JJF 1957-2021 铷原子频率标准校准规范

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中华人民共和国国家计量技术规范

JJF1957—2021

铷原子频率标准校准规范

CalibrationSpecificationforRubidiumAtomicFrequencyStandards

2021-12-28发布 2022-06-28实施

国家市场监督管理总局 发布

JJF1957—2021

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铷原子频率标准校准规范

CalibrationSpecificationforRubidiumAtomicFrequencyStandards

JJF1957—2021

代替JJG292—2009

归 口 单 位:全国时间频率计量技术委员会主要起草单位:北京无线电计量测试研究所参加起草单位:中国计量科学研究院

中科院武汉物理数学研究所

本规范委托全国时间频率计量技术委员会负责解释

本规范主要起草人:

沈婷梅(北京无线电计量测试研究所)

柳 丹(北京无线电计量测试研究所)

参加起草人:

张爱敏(中国计量科学研究院)

张 越(中国计量科学研究院)

徐月青(北京无线电计量测试研究所)

安绍锋(中科院武汉物理数学研究所)

目 录

引言………………………

(Ⅱ)

1范围……………………

2引用文件………………

3概述……………………

4计量特性………………

4.1输出信号……………

4.2谐波与非谐波………………………

4.3相对频率偏差………………………

4.4开机特性……………

4.5日频率漂移率………………………

4.6频率稳定度…………

4.7相位噪声……………

4.8频率复现性…………

4.9频率调整……………

(1)

(1)

(1)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(3)

(3)

(3)

(3)

4.10GNSS驯服铷频标相对频率偏差………………

(3)

4.11GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差……………

(3)

4.12GNSS驯服铷频标秒脉冲定时稳定度…………

(3)

5校准条件………………

5.1环境条件……………

5.2测量标准及其他设备………………

6校准项目和校准方法…………………

6.1校准项目……………

6.2校准方法……………

7校准结果表达…………

8复校时间间隔…………

(3)

(3)

(4)

(4)

(4)

(5)

(11)

(11)

附录A 原始记录格式…………………

(12)

附录B 校准证书(内页)格式………

(15)

附录C 主要校准项目不确定度评定示例……………

(17)

Ⅰ

引 言

《 本规范依据JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》和JJF1059.1—2012

测量不确定度评定与表示》编写。

本规范是对JJG292—2009《铷原子频率标准》的修订,与JJG292—2009相比,技术修订内容如下:

———根据JJG2007—2015《时间频率计量器具》将频率准确度修改为相对频率偏差;

———修正了扣除频率漂移时的阿伦标准偏差计算公式;

———增加了GNSS驯服铷原子频率标准秒脉冲定时偏差、定时稳定度的校准项目;

———完善了频率稳定度及相对频率偏差测量方法。

本规范历次版本发布情况:

———JJG292—2009;

———JJG292—1996。

Ⅱ

铷原子频率标准校准规范

范围

本规范适用于铷原子频率标准的校准,包括GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)驯服铷原子频率标准的校准。

引用文件

本规范引用了下列文件:

JJF1001—2011通用计量术语及定义

JJF1180时间频率计量名词术语及定义

JJF1403—2013全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范JJG2007—2015时间频率计量器具

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)适用本规范。

概述

示

晶振通过频率合成技术产生一个微波激励信号,铷同位素原子在微波激励信号感应

,铷原子频率标准(以下简称铷频标)是一种被动型原子频标,工作原理如图1所

下发生跃迁,原子跃迁信号与微波信号进行鉴频,产生误差信号,通过锁频环路控制晶振频率,使晶振合成的微波频率锁定到铷原子跃迁频率,输出高稳定信号。

图1铷频标工作原理

GNSS驯服铷频标工作原理如图2所示,利用时差(或相差)测量电路测量GNSS输出1PPS信号与待驯服铷频标输出1PPS信号间的时差,控制单元根据时差或相差变化量不断调节铷频标输出信号,使其具有更小的频率偏差。

1

图2GNSS驯服铷频标工作原理

铷频标广泛应用于武器装备、导航与定位、通信、时间频率计量等领域。

计量特性

输出信号

频率信号

波形:正弦波;

频率:1MHz,5MHz,10MHz;

幅度:≥0.5V(有效值,50Ω负载)。

秒脉冲(1PPS)

