張軍，袁媛，陳明

高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中固有時(shí)延溫度影響及其應(yīng)對(duì)措施分析

張軍1，袁媛2，陳明1

（1. 北京一樸時(shí)頻科技有限公司，北京 100086；2. 北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100854）

固有時(shí)延零值標(biāo)校作為高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其校準(zhǔn)準(zhǔn)確性和后續(xù)變化將直接影響時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)精度。在長(zhǎng)期高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)固有時(shí)延變化影響達(dá)到百皮秒甚至納秒量級(jí)。本文以典型原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)為例，剖析時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中固有時(shí)延組成；以信號(hào)線纜溫度相位穩(wěn)定性數(shù)據(jù)和設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試為依據(jù)，定量分析溫度固有時(shí)延變化對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)造成的精度影響；提出高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)固有時(shí)延溫度系數(shù)指標(biāo)和分解的總體應(yīng)對(duì)措施建議。

時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)；固有時(shí)延; 固有時(shí)延溫度系數(shù)；皮秒

0 引言

高質(zhì)量時(shí)空系統(tǒng)作為國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)設(shè)施，其作用越來(lái)越凸顯。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)正在建設(shè)的各種高質(zhì)量時(shí)空系統(tǒng)對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的精度需求日益提高。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)地面原子鐘鐘組系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度要求達(dá)到×10-15/d[1-2]，原子鐘鐘組至每個(gè)天線機(jī)房時(shí)間傳遞要求達(dá)到百皮秒量級(jí)精度；國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”，利用通信光纖網(wǎng)建設(shè)覆蓋主要城市和重要用戶的超高精度光纖時(shí)頻傳遞骨干網(wǎng)，時(shí)統(tǒng)傳遞精度要求達(dá)到百皮秒內(nèi)[3-4]。在這些高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中，固有時(shí)延零值標(biāo)校是一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)。工程建設(shè)中需對(duì)時(shí)統(tǒng)信號(hào)流經(jīng)部件和測(cè)量部件進(jìn)行固有時(shí)延零值標(biāo)校，維護(hù)過(guò)程中需維持這些固有時(shí)延不變。目前工程建設(shè)和維護(hù)以假設(shè)固有時(shí)延具有長(zhǎng)期不變特性，采用開通前一次性固有時(shí)延零值標(biāo)校措施或更換部件時(shí)對(duì)應(yīng)部件固有時(shí)延零值重新標(biāo)校。但在高精度時(shí)統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各種固有時(shí)延受溫度的直接影響較大。在工程建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中均發(fā)生過(guò)空調(diào)故障機(jī)房溫度變化較大情況下系統(tǒng)內(nèi)固有時(shí)延發(fā)生納秒級(jí)變化，嚴(yán)重影響時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行性能。為定量分析溫度固有時(shí)延變化影響程度，本文深入研究了信號(hào)傳輸線纜的溫度相位穩(wěn)定性性能，對(duì)設(shè)備固有時(shí)延溫度變化進(jìn)行了高低溫箱測(cè)試與建模；以此為基礎(chǔ)，結(jié)合工程中實(shí)際溫度環(huán)境、設(shè)備級(jí)聯(lián)層數(shù)和線纜級(jí)聯(lián)長(zhǎng)度，給出溫度對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)造成固有時(shí)延變化總量的定量分析；分析表明環(huán)境溫度固有時(shí)延變化是決定時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)高精度的重要因素，本文著眼于技術(shù)體制角度，給出溫度固有時(shí)延變化在高質(zhì)量時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中的系統(tǒng)指標(biāo)要求、指標(biāo)分解和相關(guān)建議。

1 時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)固有時(shí)延分類

固有時(shí)延類型分為時(shí)統(tǒng)信號(hào)線纜傳輸時(shí)延、時(shí)統(tǒng)信號(hào)流經(jīng)設(shè)備輸入輸出時(shí)延和時(shí)頻測(cè)量設(shè)備測(cè)量固有時(shí)延三類。以圖1中原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)為例，時(shí)統(tǒng)信號(hào)線纜傳輸時(shí)延為所有細(xì)線標(biāo)記線纜；時(shí)統(tǒng)信號(hào)流經(jīng)設(shè)備包括原子鐘、脈沖信號(hào)分配器、頻率信號(hào)分配器、信號(hào)選擇器、微躍計(jì)、時(shí)碼發(fā)生器、時(shí)頻傳遞設(shè)備；時(shí)頻測(cè)量設(shè)備包括時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x/卡板、頻標(biāo)比對(duì)儀/卡板和時(shí)頻測(cè)量?jī)x/卡板。

