时间与频率标准远程校准规范

1JJF1403—2013全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范GB/T19391—2003全球定位系统(GPS)术语及定义国际时间频率咨询委员会(CCTF)关于GPS时间接收机软件标准化技术指南(TechnicalDirectivesforStandardizationofGPSTimeReceiverSoftwGPS和GLONASS时间传递标准化，1996(AcontributiontotheStandardizationofGPSandGLONASSTimeCGGTTS第2E版：GNSS时间传递扩展标准，2016(CGGTTS-Version2E:an凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。在一定时间间隔内时间标准的时间随机变化程度，随采样(平均)时间的不同而不全球导航卫星系统的统称，包括美国的全球定位系统(GlobalPositioningSystGPS)、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLObalNAvigationSatelliteSystem,GLONASS)、中国的北斗系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)及欧盟的伽利略系统(EuropeanGlobalNavigationSatellite利用GNSS进行的时间频率传递。传递双方配置GNSS时间频率传递装置(接收机),同时测量各自参考时间与GNSS系统时间(如GPST、GLONASST、BDT或GST)之差，通过数据交互计算得到时间差/频率差。利用双方时间频率传递装置观测共同卫星测量量的方法为共视(Common-View,CV)法，利用双方GNSS时间频率传2递装置观测所有卫星测量量的方法为全视(All以伪随机码作为测量量的GNSS时间频率传递方法。测量时，根据GNSS实时广播星历或国际GNSS服务组织(IGS)等相关机构提供的精密星历，对GNSS时间频率以GNSS载波相位作为测量量的GNSS时间频率传递方法，其关键技术包括：载产生误差的建模与补偿(通常包含了GNSS码基时间频率传递不需要考虑的类型，例如，固体潮、海潮、地球自转参数等);用户钟差等参数的估计等。3.6国际时间频率咨询委员会GNSS时间传递标准格式CGGTTS,CCTFGroupon国际时间频率咨询委员会(ConsultativeCommitteeforTimeandFrequency,CCTF)GNSS时间传递标准工作组制定的用于GNSS码基时间频率传递的标准数据格式，主要包含GNSS时间频率传递装置的单站测量数据(本地时间频率参考与GNSS系统时间之差)、电离层补偿值及接收机内部延迟、天线电缆延迟和参考延迟等。最新的正弦信号的装置，包括原子频率标准、石英晶体频率标准以及GNSS控制的频率标频率传递方法主要包括GNSS时间频率传递、卫星双向时间频率传递和光纤时间频率5.1.1时间偏差：|与UTC(NIM)时间偏差|<200ns。35.2频率标准5.2.1频率偏差(一天平均):±(1×10-12～5×10-15)。5.2.2频率日漂移率：±(1×10~10～1×10-16)/d。5.2.3频率稳定度：6校准条件6.1时间频率传递装置环境条件6.1.1温度：在(23±5)℃内任选一点，温度变化不超过±2℃。6.1.2相对湿度：≤80%。6.1.3电源电压：220(1±5%)V;电源频率：50(1±2%)Hz。6.1.4无影响仪器正常工作的电磁干扰和机械振动。6.2测量标准及其他设备6.2.1GNSS时间频率传递装置具备输入5MHz/10MHz、1PPS信号和精确站址坐标等功能，若校准时间标准，参考延迟、天线电缆延迟及内部延迟须校准，不确定度应优于20ns(k=2),可生成CGGTTS(CCTFGrouponGNSSTimeTransferStandards,国际时间频率咨询委员会GNSS时间传递标准格式)或Rinex(ReceiverIndependentExchangeFormat,与接收机无关的交换格式)格式数据。