脉冲幅度:≥2V(峰-峰值);脉冲宽度:400ns~200ms;脉冲上升时间:≤10ns。

谐波与非谐波

谐波:≤-40dBc;非谐波:≤-80dBc。

相对频率偏差

±(2×10-10~2×10-11)。

开机特性

±(5×10-10~1×10-11)。

日频率漂移率

±(1×10-11~1×10-13)/d。

2

频率稳定度

见表1,σy(τ)(阿伦标准偏差)表示频率稳定度。

表1频率稳定度

取样时间间隔τ

频率稳定度σy(τ)

1s

5×10-11~2×10-12

10s

2×10-11~8×10-13

100s

5×10-12~2×10-13

1000s

2×10-12~8×10-14

10000s

2×10-12~2×10-14

1d

5×10-12~2×10-14

相位噪声

见表2,f表示傅里叶分析频率,￡(f)表示相位噪声。

表2相位噪声

傅里叶分析频率f

相位噪声￡(f)/(dBc/Hz)

1Hz

-70~-110

10Hz

-90~-140

100Hz

-110~-150

1kHz

-125~-160

10kHz

-130~-165

100kHz

-130~-165

频率复现性

5×10-11~2×10-12。

频率调整

范围:±2×10-9。

GNSS驯服铷频标相对频率偏差

±(1×10-11~5×10-13)(τ=1d)。

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差锁定模式:|定时偏差|≥20ns;保持模式:|定时偏差|≥100ns。

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时稳定度

: 。

≥1ns。

注以上指标仅供参考

校准条件

环境条件

环境温度:在18℃~25℃范围内任选一值,温度最大允许变化±1℃;

3

环境相对湿度:≤80;

供电电源:220(1±10)V,50(1±2)Hz;

其他:周围无影响校准正常工作的电磁干扰和机械振动。

测量标准及其他设备

参考频标

参考频标的频率稳定度:

小于被校铷频标频率稳定度的1/3;

开机特性、相对频率偏差、频率漂移率应小于被校相应技术指标1个数量级;相位噪声:小于被校铷频标相应傅里叶分析频率的相位噪声10dB。

参考时间源 /,

参考时间源的定时偏差优于被校铷频标定时偏差的13

标定时稳定度的1/3。

定时稳定度优于被校铷频

示波器 。

带宽≥500MHz

频谱分析仪

频率范围:500kHz~100MHz;

电平测量动态范围:≥100dB。

频标比对器

输入频率:1MHz,5MHz,10MHz;

频标比对器引入的比对不确定度(用阿伦标准偏差表示)应小于被校铷频标相同取样时间频率稳定度的1/3。

秒产生器

输入频率:1MHz、5MHz,10MHz;

输出信号:1PPS;上升时间<2ns;

相位抖动:<50ps。

通用计数器

具有外频标输入功能;

频率测量范围:10Hz~100MHz;

最大允许误差:±1ns。

相位噪声测量系统

输入频率:1MHz,5MHz,10MHz;

傅里叶分析频率:1Hz~100kHz;

: 。

相位噪声本底:优于被校铷频标相位噪声10dB。

注 以上指标仅供参考

校准项目和校准方法

校准项目 。

校准项目见表3

4

表3校准项目表

序号

校准项目名称

1

外观及工作正常性检查

2

输出信号

3

谐波与非谐波

4

相对频率偏差

5

开机特性

6

日频率漂移率

7

频率稳定度

8

相位噪声

9

频率复现性

10

频率调整

11

GNSS驯服铷频标相对频率偏差

12

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差

13

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时稳定度

校准方法

外观及工作正常性检查

铷频标前面板或后面板上应有仪器名称、型号、制造厂、出厂序号和电源要求;

铷频标的电源开关、输入输出端口、功能设置开关和旋钮应有明确的识别标志;

铷频标不应有影响正常工作的机械损伤,电源开关、功能设置开关和旋钮应灵活、可靠,输入输出端口牢固;

通电后,各输出端应有相应的信号输出,达到说明书规定的锁定时间后,铷频标应正常锁定,各状态指示正常。

输出信号

频率信号

仪器连接如图3所示,被校铷频标的1MHz、5MHz、10MHz频率信号分别接入示波器;

图3输出信号的校准

示波器的输入阻抗按照被校铷频标产品说明书的规定值设置,示波器应显示稳定的正弦波形,读取输入信号的幅度有效值。

秒脉冲信号

仪器连接如图3所示,将被校铷频标的1PPS信号接入示波器;

