NIMDO遠程時間溯源裝置——構建精準時間溯源傳遞體系

在國際單位制規定的7個基本物理量中，時間的測量準確度最高、應用最廣。高精度時間頻率已經成為一個國家科技、經濟、軍事和社會生活中至關重要的參量，滲透至基礎研究領域、工程技術領域，乃至國計民生的諸多方面，關系著國家社會的安全穩定。我國是世界上少數幾個擁有準確、獨立的時間頻率基準的國家之一。中國計量科學研究院（NIM）建立了我國的時間頻率計量基準，包括秒長國家計量基準和原子時標國家計量基準UTC(NIM)。

高準確度的時頻傳遞系統是時間頻率服務的重要組成部分，是鏈接我國時間頻率基準到各級標準及時間頻率用戶之間的橋梁，對于國民經濟和國防建設有著舉足輕重的作用。時間可利用電波來進行高準確度量值傳遞是其顯著特點，這也是使得時間頻率形成計量系統內唯一扁平化溯源體系的最重要要素。盡管使用單向GPS授時技術的時間標準可溯源到GPS時間，但這既因各種誤差源在單向授時中消除效果差而性能受限，又無法保證其在我國的合法溯源性和安全性，尤其是航空航天等對安全、穩定有著高要求的行業及其用戶來說，對國家時間頻率計量基準的精準溯源就尤為重要。

根據中國國家計量法，法定時間頻率量值應溯源到國家時間頻率計量基準。在2016年修訂實施的最新的時間頻率計量器具檢定系統表當中，時間標準這一層級在我國實際尚屬空白狀態，原因在于對時間標準的概念不清晰，缺乏系統性的研究，同時時間標準的實現需要建立技術復雜度高、操作和維護難度大的授時系統，對人力、物力和資金都是極大的消耗，這在很大程度上也限制了國家時間頻率計量基準的應用。

為此，中國計量科學研究院系統研究了全球導航衛星系統(GNSS)遠程時間頻率傳遞技術和時間傳遞鏈路校準技術，成功研制了遠程時間溯源裝置—— NIMDO,實現了基于GNSS時間頻率傳遞的可準實時驗證的溯源或授時技術，通過全球導航衛星系統實現遠程時間頻率源與原子時標國家計量基準UTC(NIM)的比對，進而實施對遠程時間頻率源的實時馴服，最終實現其與UTC(NIM)的實時同步。它的目標是解決我國地方基本沒有時間標準（守時系統）的問題，同時這項技術也可作為一種納秒級高精度授時技術來使用。當然，它也可以進而以UTC(NIM)以外的其他標準時間作為參考，實現與其他標準時間的溯源同步。以UTC(NIM)作為參考時，可在遠程端以一定的偏差（90%情況下優于10納秒）及其不確定度水平（偏差合成標準不確定度優于5納秒）復現UTC(NIM)，也就是在遠程端實現了一個高性能的實時溯源到UTC(NIM)的原子時標（即NIMDO）。


GNSS時間頻率傳遞功能是NIMDO的重要組成部分之一，其基本原理可描述為:時間頻率傳遞雙方都將各方GNSS時頻傳遞裝置與本地時間頻率參考建立鏈接，雙方通過GNSS時間頻率傳遞裝置測量記錄同時段的GNSS觀測數據，通過解算，分別得到兩站時間頻率參考與GNSS（系統）時間的差，它們的單差為兩站時間頻率參考的比對結果，即兩站時間頻率傳遞結果，如圖1所示。NIMDO支持全球定位系統（GPS）、格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、北斗衛星導航系統（BDS）和伽利略衛星導航系統（Galileo）等，支持碼和載波相位測量，能夠生成與接收機無關的交換格式（Rinex）和國際時間頻率咨詢委員會時間傳遞標準格式（CGGTTS）及其實時數據（每16分鐘產生一個數據文件），可實現本地數據向遠程端服務器的自動上傳下載，并且能夠通過實時交互數據與其他觀測站進行比對。

NIMDO的時間標準精密馴服算法為NIMDO的另一項關鍵技術，包括NIMDO內可控振蕩器的噪聲特性分析建模、時間頻率參數預測和馴服控制等，用于保證振蕩器以可控方式運行，確保其時間和頻率輸出準確、穩定、可靠及與UTC(NIM)的實時溯源性。

NIMDO配套專業的用戶軟件，無論是在局域網還是在互聯網上，均可由用戶通過網頁瀏覽器實現遠程控制和監測，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網絡遠程登陸查看裝置實現時標與UTC(NIM)時差的實時曲線（最小時間間隔30秒）和歷史比對曲線。

總而言之，NIMDO（圖2）是GNSS時間頻率傳遞裝置的重要擴展，其在中國計量科學研究院自主研制的NIM-TF-GNSS-3型時間頻率傳遞模組基礎上，集成“GNSS全/共視法”實時比對和時間頻率標準實時精密馴服算法，將本地時鐘遠程溯源并同步至UTC(NIM)（或其他標準時間上），從而實現時間、頻率的遠程復現及傳遞。當NIMDO持續運行時，它成為一個實時溯源及同步到UTC(NIM)的時間尺度，產生標準時間和頻率信號。當然，NIMDO 也可單獨作為 GNSS 時間頻率傳遞裝置， 實現用戶原子鐘和時間頻率計量基準、標準的遠程（實時）比對， 生成標準格式的時間頻率傳遞數據文件， 解決用戶遠端原子鐘的校準問題。

NIMDO在滿足運行條件時可隨時開機，之后自動穩定運行，不需要人為干預，與參考標準時間在幾小時內同步鎖定在預期指標內，因此顯著減少了人力和物質資源的使用并且大大節省了時間。NIMDO已在軍民多個領域中使用，包括通信、電力、航天等，尤其在無人值守條件下，實現了與原子時標國家計量基準UTC(NIM)實時同步和溯源的時間頻率標準，有力保障了高性能遠程校準及網絡授時能力，可以滿足中國各地區高端裝備制造、智能電網、交通、互聯網、移動通信(5G)和大數據等領域對高準確度時間頻率量值的溯源需求。

在此基礎上，中國計量科學研究院分別在黑龍江、新疆和貴州的省級計量機構建立試點，安裝了NIMDO，構建了各試點的時間頻率標準，并通過溯源比對系統實現了其與UTC(NIM)的實時比對，形成了遠程時間頻率溯源示范系統，取得了良好的效果。其中，在貴州省計量測試院布設的遠程時間溯源裝置，經過近4年的驗證運行，與UTC(NIM)的溯源結果有90%以上的觀測點在5納秒以內，98%以上的觀測點在10納秒以內，20納秒以內的觀測點達到99.85%，頻差結果小于5e-14的觀測點達到61%。基于中國計量科學研究院研制的“遠程時間溯源裝置NIMDO”，實現了與原子時標國家計量基準UTC(NIM)的實時溯源并同步的時間頻率標準，基本可以滿足區域各類時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家時間頻率計量中心貴州和青島應用中心，與國家時間頻率計量中心上海實驗室（以NIMDO為重要溯源手段）共同成為國家遠程時間溯源體系的重要節點。同時，若干地方和行業計量機構及一些其他企業和重要機構正在籌劃基于NIMDO建設時間頻率相關的精密實驗室，它們的成立將在我國時間頻率計量基準量值的傳遞與應用等方面發揮重要支撐作用，同時為高速鐵路、北斗衛星導航應用、5G移動通信、大數據傳輸、智能電網、高端裝備制造等領域提供高精度的時間頻率技術服務。