（信息与通信工程专业论文）我国国家原子时tanim系统的构建与实现.pdf

摘要 摘要 为了进一步提高我国原子时水平 改善我国原子时标的稳定度和准确度 构 建了中国计量科学研究院新的原子时t a n i m 系统 该系统以主动型氢原子钟为 参考主钟 由算法控制产生地方原子时尺度t a n i m t a n i m 的频率直接受喷 泉钟驾驭 这个方案是目前实验室条件下 产生t a 的最优技术方案 新的 t a n i m 系统有两个优点 一 与u t c n i s t 相比 时标的日稳定度低于i n s 目 前极少数国家能达到此指标 二 长期频率准确度与喷泉钟保持一致 达到1 0 1 5 量级 与国际水平持平 本课题首次将t a n i m 系统技术方案付之实施并成功实现 完成了适用于我 国钟房现状的t a n i m 系统软件 并最终产生了准确度和稳定度更高 与钟组守 时系统相比 的时频标准信号 本文主要研究了新的原子时t a n i m 系统的构建方案 系统原理 系统硬件 设备 软件设计 最后通过对系统关键参数的分析 证明了t a n i m 系统的优良 效果 其中着重介绍了t a n i m 系统的软件设计方法和详细过程 本文内容分如 下五个部分进行阐述 第一 介绍了课题背景 国内外研究现状 课题的来源及意义 第二 介绍了 原子时 时频的相关理论知识 包括其特征 指标等概念 第三 比较两种守时系统 分析t a n i m 系统的优势 首先 简要介绍了传 统的钟组守时系统 其次 详细研究了t a n i m 系统的构成 工作原理 然后介 绍了算法 即对大量的实测数据进行线性拟合 补偿算法 再通过串口对相位微 跃器进行实时循环控制 接着给出了算法流程图 最后 对钟组守时系统和t a n i m 系统进行了比较 并突出了t a n i m 系统的优势 第四 在第三章研究了工作原理和算法流程图的基础上 详细设计了t a n i m 系统软件的五个主要功能模块 包括串口控制模块 手动控制功能模块 自动控 制功能模块 实时图形和数据显示模块 数据处理模块 第五 分析了t a n i m 输出t a 的准确度和稳定度 通过计算得到原子时标 t a n i m 的频率稳定度达到1 0 叫3 量级 时间稳定度优于i n s 天 自2 0 0 8 年9 月系统在中国计量科学研究院守时钟房开始运行至今 系统运 行良好 达到了预期效果 2 0 0 8 年1 2 月该项目通过科技部科技基础平台信息与 电子计量基标准完善和共享子项目的项目鉴定 关键词 t a n i m 铯原子喷泉钟原子钟组原子时稳定度准确度 a b s t r a c t a b s t r a c t t a n i m s y s t e mw h i c hi st h el a t e s ta t o m i ct i m es y s t e mw a sc o n s t r u c t e di n n a t i o n a li n s t i t u t eo fm e t r o l o g yi n2 0 0 8t oi m p r o v et h es t a n d a r do fa t o m i ct i m ea n d t h ef r e q u e n c ys t a b i l i t ya n da c c u r a c yi nc h i n a i nt h i ss y s t e m t h eh m a s e ri sr e f e r e n c e c l o c kw h i c hi sm e a s u r e db yc e s i u mf o u n t a i nc l o c k a n dl o c a la t o m i ct i m et a 州i m i s g e n e r a t e db ya l g o r i t h m t h et a n i m s y s t e mi s t h eo p t i m a lu n d e rt h ep r e s e n t c o n d i t i o no fl a b o r a t o r y t h e r ea r et w oa d v a n t a g e si nt h et a n i m s y s t e m f i r s t l y t i m es t a b i l i t yo fo n ed a yi sl o w e rt h a nin sc o m p a r e dt ou t c n i s t a n df e w c o u n t r i e s c a nr e a c ht h es t a n d a r d s e c o n d l y f r e q u e n c ya c c u r a c yo fl o n g t e r mk e e p st h es a m e a s t h a to fc e s i u mf o u n t a i nc l o c k a n da c h i e v e s1xlo 1 5o r d e r a p p r o a c h e st oi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s