專利名稱：一種頻率標準遠程校準方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種時間頻率標準的校準方法及其系統，特別涉及一種基于衛星導
航定位系統載波相位對頻率標準進行遠程校準的方法及其系統。
背景技術：
眾所周知，頻率標準是能夠產生標準頻率信號，并用來進行頻率和時間測量的 一種計量裝置。目前，對頻率標準進行校準主要是采用直接測量法，即，將待校準頻 率標準和參考頻率標準放置在同一實驗室，利用測量儀器直接對待校準頻率標準進行校 準。圖1示出了目前常用的幾種頻率標準校準的直接測量方法
1.比相法 圖1A是利用比相法校準頻率標準的原理圖。如圖中所示，待校準頻率標準和參 考頻率標準輸出的頻率信號分別輸入比相儀，然后，比相儀對兩頻率信號進行比對，得 到兩頻率信號的相位差值，從而計算得到頻差及頻率穩定度，由此實現對待校準頻率標 準的校準。 2.雙混頻時差法 圖1B是利用雙混頻時差法校準頻率標準的原理圖。如圖中所示，待校準頻率標 準和參考頻率標準輸出的頻率信號分別輸入雙混頻時差測量儀，雙混頻時差測量儀對兩 頻率標準的頻率信號進行測量，得到兩頻率信號的時差值，從而計算得到頻差及頻率穩 定度，由此實現對待校準頻率標準的校準。
3.時間間隔計數器法 圖1C是利用時間間隔計數器法校準頻率標準的原理圖。如圖中所示，待校準頻 率標準和參考頻率標準輸出的秒脈沖信號分別輸入時間間隔計數器，時間間隔計數器對 兩頻率標準的秒脈沖信號進行測量，得到兩秒脈沖信號的時差值，從而計算得到頻差及 頻率穩定度，由此實現對待校準頻率標準的校準。 上述直接測量方法比較容易實現。但是，這種方法必須將待校準頻率標準與參 考頻率標準放置在同一實驗室內測量，待校準頻率標準必須經過移動及斷電等過程，容 易對待校準頻率標準本身及相關工作產生中斷和不利影響。另外，如果待校準頻率標準 負責維持某地方時標，則斷電后地方時標將中斷，因此直接測量法無法校準時標時刻。
發明內容
為克服上述現有技術中存在的缺陷，本發明的第一個目的是提供一種頻率標準
遠程校準方法，該校準方法實現了對頻率標準的遠程校準，同時還能夠校準頻率標準的 時標時刻、時刻穩定度及頻率穩定度。 本發明的第二個目的是提供一種利用上述方法進行遠程頻率標準校準的系統，
該系統實現了對頻率標準在通電工作狀態下的遠程校準，并且其結構簡單、用戶操作方 便、測量精度高。
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為了實現本發明的上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種頻率標準遠程校準方法，其包括如下步驟 a)將一臺或多臺待校準頻率標準分別作為相應個數的一臺或多臺衛星導航定位系統接收機的時鐘參考； b)利用所述一臺或多臺衛星導航定位系統接收機接收衛星信號，得到衛星導航定位系統載波相位測量數據； c)將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式； d)將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機，進行數據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方程，同時進行參數估計，得到所述接收機的鐘差；以及 e)依據所述接收機的鐘差進行計算，得到待校準頻率標準與衛星導航定位系統的系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對所述一臺或多臺待校準頻率標準的校準。 本發明還提供了一種頻率標準遠程校準方法，其包括如下步驟 a)將一臺或多臺待校準頻率標準和一參考頻率標準分別作為相應個數的衛星導
航定位系統接收機的時鐘參考； b)利用所述衛星導航定位系統接收機分別接收衛星信號，得到衛星導航定位系統載波相位測量數據； C)將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式； d)將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機，進行數據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方程，同時進行參數估計，得到所述接收機的鐘差；以及 e)依據所述接收機的鐘差進行計算，得到一臺或多臺待校準頻率標準和參考頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對所述一臺或多臺待校準頻率標準的校準。 根據本發明的另一個方面，本發明提供了一種頻率標準遠程校準系統，其包括用于接收衛星導航定位系統衛星信號的一臺或多臺接收機；與所述一臺或多臺接收機相連，用作所述一臺或多臺接收機的時鐘參考的相應的一臺或多臺待校準頻率標準；與所述一臺或多臺接收機相連、用于采集所述接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準數據格式的一臺或多臺數據存儲計算機；以及數據處理計算機，該數據處理計算機用于接收所一臺或多臺數據存儲計算機存儲的數據、建立及解算載波相位觀測方程，得到接收機的鐘差，并進一步對所述接收機的鐘差進行比對分析，得到一臺或多臺待校準頻率標準分別與衛星導航定位系統的系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即所述一臺或多臺待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。 