2 傳輸線纜固有時(shí)延溫度變化模型

信號(hào)線纜作為簡(jiǎn)單兩端口器件，傳輸時(shí)延有成熟理論模型。

① 同軸線纜

同軸線纜傳輸時(shí)延等于線纜電長(zhǎng)度乘以信號(hào)傳輸速度，其中線纜電長(zhǎng)度和信號(hào)傳輸速度均與溫度密切相關(guān)，業(yè)界將同軸線纜傳輸時(shí)延與溫度相關(guān)性定義為同軸線纜溫度相位穩(wěn)定性，以PPM/℃為單位，表征溫度每變化1℃線纜總時(shí)延相對(duì)變化10-6[5-7]。

普通非穩(wěn)相同軸線纜采用聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）介質(zhì)，在圖2的非穩(wěn)相同軸線纜溫度相位關(guān)系圖上表現(xiàn)出一條很陡的斜率曲線，尤其在室溫區(qū)間內(nèi)更為陡峭。在15℃～25℃的室溫區(qū)間內(nèi)其相位溫度斜率大概是-130 PPM/℃，低于室溫時(shí)的電纜長(zhǎng)度溫度系數(shù)是-30 PPM/℃。在機(jī)房環(huán)境下，本文將普通非穩(wěn)相線纜溫度相位性能取定為-100 PPM/℃。穩(wěn)相同軸線纜一般采用TF4（TeflonTM氟聚合物）介質(zhì)，見圖3所示穩(wěn)相同軸線纜溫度相位關(guān)系，其溫度相位穩(wěn)定性可以做到絕對(duì)值小于10 PPM/℃；國(guó)產(chǎn)萊爾微波公司PL系列高精密穩(wěn)幅穩(wěn)相測(cè)試電纜組件可實(shí)現(xiàn)-4.3 PPM/℃溫度相位穩(wěn)定性。在機(jī)房環(huán)境下，本文將高性能穩(wěn)相線纜溫度相位性能取定為-5 PPM/℃。

注：圖中空間小的地方以10 M代替10 MHz

同軸線纜每米傳輸時(shí)延約為4.0 ns，-100 PPM/℃溫度相位穩(wěn)定性普通同軸線纜對(duì)應(yīng)固有時(shí)延變化為4.0 ns×（-100 PPM）= -0.4 ps/（℃·m），-5 PPM/℃溫度相位穩(wěn)定性穩(wěn)相同軸線纜對(duì)應(yīng)著固有時(shí)延變化4.0 ns×（-5 PPM）=-20 fs/（℃·m）。

② 光纜

光纜作為時(shí)統(tǒng)信號(hào)傳輸媒介，依據(jù)相關(guān)理論模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其溫度相位穩(wěn)定性與穩(wěn)相同軸線纜性能相當(dāng)。1 550 nm單模光纖傳輸時(shí)延溫度系數(shù)為38 ps/（℃·km）=38 fs/（℃·m）[8-11]；普通單模光纖溫度系數(shù)7.5 PPM/℃，光纖每米時(shí)延約為4.5 ns，7.5 PPM/℃相位溫度穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)固有時(shí)延變化4.5 ns×7.5 PPM =33.8 fs/（℃·m）。本文以單模光纖溫度固有時(shí)延變化為35 fs/（℃·m）進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