i nt h ep a p e r t h et a n i m s y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e da n dr e a l i z e df o r t h ef i r s t t i m e a n dt h es o f t w a r ef o rt h es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e du n d e rt h ep r e s e n t c o n d i t i o n o ft h et i m e k e e p i n gl a b o r a t o r y t h es i g n a l o ft i m e f r e q u e n c ys t a n d a r dh a sb e e n g e n e r a t e di nt h i ss y s t e m w h o s ef r e q u e n c ys t a b i l i t ya n df r e q u e n c ya c c u r a c ya r ee v e n h i g e rt h a nt h a to fs y s t e mo fc l o c k g r o u pt i m e k e e p i n g t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d et h er e s e a r c ho f t h ec o n s t r u c m r es c h e m e s y s t e mp r i n c i p l e h a r d w a r ee q u i p m e n t s o f t w a r ed e s i g n a n df i n a l l y t h ee x c e l l e n t e f f e c to ft h et a n i m s y s t e mh a sb e e np r o v e db ya n a l y z i n gt h ek e yp a r a m e t e r s t h e d e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so fs o f t w a r eo ft a n i m a r ei l l u m i n a t e de m p h a t i c a l l y t h i sp a p e rc o n t a i n sf i v ep a r t sa sf o l l o w s f i r s t l y b a c k g r o u n d p r e s e n ts t u d y s i t u a t i o na th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e da n d t h es o u r c eo ft h es u b je c ta n di t ss i g n i f i c a n c ei sd e s c r i b e d s e c o n d l y r e l a t e dt h e o r e t i c a lk n o w l e d g ei si n t r o d u e d w h i c hi n c l u d e ss o m ef e a t u r e i n d e xa b o u tt i m e f r e q u e n c ys c a l e t h i r d l y t w os y s t e m s o ft i m e k e e p i n ga r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e d t h e a d v a n t a g e so ft a n i m a r ea n a l y z e d a tf i r s t t h et r a d i t i o n a ls y s t e mo f c l o c kg r o u pi s i n t r o d u c e db r i e f l y a n dt h e nt h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o np r i n c i p l ea r es t u d i e di n d e t a i l a f t e r w a r d s t h ea l g o r i t h mh a sb e e nd e s i g n e da n dd e s c r i b e d t h a ti s p h a s em i c r o s t e p p e ri sr e a l t i m ec o n t r o l l e db yc o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lp o r ta f t e rl i n