本發明還提供了一種頻率標準遠程校準的系統，其包括用于接收衛星導航定位系統衛星信號的參考方接收機；與所述參考方接收機相連，用作所述參考方接收機的時鐘參考的參考頻率標準；用于接收衛星導航定位系統衛星信號的一臺或多臺待校準方接收機；與所述一臺或多臺待校準方接收機相連，用作所述一臺或多臺待校準方接收機的時鐘參考的一臺或多臺待校準頻率標準；與所述參考方接收機相連、用于采集所述參考方接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準數據格式的參考方數據存儲計算機；與所述一臺或多臺待校準方接收機相連、用于采集所述一臺或多臺待校準方接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準數據格式的一臺或多臺待校準方數據存儲計算機；以及數據處理計算機，所述數據處理計算機用于接收所述參考方數據存儲計算機、待校準方數據存儲計算機存儲的數據、建立及解算載波相位觀測方程，得到所述參考方、待校準方接收機的鐘差，并進一步對所述接收機的鐘差進行比對分析，得到待校準頻率標準與參考頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。 本發明基于衛星導航定位系統的載波相位進行頻率校準，其利用參考頻率標準或者衛星導航定位系統的系統時作為校準參考，無需將待校準頻率標準和參考方放置在同一實驗室即可實現對待校準頻率標準的遠程校準。同時，由于在校準時無需將待校準頻率標準斷電，其時標能夠連續運行，因此該方法能夠校準時標時刻，時刻穩定等直接測量法不能校準的項目。另外，該方法基于衛星導航定位系統載波相位測量技術進行校準，其校準精度較高，時差穩定度可控制在亞ns級，相對于頻率差測量不確定度可以達到2X10-15量級/天。 本發明的頻率標準校準系統結構簡單，不需采用時間間隔計數器等直接法測量儀器，只需在待校準方或待校準方和參考方分別設置具有衛星導航定位系統載波相位觀測能力的接收機，并將待校準頻率標準或待校準頻率標準和參考頻率標準分別作為一臺接收機的時鐘參考，通過計算待校準方接收機時鐘與衛星導航定位系統的系統時或者參考方接收機時鐘的時差，進而計算得到接收機與參考方的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。因此，該校準系統結構簡單、操作方便。
圖1A是利用比相法校準頻率標準的原理圖； 圖1B是利用雙混頻時差法校準頻率標準的原理圖； 圖1C是利用時間間隔計數器法校準頻率標準的原理圖； 圖2是根據本發明的頻率標準遠程校準系統的第一優選實施方式的結構示意圖； 圖3是根據本發明的頻率標準遠程校準系統的第二優選實施方式的結構示意圖； 圖4是根據本發明的頻率標準遠程校準方法的第一優選實施方式的流程圖； 圖5是根據本發明的頻率標準遠程校準方法的第二優選實施方式的流程圖；以及 圖6是根據本發明的頻率標準遠程校準方法進行校準時的時差觀測值。 附圖標記 201GPS接收機；202待校準頻率標準； 203數據存儲計算機；204數據處理計算機； 301參考方GPS接收機；302待校準方GPS接收機；
303參考頻率標準；304待校準頻率標準； 305參考方數據存儲計算機；306待校準方數據存儲計算機；
307數據處理計算機。
具體實施例方式
下面將參照附圖對本發明的優選實施方式進行詳細說明。 本發明提供了一種頻率標準遠程校準方法，在其第一優選實施方式中，其包括如下步驟 步驟1 :將一臺或多臺待校準頻率標準分別作為相應個數的一臺或多臺衛星導航定位系統接收機的時鐘參考； 步驟2:利用所述一臺或多臺衛星導航定位系統接收機接收衛星信號，得到衛星導航定位系統載波相位測量數據； 步驟3 :將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式； 步驟4 :將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機，進行數據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方程，同時進行參數估計，得到所述接收機的鐘差；以及 步驟5:依據所述接收機的鐘差進行計算，得到待校準頻率標準與衛星導航定位系統的系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對所述一臺或多臺待校準頻率標準的校準。 在本實施方式中，衛星導航定位系統可為任何衛星導航系統，可以為但不限于GPS(全球定位系統)、GLONASS(Global Navigation Satellite System,全球衛星導航系統)、COMPASS(北斗衛星定位系統)、Galileo(伽利略)全球衛星定位系統等衛星導航系統，在本實施方式中，優選采用GPS。 為利用本發明的上述方法實現對頻率標準的遠程校準，本發明提供了一種頻率標準遠程校準系統，其包括用于接收衛星導航定位系統衛星信號的一臺或多臺接收機；與所述一臺或多臺接收機相連，用作所述一臺或多臺接收機的時鐘參考的相應的一臺或多臺待校準頻率標準；與所述一臺或多臺接收機相連、用于采集所述接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準數據格式的一臺或多臺數據存儲計算機；以及數據處理計算機，所述數據處理計算機用于接收所述一臺或多臺數據存儲計算機存儲的數據、建立及解算載波相位觀測方程，得到接收機的鐘差，并進一步對所述接收機的鐘差進行比對分析，得到一臺或多臺待校準頻率標準分別與衛星導航定位系統的系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即所述一臺或多臺待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。 圖2示出了上述頻率標準遠程校準系統的第一優選實施方式。該遠程校準系統包括用于接收衛星導航定位系統的衛星信號的GPS接收機201 ;與該GPS接收機201相連，用作該GPS接收機201的時鐘參考的待校準頻率標準202 ;與該GPS接收機201相連、用于接收GPS接收機201的觀測數據并將觀測數據存儲為標準數據格式的數據存儲計算機203;以及數據處理計算機204，該數據處理計算機204用于接收數據存儲計算機203存儲的數據、建立及解算載波相位觀測方程，從而得到接收機的鐘差，并進一步對接