注：橫軸單位℃，20℃/格，縱軸單位PPM，1 000 PPM/格

注：橫軸單位℃，20℃/格，縱軸單位PPM，5 000 PPM/格

3 設(shè)備固有時(shí)延溫度變化測(cè)試和建模

設(shè)備固有時(shí)延由兩部分組成：信號(hào)走線時(shí)延和電路時(shí)延。信號(hào)走線時(shí)延溫度系數(shù)與同軸線纜類似，可確定為≤0.1 ps/（℃·m）；設(shè)備內(nèi)部走線長(zhǎng)度一般有限（小于0.5 m），因此設(shè)備內(nèi)部信號(hào)走線總體時(shí)延溫度系數(shù)應(yīng)≤0.05 ps/℃。電路時(shí)延是信號(hào)經(jīng)過(guò)所有邏輯電路總時(shí)延；二極管和三極管時(shí)延與溫度密切相關(guān)，現(xiàn)在電路中二極管和三極管數(shù)量巨大，設(shè)備電路時(shí)延溫度性能取決于整機(jī)電路設(shè)計(jì)中固有時(shí)延溫度系數(shù)的設(shè)計(jì)、元器件選擇和具體電路實(shí)現(xiàn)。不同設(shè)備間固有時(shí)延溫度系數(shù)存在巨大差異，只能通過(guò)實(shí)際測(cè)試來(lái)研究和分析[12-14]。

工程實(shí)踐表明，時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中各種設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性在0.5 ps/℃～150 ps/℃間。本文按照溫度相位穩(wěn)定性高低將設(shè)備分類為高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備（1 ps/℃左右）、普通相位穩(wěn)定性設(shè)備（10 ps/℃左右）和差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備（100 ps/℃左右）。時(shí)統(tǒng)工程中常見高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備有德國(guó)TIMETECH公司MTIC 10409設(shè)備（2 ps/℃）和北京一樸時(shí)頻科技有限公司TIC712C_OEM卡板（1 ps/℃），普通溫度相位穩(wěn)定性有SR620通用計(jì)數(shù)器（8 ps/℃）和基于德國(guó)ACAM公司TDC芯片做時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器（12 ps/℃），差溫度相位穩(wěn)定性有某型號(hào)脈沖信號(hào)分配器（120 ps/℃）。

3.1 設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性的高低溫箱測(cè)試和建模

2018年9月，在某高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)研制過(guò)程中，對(duì)若干脈沖信號(hào)分配器和脈沖信號(hào)分配卡板進(jìn)行了溫度相位穩(wěn)定性測(cè)試。高低溫箱溫度設(shè)置為-20℃～+60℃區(qū)間周期變化，4臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)備內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)與高低溫箱參數(shù)設(shè)置一致，設(shè)備內(nèi)部溫度與高低溫箱環(huán)境溫度有一個(gè)固定溫差為+10℃～+25℃間。

1） 整體擬合分析

在-20℃～+60℃區(qū)間，將設(shè)備固有時(shí)延變化與設(shè)備內(nèi)部溫度變化進(jìn)行整體擬合分析。擬合方法是設(shè)備時(shí)延變化平移后除以×（ps/℃）后與設(shè)備內(nèi)部溫度曲線變化的差值最小化。擬合分析表明：

① 設(shè)備固有時(shí)延變化與溫度曲線見圖4所示：在-20℃～+60℃多次周期溫度變化，4臺(tái)設(shè)備固有時(shí)延變化與溫度變化為準(zhǔn)線性關(guān)系；固有時(shí)延變化曲線峰值點(diǎn)比溫度曲線峰值點(diǎn)時(shí)刻滯后了300 s；

② 4臺(tái)設(shè)備固有時(shí)延變化與溫度變化線性關(guān)系最佳擬合曲線對(duì)應(yīng)固有時(shí)延溫度系數(shù)分別為+65、+38、+34和+25 ps/℃。

圖4 設(shè)備固有時(shí)延變化與溫度曲線

2） 建模分析

在高低溫箱下測(cè)試設(shè)備固有時(shí)延變化和設(shè)備溫度變化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，生成設(shè)備在每個(gè)溫度點(diǎn)上固有時(shí)延溫度系數(shù)曲線。選取卡板溫度線性上升段或下降段數(shù)據(jù)，針對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)，分析在該溫度點(diǎn)左右單位溫度Δ變化下固有時(shí)延變化量Δ，計(jì)算出該溫度下的溫度系數(shù)＝Δ/Δ，記錄為點(diǎn)（，）；以溫度為橫軸，以溫度系數(shù)為縱軸，畫出溫度與設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)的曲線（簡(jiǎn)稱溫度-固有時(shí)延溫度系數(shù)曲線）。