e a rf i t t i n ga n d c o m p e n s a t i o nf o rp l e n t yo fm e a s u r e dd a t a b e s i d e s t h ep a p e rs h o w e st h ea l g o r i t h m f l o w c h a r t f i n a l l y t h ea d v a n t a g e so ft a n i m a r ea n a l y z e d i i i f o u r r t h l v b a s e do ni t so p e r a t i o np r i n c i p l ea n da l g o r i t h mf l o w c h a r t t h es o f t w a r e o f t a n i m h a sb e e nd e s i g n e di nd e t a i l w h i c hi n c l u d e s s e r i a lc o n u n u n l c a t l o n m a n 吼1 c o n t r o l a u t o m a t i cc o n t r o l r e a lt i m eg r a p h i ca n d d a t ad i s p l a y d a t ap r o c e s s i n g f i f t h l y a c c u r a c ya n ds t a b i l i t y i sa n a l y z e di nt a f n i m s y s t e m i h e 佗s u l t so f c a l c u l a t i o ns h o wt h a t t h ef r e q u e n c y s t a b i l i t yo ft a n i m i su p t og r a d eo flxlo q t h e t i n l es t a b i l i t yi ss m a l l e rt h a nin s d a y t h et a n i m s y s t e r nh a sb e e nr u n n i n g w e l ls i n c es e p t e m b e ro f2 0 0 8 a t t i m e k e e p i n gl a b o r a t o r yi nn a t i o n a li n s t i t u t eo fm e t r o l o g ya n d a c h i e v e dt h ee x p e c t e d e 骶c t t h ep r o j e c th a sp a s s e dt h e i d e n t i f i c a t i o no fi m p r o v e m e n a n ds h 踟n g o f i n f o n n a t i o na n de l e c t r o n i cm e t r o l o g ys t a n d a r do f b a s i cp l a t f o r mo fn a t i o n a ls c l e n c e a n dt e c h n o l o g yd e p a r t m e n t k e yw o r d s t a n i m c e s i u mf o u n t a i n c l o c k a t o m i cc 1 c kg r u p a t m i c t i m e a c c u r a c y s t a b i l i t y 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得a 匕塞工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 中叩刁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些太堂有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 鼢私p 各懈 吼 6 妒 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 时间作为重要的基本物理量 是国际单位制中七个基本量 米 千克 秒 安培 开尔文 摩尔和坎德拉之一 是我们日常生活和工作中最常用基本参量 在国民经济 国防建设和基础科学研究中发挥着十分重要的作用 时间 频率 的应用范围从重大的科学实验到日常的生活消费 用途都十分广泛 计时 工业 控制 邮电通讯 大地测量 现代数字化技术 计算机 人造卫星 宇宙飞船 航天飞机的导航与定位控制等都离不开时频技术和时频测量 时间频率能提供三 种基本的信息是时刻 时间间隔和频率 这三种信息是密切相关的 时刻和时间 间隔的标准单位是s 1 s t a n d a r dl s 秒长 实际应用中由原始c s 频率基准的物 理实现来复现和提供逼近定义的秒长 如果用某种技术去累加计数秒就可得到 分 时 日 月 年等长的时间间隔 在有些应中 需要测量小于1 秒的间隔 