9收機的鐘差進行分析，得到待校準頻率標準202與衛星導航定位系統的系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。由此完成對待校準頻率標準的校準。 在本實施方式中，數據處理計算機204可以直接與數據存儲計算機203相連以接收其數據；也可通過網絡傳輸的方式接收數據存儲計算機203存儲的數據，該網絡傳輸方式可以為但不限于FTP、 email等傳輸方式，在本實施方式中，優選采用由數據存儲計算機203向數據處理計算機204發送email的方式傳輸數據。 在本實施方式中，當進行遠程校準時，傳輸線路及器件的延遲需要使用相應的儀器進行測定，可以為但不限于網絡分析儀，并且，測定結果會在最終的校準結果中進行補償。 對于不同的衛星導航定位系統，載波頻段不同，能夠觀測該衛星導航定位系統的載波相位和偽隨機碼信號的接收機也不同。在本實施方式中，衛星導航定位系統優選采用GPS系統，接收機優選采用能夠觀測GPS Ll和L2載波相位和偽隨機碼信號的GPS接收機。依據本發明，對于采用其它衛星導航定位系統的實施方式，本領域技術人員經過簡單變換就能夠實施，在此不作詳細描述。在本實施方式中，GPS接收機201可以為但不限于測地型接收機、雙頻接收機，在本實施方式中，優選的GPS接收機201為GPS雙頻多通道測地型接收機。
待校準頻率標準202為頻率標準或者時間頻率標準，可以為但不限于原子鐘、原子鐘組、晶振、GPS控制的銣鐘或晶振等，在本實施方式中，優選的待校準頻率標準202為氫原子鐘或銫原子鐘。 GPS接收機201與待校準頻率標準202相連，待校準頻率標準202的時標信號和頻標信號輸入GPS接收機201以作為該GPS接收機201的時鐘參考，在本實施方式中，優選的時標信號為待校準頻率標準202的1PPS時標信號；優選的頻標信號為待校準頻率標準202的5M或者10M頻率信號。 在本實施方式中，GPS接收機201間隔一定時間接收一次衛星信號，該時間間隔為數據采集間隔，該數據采集間隔包括長度為整數秒的時間，可以為但不限于30s。
數據處理計算機204接收數據存儲計算機203存儲的數據并進行數據處理、建立載波相位方程，并求解GPS接收機201鐘差。在本實施方式中，為求解鐘差，數據處理計算機204處理數據的時間間隔為數據處理間隔，該數據處理間隔為數據采集間隔的整數倍。 圖4示出了利用上述頻率標準校準系統進行遠程校準的流程圖，其包括如下步驟 步驟1 :將待校準頻率標準202作為一臺GPS接收機201的時鐘參考。具體是將待校準頻率標準202的時標信號和頻標信號輸入GPS接收機201，并作為該GPS接收機201的時鐘參考，在本實施方式中，優選地將待校準頻率標準202的1PPS時標信號和5M或者10M頻率信號輸入GPS接收機201以作為該GPS接收機201的時鐘參考。
步驟2: GPS接收機201接收GPS衛星信號，從而得到載波相位測量數據。在本實施方式中，具體方法是利用載波相位測量方法測定GPS載波信號在傳播路徑上的相位變化值，以確定載波信號傳播的距離。在進行載波相位測量時，衛星S發出一個波長為
10已知值A的載波信號，在任意時刻t，其在衛星S處的相位為^ ，經過距離P，載波信號 傳播到接收機K處時的相位為條。為方便計算，載波相位均以周數為單位。則由S至K， 載波信號的相位變化為《ft-魏)，其中，既包括相位變化的整周數，也包括不足一周的小
數部分。根據這種方法，如果能測定《魯-g)，則衛星S至接收機K的距離P即為
其中，N。為載波信號在t時刻的相位變化值(^-ft)的整周數部分，即整周模糊 度，A伊為(A - A)中不足一個周期的小數部分。 在實際應用中，由于無法測得載波信號在衛星S處的相位化，因此，在本實施方 式中，接收機能夠產生一個頻率和初相與第i顆GPS衛星載波信號完全相同的基準信號， 則在任一時刻t，接收機基準信號的相位即為衛星上載波信號的相位。 根據上述方法，接收機能夠得到時刻t時第i顆GPS衛星的載波信號，由于載波 信號是一種周期性的正弦信號，實際相位測量中無法測定整周模糊度N。，只能測定不足 一周的小數部分。而且由于電離層、對流層、固體潮、相對論效應等誤差，電纜、轉接 頭、接收機、天線等延遲量，接收機噪聲以及多路徑效應等影響，通過整周跳檢測和模 糊度確定后，當用載波相位觀測量作觀測時，以米為單位的載波相位觀測方程為 A①丫t)入=R'(t)+入W+Cd t '(t)-Cd t t(t)-d P lon+d P加p+Vo+dM其中，
A①乂t)為接收站和第i顆GPS衛星之間在時刻t的載波滯后相位觀測值；
R乂t)為接收站和第i顆GPS衛星之間在時刻t的幾何距離；
C為光速； A為GPS信號的載波波長； W為接收站在時刻t至第i顆GPS衛星的載波相位滯后整周數，即，整周模糊 度； d t t(t)為GPS信號接收機的時鐘相對于GPS系統時的偏差；
d t切為第i顆GPS衛星的時鐘相對于GPS系統時的偏差；
dP ron為電離層引起的傳輸延遲；
dP trop為對流層引起的傳輸延遲；
V。為接收機測量噪聲；
dM為多路徑誤差。 步驟3 :將載波相位測量數據存儲為標準數據格式。在本實施方式中，具體是 數據存儲計算機203接收GPS接收機201的載波相位測量數據，并將載波相位測量數據 存儲為在GPS測量應用中普遍適用的標準數據格式。該標準數據格式可以為但不限于 RINEX(Receiver Independent Exchange Format,與接收機無關的交換格式)。
步驟4 :將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送至數據處理計算機 204，進行數據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方 程，同時進行參數估計，得到GPS接收機201的鐘差。在本實施方式中，數據處理計算 機204可以直接與數據存儲計算機203相連以接收其數據；也可通過網絡傳輸的方式接收 數據存儲計算機203存儲的數據，該網絡傳輸方式可以為但不限于FTP、 email等傳輸方