6.2.2参考频率标准输出5MHz/10MHz信号，频率偏差、频率漂移率应优于被校准频率标准一个量级，频率稳定度应优于被校准频率标准的1/3。6.2.3参考时间标准输出5MHz/10MHz、1PPS信号，时间偏差及时间稳定度应优于被校准时间标准的1/3。7校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目如表1所示。4校准项目时间标准时间偏差时间稳定度7.2校准方法基于参考时间与频率标准，利用GNSS时间频率传递方法，包括GNSS码基时间频率传递和GNSS载波相位时间频率传递方法对时间与频率标准进行远程校准。校准原理和仪器连接如图1所示。R₄被校准端和参考端GNSS时间频率传递装置内部时间标准RA和RB分别同步到本地的被校准时间频率标准LTRA和参考时间频率标准LRTg(均输出秒脉冲和频率信号);如果不能同步，可通过实时测量时间频率传递装置内部时间标准RA和R与本地时间频率标准LTRA和LTRg的关系等效实现。同时记录GNSS观测数据，通过解算，分别得到RA和RB与GNSS系统时间GNSST的差TA和TB,见式(1)～(8)。如RA同步到LTRA,RB同步到LTRg,即5最终，时间频率标准的比对(传递)结果为或x=LTRA-LTRg=(TA+LA)-(TB+LB)由于GNSS时间频率传递中的GNSS信号属于广播模式，各时间频率传递装置被动接收，所以利用此法可同时扩展实施对多个被校准时间与频率标准进行校准，如图2在进行远程时间频率校准时，主要使用GNSS码基时间频率传递生成的CGGTTS(以V2E版本为例，每16min一组数据)数据或GNSS载波相位时间频率传递经后处理得到的载波相位解算数据(对包含原始伪距和载波相位观测量的Rinex数据进行解算得到，以300s间隔数据为例)。7.2.1时间标准的校准7.2.1.1时间偏差计算t;时刻的时间偏差，其中CGGTTS数据的时差是每16min一组，则r₀=16min;计算载波相位解算数据的时差是每300s一组，则r₀=300s。被校准时间标准和参考时间标准之间的时差TA,可以由图1中所示两端(A、B)分别接入两者信号的GNSS时间频率传递装置测量得到的单站时差TA和TB,根据式(7)或式(8),利用共视(选取两站可观测的共同卫星的单站观测值，按每颗卫星的两站观测值求差后取平均)或全视(分别对两站单站所有卫星的观测值先取平均，再对两站的平均值求差)方法综合计算得到。7.2.1.2时间稳定度以时间标准偏差(TDEV)表示，时间稳定度计算如式(9):6Modo,(r)为修正阿伦标准偏差，计算公式见(10):N₄——时差测量数量；可取r=960s,9600s,1d(使用CGGTTS数据);r=900s,9900s,1d(使用载波相位解算数据)。7.2.2频率标准的校准7.2.2.1频率偏差频率偏差yAB(r)(在本规范中取平均时间r=1d),可用两点时差法和最小二乘线性拟合法两种方法计算，优先使用最小二乘线性拟合法。CGGTTS数据，ro=16min;载波相位解算数据，r₀=300s。在a)最小二乘线性拟合法根据时刻t;和时差x;之间的线性关系，利用最小二乘法，频率偏差yAB(r)估计值如式(11)～(13)所示。b)两点时差法时间间隔r内被校准频率标准的频率偏差yAB(r)按式(14)计算。7.2.2.2频率日漂移率连续测量N天，可得N个yAB(r)值(r=1d),利用最小二乘法计算，如式(15)～(17)所示。7单位为d。对于原子频率标准N≥15。单位为d。对于原子频率标准N≥15。对于石英晶体频率标准N≥7,7.2.2.3频率稳定度以阿伦标准偏差(ADEV)表示，频率稳定度按式(18)计算。根据具体情况也可选择修正阿伦标准偏差(MDEV)或其他表示方式，以MDEV表示，频率稳定度按式(10)计算。