NIMDO遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置——構(gòu)建精準(zhǔn)時(shí)間溯源傳遞體系

在國(guó)際單位制規(guī)定的7個(gè)基本物理量中，時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度最高、應(yīng)用最廣。高精度時(shí)間頻率已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)生活中至關(guān)重要的參量，滲透至基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工程技術(shù)領(lǐng)域，乃至國(guó)計(jì)民生的諸多方面，關(guān)系著國(guó)家社會(huì)的安全穩(wěn)定。我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)擁有準(zhǔn)確、獨(dú)立的時(shí)間頻率基準(zhǔn)的國(guó)家之一。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（NIM）建立了我國(guó)的時(shí)間頻率計(jì)量基準(zhǔn)，包括秒長(zhǎng)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)和原子時(shí)標(biāo)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)。

高準(zhǔn)確度的時(shí)頻傳遞系統(tǒng)是時(shí)間頻率服務(wù)的重要組成部分，是鏈接我國(guó)時(shí)間頻率基準(zhǔn)到各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)間頻率用戶之間的橋梁，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)有著舉足輕重的作用。時(shí)間可利用電波來(lái)進(jìn)行高準(zhǔn)確度量值傳遞是其顯著特點(diǎn)，這也是使得時(shí)間頻率形成計(jì)量系統(tǒng)內(nèi)唯一扁平化溯源體系的最重要要素。盡管使用單向GPS授時(shí)技術(shù)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)可溯源到GPS時(shí)間，但這既因各種誤差源在單向授時(shí)中消除效果差而性能受限，又無(wú)法保證其在我國(guó)的合法溯源性和安全性，尤其是航空航天等對(duì)安全、穩(wěn)定有著高要求的行業(yè)及其用戶來(lái)說(shuō)，對(duì)國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量基準(zhǔn)的精準(zhǔn)溯源就尤為重要。

根據(jù)中國(guó)國(guó)家計(jì)量法，法定時(shí)間頻率量值應(yīng)溯源到國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量基準(zhǔn)。在2016年修訂實(shí)施的最新的時(shí)間頻率計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表當(dāng)中，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)這一層級(jí)在我國(guó)實(shí)際尚屬空白狀態(tài)，原因在于對(duì)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的概念不清晰，缺乏系統(tǒng)性的研究，同時(shí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)需要建立技術(shù)復(fù)雜度高、操作和維護(hù)難度大的授時(shí)系統(tǒng)，對(duì)人力、物力和資金都是極大的消耗，這在很大程度上也限制了國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量基準(zhǔn)的應(yīng)用。

為此，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院系統(tǒng)研究了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率傳遞技術(shù)和時(shí)間傳遞鏈路校準(zhǔn)技術(shù)，成功研制了遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置—— NIMDO,實(shí)現(xiàn)了基于GNSS時(shí)間頻率傳遞的可準(zhǔn)實(shí)時(shí)驗(yàn)證的溯源或授時(shí)技術(shù)，通過(guò)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率源與原子時(shí)標(biāo)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)的比對(duì)，進(jìn)而實(shí)施對(duì)遠(yuǎn)程時(shí)間頻率源的實(shí)時(shí)馴服，最終實(shí)現(xiàn)其與UTC(NIM)的實(shí)時(shí)同步。它的目標(biāo)是解決我國(guó)地方基本沒(méi)有時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（守時(shí)系統(tǒng)）的問(wèn)題，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也可作為一種納秒級(jí)高精度授時(shí)技術(shù)來(lái)使用。當(dāng)然，它也可以進(jìn)而以UTC(NIM)以外的其他標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間作為參考，實(shí)現(xiàn)與其他標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的溯源同步。以UTC(NIM)作為參考時(shí)，可在遠(yuǎn)程端以一定的偏差（90%情況下優(yōu)于10納秒）及其不確定度水平（偏差合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度優(yōu)于5納秒）復(fù)現(xiàn)UTC(NIM)，也就是在遠(yuǎn)程端實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能的實(shí)時(shí)溯源到UTC(NIM)的原子時(shí)標(biāo)（即NIMDO）。


GNSS時(shí)間頻率傳遞功能是NIMDO的重要組成部分之一，其基本原理可描述為:時(shí)間頻率傳遞雙方都將各方GNSS時(shí)頻傳遞裝置與本地時(shí)間頻率參考建立鏈接，雙方通過(guò)GNSS時(shí)間頻率傳遞裝置測(cè)量記錄同時(shí)段的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)解算，分別得到兩站時(shí)間頻率參考與GNSS（系統(tǒng)）時(shí)間的差，它們的單差為兩站時(shí)間頻率參考的比對(duì)結(jié)果，即兩站時(shí)間頻率傳遞結(jié)果，如圖1所示。NIMDO支持全球定位系統(tǒng)（GPS）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）等，支持碼和載波相位測(cè)量，能夠生成與接收機(jī)無(wú)關(guān)的交換格式（Rinex）和國(guó)際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)時(shí)間傳遞標(biāo)準(zhǔn)格式（CGGTTS）及其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（每16分鐘產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)文件），可實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)向遠(yuǎn)程端服務(wù)器的自動(dòng)上傳下載，并且能夠通過(guò)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)與其他觀測(cè)站進(jìn)行比對(duì)。