11式，在本實施方式中，優選采用由數據存儲計算機203向數據處理計算機204發送email 的方式傳輸數據。 該步驟具體是首先，將數據存儲計算機203傳送的存儲為RINEX文件的載波 相位測量數據匯總，并將RINEX文件的格式統一為與年份有關的數據格式氣xxo，并且下 載相應的IGS(國際全球導航衛星系統服務)星歷文件以及相應的太陽、月球、utl、閏秒 等歷表文件。在本實施方式中，xx對應著相應的年份，例如2008年為*.08o， 2009年為 *.09o。再次，對誤差建模補償，其包括對電離層、對流層、sagnac(薩格納克)效應、
天線坐標、星歷及GPS衛星軌道偏心率造成的相對論修正等誤差的補償。然后，延遲測定扣除，包括對線纜及小型器件延遲、天線延遲和接收機內部延
遲等延遲的測定扣除。 最后，建立載波相位觀測方程，并利用GPS測地分析軟件進行載波相位觀測方 程解算，同時進行未知參數的估計，得到GPS接收機201的鐘差值。在本實施方式中， 未知參數包括整周模糊度和GPS接收機鐘差。對上述未知參數具體的估計方法為在單 差觀測方程中利用最小二乘法得到浮點模糊度，將其轉換為雙差浮點模糊度后，在雙差 觀測方程中利用LAMBDA方法進行整周模糊度固定，得到整周模糊度；根據得到的整周 模糊度值在單差觀測方程中利用Kalman濾波方法計算得到最終的GPS接收機鐘差。
依據本步驟中上述方法的描述，根據觀測時刻的不同，能夠得到多個載波相位 觀測方程，從而建立未知參數為GPS接收機鐘差以及整周模糊度的觀測方程組。經過對 方程組的解算，最終得到GPS接收機時鐘與GPS系統時間的偏差值，經過時間頻率相關 計算可得到最終接收機參考鐘的時差、頻差和穩定度。具體是利用GPS測地分析軟件進 行載波相位觀測方程解算，得到GPS接收機201的鐘差Atl， i = 1……n。
步驟5 :該GPS接收機201的鐘差即為待校準頻率標準202的時差，然后根據時 差計算時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對待校準頻率標準202 的校準。具體計算方法是 準202的時刻偏差
將錢
待校準頻率標準202的時差值取平均后就是待校準頻率標<formula>formula see original document page 12</formula>
將待校準頻率標準202的時差值進行線性擬合后，斜率為待校準頻率標準202的 頻差值，即待校準頻率標準202的頻率偏差，利用待校準頻率標準202的時差值計算其標 準偏差值，此即待校準頻率標準202的時刻穩定度<formula>formula see original document page 12</formula> 利用待校準頻率標準202的時差值計算相應的采樣間隔的Allan標準偏差值即待 校準頻率標準202的頻率穩定度
<formula>formula see original document page 13</formula>其中，t為采樣間隔 在本實施方式中，采樣間隔為數據處理間隔的整數倍。另外，在解算過程中， 使用到的包含衛星鐘偏差校正值及衛星在軌精密位置值等信息的IGS精密星歷由IGS網站提供。 在計算得到待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度、以及頻率穩 定度后，這些數據即為對頻率標準校準的結果，由此完成對待校準頻率標準的校準。
本發明提供了一種頻率標準遠程校準方法，在其第二優選實施方式中，其包括 如下步驟 a)將一臺或多臺待校準頻率標準和參考頻率標準分別作為相應個數的衛星導航 定位系統接收機的時鐘參考； b)利用所述衛星導航定位系統接收機分別接收衛星信號，從而得到載波相位測 量數據； c)采集載波相位測量數據并將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式；
d)將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機，進行數 據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方程，同時進 行參數估計，得到所述接收機的鐘差；以及 e)依據所述接收機的鐘差進行計算，得到一臺或多臺待校準頻率標準和參考頻 率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對所述一臺或多臺 待校準頻率標準的校準。 利用本發明的上述方法實現對頻率標準的遠程校準，本發明提供了一種頻率標 準遠程校準系統，其包括用于接收衛星導航定位系統衛星信號的參考方接收機；與所述 參考方接收機相連，用作所述參考方接收機的時鐘參考的參考頻率標準；用于接收衛星 導航定位系統衛星信號的一臺或多臺待校準方接收機；與所述一臺或多臺待校準方接 收機相連，用作所述一臺或多臺待校準方接收機的時鐘參考的一臺或多臺待校準頻率標 準；與所述參考方接收機相連、用于采集所述參考方接收機的觀測數據并將所述觀測數 據存儲為標準數據格式的參考方數據存儲計算機；與所述一臺或多臺待校準方接收機相 連、用于采集所述一臺或多臺待校準方接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準 數據格式的一臺或多臺待校準方數據存儲計算機；以及數據處理計算機，所述數據處理 計算機用于接收所述參考方數據存儲計算機、待校準方數據存儲計算機存儲的數據、建 立及解算載波相位觀測方程，得到所述參考方、待校準方接收機的鐘差，并進一步對所 述接收機的鐘差進行比對分析，得到待校準頻率標準與參考頻率標準的時刻偏差、頻率 偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定 度和頻率穩定度。 