某脈沖信號(hào)分配器設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)和溫度關(guān)系曲線見圖5所示。

該脈沖信號(hào)分配器為差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，其溫度固有時(shí)延系數(shù)在30（ps/℃）～120（ps/℃）間。工程中希望對(duì)該型號(hào)脈沖信號(hào)分配器固有時(shí)延溫度系數(shù)與溫度間關(guān)系建模后，以溫度補(bǔ)償方式降低其影響程度。建模結(jié)論為：同一臺(tái)設(shè)備相同溫度變化條件下固有時(shí)延溫度系數(shù)和溫度具有固定關(guān)系；但是不同設(shè)備間、不同溫度變化率下和正反向溫變間的設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)與溫度關(guān)系差別巨大，該型號(hào)設(shè)備不能統(tǒng)一建模，該型號(hào)設(shè)備每臺(tái)設(shè)備也難以獨(dú)立建模。

某時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)和溫度關(guān)系曲線見圖6所示，該時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x為高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，其溫度固有時(shí)延系數(shù)在0.3（ps/℃）～1.5（ps/℃）間。建模結(jié)論為：同一臺(tái)設(shè)備相同溫度變化條件下固有時(shí)延溫度系數(shù)和溫度具有固定關(guān)系；但是不同設(shè)備間、不同溫度變化率下設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)與溫度關(guān)系有些差別，該型號(hào)設(shè)備不能統(tǒng)一建模；該型號(hào)設(shè)備每臺(tái)設(shè)備可獨(dú)立建模，建模后采用溫度補(bǔ)償方式可以在20℃溫度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.5 ps/℃內(nèi)溫度固有時(shí)延系數(shù)。

3.2 冷啟動(dòng)方法測(cè)試時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性

設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性與溫度間建模困難，考慮工程實(shí)際情況，為節(jié)省測(cè)試時(shí)間和成本，我們使用冷啟動(dòng)方法測(cè)量每個(gè)設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)。方法為在室溫環(huán)境下設(shè)備冷啟動(dòng)加電30 min，在外參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)間為同源和被測(cè)信號(hào)間同相情況下測(cè)量每個(gè)通道時(shí)間間隔變化與設(shè)備內(nèi)部溫度變化的比值。該方法利用冷啟動(dòng)情況設(shè)備內(nèi)部溫度自然升溫10℃～20℃現(xiàn)象，等效測(cè)量設(shè)備在該環(huán)境溫度點(diǎn)溫度固有時(shí)延系數(shù)；與高低溫箱測(cè)試方法測(cè)量結(jié)果具備基本一致性。

圖6 某時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)和溫度關(guān)系曲線

2019年4月，在某高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)工程高精度時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)量中，對(duì)1臺(tái)MTIM_712時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x、1臺(tái)SR620通用計(jì)數(shù)器和1臺(tái)該單位自研時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x（使用德國(guó)ACAM公司TDC-GP21芯片構(gòu)建，簡(jiǎn)稱TDC_GP21時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x）同時(shí)測(cè)量[15]。測(cè)試中使用設(shè)備冷啟動(dòng)方法測(cè)量了設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 多臺(tái)設(shè)備固有時(shí)延溫度系數(shù)冷啟動(dòng)法測(cè)量結(jié)果表 單位：ps/℃

4 固有時(shí)延溫度變化對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)精度的影響分析

本文以圖1原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析溫度固有時(shí)延變化對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)精度的定量影響。

時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)所用設(shè)備和部件（含線纜）一般不在一個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)，首先需要將設(shè)備和部件按照溫度環(huán)境分成三類：室外環(huán)境（-20℃～+40℃，60℃溫度變化）、普通機(jī)房環(huán)境（+23℃±5℃）和恒溫機(jī)房環(huán)境（+23℃±1℃）；參見《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-93。恒溫機(jī)房環(huán)境放置時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)全局性關(guān)鍵設(shè)備和部件，例如鐘組系統(tǒng)中原子鐘、信號(hào)分配器、時(shí)間頻率測(cè)量設(shè)備、微躍計(jì)、信號(hào)選擇器及其信號(hào)線纜等放置在恒溫機(jī)房環(huán)境；普通機(jī)房環(huán)境放置非全局性關(guān)鍵設(shè)備和部件，例如遠(yuǎn)端時(shí)統(tǒng)分配系統(tǒng)和時(shí)統(tǒng)比對(duì)系統(tǒng)設(shè)備；室外環(huán)境放置必不可免的室外設(shè)備和部件，例如天線、天饋線和遠(yuǎn)端時(shí)統(tǒng)分配系統(tǒng)中收發(fā)設(shè)備間光纜等。

