最大范围。表明频率实际值靠近标称值的程度 , 定量表示时不带正、负号。
3.3 频率漂移 (frequency drift)
频标的输出频率值随运行时间单方向的缓慢变化 , 一天内的变化量称为日漂移率 ,用相对值表示 , 单位为 1/d。
3.4 时间偏差 (time offset)
一台时钟的读数与基准时钟的读数之差。单位为 ns, μs或 ms。
3.5 时钟速率 (clock rate)
时间偏差在一天内的变化量。单位为 ns/d, μs/d或 ms/d。
3.6 GPS (global positioning system)
美国国防部建立的全球卫星导航定位系统。
3.7 GPS共视法 (GPS common-view)
相距较远的两地的时钟 , 同时测量与 GPS某颗导航卫星的时间差 , 事后交换数据得出两地时钟的读数差 ; 通过多次测量得出两台钟的相对速率 (或相对频差)。
4 概述
频标和时钟的传统校准方法是在同一实验室内 , 被校源与参考源直接进行比对。此方法可得到较小的测量结果的不确定度 , 并能校准频标和时钟的所有计量特性。
某些应用领域 , 如陆地导航台、通讯站、 电话局等所用的频标和时钟都是连续地运行 , 不能搬到有关部门进行直接校准 ; 此外 , 有些大型的氢原子频标搬运较困难 , 对于
这些频标和时钟可进行远程校准。
校准方法是以导航卫星发播的时间信号作为媒介 , 被校准源与参考源同时测量各自与媒介的时间差 , 事后由参考源所在单位 (称校准方) 进行数据处理 , 给出被校准源计量特性的校准结果 , 并保证校准的溯源性。 目前比较普遍可用的方法是 GPS共视法。
5 计量特性
5.1 频率标准
5.1.1 频率准确度 : 5×10-10 ~5× 10-13
5.1.2 频率日漂移率 : ± (1×10-10 ~1×10-13) /d
5.2 数字时钟
5.2.1 时间偏差 : | ΔT |≤1ms
5.2.2 速率 : ± (50μs/d~50ns/d)
6 校准条件
6.1 环境条件
6.1.1 环境温度 : (20~25)℃ ±2℃ , 相对湿度 : ≤80%
6.1.2 电源电压 : 220(1±10%)V, 电源频率 : (50±2)Hz
6.1.3 无影响接收机正常工作的电磁干扰、机械振动。
6.2 标准及其他设备
6.2.1 定时型 GPS接收机。
6.2.1.1 接收机内装有 CCTF推荐的相应软件。
6.2.1.2 天线坐标要准确 , 采用 WGS-84坐标系 , X、Y、Z 的误差均应不大于 10 cm,天线及传输电缆延迟的测量不确定度应不大于 1ns。
6.2.2 参考频标
频率准确度及日漂移率优于被校准频标的一个量级。
6.2.3 参考时钟
时间偏差及时钟速率优于被校准时钟的一个量级。
7 校准项目和校准方法
7.1 校准方法
仪器连接如图 1所示。
被校准源和参考源都要输出秒脉冲和相应的频率给各自的 GPS定时接收机。
两台接收机均配有相同的卫星自动跟踪和测量软件 , 每 16min作为一个跟踪和测量时间段。
接收机自动 测量 本地 秒脉 冲与 GPS 时间 (以 GPST 表示) 的秒 脉冲 的时 差 , 每16min给出一个测量结果 , 被校准方通过互联网把原始数据传给校准方。
如果双方使用的都是单通道接收机 , 即每 16min只有一个时差值 :
图 1 远程校准连接图TAGi =CAi - GPSTi
TBGi =CBi - GPSTi
式中 : CAi— 被校准方 (A地) 钟的读数 ;
CBi— 校准方 (B地) 钟的读数 ;
GPSTi— 接收机给出的 GPS钟的读数 ;
i— 差值序号。
如果使用的是多通道接收机 , 则原始数据是每 16min 内有多个时差值 , 记为 TAGij和 TBGij :
NA 和 NB 是在同一个 16min内 , 接收机各自跟踪的卫星个数。此时 , 校准方在进行数据处理时 , 先算出 NA 个和 NB 个时差的平均值。不同的跟踪时间段 NA 和 NB 可能均不同 , 用 NAi和 NBi表示 , 按下式计算 :
然后计算 A、B两地频标 (或时钟) 的时差值 :