在本發明的頻率標準遠程校準系統的第二優選實施方式中，該頻率標準遠程校 準系統包括用于接收衛星導航定位系統的衛星信號的參考方接收機和待校準方接收 機；與參考方接收機相連，用作該參考方接收機的時鐘參考的參考頻率標準；與待校準 方接收機相連，用作該待校準方接收機的時鐘參考的待校準頻率標準；與參考方接收機 相連、用于采集該參考方接收機的觀測數據并將觀測數據存儲為標準數據格式的參考方數據存儲計算機；與待校準方接收機相連、用于采集該待校準方接收機的觀測數據并將 觀測數據存儲為標準數據格式的待校準方數據存儲計算機；以及數據處理計算機，該數 據處理計算機用于接收參考方、待校準方數據存儲計算機存儲的數據、建立載波相位觀 測方程并對該載波相位觀測方程進行解算，從而分別得到該參考方、待校準方接收機與 衛星導航定位系統的系統時的鐘差，并進一步對兩個接收機的鐘差進行比對分析，得到 待校準頻率標準與參考頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即 待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，這些數據即為對待 校準頻率標準校準的結果，由此完成對待校準頻率標準的校準。 在本實施方式中，衛星導航定位系統優選采用GPS系統，接收機優選采用能夠 觀測GPS LI和L2載波相位和偽隨機碼信號的GPS接收機。對于采用其它衛星導航定位 系統的實施方式，經過簡單變換就能夠實施，在此不作詳細描述，圖3為該實施方式的 示意圖。如圖中所示，該頻率標準遠程校準系統包括用于接收衛星導航定位系統的衛 星信號的參考方GPS接收機301和待校準方GPS接收機302 ;與參考方GPS接收機301 相連，用作該參考方GPS接收機301的時鐘參考的參考頻率標準303 ;與待校準方GPS 接收機302相連，用作該待校準方GPS接收機302的時鐘參考的待校準頻率標準304 ;與 參考方GPS接收機301相連、用于接收該參考方GPS接收機301的觀測數據并將觀測數 據存儲為標準數據格式的參考方數據存儲計算機305 ;與待校準方GPS接收機302相連、 用于接收該待校準方GPS接收機302的觀測數據并將觀測數據存儲為標準數據格式的待 校準方數據存儲計算機306 ;以及數據處理計算機307，該數據處理計算機307用于接收 參考方、待校準方數據存儲計算機305、 306存儲的數據、建立載波相位觀測方程并對該 載波相位觀測方程進行解算，從而分別得到該參考方、待校準方GPS接收機301、 302與 GPS系統時的鐘差，并進一步對兩個接收機的鐘差進行比對分析，得到待校準頻率標準 304與參考頻率標準303的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即待校準準 頻率標準304的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，這些數據即為對待校 準頻率標準304校準的結果，由此完成對待校準頻率標準的校準。 在本實施方式中，數據處理計算機307可以直接與參考方、待校準方數據存儲 計算機305、 306相連以接收其數據；也可通過網絡傳輸的方式接收參考方、待校準方數 據存儲計算機305、 306存儲的數據，該網絡傳輸方式可以為但不限于FTP、 email等傳輸 方式，在本實施方式中，優選采用由參考方、待校準方數據存儲計算機305、 306向數據 處理計算機307發送email的方式傳輸數據。 在本實施方式中，當進行遠程校準時，傳輸線路及器件的延遲需要使用相應的 儀器進行測定，可以為但不限于網絡分析儀，并且，測定結果會在最終的校準結果中進 行補償。 在本實施方式中，參考方GPS接收機301、待校準方GPS接收機302能夠觀測 GPSL1和L2載波相位和偽隨機碼信號，它們可以為但不限于測地型接收機、雙頻接收 機，在本實施方式中，優選的參考方GPS接收機301、待校準方GPS接收機302分別為 GPS雙頻多通道測地型接收機。 參考頻率標準303可以為任何國家、地方、行業或部門的時間頻率基準，可以 為但不限于原子鐘、原子鐘組、晶振、GNSS控制的銣鐘或晶振等，在本實施方式中，優
14選的參考頻率標準303為氫原子鐘或銫原子鐘。 待校準頻率標準304為頻率標準或者時間頻率標準，可以為但不限于原子鐘、 原子鐘組、晶振、GNSS控制的銣鐘或晶振等，在本實施方式中，優選的待校準頻率標準 304為氫原子鐘或銫原子鐘。 參考方GPS接收機301、待校準方GPS接收機302分別與參考頻率標準303和 待校準頻率標準304相連，兩頻率標準的時標信號和頻標信號分別輸入相應的接收機以 作為該接收機的時鐘參考，在本實施方式中，優選地將兩頻率標準的1PPS信號和5M或 10M頻率信號輸入相應的接收機以作為該接收機的時鐘參考。 在本實施方式中，接收機間隔一定時間接收一次衛星信號，該時間間隔為數據 采集間隔，該數據采集間隔包括長度為整數秒的時間，可以為但不限于30s。
數據處理計算機接收數據存儲計算機存儲的數據并進行數據處理、建立載波相 位方程，并求解參考方GPS接收機301和待校準方GPS接收機302的鐘差。在本實施方 式中，為求解鐘差，數據處理計算機處理數據的時間間隔為數據處理間隔，該數據處理 間隔為數據采集間隔的整數倍。 圖5示出了利用上述頻率標準校準系統的第二優選實施方式進行遠程校準的流 程圖，包括如下步驟 步驟1 :將待校準頻率標準304和參考頻率標準303分別作為一臺GPS接收機 的時鐘參考。具體是將參考頻率標準303和待校準頻率標準304的時標信號和頻標信號 分別輸入參考方GPS接收機301、待校準方GPS接收機302并作為相應接收機的時鐘參 考，在本實施方式中，優選地將兩頻率標準的1PPS信號和5M或10M頻率信號輸入相應 的接收機以作為該接收機的時鐘參考。 步驟2:參考方、待校準方GPS接收機301、 302分別接收GPS衛星信號，從而 得到載波相位測量數據。在本實施方式中，參考方、待校準方GPS接收機301、 302得 到載波相位測量數據的方法與頻率標準校準系統的第一優選實施方式中的GPS接收機201 得到載波相位測量數據的方法原理相同，在此不作重復描述。在本實施方式中，該步驟 可以按照第一優選實施方式中的GPS接收機201得到載波相位測量數據的方法實施。
