基于NIMDO时间频率计量标准的构建

基于 NIMDO时间频率计量标准的构建

张建桥，夏锦玉，赵特，阎海锋

河北省计量监督检测研究院 河北石家庄 050200

摘要：在传统的时间频率计量标准中，参考频率主要由铷原子频率标准或高稳晶振提供。该铷原子频率标准等要定期向上级计量标准溯源。但是溯源过程的检定周期长，标准器在送检过程中容易损坏，因此我们提出了一种以时间频率标准装置（NIMDO）为核心的远程时间频率溯源系统，将时间频率实时溯源到原子时标国家计量基准UTC（NIM），以NIMDO为参考频率源，建立多个时间频率领域内的计量标准，形成从国家计量基准到工作计量器具的三级溯源体系。

关键词：NIMDO时间频率；计量标准；构建

一、引言

在国际单位制规定的7个基本物理量中，时间测量精度最高，应用最广泛。高精度的时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中非常重要的参数，渗透到基础研究领域、工程技术领域，甚至国家民生计算的各个方面，关系到国家社会的安全与稳定。我国是世界上少数几个具有正确独立时间频率标准的国家之一。中国计量科学研究院（NIM）确立了包括秒长国家计量标准和原子时标国家计量基准UTC（NIM）在内的我国时间频率计量标准。高精度的时频传输系统是时频服务的重要组成部分，在中国时频标准中，作为各级标准和时频用户之间的桥梁，在国民经济和国防建设中发挥着重要的作用。

二、NIMDO构成及性能

2.1 NIMDO构成

NIMDO由GNSS时间频率传输系统、铷原子钟和控制系统组成。GNSS时频传输系统是NIMDO的重要组成部分，主要用于时频传输数据的测量。高性能可驯服的铷原子钟为NIMDO提供10MHz和1PPS信号，驯服算法和工控机构组成NIMDO的控制系统。NIMDO内部原子钟和UTC（NIM）分别通过GNSS时间频率传输系统与GNSS卫星时间进行对比，通过网络对他们的对比结果进行共视处理，利用NIMDO和UTC（NIM）的共视比对结果，NIMDO内部控制系统通过驯服算法对NIMDO内部的铷原子钟进行实时驯服，从而实现远程时间频率的溯源传递。NIMDO UTC时间频率源是产生与标准原子时同步的1PPS和频率信号的高精度时间频率源，可以用作主时钟时标或用作移动时标。通过接受GPS、GLONASS、北斗等多个导航卫星系统的信号，利用“GNSS共视法”将本地时钟与标准原子时进行比对，实时驯服本地时钟并溯源至时间基准，以此解决时间频率的远程溯源和远程传递的问题。NIMDO UTC时间频率源有两种工作模式，即可以用作时间频率基准，也可以用作GNSS时间频率传递接收机。时频传递模式用于完成GNSS卫星共视或载波相位传递工作，将溯源比对的数据输出到综合监视计算机，为准确控制原子频率提供依据。配合专用时间频率传递软件，采用B/S结构设计，具有友好的界面显示和控制，方便用户的遥控、监控等操作。生成多种形式的数据，实现时间频率远程传递的实时监测和后续处理。用户也可以选择各种组合的服务。例如，组装监视软件的免费升级、国家计量机构发行的检定/校准证书、中国计量科学研究院保持的UTC(NIM）的实时比对服务等，可以根据用户的需求提供个性化服务。

2.2 NIMDO性能

国家时间频率测量中心应用中心（青岛）的NIMDO装置通过与UTC（NIM）数据的比较来验证和评价性能。将MJD 58948到58979时间段的远程时间溯源观测数据和UTC（NIM）通过GNSS卫星数据进行共视比对，分析NIMDO和UTC（NIM）的时间偏差与频率偏差，用来验证时间和频率的准确性，也进一步验证了远程时间频率溯源传递系统的时间和频率的稳定性。将其与常用铷原子频率标准相关的性能指标比较分析，得出其性能的优越性。NIMDO和UTC（NIM）的时间偏差为±6ns，均值为2.3ns，频率偏差优于9×10^-14。

三、NIMDO计量标准基础的确立

3.1 NIMDO计量标准概要

NIMDO可以通过原子时标国家计量基准UTC（NIM）实时溯源，在时间频率性能上具有高准确度和稳定度，并且可以向许多时间频率计量标准提供参考频率和1PPS信号。在时间频率测量领域，各种计量标准检定规定和校准规范对参考频率的性能指标要求基于NIMDO可满足9种计量标准。根据这些计量检定规定或校准规范，电子测量仪器内石英晶体振荡器、通用计数器、石英晶体频率标准、时间间隔发生器、微波频率计、时钟测试仪和时间与频率标准远程校准要求参考频标稳定度优于被检三倍。其它技术指标，例如日老化率、相对频率偏差等，应该比被检设备对应的技术指标高一个数量级。时间间隔测量仪和时间检定仪要求参考频率的稳定度和频率偏差应均高于被检仪器相应指标一个数量级。频标比对器要求频率的稳定度小于被检比对不确定度的10倍且相对频率偏差优于1×10^-8

。以上的工作计量器具主要用内部石英晶振提供标准频率。根据上述计量检定规程或校准规范，各设备的计量特性中的频率稳定度均为1×10^-8～5×10^-13范围内，相对频率偏差为1×10^-5～1×10^-11的范围内。NIMDO通过中国计量科学研究院校准后，与原子时标基准UTC（NIM）的平均频率偏差为2×10^-15，平均时间偏差0.6ns。因此，NIMDO输出的频率完全满足短期频率稳定度在1×10^-8～2×10^-10的仪器在检定或校准中的参考频率标准的要求。