如毫秒 微秒 纳秒 皮秒 如果计数出1 秒间隔某事件发生的次数就测得频率晗1 1 9 6 7 年1 0 月 第十三届国际计量大会通过了关于国际制秒长的定义 位于 海平面的c s l 3 3 基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期所持续的时间为1 个原子时秒 口1 如今在所有物理量的测量中 时间和 频率的测量具有最高的准确度和精确度 因此在测量其他一些物理量时出现了一 种趋势 就是通过一些物理关系测量时间或频率从而得到准确的测量结果 例如 长度的测量可以根据物理关系l c t 1 c t 分别表示长度 光速和时间 通 过测量光穿越这段长度的时间而得到 1 9 8 3 年 第1 6 届国际计量大会又重新定 义为 米是光在真空中 在1 2 9 9 7 9 2 4 5 8 秒的时间间隔内运行路程的长度 如此 长度单位不再是独立的计量单位 而是由光速通过频率导出 也就是可以 用时间 频率标准取代长度标准 其他电学量的测量也是如此 例如电流 电压 电阻等等h 1 建立统一的时间 频率 长度单位基准 是计量学上应用现代物理 成就向自然基准 基本物理常数为基础 迈进的巨大一步 时间坐标 简称为时标 是一个测量时间的系统 它能标定一个事件发生的 时刻 计量一个过程经历的时间间隔 以原子秒作为时间单位的时标称为原子时 标 各实验室或各国建立的原子时标称为地方原子时 由国际计量局 b i p m 建 立的称为国际原子时 t a i 由国际原子时导出的协调时 u t c 为国际上的法 定单位 由中国计量科学研究院 n i m 建立的地方原子时则称为t a n i m 北京 e k 大学工学硕士学位论文 苎曼基苎曼曼 曼型毫薹蔓苎 曼曼兰 苎曼苎兰璺巳坠兰苎兰笪曼苎皇竺些曼曼兰 生三竺 皇 苎兰兰苎兰 曼苎皇曼曼曼 皇 曼 苎 曼曼 时标是基础物理学研究的一个重要方面 近十年来的诺贝尔物理奖有四个和 时间频率标准有关 1 9 8 9 年美国人拉姆齐 d e h m e l t 与德国人德梅尔特 保罗 p a u l i 的离子阱和r a m s e y 的分离场技术 1 9 9 3 年t a y l o r 的脉冲星稳定周期 1 9 9 7 年朱棣文 科恩 c o h e n t a n n o u d j i 和p h i l l i p s 的激光冷却与捕陷原子 2 0 0 5 年美国人格罗伯 霍尔和德国人汉施的量子光学 光谱与光频测量b 1 时标有三个主要特性 分别是稳定度 准确度和连续性哺1 原子钟组时间通常由钟组成员钟经加权计算得到 即各台钟的加权平均时 间 因为钟组时间的稳定度与各台原子钟都有关系 实际上也是各台原子钟稳定 度的某种加权平均 所以 钟组时间的稳定度总会比钟组中最差的钟好 而比最 好的钟差 但通过算法控制 能让钟组时间稳定度更接近最好的钟 因此 选择 原子钟组来产生时标是一种权衡 这种权衡提高了时标的连续性 牺牲了小部分 稳定性 时标是目前最准确的基本物理量 准确度已经达到l o 1 量级 钟组时间的准 确度直接由钟组成员钟决定 这些钟一般都是商品型原子钟 尽管不同品牌原子 钟的性能指标有所不同 同一品牌不同钟之间性能也会有差异 但它们对钟组时 间准确度的贡献是类似的 在没有更准确频率源的情况下 钟组时间的准确度与 钟组成员钟的准确度相当 处于同一量级水平 但如果使用准确度更高的频率源 对钟组时间进行驾驭 驾驭后时标的准确度则能提高 为保证量值准确 要求连续运行 因此 必须建立可靠性和稳定性极高原子 时标 频率是时间的导出量 两者互为倒数密不可分 原子时标是时间频率计量 基准装置 连续性要求原子时标必须连续 无中断地产生时刻标定信号 一般为 1 p p s 信号 即o n ep u l s ep e rs e c o n d 每秒一个脉冲 世界上绝大多数先进守 时实验室都采用原子钟组时间作为时标 原子钟组时间是由商品型原子钟组 测 量系统 控制系统等几部分构成 核心是算法 通过算法计算 驾驭产生时标 与单台原子钟产生的时标相比 原子钟组时间的连续性极大加强 只要钟组中有 原子钟在运行 钟组时间就会连续产生 时标的连续性能得到保证 随着科技的不断飞速发展 导航 定位 测地学 天文观测 网络授时和同 步都需要稳定度和准确度更高的频率标准 美国标准技术研究院 英国物理实验 室 俄国计量科学研究院都已开展了这方面研究 中国计量科学研究院作为国内 计量领域的龙头 先后建成了喷泉式铯原子时间频率基准 电话远程时间传递系 统 网络时间服务系统 g p s 共视高精度远程时间频率传递系统也取得了很大进 展 原子时标是时间频率计量系统的核心部分 提高它的稳定性和可靠性对提高 整个时间频率计量水平起着关键性作用 时间实验室的原子时标水平是守时系统的原子钟组性能 原子时算法优化程 度 时间传递技术与时间测量技术水平 实验室环境条件和管理水平等因素的综 2 第1 章绪论 合反映 通过时间实验室原予时均匀性参数和原子钟组性能的相关特性分析 表 明原子时水平与原子钟性能存在着定量关系口 时间实验室的优良原子钟是原子 时水平的决定因素 但在原子钟组相对稳定的情况下 系统中的算法优化程度和 时间频率传递技术水平等就会变成影响原子时水平的主要因素 本课题即从原子 钟性能和原子时算法方面对我国原子时标进行改善 