5

示波器的输入阻抗按照被校铷频标产品说明书规定值设置,调节示波器,使示波器上显示稳定的脉冲波形,读取输入1PPS信号的幅度峰峰值与脉冲宽度;

调节示波器,使示波器上显示稳定的脉冲上升沿波形,测量1PPS信号幅度从

10上升到90的时间间隔,即1PPS信号的上升时间。

谐波与非谐波

仪器连接如图4所示。

图4谐波与非谐波的校准

谐波

( )、 ( ) ,

设置频谱分析仪的分辨力带宽

RBW

视频带宽

VBW

均为1kHz

合理设置

频谱分析仪的起始频率和终止频率,分别测量基波电平及n次谐波电平。按式(1)计算n次谐波,选取Hn的最大值为测量结果。

式中:

Hn=Pn-P1 (1)

Hn———n次谐波,dBc;

P1———基波功率电平,dBm;

Pn———n次谐波(n取2、3、4、5)功率电平,dBm。

非谐波

( )、 ( ) ,

设置频谱分析仪的分辨力带宽

RBW

视频带宽

VBW

均为1kHz

合理设置

频谱分析仪的起始频率和终止频率,测量基波功率电平、偏离载频10kHz以外规定频

偏范围内最大的非谐波功率电平。按式(2)计算非谐波。 ()

式中:

HN=PN-P1 2

HN———非谐波,dBc;

PN———非谐波电平功率最大值,dBm。

相对频率偏差

频标比对器法

仪器连接如图5所示,

时差法

仪器连接如图6所示。

频标比对器测量相对频率偏差

图5频标比对器法

,作为校准结果。

6

图6时差法

τ

被校铷频标和参考频标输出的秒脉冲(1PPS)分别作为启动信号和停止信号,通用计数器测量两输入1PPS的相位时间差,测量结果为ΔX1,取样时间间隔τ≥300s,再次测量结果为ΔX2,按式(3)计算相对频率偏差。

式中:

y(τ)=ΔX2-ΔX1

(3)

ΔX1、ΔX2———两次测量的相位时间差,s;

y(τ)———相对频率偏差;τ———取样时间间隔,s。

开机特性

选择频标比对器法或时差法按图5或图6连接仪器,测量铷频标开机4h和8h后的相对频率偏差,或测量开机多长时间能达到给定的相对频率偏差,作为校准结果。

频率漂移率

时差法

仪器连接如图6所示,用时差法连续测量15d,取样时间间隔τ=1d,可得15个相位时间差的变化量ΔXi,分别按式(4)、式(5)计算日漂移率K和相关系数r。

∑ i

15(ΔX

-ΔX)(ti-t)

式中:

K=i=1

∑

∑

15

(

Δ

X-Δ

i

Xt

)(

i

i=

1

-t

)

15

(

Δ

Xi

i=1

-

Δ

X

)

2

i=1

∑

15

(ti-t)2

r=

τ15ti-t2

∑( )

i=1

(4)

(5)

15

ΔXi———相邻两个相位时间差的变化量,s;ΔX———ΔXi的算术平均值,ΔX=X16-X1,s;

ti———Xi的测量时间序号,ti=1,2,…,15;

7

t= ∑ti

。

115

15i=1

频标比对器法

15[y(τ)-y(τ)](t-t)

仪器连接如图5所示,用频标比对器法测量15d,取样时间间隔τ=1d,得到15个相对频率偏差yi(τ),按式(6)、式(7)计算日频率漂移率K和相关系数r。

y(τ)=115y(τ)。

式中:

K=i∑=1

i=1

∑

15[

yτ

i -y

() ()](

τ

t-t

i

)

i=1

∑

15

[

y

i -y

() ()]

τ

τ

2

∑

15

[

t

i-t

]

2

i=1

r=

i i

∑( )

15ti-t2

i=1

(6)

(7)

15i∑=1i

如果相关系数r≥0.6,表明被校铷频标频率随时间线性变化显著,则校准结果给出日频率漂移率K,附相对频率偏差变化曲线及拟合直线,并在校准结果中给出预热时间和相关系数;如果相关系数r<0.6,表明被校铷频标频率随时间变化线性不明显,则不给日漂移率值,只给相对频率偏差变化曲线。

