基于铯钟/氢钟实验室时间频率标准
1、主要性能指标l ·给原子钟提供一个可控的工作环境；l ·产生低相噪和稳定的频率参考信号；l ·产生高精度的时间参考信号；l ·滤波所有的输出信号用于分配；l ·利用GPS/BD监测原子钟；l ·通过单个控制系统的单个用户界面监测系统的所有单元；l ·分配频率和时间信号给远程点；l ·GPS/BD共视时间比对；l ·频率准确度 +/- 1E-14(长期)；l ·时间准确度 5ns RMS(UTC)；l ·NTP 网络时间格式输出；l ·直流备份电源；l ·本地图形用户界面（GUI）。2、时间频率系统特性（1）改善性能 原子钟的性能受到环境因素的影响，特别是受温度的影响。因此，时间频率系统采用了加热/制冷单元提供最稳定的环境条件给原子钟。（2）提升可靠性 系统设计支持全硬件冗余，可以在不影响系统输出信号的前提下更换系统中的任意单元。该项措施特别使得维持原子钟参考变的很容易。冗余硬件可以扩展到控制系统和系统的交直流供电。（3）信号完整性监测系统中两个冗余链路互相监测，原子钟的输出通过GPS/BD监测。时间频率系统支持5台原子钟，其中至少3台原子钟要具有相同的稳定度指标。（4）实时时间同步当系统开机工作后，系统生成的时间输出信号（IRIG.NTP.1PPS）被同步到GPS/BD时间标准上，或者按照用户需求。系统时间由选择的原子钟驱动并通过GPS/BD监测系统的寿命时间。（5）输出一致性所有的输出信号是严格的保持一致性，IRIG的输出和1PPS对准。 （6）中心控制和监测系统有一个控制和监控提供给单个用户界面用于控制系统中的所有部分，LAN接口容许综合时间频率系统连接到本地计算机网络。（7）物理单元加热、制冷单元用于增强原子钟参考的稳定度。通常该设备被放在隔开的房间（氢钟房）。其他设备（包括铯原子钟）被固定在单个机柜中，机柜包含有本地控制系统的显示器和键盘。高性能的电缆用于连接机柜上的原子钟参考输出。 3、时间实验室的守时系统世界各地的时间实验室（以k表示实验室的代码）通常自行产生和保持一个UTC在本实验室的物理实现UTC（k），为用户提供接近于UTC的标准时间信号。UTC（k）以实验室内高精度原子钟作为频率源，用一组原子钟形成的综合时间尺度作为监控参考，经过人为的频率驾驭而使UTC（k）接近于UTC。用于时间实验室产生和保持UTC（k）的一套硬件和软件系统称为“守时系统”或“时间基准系统”。常用的“守时系统”分成5个子系统：（1）守时钟组 由5台原子钟组成钟组，钟应自由运转，即不允许对钟本身进行人为的调频。（2）主钟系统 由钟组中的一个频率比较稳定的钟作为主钟系统的频率源，再加上相位频率微补偿仪及分频钟组成主钟系统，分频钟的输出端可以设定为主钟系统输出的标准时间信号的物理端口，送出1pps标准时间信号。该标准时间一般就是UTC在实验室k的物理实现，所确定的物理端口的相位时间即UTC（k）的基准点。在实验室k内、外的UTC（k）用户所得到的UTC（k）的时间信号应计及该信号与基准点之间的时间延迟。 生成标准时间标准频率的时基系统连接框图（3）实验室内部时间比对系统 由时间信号选择器（转换开关）轮流把各个钟的1pps信号送到时间间隔计数器（TIC）作为关门信号，脉冲分配放大器送出的UTC（k）的1pps信号作为TIC的开门信号。TIC送出UTC（k）与每个钟的比对数据UTC（k）– Clock（k, i）。采用比相仪或其他时差测量设备也可以起到与TIC相同的作用。（4）远程时间比对系统远程时间传递设备，例如高精度GPS共视（GPS CV）时间比对接收机，一般用实验室UTC（k）的1pps及其5 MHz或10 MHz的频率信号作为接收机的输入信号。接收机送出UTC（k）和GPS时之差以CGGTTS格式的文件存储在接收机所用的计算机硬盘中。远程时间比对系统也可以是双向卫星时间频率传递（TWSTFT）系统。一般在采用TWSTFT系统的时间实验室中还配备GPS共视时间比对接收机，两者同时运作，后者作为备用系统。远程时间比对系统在守时工作中的作用是通过国际时间比对，使本实验室的钟资源为国际原子时作贡献，同时通过这种合作可以从BIPM获得UTC–UTC（k）的数据；远程时间比对的另一个作用是可以利用一个国家或一个地区内不在同一地点的尽可能多的原子钟的资源，形成一个数量较大的钟组，产生一个具有高稳定度的独立的自由原子时系统；远程时间比对还可以将本实验室产生的标准时间溯源到某个远程标准时间；或者通过远程时间比对使远处的标准时间信号发播电台的时间溯源到本实验室产生的标准时间。（5）系统控制、数据采集和处理系统 由工控机、PC机及专用的控制软件和数据处理软件组成。系统控制计算机及其软件用于控制UTC（k）与每个钟的轮流比对（或者钟与钟之间的轮流比对）并对UTC（k）的频率进行驾驭。数据采集和处理的专用软件功能包括：采集数据并存放于专用数据库、判断每台原子钟的相位时间和频率是否异常；用预定的最佳算法计算地方原子时TA（k）。算法的基本原理是把UTC（k）与每个钟的比对数据UTC（k）– Clock（k, i）加权平均（不同算法实质上的差异在于噪声处理方法和权系统确定方法）计算出UTC（k）– TA（k）。其原理公式如下所示a) ……………（B.1）式中： — 给每个钟分配的权重。实际上TA（k）即所有参加计算的原子钟的相位时间的加权平均值。原则上，TA（k）的频率稳定度优于钟组中任一原子钟的频率稳定度。 主钟系统中的相位频率微补偿仪（以下简称“相位微调器”）在标准时间UTC（k）的产生和保持中起着非常重要的作用。主钟系统的频率源仅仅是一台原子钟，它相对于UTC或TAI有频率偏差y=Δf，该频率偏差不是一个常数。一般把y分成2项，一项是基本偏差y0，另一项是频偏变化量△y ，y = y0 +△y 。时间实验室一般根据 式(A.1)计算结果，以TA（k）作为参考，用软件分析UTC（k）的频率变化，并向相位微调器送出频率补偿信息，由它对UTC（k）的频率进行日常的微小补偿；同时根据BIPM每月发表的Circular T中UTC–UTC（k）和TAI–TA（k）的数据，调整上述软件的工作参数，以使UTC（k）尽可能接近UTC。有些时间实验室在有基准频标的条件下，用基准频标的标准频率作为参考，来分析UTC（k）的频率偏差及变化，并用相位微调器进行频率补偿，从而实现完全独立自主产生UTC（k）的目的。