本文首次实现了适应于我国 守时钟房的更加完善的时频技术叫a n i m 系统软件 并应用于我国原子时标的 测量工作中 项目完成后 将使我国时间频率计量水平跨上一个新台阶 达到国 际先进水平 1 2 国内外相关内容的研究现状 国际原子时 i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e 是世界参考时间标准 而地球 上各种科学和技术应用以及民用的时间标准是世界协调时u t c u n i v e r s a lt i m e c o o r d i n a t e d 秒长是原子时秒 国际原子时从1 9 7 3 年开始直接由原子钟时间比对数据计算得到 国际计量 局 b i p m 时间部根据分布在世界上3 0 多个国家近6 0 个时间实验室 其中约1 5 个实验室保持独立的地方原子时 的2 0 0 多台原子钟的时间比对数据 通过g p s 共视法或t w s t f t 法来获得 由原子时算法进行加权平均计算得到t a t 并定期 公布结果 目前是每个月公布一次 然后变换得到实用的世界协调时 u t c 哺1 根据2 0 0 6 年b i p m 时间年报介绍 目前t a i 的准确度优于lx1 0 叫4 不确定度为 4 x1 0 1 5 平均时间 2 0 4 0 d 的频率稳定度优于1 1 0 1 9 目前国际上在地方原子时方面相对领先的守时实验室有四个 分别是美国海 军天文台 u s n o 美国标准技术研究院 n i s t 德国物理技术研究院 p t b 日本信息通信研究院 n i c t 世界上称得上独立原子时的实验室钟 水平最好 的当属美国标准技术研究院 美国海军天文台u s n o 备用主钟站 a m c 日本通 信研究所c r l 和德国技术物理研究院p t b 等 它们的平均时间 3 0 d 的稳定度 在 1 3 1 0 叫5 之间 美国n i s t 一7 光抽运铯基准 准确度为 0 5 1 1 0 1 4 美国n i s t f i 铯喷泉基准 准确度为lxi 0 1 5 日本c r l0 1 光抽运型铯基准 准 确度为 0 3 一o 5 1 0 1 4 日本n r l m 一4 光抽运铯基准 准确度3 1 0 叫4 德国 p t b 的铯喷泉基准 准确度已达 1 2 1 0 1 5 n 0 1 以上四个实验室产生原子时标的 方案各不相同 下面分别介绍 u s n o 拥有一个数量庞大的守时钟组 其中商品型铯原子钟6 0 多台 主动型 氢原子钟2 0 多台 u s n o 采用一个称之为a 1 n 的算法产生钟组时间 再使用u t c 时问对其驾驭而产生u t c u s n o 表示u s n o 产生的u t c g p s 导航定位系统时 北京工业大学 学硕士学位论文 间溯源于u t c u s n o 所以它的建立充分考虑了连续性和稳定度 准确度次之 为确保连续性 这9 0 台左右的原子钟散布放置在不同地点的几个钟房 a 1 算 法总体思路是性能正常的原子钟进行简单算术平均 即等权重平均 这种处理方 式虽不能得到最好的稳定度 但它能降低单台原子钟对钟组时间的影响程度 换 言之 如果某台稳定度好的钟具有高权重 一旦其发生故障 不能参加钟组计算 则钟组时间的稳定度就会发生较大变化 从使用主动型氢原子钟的实际情况看 其故障率是必须考虑的因素 u t c u s n o 受u t c 驾驭 从长期看 其准确度与 u t c 保持一致 n i s t 守时钟组有6 8 台主动型氢钟 n i s t 采用一个称之为a t l n 2 1 的算法 这 是个滤波器型算法 以估差为权重计算钟组时间 n i s t 主频率标准 喷泉钟 每年运行3 至4 次 对钟组频率进行校准 保证其准确度 从技术角度讲 t a n i s t n i s t 产生的t a 的技术水平最高 t a p t b p t b 产生的t a 没有使用钟组产生时标 而是直接由一台光抽运 型铯原子钟产生 t a p t b 的准确度应该是最高的 但稳定度比其他使用氢钟 作为主钟的实验室低 n i c t 的钟组包括1 8 台铯钟和3 台氢钟 该钟组采用与a l o o s 国际计量局 b i p m 使用其计算t a i u t c 类似的 按稳定度分配权重的算法n 3 尽管这些实验室的技术方案都不相同 但在设计时都遵从了一个原则 利用 可用的资源 按需求 设计尽量最优的方案 比如 u s n o 注重可靠性 其钟组数 量庞大 n i s t 的喷泉钟不能连续工作 使用a t l 算法保证间断期时标的准确度和 稳定度 p t b 则更重视准确度 依靠了连续工作能力突出的铯原子钟 值得一提的是近些年来 有些发达国家在大力发展组合原子频标系统 非传 统的原子钟组守时系统 美国n i s t i p l 正在进行一项计划 称为p a r c s p r i m a r y a t o m i cr e f e r e n c ec l o c ki ns p a c e 该计划的鉴频器是一个铯喷泉鉴频器 本 机振荡器选用分辨率为1 0 q 7 的氢脉泽 稳定度和频率调节精度优秀的氢脉泽被锁 定在频率准确度优秀的铯原子喷泉上 法国的l p t f 正在建立一个铷和铯的同时 工作的双喷泉系统 该系统利用铷喷泉碰撞频移低的优势 