频率稳定度

频标比对器法

仪器连接如图5所示,取样时间间隔与取样组数按表4选取,频标比对器测量阿伦标准偏差,作为1s、10s、100s、1000s时的频率稳定度测量结果。

当取样时间间隔为10000s或1d时,连续测量两输入频率的相对频率偏差。若技术说明书给出的稳定度按哈德玛标准偏差进行评定,则按式(8)进行稳定度计算;若技术说明书给出的稳定度按阿仑标准偏差进行评定,则按式(9)进行稳定度计算。

6(N-2)i=1

1

∑

2

[

y

i+2

(τ)-2y

i+1

(τ)+y(τ)]2

i

2(N-1)i=1

1

∑

N-

1

[

y

i+1

(τ)-y(τ)-Kτ/86400]2

i

N-

σH(τ)=

(8)

式中:

σA(τ)=

τ———10000s、86400s;

N———测得相对频率偏差的个数;

K———按式(6)计算的日频率漂移率;

(9)

yi(τ),yi+1(τ),yi+2(τ)———第i、第i+1、第i+2次测得的相对频率偏差。

8

表4取样时间间隔与取样组数

取样时间间隔τ

取样组数m

1s

≥100

10s

≥100

100s

≥50

1000s

≥15

10000s

≥15

1d

≥15

时差法

仪器连接如图6所示,

取样时间间隔与取样组数按表4选取

,连续测量两输入秒脉

冲(1PPS)的相位时间差。 、 、 、

, ()

2τ2(n-2)i=1

1

∑

n-

2

[

x

i+2

(τ)-2x

i+1

(τ)+x(τ)]2

i

当两次测量的时间间隔为1s偏差,作为频率稳定度测量结果。

10s

100s

1000s时

按式 10

计算阿伦标准

式中:

σA(τ)=

τ———1s、10s、100s、1000s;n———测得的时差个数;

(10)

xi(τ),xi+1(τ),xi+2(τ)———第i、第i+1和第i+2次测得的相位时间差,s。

6τ2(n-3)i=1

1

∑

n-

3

[

x

i+3

(τ)-3x (τ)+3x

i+2

i+1

(τ)-x(τ)]2

i

当两次测量的时间间隔为10000s或1d时,若技术说明书给出的稳定度按哈德玛标准偏差进行评定,则按式(11)计算;若技术说明书给出的稳定度按阿伦标准偏差进行评定,按式(12)计算。

σH(τ)=

(11)

2τ2(n-2)i=1

1

∑

n-

2

[

x

i+2

(τ)-2x (τ)+x(τ)-Kτ/86400]2

i+1

i

σA(τ)=

(12)

式中:

τ———10000s、86400s;

n———测得时差的个数;

K———按式(4)计算的日频率漂移率;

xi(τ),xi+1(τ),xi+2(τ),xi+3(τ)———第i、第i+1、第i+2和第i+3次测得的相

位时间差,s。

注:若技术说明书未指定,建议采用哈德玛标准偏差进行10000s及1d的频率稳定度评定。

相位噪声

。仪器连接如图7所示。

按被校铷频标技术说明书的要求预热后进行相位噪声的校

准 被校铷频标的输出端与参考频标的输出端分别接至相位噪声测量系统的相应信号输

9

入端。傅里叶分析频率选1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz。测量每一个傅里叶分析频率处的单边带相位噪声的测试数据,并给出测试曲线。

频率复现性

图7相位噪声的校准

,

(),

测量铷频标开机工作24h后关机时的相对频率偏差值

记为y1τ

关机一段时

间24h后再开机,测量开机12h后的相对频率偏差值,记为y2(τ),按式(13)计算频率复现性R。

频率调整

按图6连接仪器,

R=y2(τ)-y1(τ) (13)

设置计数器闸门时间τ≥100s。

测量被校铷频标频率调整前相对频率偏差y(τ),根据说明书要求,设置铷频标频率调整量,向低调节铷频标输出频率,测量其相对频率偏差ymin(τ);再向高调节铷频标的输出频率,测量其相对频率偏差ymax(τ)。