恒溫機(jī)房溫度范圍為+23℃±1℃，但因設(shè)備內(nèi)熱環(huán)境微小變化，內(nèi)部電路溫度存在±1℃范圍非受控變化；因此確定恒溫機(jī)房設(shè)備內(nèi)部不可控溫度變化為±2℃。以原子鐘組時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)為例，恒溫機(jī)房設(shè)備包括原子鐘、信號(hào)分配器、時(shí)頻測(cè)量設(shè)備、信號(hào)選擇器、微躍計(jì)和時(shí)碼發(fā)生器，設(shè)備級(jí)聯(lián)為4～6級(jí)，按照5級(jí)設(shè)備級(jí)聯(lián)進(jìn)行計(jì)算；設(shè)備級(jí)聯(lián)間線纜長(zhǎng)度按照200 m考慮。普通機(jī)房溫度控制在+23℃±5℃間，因設(shè)備內(nèi)部熱環(huán)境變化，內(nèi)部電路溫度存在±1℃范圍非受控變化。確定高質(zhì)量恒溫機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備內(nèi)部長(zhǎng)期工作不可控溫度變化為±6℃。以原子鐘組時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)為例，在普通恒溫機(jī)房設(shè)備內(nèi)包括遠(yuǎn)端時(shí)頻分配系統(tǒng)設(shè)備和時(shí)統(tǒng)比對(duì)系統(tǒng)設(shè)備，級(jí)聯(lián)設(shè)備為2～3級(jí)，按照2級(jí)進(jìn)行計(jì)算；級(jí)聯(lián)設(shè)備間線纜長(zhǎng)度按照30 m考慮。固有時(shí)延溫度性能對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)精度影響的詳細(xì)計(jì)算見圖7。

圖7 機(jī)房環(huán)境固有時(shí)延溫度性能對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)精度影響

以圖1原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)為例，原子鐘組系統(tǒng)放置在恒溫機(jī)房。目前時(shí)統(tǒng)工程中大部分尚未采取相關(guān)溫度相位性能控制措施，采用線纜為普通同軸線纜，設(shè)備大部分為普通溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備；原子鐘組系統(tǒng)中因溫度造成總體時(shí)延變化為360 ps，這對(duì)原子鐘性能測(cè)量和整個(gè)鐘組輸出造成4.2×10-15/d頻率穩(wěn)定度影響；附加考慮原子鐘房獨(dú)立建設(shè)，原子鐘至鐘組控制系統(tǒng)機(jī)房間信號(hào)傳輸線纜并不完全在恒溫機(jī)房環(huán)境下，該部分線纜環(huán)境溫度遠(yuǎn)不止±1℃變化，溫度造成鐘組系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度影響將會(huì)更大。若鐘組系統(tǒng)采用穩(wěn)相同軸線纜與高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，溫度造成總體時(shí)延變化將大幅縮小為28 ps（原來(lái)1/13），對(duì)原子鐘性能測(cè)量和整個(gè)鐘組輸出穩(wěn)定度影響降為3.2×10-16/d。同時(shí)從圖7中可分析出，若鐘組系統(tǒng)中存在差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，鐘組系統(tǒng)溫度時(shí)延變化影響大幅惡化至360 ps的6倍。

以圖1原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)為例，時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)放置在普通機(jī)房。目前時(shí)統(tǒng)工程大部分尚未采取相關(guān)溫度相位性能控制措施，線纜為普通同軸線纜，設(shè)備大部分為普通溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備；各普通機(jī)房?jī)?nèi)時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)因溫度造成總體時(shí)延變化為360 ps，對(duì)于100 ps量級(jí)時(shí)統(tǒng)傳遞精度要求是嚴(yán)重性能影響。若普通機(jī)房?jī)?nèi)采用穩(wěn)相同軸線纜與高溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，溫度造成時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)總體時(shí)延變化會(huì)大幅縮小為30 ps（原來(lái)的1/12）。同時(shí)從圖7中可分析出，差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備的存在，會(huì)造成時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)溫度時(shí)延變化影響大幅惡化至360 ps的7倍。