并将具有优秀短期稳 定度的超导蓝宝石振荡器 s c o 作为本振n 引 中国地方原子时从1 9 8 0 年开始筹备建立 先后建立地方原子时的有五个单 位 分别是中国科学院的陕西天文台 上海天文台 北京天文台 武汉测量与地 球物理研究所和中国计量科学研究院 从1 9 8 5 年1 月起 b i h 国际时间局 的公 报正式公布了我国地方原子时的结果 标志着地方原子时的水平和应用进入了新 阶段 们 中国参与国际原子时合作的有三个单位 分别是中国计量科学研究院 n i m 中国科学院的陕西天文台和原航天部2 0 3 所 我国的原子时标水平还远远落后于 4 第1 章绪论 国际先进水平 其中 由中国计量科学研究院保持的原子时标准确度优于1 1 0 1 3 不确定度优于1 3 0 n s 稳定度优于5 x1 0 1 4 u t c n i m 由6 台钟和测量系统 组成 3 台h p 5 0 7 1 优质管 准确度 5 l o 1 3 l 台主动型氢钟v c h l 0 0 3 日稳定 度 2 i 0 1 5 2 台美国产氢钟m h m 2 0 1 0 日稳定度低于l l o 1 豇1 7 1 1 9 8 6 年 中国计量科学研究院建立的原子时标经原国家计量局批准为原子时 标国家基准 该原子时标从1 9 8 4 年就开始通过中央电视台向全国发送标准时间 和频率 用于统一全国的时间和校准各地的频率标准n 鲥 2 0 0 3 年以前 中国计量 科学研究院原子时标计算使用的是滞后性算法a l g o s 算法 该算法不仅滞后时间 长 3 0 天 而且参加原子时计算的钟数不多 算法优势不能发挥 鉴于我国实 际情况 钟房钟数少 原子钟在使用过程中有不稳定现象 迫切需要一种能实时 调整的原子时算法 中国计量研究院与2 0 0 4 年开始使用a t l 算法 a t l 算法是一 种实时原子时算法 也是美国n i s t 原子时标计算所使用的算法 a t l 算法滞后时 间约为2 到3 天 比a l g o s 算法的滞后时间大大缩短 但是用钟组中各台钟通过 加权来产生t a 的系统n 刚由于商品型铯原子钟的噪声太大 a t l 算法不能准确评估 出主动型氢原子钟的当前频率 最终导致时间尺度不稳定 随着中国计量院高稳 定度 高准确度的c s 喷泉钟的研制成功 以c s 喷泉钟为核心的t a n i m 系统便 应运而生 此系统用c s 喷泉钟去控制氢钟 用实测的频差数据进行线性拟合 再用拟合方程去预估将来的频差 并用此频差去控制相位微跃器 从而得到系统 的输出t a n i m 该系统同时具有铯喷泉钟较高准确度和氢钟较高短中期频率稳 定度双重优点 系统输出t a 的稳定度也进一步提高 达到国际先进水平 因此 中国计量院决定构建t a n i m 系统 即新t a 系统 并就t a n i m 系统的算法进 行了大量的研究 为t a n i m 系统的实现提供了重要的理论依据 1 3 课题的来源及意义 1 3 1 课题来源 本课题是由北京工业大学电子信息与控制工程学院现代信号处理与d s p 应用 技术研究室 和中国计量科学研究院信息计量与测试研究所合作完成 1 3 2 课题意义 为了保持时间尺度的准确 连续并且时间单位尽可能接近国际单位制秒 各 个时间实验室都配置了多台原子钟 并利用原子时算法算出地方原子时 原子时 北京工业大学工学硕士学位论文 算法的选用及优化程度将对原子时标的准确度和稳定度产生很大的影响 针对钟 组守时系统 中国计量科学研究院先后使用了滞后的a l g o s 算法和实时性较高的 a t l 算法 算法的改变 使用a t l 算法 使我国的原子时标水平有了一定的提高 原子时标的准确度和稳定度提高了 目前 我国保持的原子时标准确度优于1 1 0 叫3 不确定度优于1 3 0 n s 稳 定度优于5 1 0 1 4 但无论从稳定度还是准确度仍低于国际水平一个量级 u t c n i s t 频率稳定度达到1 0 1 j 量级 在一定程度上这是受传统钟组守时系统 固有的缺陷所影响的结果 随着对a t l 算法的深入研究 对数据的反复分析计算 比较 发现这个方案并不是一个最优可行方案 其局限性在于 由于商品型铯原 子钟的噪声太大 a t l 算法不能准确评估出主动型氢原子钟的当前频率 也就无 法使用主动型氢原子钊 作为参考主钟 最终导致时间尺度不稳定 参考主钟决 定了时标的短期时间稳定度 而主动型氢原子钟的短期频率稳定度非常好 使用 它作为参考主钟可以提高时标短期时间稳定度1 个数量级 中国计量科学研究院作为国家原子时标国家基准的发布单位 承担着向全国 发送标准时间和频率 用于统一全国的时间和校准各地的频率标准的任务 而在 中国计量科学研究院守时实验室用的仍旧是传统的钟组守时系统和a t l 算法 如 果由于钟组守时系统和a t l 算法最终得到的时间尺度不稳定 这将严重影响我国 时间频率计量水平的提高 同时也会影响我国其它相关技术的发展 在时间传递技术与时间测量水平一定的条件下 原子钟的性能和原子时算法 的优化程度将成为影响原子时标精度的主要因素之一 因此传统的钟组守时系统 和原子时算法 在一定程度上限制了我国时间频率方面技术的发展 本课题的主要目的就是在分析了中国计量科学研究院守时实验室的钟组情 况的基础上 对基于c s 喷泉钟的最新的t a n i m 系统进行了详细的研究 