3.2建立计量标准所需的设备

根据相关的计量检定规程或校准规范，以NIMDO为核心提供高性能的参考频率，各计量标准涉及到的设备有参考频标、通用计数器、频标比对器、时间间隔发生器、时间间隔测量仪、合成信号发生器、示波器等。

建立电子测量仪器内石英晶体振荡器检定装置所需的设备有参考频标、通用计数器、频标比对器、时间间隔发生器、时间间隔测量仪。电子测量仪器内石英晶体振荡器检定装置主要用于检定电子测量仪器内部石英晶体振荡器，用NIMDO输出的频率作为参考频率，分别向通用计数器、频标比对器、时间间隔发生器、时间间隔测量仪提供外部频率输入。晶振输出频率的相对平均频率偏差通过通用计数器直接测量。通过频标比对器测量开机特性，日老化率，1s稳定性，频率复现性，相对频率偏差等参数。被检测仪器是时间间隔测量仪，其通过时间间隔发生器输出标准时间间隔，并通过计算获得被检设备的相对平均频率偏差。被检器是时间间隔发生器时，利用时间间隔测量仪测量时间间隔发生器输出的标准时间间隔，计算得出相对平均频率偏差。

建立时间间隔测量仪检定装置时所需的设备有参考频标、频标比对器、时间间隔发生器。将NIMDO输出的标准频率作为参考频标，分别向频标比对器、时间间隔发生器提供外部频率标准输入。通过频标比对器测时间间隔测量仪内石英晶体振荡器的开机特性、日频率老化率、ls频率稳定度、频率复现性、相对频率偏差，通过时间间隔发生器生成标准时间间隔信号，检测时间间隔测量仪的脉冲宽度测量、两个脉冲时间间隔测量、机械触点动作时间间隔测量功能。

建立通用计数器检定装置所需的设备有参考频标、频标比对器、时间间隔发生器、合成信号发生器，用NIMDO输出的频率作为参考频率，向频标比对器、时间间隔发生器、合成信号发生器提供外部频率标准输入，用频标比对器检定通用计数器内部晶振各参数。用合成信号发生器检定通用计数器频率测量范围、输入灵敏度和对应测量误差。用时间间隔发生器产生的标准时间间隔信号检定通用计数器的周期测量范围、脉冲宽度、两个正/负脉冲时间间隔测量功能。

建立频标比对器检定装置所需的设备有参考频标、频率合成器、功率计、衰减器、功分器。用NIMDO输出的标准频率和频率合成器输出频率作为参考频标，通过功分器分别连接到频标比对器的参考输入端和被测输入端，检定其比对不确定度参数。将参考频标用功分器分为两路，分别将衰减器单独连接到参考输入端和被测输入端，调节衰减值，通过功率计检定频标比对器的输入灵敏度。

建立时间检定仪检定装置所需设备有参考频标、频标比对器、时间间隔测量仪、光/电转换器。用NIMDO输出的标准频率作为参考频标，用频标比对器检定时间检定仪内部晶振相应参数，用时间间隔测量仪检定其输出时间间隔，对于秒表检定功能检定需借助光电转换器，需通过光/电转换器把秒表夹具动作信号转换为脉冲信号再通过测量仪进行检定。

建立时间间隔发生器校准装置所用设备有参考频标、频标比对器、时间间隔测量仪、示波器。用NIMDO输出的标准频率作为参考频标，用频标比对器校准时间间隔发生器内部晶振相应参数。用时间间隔测量仪校准时间间隔发生器的输出时间间隔，用示波器校准时间间隔发生器的输出脉冲的上升、下降时间及脉冲幅度。

建立时钟测试仪校准装置需要的设备有参考频标、通用计数器、函数信号发生器、参考时钟。用NIMDO输出的标准频率作为通用计数器和函数信号发生器的参考频标，用通用计数器校准时钟测试仪的开机特性、相对频率偏差；用函数信号发生器校准其日计时误差、频率测量功能；用NIMDO系统作为参考时钟，与时钟测试仪显示时间进行比对，测量时钟时刻误差。

建立标准数字时钟检定装置需要参考时钟、时间间隔测量仪、频标比对器。以NIMDO作为参考时钟输出lPPS信号，用时间间隔测量仪测量被检时钟与参考时钟的同步偏差、延时量和被检时钟的钟速，用频标比对器测量被检时钟主振器的频率参数。

建立时间与频率标准远程校准装置所需设备有参考频率标准，参考时间标准，GNSS时间频率传递装置。以NIMDO作为参考时间与频率标准，通过GNSS时间频率传递接收机对时间与频率标准进行远程校准。

四、结论

本文论述了基于时间频率标准装置（NIMDO）为核心的远程时间频率溯源系统性能参数，并根据时间频率计量领域的计量检定规程和校准规范，构建九项计量标准，并对建立这些计量标准所需的设备进行了论述，为基于NIMDO的时间频率计量标准的建立提供了参考。

参考文献：

[1]韩凯,丁超,郁黎,陈全森.基于NIMDO的时间频率远程校准应用研究[J].计量科学与技术,2021,65(07):9-12.

[2]班亚,袁静,罗浩.基于NIMDO的精密时间频率溯源系统[J].计量科学与技术,2021,65(07):21-24+76.