步驟3 :將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式。在本實施方式中，具 體是參考方數據存儲計算機305和待校準方數據存儲計算機306分別接收參考方GPS接 收機301、待校準方GPS接收機302的載波相位測量數據，并將載波相位測量數據存儲為 在GPS測量應用中普遍適用的標準數據格式，該標準數據格式可以為但不限于RINEX數 據格式。 步驟4 :將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機 307，進行數據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方 程，同時進行參數估計，得到雙方GPS接收機的鐘差。該步驟具體是首先，將參考方 數據存儲計算機305和待校準方數據存儲計算機306存儲為RINEX文件的載波相位測量 數據匯總，并將RINEX文件的格式統一為與年份有關的數據格式氣xxo，并且下載相應的 IGS星歷文件以及相應的太陽、月球、utl、閏秒等歷表文件。再次，對誤差建模補償，其包括對電離層、對流層、sagnac效應、天線坐標、 星歷及GPS衛星軌道偏心率造成的相對論修正等誤差的補償。
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然后，延遲測定扣除，包括對線纜及小型器件延遲、天線延遲和接收機內部延 遲等延遲的測定扣除。 最后，建立載波相位觀測方程，并利用GPS測地分析軟件進行載波相位觀測方 程解算，同時進行未知參數的估計，得到參考方GPS接收機301和待校準方GPS接收機 302的鐘差值。在本實施方式中，未知參數包括GPS接收機鐘差和整周模糊度。具體的 求解過程為在單差觀測方程中利用最小二乘法得到浮點模糊度，轉換為雙差浮點模糊 度后，在雙差觀測方程中利用LAMBDA方法進行模糊度固定，得到整周模糊度；再根據 得到的整周模糊度值在單差觀測方程中利用Kalman濾波方法計算得到最終的GPS接收機 鐘差。 依據本步驟中上述方法的描述，根據觀測時刻的不同，得到多個載波相位觀測 方程，從而建立未知參數為觀測站時鐘偏差以及整周模糊度的觀測方程組。經過對方程 組的解算，最終可分別得到兩接收機301、 302的時鐘與GPS系統時間的偏差值，經過 時間頻率相關計算可得到最終兩接收機參考鐘的時鐘差、頻率差和穩定度。具體是利 用GPS測地分析軟件進行載波相位觀測方程解算，得到參考方GPS接收機301的鐘差 At,， i = 1……n，以及待校準方GPS接收機302的鐘差At,， i = 1……n。
步驟5 :依據參考方GPS接收機301和待校準方GPS接收機302的鐘差進行計 算，得到待校準頻率標準304的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而 完成對待校準頻率標準的校準。本步驟中具體的計算方法是將參考方GPS接收機301和待校準方GPS接收機 302的鐘差值作差可得到雙方頻率標準的時差值，即待校準頻率標準304的時差
a )2 = a《2 —《1 ， f = 1 ….， 將待校準頻率標準304的時差取平均就是待校準頻率標準304的時刻偏差
將錢
待校準頻率標準304的時差值進行線性擬合后，斜率為待校準頻率標準304的
頻差值，即待校準頻率標準304的頻率偏差；利用雙方頻率標準的時差值計算其標準偏 差值，此即待校準頻率標準304的時刻穩定度
Ar2 —-
II—1 利用雙方頻率標準的時差值計算相應的采樣間隔的Allan標準偏差值，此即待校 準頻率標準304的頻率穩定度
1
2駆'
靜
)2,附="-2 ，H:屮，t為采樣間隔在本實施方式中，采樣間隔為數據處理間隔的整數倍。另外，在解算過程中， 使用到的包含衛星鐘偏差校正值及衛星在軌精密位置值等信息的IGS精密星歷由IGS網站
16提供。 在計算得到待校準頻率標準304的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度、以及頻 率穩定度后，這些數據即為對頻率標準校準的結果，由此完成對待校準頻率標準304的 校準。 根據上述方法對頻率標準進行校準，得到的校準精度較高，圖3示出了根據本 方法進行校準時的時差觀測值，由圖中可見，根據本發明的校準方法進行頻率標準校 準，時差穩定度可控制在亞ns級，相對于頻率差測量不確定度可以達到2X10-15/天量 級。 除上述兩個優選實施方式外，本發明的校準系統亦可實施為將多臺待校準頻率 標準分別作為相應個數的多臺GPS接收機的時鐘參考的第三優選實施方式(附圖中未示 出)，在該第三優選實施方式中，待校準頻率標準為兩臺或兩臺以上。其中，每臺待校準 頻率標準分別作為一臺GPS接收機的時鐘參考，各數據存儲計算機將各個GPS接收機觀 測的載波相位測量數據傳輸至數據處理計算機，該數據處理計算機建立載波相位觀測方 程，并同時進行參數估計，對所有載波相位觀測方程同步進行解算，得到各臺GPS接收 機的鐘差，然后依據GPS接收機的鐘差進行計算，同步得到各臺待校準頻率標準和GPS 系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對各臺待校準頻率 標準的同步校準。另外，在該第三優選實施方式中，還可以具有一臺參考頻率標準，該 參考頻率標準與每臺待校準頻率標準分別作為一臺GPS接收機的時鐘參考，各數據存儲 計算機將各個GPS接收機觀測的載波相位測量數據傳輸至數據處理計算機，該數據處理 計算機建立載波相位觀測方程，并同時進行參數估計，對所有載波相位觀測方程同步進 行解算，得到各臺GPS接收機的鐘差，然后依據GPS接收機的鐘差進行計算，同步得 到多臺待校準頻率標準與參考頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定 度，從而完成對多臺待校準頻率標準的同步校準。因此，根據本第三優選實施方式，可 以同步對多臺頻率標準進行遠程校準，校準效率得到明顯提高。 以上所披露的僅為本發明的優選實施例，當然不能以此來限定本發明的權利保 護范圍。可以理解，依據本發明所附權利要求中限定的實質和范圍所作的等同變化，仍 屬于本發明所涵蓋的范圍。