并把频 差线性预估与补偿等算法应用到我国地方守时实验室的原子时标计算中 编写我 国时间频率的t a n i m 系统软件 实现测量 计算和控制的自动化 软件不仅可 以提高钟房工程师的工作效率 而且将使整个t a n i m 系统的运行状态更加便 于观察和控制 项目完成后 第一 将会使我国的原子时标的稳定性有很大的提 高 迈向一个新台阶 可校准进口和研制的各种原子钟 完成国家赋予的量值传 递任务 第二 大大提高我国的高精度时间频率服务质量 将会使我国由计量院 保持的三种授时方式 电视网络授时 电话网络授时和i n t e r n e t 授时 的时间 频率服务有了更高精度的保证 从而提高中央电视台发布的北京时间和网络上计 算机的时钟的精度 第三 通过国际原子时合作 可以进一步与国际标准接轨 向国际统一的计量标准靠拢 在参加国际原子时归算时 也能对国际原子时做出 相应的贡献 6 第1 章绪论 1 4 课题的创新及难点 本课题在介绍了传统钟组守时系统及a t i 算法的基础上 主要研究了t a n i m 系统的结构组成 系统工作原理 并在学习 研究实验室其他同学的理论成果的 基础上 t a n i m 系统的频率预估和补偿算法 首次搭建成功了t a n i m 硬件系统 设计 编写了t a n i m 系统软件 并应用于我国原子时标的测量工作中 在较短的时间内 对t a n i m 系统工作原理的分析 理解是本课题工作的第 一个难点 可称为理论难点 预估铯喷泉钟相对主动型氢钟的频差是本课题的第二个难点 技术难点 预估相对频差首先需要把频率拟合 补偿算法理解透彻 然后在软件中添加许多 的配置文件 算法运行时 程序要从众多的文件中查找并读取 或者写 相应的 数据 由于文件多 数据量大 可能有上万行的数据 数据的格式又不完全统 一 可能某几天没有数据 这将导致算法实现起来非常复杂 要让程序具有很 高的灵活性来应对纷繁复杂的实际情况 根据t a n i m 系统算法软件的要求 软件要具有三大功能 手动控制功能 自动控制功能 p m s 控制图显示功能 怎样才能保证在和我国守时钟房工程师的 有效沟通的基础上 保证这三大功能良好兼容且合理调度 设计出适合t a n i m 系统算法的软件成为了本课题的工作的第三个难点 此外 由于软件需要长时间连续工作 以确保t a n i m 系统算法的连续性 又由于测量的具体情况又十分复杂 如硬件测量结果异常 测量数据缺失 仪器 故障 原子钟的数量调整 计算机内存泄露等 另外软件本身所必需的数据接口 配置文件等都需要精心设计 所以编写程序时要求在保证软件准确执行算法的基 础上 确保软件长时间运行的可靠性 需要充分考虑各类意外情况 因此 复杂 的程序调试和软件测试工作成为了本课题工作的第四个难点 笫2 章时间尺度 第2 章原子时频相关概念及传递方式 本章将对原子时尺度的基本知识进行阐述 首先 介绍几种时间尺度的基本 概念 其次 介绍原子时标和主要特征 然后着重介绍了原子频标的技术指标 最后介绍原子时钟算法的基本概念 2 1 时间尺度的基本概念 在人们的日常生活中 为了要给事件的发生 发展做时间上的标记 就需要 建立相对均匀的 国际统一的时间尺度 对时间的计量既需要计时系统 也需要 精确的时间标准作为保障计时系统的一致性 理论上讲 凡是具有稳定的周期性 的系统都可以作为时钟 用于计时工作 但是如果要用作时间基准 要求则更高 即要求能够长期 稳定地维持其自身的周期运动 时间基准也在随着人类科学技术的进步以及人们对自然和世界的认识而与 时俱进 不断发展着 从某种意义上说 时间尺度的研究史就是人类科学技术的 发展史 在不同历史阶段 人们所采用的时间尺度有着很大的变化 特别是从 2 0 世纪中期开始 时间尺度得到了突破性的发展 经常见到的时间尺度主要有 以下几种啪川 一 世界时 世界时u t 秒定义为 1 秒等于平太阳目的1 8 6 4 0 0 乜别 人类生存的地球就像是个巨大的时钟 人们把太阳连续两次通过地球表面某 一定点的经线所需的时间定为一天 即所谓的 真太阳日 真太阳日的8 6 4 0 0 分之一就是真太阳日的 秒 由于地球公转的速度的不均匀等原因 一年中真 太阳日的长短并不一样 最长的是1 2 月2 3 日 最短的是9 月1 6 日 真太阳日 长短差的最大值达5 1 秒 由于地球自转周期时快时慢 就会影响计量时间的精 度 大约一天内有l 到3 毫秒的误差 为了得到标准的时间 美国天文学家纽康在1 8 8 6 年提出用 平太阳日 来 定义 所谓平太阳是假想有一天体在黄道上移动 不过它的移动速度是均匀的 等于太阳视运动的平均速度 这个假想的天体称为 平太阳 把这个平太阳连 续两次经过同一子午线的时间间隔叫做一个 平太阳日 一平太阳日的8 6 4 0 0 分之 叫做一个 平太阳秒 显然平太阳日定义的秒比真太阳日定义的秒要精 北京工业大学工学硕士学位论文 确得多 尽管如此 由于地球在自转的过程中受潮汐和其他力学因素的影响 其 自转角速度存在着微小的波动 因此 由地球转动给出的时间单位有一定的偏差 其精度约为1 0 一 即约3 年差1 秒 世界时的制定基准是太阳的周日视运动 平 太阳时的制定基准是以太阳周日视运动的平均速度为基础 国际天文学联合会于1 9 2 8 年决定 将由格林威治平子夜起算的平太阳时称 为世界时 简称u t 世界时以日为基本单位 