8校准结果表达校准结果应在校准证书上反映，校准证书应至少包含以下信息：b)实验室名称和地址；c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书或报告的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识；e)客户的名称和地址；f)被校对象的描述和明确标识；g)进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的h)对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；i)本次校准所用测量标准的溯源性及有效说明；j)校准环境的描述；k)校准结果及其测量不确定度的说明；1)对校准规范的偏离的说明；m)校准证书和校准报告签发人的签名、职务或等效标识；n)校准结果仅对被校对象有效的声明；o)未经实验室书面批准，不得部分复印证书或报告的声明。9复校时间间隔复校时间间隔建议为1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。8原始记录格式)校准地点校准时间温湿度校准人员核验人员校准项目□时间标准1)时间偏差2)时间稳定度□频率标准1)频率偏差3)频率稳定度A.1时间标准A.1.1时间偏差校准时间偏差：见附图不确定(k=2):A.1.2时间稳定度校准9T时间稳定度不确定度(k=2)频率偏差：见附图不确定度(k=2):不确定度(k=2):t频率稳定度不确定度(k=2)附录B校准证书(内页)格式B.1.1时间偏差x(见附图)不确定度：U=(k=T时间稳定度不确定度(k=2)B.2.2频率日漂移率t频率稳定度不确定度(k=2)校准不确定度评定示例C.1时间偏差校准的不确定度按式(7),时差x测量公式：x=TA-TB式中，TA为被校准端时间频率传递装置测量时差；T为参考端时间频率传递装置校准不确定度可计算如下：TA和T不确定度来源相同，具体详见表C.1,由于TA和TB分别为远程双方测量量，测量过程并无相关性。因子(比对链路)B正态1抖动(比对链路)A正态1电离层和对流层延迟补偿影响(比对链路)B正态1电缆转接头延迟误差影响(被校准端)B正态1电缆转接头延迟误差影响(参考端)B正态1轨道误差影响(比对链B固定点坐标误差影响(被校准端)B固定点坐标误差影响(参考端)B校准端)B考端)B参考以上主要不确定度来源及实际校准结果，通过以上各项不确定度来源的合成(方和根)后，最终单次测量时间偏差的合成不确定度u。(x)为4.8ns,扩展不确定度U(x)为9.6ns(k=2)。C.2时间稳定度校准的不确定度由式(9),可得到表C.2。时间稳定度1σx(r=960s)校准不确定度评定过程中，r作为常数，则有限次测量引入的不确定度可由式(C.3)计算。式中，N₄为计算σx(r=960s)时的取样个数。本例中，N为100。本例中，σ₄(r=960s)的不确定度主要来源如表C.3所示。因子B正态1B正态1抖动(比对链路)A正态1参考以上主要不确定度来源及实际校准结果，最终单次测量时间稳定度的合成不确定度u。[σ₄(r=960s)]为2ns,扩展不确定度U[o(r=960s)]为4ns(k=2)。C.3频率偏差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fg,两频率标准的频率标称值相同为f₀,则有：式中：yAB(r)为两频率标准的频率差；ya(r)和yg(r)分别为两者的频率偏差；r为测量时的平均时间(取样时间),在本规范中取r=1d。yAg(r)的不确定度主要来源如表C.4所示。值因子B1B1电缆、转接头稳定性B1数据修约B1抖动(比对链路)A1电离层和对流层延迟补偿影响(比对链路)B1电缆转接头延迟误差影响(被校准端)B1电缆转接头延迟误差影响(参考端)B1轨道误差影响(比对链B固定点坐标误差影响(被校准端)B固定点坐标误差影响(参考端)B校准端)B考端)B参考以上主要不确定度来源及实际校准结果，最终单次测量频率偏差的合成不确定度u。[yA(x=1d)]为3.6×10-14,扩展不确定度U[yʌ(r=1d)]为7.2×10-14C.4频率日漂移校准的不确定度在kʌB计算中由于数据拟合引入的不确定度为：△yAμ(r)为频率残差，按下式计算。△yAm(r)=yAm(r)-[yA(r)+kAg(l-1)]