權利要求
一種頻率標準遠程校準方法，其特征在于，包括如下步驟a)將一臺或多臺待校準頻率標準分別作為相應個數的一臺或多臺衛星導航定位系統接收機的時鐘參考；b)利用所述一臺或多臺衛星導航定位系統接收機接收衛星信號，得到衛星導航定位系統載波相位測量數據；c)將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式；d)將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機，進行數據預處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方程，同時進行參數估計，得到所述接收機的鐘差；以及e)依據所述接收機的鐘差進行計算，得到待校準頻率標準與衛星導航定位系統的系統時的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對所述一臺或多臺待校準頻率標準的校準。
2. —種頻率標準遠程校準方法，其特征在于，包括如下步驟a) 將一臺或多臺待校準頻率標準和參考頻率標準分別作為相應個數的衛星導航定位 系統接收機的時鐘參考；b) 利用所述衛星導航定位系統接收機分別接收衛星信號，從而得到衛星導航定位系 統載波相位測量數據；C)將所述載波相位測量數據存儲為標準數據格式；d) 將存儲為標準數據格式的載波相位測量數據傳送到數據處理計算機，進行數據預 處理、誤差建模及補償、延遲測定及扣除，建立并解算載波相位觀測方程，同時進行參 數估計，得到所述接收機的鐘差；以及e) 依據所述接收機的鐘差進行計算，得到一臺或多臺待校準頻率標準和參考頻率標 準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，從而完成對所述一臺或多臺待校 準頻率標準的校準。
3. 如權利要求1或2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述衛星導航定位 系統包括GPS系統、GLONASS系統、COMPASS系統、Galileo系統。
4. 如權利要求1或2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述衛星導航定位 系統為GPS系統。
5. 如權利要求1所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，在a步驟中，所述衛星 導航定位系統接收機的時鐘參考包括所述待校準頻率標準的時標信號和頻標信號。
6. 如權利要求2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，在a步驟中，所述衛星 導航定位系統接收機的時鐘參考包括所述待校準頻率標準或參考頻率標準的時標信號和 頻標信號。
7. 如權利要求4、 5或6之一所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述時標 信號包括1PPS信號；所述頻標信號包括頻率為5M或10M的頻率信號。
8. 如權利要求1或2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，在c步驟中，將所 述載波相位測量數據存儲為RINEX格式的數據文件。
9. 如權利要求1或2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述d步驟進一步 包括dl)數據預處理，將一臺或者多臺衛星導航定位系統接收機的載波相位測量數據匯 總，并將所述一臺或者多臺接收機的RINEX文件的格式統一為與年份有關的數據格式 *.xxo，并且下載相應的包括IGS星歷文件以及相應的太陽、月球、utl(—類世界時)、閏 秒歷表文件；d2)誤差建模補償，包括對電離層、對流層、sagnac(薩格納克)效應、天線坐標、星 歷及衛星導航定位系統衛星軌道偏心率造成的相對論修正等誤差的建模補償；d3)延遲測定扣除，包括對線纜及小型器件延遲、天線延遲和接收機內部延遲等延遲 的測定扣除；以及d4)建立載波相位觀測方程，利用測地分析軟件進行載波相位觀測方程解算，同時進 行未知參數的估計，得到所述一臺或者多臺接收機的鐘差值。
10. 如權利要求9所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述dl步驟進中的數 據格式氣xxo，其中，xx對應著相應的年份。
11. 如權利要求1所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述e步驟進一步包括el)將接收機的鐘差值作為待校準頻率標準與衛星導航定位系統系統時的時差值，即 待校準頻率標準的時差值，將待校準頻率標準的時差值取平均后就是待校準頻率標準的 時刻偏差；e2)將時差值進行線性擬合，得到待校準頻率標準的頻差值，即為待校準頻率標準的 頻率偏差；e3)利用時差值計算其標準偏差值，得到待校準頻率標準的時刻穩定度； e4)利用時差值計算相應采樣間隔的Allan(阿倫)標準偏差值，得到待校準頻率標準 的頻率穩定度。