计算出ymin(τ)-y(τ)和ymax(τ)-y(τ),作为频率调整量的实际值。

GNSS驯服铷频标相对频率偏差

GNSS驯服铷频标锁定状态下相对频率偏差

将GNSS天线连接到被校铷频标GNSS天线输入端,

待铷频标正常锁定于GNSS

信号2h或说明书给定的锁定时间后,用时差法连续测量7d,给出每天的相对频率偏差yi(τ),所测相对频率偏差绝对值的最大值,为锁定状态下相对频率偏差。

GNSS驯服铷频标保持状态下相对频率偏差

被校铷频标锁定于GNSS信号状态24h后,去掉GNSS天线,按频标比对器法或时差法测量1d,得到1个相对频率偏差数据,为保持状态下相对频率偏差。

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差

仪器连接如图8所示,测量前,应先标校GNSS驯服铷频标与参考时间源天线及电缆所引入的时差Δt。

图81PPS校准装置

10

锁定时定时偏差

铷频标正常锁定于GNSS信号后,

由通用计数器测量GNSS驯服铷频标与参考时

间源1PPS信号24h时差的算术平均值并扣除Δt,为铷频标锁定时的定时偏差。

保持状态定时偏差

当铷频标锁定于GNSS信号24h后,

去掉GNSS天线,

测量铷频标与参考时间源

1PPS信号24h时差峰值并扣除Δt,为铷频标保持状态下的定时偏差。

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时稳定度

仪器连接如图8所示,铷频标正常锁定于GNSS信号后,由通用计数器测量铷频标与参考时间频率源1PPS信号24h时长的时差,计算24h时差的实验标准差,作为铷频标锁定状态下的定时稳定度。

校准结果表达

铷频标校准后,出具校准证书。校准证书至少应包含以下信息:

标题:“校准证书”;

实验室名称和地址;

进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);

证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;

客户的名称和地址;

被校对象的描述和明确标识;

进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;

如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;

校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;

本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;

校准环境的描述;

校准结果及其测量不确定度的说明;

对校准规范的偏离的说明;

校准证书签发人的签名、职务或等效标识;

校准结果仅对被校对象有效的说明;

未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。

复校时间间隔

复校时间间隔由用户根据使用情况自行确定,推荐校准周期不超过1年。

11

附录A

外观及工作正常性检查

原始记录格式

检查项目

结果

外观

工作正常性

输出信号

输出频率信号

输出频率/MHz

幅度(有效值)/V

不确定度U(k=2)

1

5

10

输出秒脉冲信号

项目

测量值

不确定度U(k=2)

幅度(峰-峰值)/V

脉冲宽度/μs

脉冲上升时间/ns

谐波与非谐波

频率/MHz

谐波

非谐波

不确定度U(k=2)

5

10

(

相对频率偏差

1)频标比对器法

取样时间τ/s

相对频率偏差y(τ)

不确定度U(k=2)

(2)时差法

时差ΔX1/s

时差ΔX2/s

取样时间τ/s

相对频率偏差y(τ)

不确定度U(k=2)

12

开机特性

校准项

测量值

不确定度U(k=2)

开机4h相对频率偏差

开机8h相对频率偏差

达到指定值相对频率偏差

日频率漂移率

预热时间

相关系数

日频率漂移率

不确定度U(k=2)

频率稳定度

取样时间τ

频率稳定度σy(τ)

不确定度U(k=2)

1s

10s

100s

1000s

10000s

1d

相位噪声

傅里叶分析频率f

相位噪声/(dBc/Hz)

不确定度U(k=2)

1Hz

10Hz

100Hz

1kHz

10kHz

100kHz

频率复现性

相对频率偏差y1(τ)

相对频率偏差y2(τ)

频率复现性R

不确定度U(k=2)

频率调整

设定值

实际值

不确定度U(k=2)

13

GNSS驯服铷频标相对频率偏差

校准项

测量值

不确定度U(k=2)

锁定状态下相对频率偏差yL(τ)

保持状态下相对频率偏差yK(τ)

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差

校准项

测量值

不确定度U(k=2)

锁定状态下定时偏差/ns

保持状态下定时偏差/ns

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时稳定度

校准项

测量值

不确定度U(k=2)

锁定状态下定时稳定度/ns

14

附录B

外观及工作正常性检查

校准证书(内页)格式

检查项目

结果

外观

工作正常性

输出信号

输出频率信号

输出频率/MHz

幅度(有效值)/V

1

5

10

输出秒脉冲信号

幅度(峰-峰值)/V

脉冲宽度/μs

脉冲上升时间/ns

谐波与非谐波

频率/MHz

2次谐波

3次谐波

4次谐波

5次谐波

非谐波

5

10

相对频率偏差

频率调整前相对频率偏差

频率调整后相对频率偏差

开机特性

开机锁定时间及锁定时相对频率偏差

达到说明书规定的相对频率偏差时所需时间

日频率漂移率

预热时间

相关系数

日频率漂移率

15

频率稳定度

取样时间间隔τ

频率稳定度

1s

10s

100s

1000s

10000s

1d

相位噪声

傅里叶分析频率/Hz

相位噪声/(dBc/Hz)