每日的长度会有毫秒级的差异 世界时在1 9 6 0 年以前曾被广泛应用 u t o 是天文台观测到的原始数据 u t i 在u t o 的基础上 消除了地轴摆动的影响 还有一个修正了地球自转速度季节性 变动的u t 2 现在已经不用了 其实u t o u t i u t 2 的差异很小 不超过o 0 3 秒 现在提到的世界时一般指u t l 二 历书时 1 9 5 2 年国际天文协会第八届大会决议在天文年历中采用以地球绕太阳的公 转周期为基准的计时系统一 历书时 据此 1 9 5 6 年国际计量委员会决定 秒 为1 9 0 0 年1 月1 日12 时起算的回归年的1 3 1 5 5 6 9 2 5 9 7 4 7 这一秒定义得到 1 9 6 0 年第十一届国际计量大会的批准 从此 秒的精度提高到1 0 相当于每 3 0 年差1 秒 然而这种依赖天文观察的时标对日常使用很不方便 于是人们发明了用于日 常计时的二级时标 如古代的日暑和刻漏以及近代的机械钟表和石英钟表等 用 来体现具体的世界时 尽管机械钟表和石英钟表的稳定性可以达到很高 但是机 械钟和石英表 一方面由于存在着个体差异 而且易受环境因素的影响 另一方 面由于磨损 老化等原因 都有一定的使用寿命 不能长期稳定地工作 所以机 械钟和石英表都不能代替以地球转动为基础的时间基准 三 脉冲星时间 脉冲星是在1 9 6 7 年被发现的 人们可以通过射电望远镜接收到所发射的周 期稳定的射电脉冲 利用其稳定的频率建立的时间尺度是脉冲星时间尺度 四 原子时 1 9 6 7 年 国际计量大会决定 将铯1 3 3 原子在基态的两个超精细能级结构 间零场跃迁时 辐射频率的9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期的时间间隔为一秒 从此原子秒 取代了平太阳秒 原子钟的准确性己优于l l o 1 4 相当于3 0 万年不差一秒 由此 世界标准时间采用原子时 t a 国际计量局 b i p m 时间部根据遍布全球的各个参加原子时计算的实验室的 原子钟比对数据 用一定的算法计算出国际原子时t a i 并定期公布结果 目前 是每个月公布一次 国际原子时t a i 要求具有良好的准确性和高的长期稳定性 为了达到这个目的 t a i 的数据来自于世界各地的大量的原子钟 并用网络来交 换数据 t a i 是全球约6 0 多个时频实验室共约3 0 0 台自由运转的原子钟进行国 1 0 第2 章时间尺度 际合作的产物 每月初各实验室按规定将有关数据向b i p m 发送 然后b i p m 根据 传送来的这些数据 采用a l g o s 算法计算得到自由原子时e a l e a l 参照原始频 标 进行频率修正后导出t a i 一般时频实验室定期向b i p m 发送数据包括三个 部分 实验室的各个钟数据 k i 与自己的u t c k 的比对数据 k 为实验 室代号 i 为钟序号 时频传递比对数据一该实验室的u t c k 与g p s 卫星钟 的共视 c v 比对数据或卫星双向时频传递 t w s t f t 得到的两个实验室的u t c k 1 与u t c k 2 之间的比对结果 如果在同一基线上两种传递比对方法共存 只报送 t w s t f t 的数据 g p s 数据只作为备份 u t c k 与地方原子时t a k 的比对结果 具有原始基准的实验室还需加报其原始频标的有关数据 b i p b l 通过对这些数据 归算出全世界所有参与合作的原子钟与u t c p t b 的比对结果 最后计算出自由 原子时e a l 对e a l 进行频率修正后导出t a i 五 世界协调时 世界时和原子时是两个独立的时标 尽管地球自转影响了世界时的精度 但 是原子时还是要迁就地球自转为基础的时标 这样才能保证时间与季节的协调一 致 不出现差错 因此就产生了第三种时标 称为世界协调时 u t c u t c 是t a i 作了闰秒的修正后导出的 u t c 采用的时间计量单位仍是原子秒 u t c 与t a i 之间会出现若干整数秒的差别 t a i 是从1 9 5 8 年1 月1 日o 时0 分o 秒开始计时的 在时刻上规定与世界时的平太阳秒超过 0 9 秒时 做1 秒整数 调整 拨快或拨慢1 秒 称为闰秒 闰秒由国际计量局向全世界发出通知 一般 在1 2 月份最后一分钟进行 如果一年内闰1 秒还不够 就在6 月再闰1 秒 到 目前为止由于地球转速越来越慢 都是拨慢1 秒 6 0 秒改为6 1 秒 负闰秒还没 有发生过 航海上一般使用世界协调时 六 g p s 时间 g p s 时间可以看作没有闰秒调整的u t c 时间 并以1 9 8 0 年1 月6 日0 时0 分0 秒为起点 从g p s 时间计算本地时间 需要减去目前累计的闰秒 再加上本 地的时差 七 世界时和原子时的区别 在时间的标度上 存在着两个相互独立的需求 一方面 时间标度能与地球 的自转相吻合 称作天文学需求 另一方面 时间标度的单位是精确的 便于获 得准确的时间 由于地球自转的不均匀性 从这两个需求出发制定的时标会有细 微的差异 世界时 u t l 是基于地球自转的时标 国际原子时 t a i 是基于单 位时间的时标 以 铯 1 3 3 原子能级间跃迁辐射所决定的 称作原子时标 原 子时标的准确度为每日