NIMDO的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)精密馴服算法為NIMDO的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括NIMDO內(nèi)可控振蕩器的噪聲特性分析建模、時(shí)間頻率參數(shù)預(yù)測(cè)和馴服控制等，用于保證振蕩器以可控方式運(yùn)行，確保其時(shí)間和頻率輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠及與UTC(NIM)的實(shí)時(shí)溯源性。

NIMDO配套專業(yè)的用戶軟件，無(wú)論是在局域網(wǎng)還是在互聯(lián)網(wǎng)上，均可由用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，界面友好，中英文顯示，方便操作。用戶可在裝置本地登陸或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登陸查看裝置實(shí)現(xiàn)時(shí)標(biāo)與UTC(NIM)時(shí)差的實(shí)時(shí)曲線（最小時(shí)間間隔30秒）和歷史比對(duì)曲線。

總而言之，NIMDO（圖2）是GNSS時(shí)間頻率傳遞裝置的重要擴(kuò)展，其在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院自主研制的NIM-TF-GNSS-3型時(shí)間頻率傳遞模組基礎(chǔ)上，集成“GNSS全/共視法”實(shí)時(shí)比對(duì)和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)精密馴服算法，將本地時(shí)鐘遠(yuǎn)程溯源并同步至UTC(NIM)（或其他標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間上），從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間、頻率的遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)及傳遞。當(dāng)NIMDO持續(xù)運(yùn)行時(shí)，它成為一個(gè)實(shí)時(shí)溯源及同步到UTC(NIM)的時(shí)間尺度，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率信號(hào)。當(dāng)然，NIMDO 也可單獨(dú)作為 GNSS 時(shí)間頻率傳遞裝置， 實(shí)現(xiàn)用戶原子鐘和時(shí)間頻率計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程（實(shí)時(shí)）比對(duì)， 生成標(biāo)準(zhǔn)格式的時(shí)間頻率傳遞數(shù)據(jù)文件， 解決用戶遠(yuǎn)端原子鐘的校準(zhǔn)問(wèn)題。

NIMDO在滿足運(yùn)行條件時(shí)可隨時(shí)開(kāi)機(jī)，之后自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，不需要人為干預(yù)，與參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間在幾小時(shí)內(nèi)同步鎖定在預(yù)期指標(biāo)內(nèi)，因此顯著減少了人力和物質(zhì)資源的使用并且大大節(jié)省了時(shí)間。NIMDO已在軍民多個(gè)領(lǐng)域中使用，包括通信、電力、航天等，尤其在無(wú)人值守條件下，實(shí)現(xiàn)了與原子時(shí)標(biāo)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)實(shí)時(shí)同步和溯源的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，有力保障了高性能遠(yuǎn)程校準(zhǔn)及網(wǎng)絡(luò)授時(shí)能力，可以滿足中國(guó)各地區(qū)高端裝備制造、智能電網(wǎng)、交通、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信(5G)和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域?qū)Ω邷?zhǔn)確度時(shí)間頻率量值的溯源需求。

在此基礎(chǔ)上，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院分別在黑龍江、新疆和貴州的省級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)建立試點(diǎn)，安裝了NIMDO，構(gòu)建了各試點(diǎn)的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)溯源比對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其與UTC(NIM)的實(shí)時(shí)比對(duì)，形成了遠(yuǎn)程時(shí)間頻率溯源示范系統(tǒng)，取得了良好的效果。其中，在貴州省計(jì)量測(cè)試院布設(shè)的遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置，經(jīng)過(guò)近4年的驗(yàn)證運(yùn)行，與UTC(NIM)的溯源結(jié)果有90%以上的觀測(cè)點(diǎn)在5納秒以內(nèi)，98%以上的觀測(cè)點(diǎn)在10納秒以內(nèi)，20納秒以內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)達(dá)到99.85%，頻差結(jié)果小于5e-14的觀測(cè)點(diǎn)達(dá)到61%。基于中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的“遠(yuǎn)程時(shí)間溯源裝置NIMDO”，實(shí)現(xiàn)了與原子時(shí)標(biāo)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)的實(shí)時(shí)溯源并同步的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，基本可以滿足區(qū)域各類時(shí)間頻率量值的溯源需求。

目前，以NIMDO為核心，在貴州和青島分別成立了國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量中心貴州和青島應(yīng)用中心，與國(guó)家時(shí)間頻率計(jì)量中心上海實(shí)驗(yàn)室（以NIMDO為重要溯源手段）共同成為國(guó)家遠(yuǎn)程時(shí)間溯源體系的重要節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，若干地方和行業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)及一些其他企業(yè)和重要機(jī)構(gòu)正在籌劃基于NIMDO建設(shè)時(shí)間頻率相關(guān)的精密實(shí)驗(yàn)室，它們的成立將在我國(guó)時(shí)間頻率計(jì)量基準(zhǔn)量值的傳遞與應(yīng)用等方面發(fā)揮重要支撐作用，同時(shí)為高速鐵路、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用、5G移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)傳輸、智能電網(wǎng)、高端裝備制造等領(lǐng)域提供高精度的時(shí)間頻率技術(shù)服務(wù)。