TABi =TAGi -TBGi (3)
这是远程校准的基本数据 , 不同的校准项目采用不同的计算方法。
7.2 校准项目
7.2.1 频率标准的校准及数据处理
7.2.1.1 频率偏差
a) 两点时差法
设被校准源与参考源的平均频率偏差分别为 :
fA (τ)和 fB (τ)分别为 τ 内的平均值 , 取 fA0=fB0 =f0 为两源的频率标称值 , 则有 :
yA (τ) = yAB (τ) + yB (τ) (4)
yAB (τ)的计算 :
按 (3) 式计算的时差是每 16min一个 , 设 τ0 = 16min, 则 τ0 内平均频率差为 :
在一天内共有 (M+1) 个 TAB , 可得到 M 个 yAB (τ0) , 其平均值为 :
τ=Mτ0 , 可取 τ= 1d (M= 90) , 2d (M= 180) 或更长。按 (4) 式计算被校准频
yA (τ)的不确定度 :
u2 [yA (τ)] =u2 [yAB (τ)] + u2 [yB (τ)] (6)
u[yAB (τ)]只有 A类不确定度 , 用 yAB (τ)的标准偏差表征。
由于 yAB (τ)是 M 个 yAB (τ0)的平均值 , 故可用 yAB (τ0)的标准偏差计算。
yAB (τ0)的标准偏差为 :
则 yAB (τ)的标准偏差为 :
取 u[yAB (τ)] =σ[yAB (τ)] (9)
如果参考源技术指标满足 6.2 的要求 , 则可近似给出 :
yA (τ) ≈ yAB (τ)
u[yA (τ)] =u[yAB (τ)]一般 , 相对频率偏差 y(τ) 都用指数表示 , 即 :
y(τ) =a.b× 10-n
a和 b 均取一位整数 , 小数点后的第二位数用四舍五入法修约。
:y)- 3.266× 10-9 ,
)为=(.-4,6× 10-9 ,
修约后的标准不确定度为 , 可与前边的不确定度合成 , 作为 合成 不确定度。
b) 直线拟合法
M 个 TAB随时间的变化可用图 2表示。
图 2 直线拟合
过平均点作一拟合直线 , 平均点的坐标为 (t- , AB)。
其中 : ti, 取 ti=1, 2, … , M, 单位为 τ0 = 16min。
直线拟合法就是利用拟合直线的斜率计算平均频率偏差。
斜率 :
直线方程为 :
TAB (t) =AB +kAB (t- t-) (11)
将 kAB值的分子和分母都用同一时间单位表示 , kAB值就变成无量纲的值 , 用 k表
示 , B:的不确定度按下式计算 : yAB (τ)=k
ΔTAB (ti) 为时间残差 , 按下式计算 :
ΔTAB (ti) =TABi - [TAB +kAB (ti - t-) ] (13)
同样 , 将 u(kAB)的分子和分母都用同一时间单位表示 , 则 u(kAB)也变成无量纲的值 , 用u(k)表示 , 则 yAB (τ)的不确定度即为 :
u[yAB (τ)] =u(k)
yAB (τ)数值的取法及 u[yAB (τ)]的最后估算同 a)。
7.2.1.2 频率准确度
按 JJG 1004—2005氢原子频率标准检定规程给出 , 若 y(τ)=a.b×10-n ,
A= (取整 |a.b |+ 1) × 10-n (14)
如果需要给出校准结果的不确定度 , 可按以下方式给出 :
频标的输出频率值 : f0
扩展不确定度 : U=A (k=2)
7.2.1.3 频率日漂移率
连续测量 N 天 , 可得 N 个 yAB (τ)值 , 若参考源的日漂移率满足 6.2.2要求 , 则可认为 yAB (τ)的日漂移率即为被校准源的日漂移率。利用最小二乘法计算 :
式中 : AB yABi
kAB 的不确定度为 :
对于石英晶体频标 N≥7, 对于原子频标 N≥15。
ΔyAB (τ)(ti)为频率残差 , 按下式计算。
残差 :
ΔyAB (τ) (ti) =yABi (τ) - [AB (τ) +kAB (ti -t-)] (17)
同样 , 日漂移率按照 7.2.1.1 的方法处理。
被校准频标的绝对漂移率为 :
kA =kAB +kB