1Hz

10Hz

100Hz

1kHz

10kHz

100kHz

频率复现性

y1(τ)

y2(τ)

R

频率调整

设定值

实际值

不确定度U(k=2)

GNSS驯服铷频标相对频率偏差

锁定状态下相对频率偏差yL(τ)

保持状态下相对频率偏差yK(τ)

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差

锁定状态下定时偏差/ns

保持状态下定时偏差/ns

锁定状态下定时稳定度/ns

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时稳定度

16

附录C

主要校准项目不确定度评定示例

注:以下不确定度评定示例中,当测量环境符合环境校准要求时,环境影响引入的不确定度分量可忽略不计,不再单独列出。

频率稳定度不确定度评定

测量方法见6.2.7,其中参考频标为氢原子频标VCH-1003、频标比对器为PO7D-2,频标比对器测量示值阿伦标准偏差,作为被校铷频标的频率稳定度测量值。

不确定度来源

测量不确定度来源主要包括:

参考频标输出频率不稳引入的不确定度;

频标比对器自身不稳定引入的不确定度;

有限次测量引入的不确定度。

标准不确定度分量评定

氢原子频标输出频率不稳定引入的不确定度分量u1

取样平均时间为1s时,依据氢原子频标VCH-1003技术说明书,其频率稳定度为

2×10-13,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

3

1

u=2×10-13=1.15×10-13

频标比对器自身不稳定引入的不确定度分量u2

依据频率比对器PO7D-2技术说明书,取样时间为1s时,比对不确定度为1×

10-13,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

3

2

u=1×10-13=5.77×10-14

有限次测量引入的不确定度分量u3

采用A类方法进行评定,被校铷频标1s频率稳定度测量值为6.93×10-12,阿伦

m

标准偏差取样组数m为100,则:

u3

标准不确定度分量表

=6.93×10-12=6.93×10-13

。

各标准不确定度分量见表C.1

表C.1频率稳定度的标准不确定度分量

不确定度来源

不确定度分量

评定方法

分布

k值

标准不确定度

参考频标

u1

B类

均匀

3

1.15×10-13

频标比对器

u2

B类

均匀

3

5.77×10-14

有限次测量

u3

A类

正态

1

6.93×10-13

17

合成标准不确定度

u21+u2+u23

以上各分量互不相关,合成标准不确定度为:

扩展不确定度

uc=

≈7.1×10-13

取包含因子k=2,扩展不确定度为:

U=2uc=1.5×10-12

相位噪声不确定度评定

测量方法见6.2.8,其中参考频率源为10811E、相位噪声测量系统为HP3048A,

相位噪声测量系统测量示值相位噪声,作为被校铷频标相位噪声测量值。

不确定度来源

测量不确定度来源主要包括:

低噪声参考源引入的不确定度;

相位噪声测量系统引入的不确定度;

读数误差引入的不确定度;

测量重复性引入的标准不确定度。

标准不确定度分量评定

低噪声参考源引入的不确定度分量u1

当参考源的相位噪声小于被校铷频标相位噪声10dB以上时

,参考源对测量结果的

最大贡献为±0.4dB,即区间半宽度a=0.4dB,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

3

u1=0.4dB=0.23dB

相位噪声测量系统引入的不确定度分量u2 ,

相位噪声测量系统在傅里叶频率f≤1MHz时引入的的最大允许误差为±2dB 即区间半宽度a=2dB,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

u2=2dB=1.16dB

3

读数误差引入的不确定度分量u3

根据经验,读数误差最大贡献为±1dB,即区间半宽度a=1dB,按B类方法评

定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

u3=1dB=0.58dB

3

测量重复性引入的不确定度分量u4

采用A类方法进行评定,以载波频率为10MHz,傅里叶频率f=10kHz的相位噪声为分析点,连续独立测试10次,用贝塞尔法计算实验标准偏差。重复性测量数据见表C.2。

18

表C.2测量重复性

序号

￡(f)/(dBc/Hz)