12. 如權利要求11所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述e步驟中待校準 頻率標準的時刻偏差計算公式為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Atl為待校準頻率標準的時差值；待校準頻率標準的時刻穩定度計算公式為待校準頻率標準的頻率穩定度計算公式為<formula>formula see original document page 3</formula>
13.如權利要求2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述e步驟進一步包 el)取兩臺接收機的鐘差值的差值，從而得到待校準頻率標準與參考頻率標準的時差值，即待校準頻率標準的時差值，將待校準頻率標準的時差值取平均后就是待校準頻率 標準的時刻偏差；e2)將時差進行線性擬合，得到待校準頻率標準的頻差值，即為待校準頻率標準的頻 率偏差；e3)利用時差值計算其標準偏差值，得到待校準頻率標準的時刻穩定度； e4)利用時差值計算相應采樣間隔的Allan標準偏差值，得到待校準頻率標準的頻率 穩定度。
14.如權利要求13所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述e步驟中待校準 頻率標準的時差計算公式為 <formula>formula see original document page 4</formula>待校準頻率標準時刻偏差的計算公式為 待校準頻率標準時刻穩定度的計算公式為<formula>formula see original document page 4</formula>待校準頻率標準頻率穩定度的計算公式為<formula>formula see original document page 4</formula>
15. 如權利要求1或2所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述接收機接收 衛星導航定位系統的衛星信號的數據采集間隔包括間隔為30s。
16. 如權利要求1、 2或15之一項所述的頻率標準遠程校準方法，其特征在于，所述 數據處理計算機處理數據時的數據處理間隔為所述數據采集間隔的整數倍。
17. —種利用權利要求1所述的校準方法進行頻率標準遠程校準的系統，其特征在 于，包括用于接收衛星導航定位系統衛星信號的一臺或多臺接收機；與所述一臺或多臺接收機相連，用作所述一臺或多臺接收機的時鐘參考的相應的一 臺或多臺待校準頻率標準；與所述一臺或多臺接收機相連、用于接收所述接收機的觀測數據并將所述觀測數據 存儲為標準數據格式的一臺或多臺數據存儲計算機；以及數據處理計算機，所述數據處理計算機用于接收所述一臺或多臺數據存儲計算機存 儲的數據、建立及解算載波相位觀測方程，得到接收機的鐘差，并進一步對所述接收機 的鐘差進行分析，得到一臺或多臺待校準頻率標準分別與衛星導航定位系統的系統時的 時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即所述一臺或多臺待校準頻率標準的 時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。
18. —種利用權利要求2所述的校準方法進行頻率標準遠程校準的系統，其特征在于，包括用于接收衛星導航定位系統衛星信號的參考方接收機；與所述參考方接收機相連，用作所述參考方接收機的時鐘參考的參考頻率標準；用于接收衛星導航定位系統衛星信號的一臺或多臺待校準方接收機；與所述一臺或多臺待校準方接收機相連，用作所述一臺或多臺待校準方接收機的時鐘參考的一臺或多臺待校準頻率標準；與所述參考方接收機相連、用于接收所述參考方接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準數據格式的參考方數據存儲計算機；與所述一臺或多臺待校準方接收機相連、用于接收所述一臺或多臺待校準方接收機的觀測數據并將所述觀測數據存儲為標準數據格式的一臺或多臺待校準方數據存儲計算機；以及數據處理計算機，所述數據處理計算機用于接收所述參考方數據存儲計算機、待校準方數據存儲計算機存儲的數據、建立及解算載波相位觀測方程，得到所述參考方、待校準方接收機的鐘差，并進一步對所述參考方、待校準方接收機的鐘差進行比對分析，得到待校準頻率標準與參考頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度，即待校準頻率標準的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。
19. 如權利要求17或18所述的頻率標準遠程校準系統，其特征在于，所述接收機為能夠觀測衛星導航定位系統的載波相位和偽隨機碼信號的接收機。
20. 如權利要求17-19之一項所述的頻率標準遠程校準系統，其特征在于，所述接收機為能夠觀測GPS Ll和L2載波相位和偽隨機碼信號的GPS雙頻多通道測地型接收機。
全文摘要
本發明公開了一種頻率標準遠程校準方法及其系統，克服了現有技術中需要將待校準頻率標準斷電、并與參考方放置在同一實驗室內測量的缺陷。本發明的校準方法利用參考頻率標準或衛星導航定位系統的系統時作為參考方，無需將待校準頻率標準和參考方放置在同一實驗室即可實現對待校準頻率標準的遠程校準。該方法校準精度較高，能夠校準時標時刻、時刻穩定度等直接測量法不能校準的項目。本發明的校準系統在待校準方或待校準方和參考方各設置一臺接收機，并將各頻率標準分別作為相應接收機的時鐘參考，通過計算待校準方接收機時鐘與參考方的鐘差，進而得到接收機與參考方的時刻偏差、頻率偏差、時刻穩定度和頻率穩定度。因此，該校準系統結構簡單、操作方便。
文檔編號G01S5/02GK101692163SQ200910176930
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者寧大愚, 張愛敏, 梁坤, 王偉波, 高小珣 申請人:中國計量科學研究院
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