若 kB≤ kA , 则取 kA ≈kAB
不确定度为 :
u2 (kA) =u2 (kAB) + u2 (kB)
u(kA) ≈ u(kAB)
7.2.2 数字时钟的校准及数据处理
7.2.2.1 时钟速率
通过校准给出某一特定时刻的时间偏差和校准期间的时钟速率。
共测量三天 , 按 7.1 中的 (3) 式求出两地钟的时差 , 每 τ0 = 16min一个值 , 共有
按图 2所示的线性拟合法用 (10) 式计算拟合直线的斜率 , 并把 kAB用 RAB (τ0)代替。
由此算出的 RAB (τ0)是 (τ0) 时间 内的 时差 变化 量 , 若 RAB 则 RAB (τ) =
若参考钟的性能指标满足 6.2.3 的要求 , 则 RAB (τ)近似为被校准时钟的绝对速率 , RAB (τ)的单位由 TAB (τ0)的单位决定。若 TAB (τ0)的单位为 ns, μs或 ms, 则 RAB (τ) 的单位相应为 : ns/d, μs/d或 ms/d。
RAB (τ0)的不确定度按式 (12) 计算。
RAB (τ)的不确定度应为 :
如 u
7.2.2.2 时间偏差
给出 ti=1 时刻的时间偏差。
TAB (ti) =AB +RAB (τ0) × (ti - t-) (18)
这是拟合直线的方程式。其中 : ti=0, 1, 2, … , M。单位为 τ0 = 16min
TAB (0) =AB +RAB (τ0) × (0- t-) (19)
最后要将 t0 换算成 UTC 的某一时刻 , 校准结果中要给出此时刻的时间偏差及其不确定度。
按照 “共视法 标准 ” 的规 定 , 跟踪 时刻 表中 每天 开始 的时 刻为 T1 , 持续 时间 为16min。前 2min用于捕捉卫星 , 不进行测量 ; 接着的 13min为正式的测量时段 , 经过特定的计算后 , 只给出该时段中点时刻的时差值 , 则 : TAB (t1)将是 UTC某日 (T1 + 2 min+6.5min) 时刻的值 , TAB (0)对应的时刻为 [(T1 +2min+6.5min) -16min]。同样参考钟的性能指标满足 6.2.3 的要求 , 被校准时钟相对参考钟的时差即为该钟
的时间偏差。
时间偏差的不确定度按下式计算 :
7.2.2.3 时间偏差与时钟速率的有效位数
根据计量单位制的规定 , 在校准结果中时间偏差的单位可取 ns、μs、ms, 相应的
时钟速率的单位应取 : ns/d、μs/d和 ms/d, 单位前边的数值一般取 0.1~999。
例如 : 若 TAB (t1)= 1 260ns, 则应取 TAB (t1)= 1.3 μs
8 校准结果
由校准方出具 “校准证书” 或校准报告。包括下列内容 :
a) 校准方的名称和地址
b) 被校准方的名称和地址
c) 校准时间 : 年月 日 ~ 年月 日
d) 被校准标准的名称、型号和出厂序列号
e) 参考标准的名称、型号及校准期间的相应计量特性指标
f) 双方使用的定时型 GPS接收机的型号
g) 校准结果及其测量不确定度
9 复校时间间隔
由用户自定 , 建议 1年。
附录 A
校准结果的不确定度评定
A.1 频率校准的不确定度
设被校频率标准的频率为 fA , 参考频率标准的频率为 fB , 两频率标准的频率标称值相同为 f0 , 则有 :
yAB (τ)为两频率标准的频率差 , yA (τ)和 yB (τ)分别为两者的频率偏差 , τ为测量时的平均时间 (取样时间) , τ 的选择要保证相应的频率稳定度比欲测的 yAB (τ)小一个量
级 , :d, 测量目的是要得到 yAB (τ)。
基本关系 : yAB (A.1)
TAB (t1)和 TAB (t2)为分别在 t1 和 t2 时刻测得的两频标的时差 , t2 -t1 =τ
时差的误差包含两部分 : 一是时差本身的稳定度 , 由于时差的绝对值都 小于 1 s,其稳定度都远小于 1ns, 故可忽略。二是时间间隔计数器的测量误差 , 也包含两部分 :一是系统误差 , 在两次测量结果相减时 , 可抵消掉 ; 二是随机误差 , 一般用统计学上的标准偏差给定 , 即为计数器测量时引入的标准不确定度。