测量值xi(f=10kHz)

10MHz

1

-145.5

2

-146.2

3

-146.1

4

-145.8

5

-145.5

6

-146.3

7

-146.0

8

-145.9

9

-146.3

10

-145.7

平均值x

-145.9

sn(x)

0.30

实验标准偏差:

不确定度分量:

sn(x)=

n-1i=1

1

∑

n

(x-x)2

i

u4

=0.30dB

n

=

sn(x)=0.10dB

标准不确定度分量表 。

各标准不确定度分量见表C.3

表C.3标准不确定度分量一览表

不确定度来源

不确定度分量

评定方法

分布

k值

标准不确定度/dB

低噪声参考源

u1

B类

均匀

3

0.23

相位噪声测量系统

u2

B类

均匀

3

1.16

读数误差

u3

B类

均匀

3

0.58

测量重复性

u4

A类

———

———

0.10

合成标准不确定度

以上各分量互不相关,合成标准不确定度为:

u21+u2+u23+u24

uc=

≈1.3dB

19

扩展不确定度

取包含因子k=2,扩展不确定度为U=2uc=2.6dB。

日频率漂移率不确定度评定

测量方法见6.2.6,其中参考频标为铯原子频标5071A、计数器为53132A,选用时差法测量被校铷频标的相对频率偏差。

不确定度来源

测量不确定度来源主要包括:

铯原子频标输出频率不稳定引入的不确定度;

铯原子频标日频率漂移引入的不确定度;

计数器测量分辨力引入的不确定度;

日漂移率估值算法引入的不确定度。

标准不确定度分量评定

铯原子频标输出频率不稳定引入的不确定度分量u1

依据铯原子频标5071A技术说明书,其日频率稳定度为3×10-14,按B类方法评

定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

3

1

u=3×10-14=1.73×10-14

铯原子频标日频率漂移引入的不确定度分量u2

铯原子频标5071A输出频率日频率漂移很小,可忽略。

计数器测量分辨力引入的不确定度分量u3

通用计数器53132A时间测量分辨力为100ps,取样时间间隔τ=1d时,时差法测

量分辨力为1.16×10-15,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,时差值测量两次,则:

23

3

u=2×1.16×10-15=6.68×10-16

日漂移率估值算法引入的不确定度分量u4

校准时间为15d时,相对频率偏差近似为线性变化,利用最小二乘法得到频率偏差随测量时间变化的拟合直线,直线斜率即为输出日频率漂移率。日频率漂移测量数据见表C.4。

表C.4日漂移测量数据

测量时间间隔序号

相对频率偏差yti

1

8.57×10-11

2

8.59×10-11

3

8.59×10-11

4

8.61×10-11

5

8.63×10-11

20

表C.4(续)

测量时间间隔序号

相对频率偏差yti

6

8.66×10-11

7

8.71×10-11

8

8.76×10-11

9

8.78×10-11

10

8.82×10-11

11

8.84×10-11

12

8.88×10-11

13

8.89×10-11

14

8.89×10-11

15

8.90×10-11

∑

n

[

yτ

i

i=1

(

)

-yi

^

()]

τ

2

n-2

设相对频偏测量值为yi(τ),线性拟合值为y^i(τ),拟合标准偏差σ由下式计算:

σ=

式中:

yi(τ)———相对频率偏差测量值;

y^i(τ)———相对频率偏差线性拟合值。

拟合直线斜率K的实验标准偏差u4由下式计算:

∑

15

Δ

t

i

2

i=1

u4= σ =1.40×10-14

式中:

Δti———时差法每日测量时间间隔。

标准不确定度分量表 。

各标准不确定度分量见表C.5

表C.5标准不确定度分量表

不确定度来源

不确定度分量

评定方法

分布

k值

标准不确定度

铯原子频标输出频率不稳定

u1

B类

均匀

3

1.73×10-14

铯原子频标日频率漂移

u2

B类

均匀

3

忽略不计

计数器测量分辨力

u3

B类

均匀

3

6.68×10-16

日漂移率估值算法

u4

A类

———

———

1.40×10-14

21

合成标准不确定度

以上各分量互不相关,合成标准不确定度为:

u12+u22+u32+u42

uc=

扩展不确定度

≈2.2×10-14

取包含因子k=2,扩展不确定度为U=2uc=4.4×10-14。

相对频率偏差不确定度评定

测量方法见6.2.4,以时差法为例,其中,参考频标为铯原子频标5071A,通用计数器为53132A,秒产生器为BM1308-31,取样时间间隔τ=1d,依据式(3)计算铷频标相对频率偏差,作为被校铷频标的相对频率偏差测量值。