最后 , 两频标相对频差测量结果的标准不确定度为 :
本规范是利用 GPS信号作为远程校准的媒介 , 原始数据是在 A、B 两地同时测量各自频标与 GPS时钟的时差。
即 : TAG (t1)=CA (t1) -GPST(t1)
TB (t1)=CB (t1) -GPST(t1)
和 TAG (t2)=CA (t2) -GPST(t2)
最后B过(t交2)据(t2得)G:PST(t2)
时差的测量由 GPS接收机内置的时间间隔计数器完成。 即测量外部频标输入的秒脉冲与接收机内产生的代表 GPST 的秒脉冲间时间间隔。
接收机给出的 GPST是所接收到的时间经过修正后得到 , 如图 A.1所示 :
图 A.1
ΔTS 是卫星上钟与 GPST 的时差 , 可修正到 1ns, 以内 ; τ为信号传输延迟 , 分为两部分 : τ1 是空间传输延迟 , 由接收机自动估算 , τ2 是接收天线、 电缆、接收机本身共同引入的延迟 , 由用户测定并输给接收机。
由此得出修正公式为 :
GPST=tG =tR - (ΔTS + τ1 + τ2)
修正后的误差主要来源于后两项 , 即 :
δGPST =δτ1 +δτ2
δτ1 为空间传输时间估算不准引入的 , 又包含两项 : 一是系统的 , 二是随机的 , 由信号传输时的抖动引起的。
δτ2也很小 , 可做到 1ns, 故在本校准中也可忽略。
在 A、B两地给出的 GPST不同 , 主要是 δτ1 引起的 , 由此可得 :
δTAG (t1) =δGPSTA (t1) =δτ1A (t1) =δτA (t1) +δτA (t1) (A.4)
δTBG (t1) =δGPSTB (t1) =δτB (t1) +δτB (t1)
δτA (t1)和 δτB (t1)为系统误差 , δτA (t1)和 δτB (t1)为随机误差。
同样有 :
δTAG (t2) =δGPSTA (t2) =δτA (t2) +δτA (t2)
δTBG (t2) =δGPSTB (t2) =δτB (t2) +δτB (t2)
τ1 修正后的系统误差在不同时刻是一样的 , 即 :
δτA (t1) =δτA (t2)
δτB (t1) =δτB (t2)
代入 (A.3) 式可得 :
δτ(t)主要是电离层起伏引入的传输时间的修正误差 , 受阳光照射的影响 , A、B
两地相距不太远时 , 电离层起伏相差不大 , 延迟误差相减后大部分抵消掉。大量实验表明 , 在 A、B两地相距 3000km 以内时 , 延迟的标准不确定度小于 5ns, 当 τ= 1d 时 ,
yAB (τ)的不确定度相应的近似为 5× 10-14。
A.2 时钟校准的不确定度
时钟校准是通过测量得到在某一时刻两地钟的时差 , 频率校准时所用的数据是时差的变化量 , 故信号传输时间修正后的系统误差可抵消掉 , 而时钟校准时所用的数据只是本地钟与 GPST 的时差 , 故系统误差不能抵消。 当两地相距 3 000km 以内时 , 时差的测量不确定度可达 20 ns, 如果采用双频 GPS接收机 , 电离层的传输延迟可较准确地测定 , 这时用共视法进行时钟的远程校准 , 钟差测量的不确定度可小于 10 ns。
附录 B
数据交换格式
被校准方向校准方提供下列信息 :
1. 被校准单位名称 :
2. 被校准的频标或时钟信息 :
名称 :
型号 :
制造厂 :
3. 校准项目 :
频率 :
时钟 :
4. 所用的 GPS接收机信息 :
5. 原始数据格式 :
附录 C
校准证书 (内页) 格式
C.1 校准项目
C.1.1 频率标准
名称、型号及制造厂
C.1.1.1 平均频率偏差 :
y(1d) =a.b× 10-m扩展不确定度 : U=c.d×10-n (k=2)
K =a.b× 10-m /d
C.1. : U=c.d×10-n (k=2)
C.1.2.1 时间偏差
扩展不定度 : = (e.f日) ns (μ ms) 分 ΔT= (abc.d) ns (μs或 ms)
年月 日 ~ 年月 日
不(.s/:s/(.)mns (μs/d或 ms/d)