不确定度来源

测量结果不确定度来源主要包括:

参考频标输出频率不准确引入的不确定度;

参考频标输出频率不稳定引入的不确定度;

计数器测量分辨力引入的不确定度;

测量重复性引入的不确定度。

标准不确定度分量评定

参考频标输出频率不准确引入的不确定度分量u1

依据铯原子频标5071A技术说明书,其相对频率偏差为±5×10-13,按B类方法

评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

3

1

u=5×10-13=2.89×10-13

参考频标输出频率不稳定引入的不确定度分量u2

依据铯原子频标5071A技术说明书,其日频率稳定度为3×10-14,按B类方法评

定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

3

2

u=3×10-14=1.73×10-14

计数器测量分辨力引入的不确定度分量u3

依据通用计数器53132A技术说明书,其时间测量分辨力为100ps,取样时间间隔

τ=1d时,时差法测量分辨力为1.16×10-15,按B类方法评定,设为均匀分布,包含

因子k=3,时差测量了两次,则:

23

3

u=2×1.16×10-15=6.68×10-16

测量重复性引入的不确定度分量u4

采用A类方法进行评定,对被校铷频标的相对频率偏差连续独立测量10次,用贝塞尔法计算实验标准偏差。重复性测量数据见表C.6。

22

表C.6测量重复性

n

相对频率偏差xi

1

1.25×10-11

2

1.24×10-11

3

1.29×10-11

4

1.28×10-11

5

1.21×10-11

6

1.31×10-11

7

1.32×10-11

8

1.19×10-11

9

1.28×10-11

10

1.34×10-11

平均值x

1.27×10-11

实验标准偏差sn(x)

4.82×10-13

n-1i=1

1

∑

n

(x-x)2

i

实验标准偏差:

sn(x)=

标准不确定度分量:

u4

标准不确定度分量表

=4.82×10-13

n

=

sn(x)=1.52×10-13

。

各标准不确定度分量见表C.7

表C.7标准不确定度分量表

不确定度来源

不确定度分量

评定方法

分布

k值

标准不确定度

参考频标输出频率不准确

u1

B类

均匀

3

2.89×10-13

参考频标输出频率不稳定

u2

B类

均匀

3

1.73×10-14

计数器测量分辨力

u3

B类

均匀

3

6.68×10-16

测量重复性

u4

A类

———

———

1.52×10-13

合成标准不确定度

u21+u2+u23+u24

计数器时间测量分辨力和测量重复性引入的不确定度分量取较大者定度为:

,合成标准不确

扩展不确定度

uc=

≈4.7×10-13

取包含因子k=2,扩展不确定度为U=2uc=9.4×10-13。

23

GNSS驯服铷频标秒脉冲定时偏差不确定度评定

测量方法见6.2.12,其中通用计数器为53230A,参考时间源为UTC-BIRM,参考频标为氢原子频标VCH-1003,得到被校铷频标的定时偏差测量值。

定时偏差不确定度来源

测量不确定度来源主要包括:

参考时间源不准确引入的不确定度;

计数器测量分辨力引入的不确定度;

连接电缆延迟引入的不确定度;

测量重复性引入的不确定度。

定时偏差标准不确定度分量评定

参考时间源不准确引入的不确定度分量u1

参考时间源不准确引入的误差为10ns,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因

子k=3,则:

3

u1=10ns=5.77ns

计数器测量分辨力引入的不确定度分量u2

, , ,

通用计数器53230A时间测量分辨力为20ps

包含因子k=3,则:

按B类方法评定

设为均匀分布

u2=0.02ns=5.77ps

u3

连接电缆延迟引入的不确定度23

连接电缆延迟引入误差为±1ns,即区间半宽度a=1ns,按B类方法评定,设为均匀分布,包含因子k=3,则:

u3=1ns=0.58ns

u4

测量重复性引入的不确定度分量3

采用A类方法进行评定,对被校铷频标的定时偏差连续独立测量10次,用贝塞尔法计算实验标准偏差。重复性测量数据见表C.8。

表C.8测量重复性

测量序号

定时偏差(x