對(duì)于圖1所示原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)，室外環(huán)境包括鐘組子系統(tǒng)、時(shí)頻分配子系統(tǒng)和時(shí)統(tǒng)比對(duì)子系統(tǒng)中的天線和天饋線。依據(jù)表2，室外10 m普通同軸天饋線將造成240 ps溫度固有時(shí)延變化；百米普通同軸天饋線將造成2.4 ns溫度固有時(shí)延變化。240 ps～2.4 ns時(shí)延變化影響對(duì)于高性能GNSS（global navigation satellite system）共視時(shí)間傳遞接收設(shè)備是不可忽略的。衛(wèi)星雙向時(shí)頻傳遞設(shè)備雖然采用了雙向時(shí)間比對(duì)技術(shù)，但是因普通同軸天饋線溫度相位穩(wěn)定性差別很大，非同廠家同型號(hào)同批次線纜抵消后殘余誤差依然會(huì)較大；這個(gè)影響對(duì)于高性能衛(wèi)星雙向時(shí)頻傳遞系統(tǒng)是不可忽略的。若采用穩(wěn)相同軸天饋線該性能影響可降到原來(lái)1/20，百米天饋線溫度固有時(shí)延變化120 ps內(nèi)。

表2 室外環(huán)境固有時(shí)延溫度性能對(duì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)精度的影響

對(duì)于圖1所示原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)，室外環(huán)境下還有時(shí)頻傳遞系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備間光纜。光纜溫度相位穩(wěn)定性具備高度一致性，光纜在室外環(huán)境下單向固有時(shí)延溫度變化約為2.1 ns/km；百皮秒量級(jí)時(shí)頻傳遞系統(tǒng)收發(fā)設(shè)備室外線纜長(zhǎng)度大于100 m時(shí)，采用雙向時(shí)間比對(duì)方法進(jìn)行時(shí)統(tǒng)傳遞，其機(jī)理包含了對(duì)室外光纜單向固有時(shí)延變化的實(shí)時(shí)測(cè)量和校正[16]。

5 時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)和指標(biāo)分解

根據(jù)第4節(jié)分析，4×10-15/d內(nèi)頻率穩(wěn)定度要求鐘組系統(tǒng)和百皮秒量級(jí)時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)需考慮環(huán)境溫度對(duì)固有時(shí)延變化影響，應(yīng)在時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)設(shè)計(jì)和指標(biāo)分解。

頻率穩(wěn)定度和絕對(duì)時(shí)刻傳遞誤差是時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)整體性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。鑒于環(huán)境溫度天變化規(guī)律，將時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)天頻率穩(wěn)定度指標(biāo)按照一定比例（如30%）作為時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)；鑒于環(huán)境溫度年變化規(guī)律，將時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)絕對(duì)時(shí)刻傳遞誤差按照一定比例（如30%）作為時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)。具體指標(biāo)分配是時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)任務(wù)，需依據(jù)工程可行性和性價(jià)比進(jìn)行綜合權(quán)衡；本文為后續(xù)計(jì)算，設(shè)定如下：時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的天頻率穩(wěn)定度和絕對(duì)時(shí)刻傳遞誤差的30%作為系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)、系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化50%為線纜溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)、系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化50%為設(shè)備溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)。

具體思路為：① 以時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)天頻率穩(wěn)定度和絕對(duì)時(shí)刻傳遞誤差兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為基礎(chǔ)，將其按照一定比例分解為該時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)；② 落實(shí)每個(gè)部件（包括線纜及其長(zhǎng)度）溫度環(huán)境后，將溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)在恒溫機(jī)房、普通機(jī)房和室外三部分進(jìn)行分解，分解為恒溫機(jī)房溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)、普通機(jī)房溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)和室外溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)；③ 每部分溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)進(jìn)一步分解為線纜溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)和設(shè)備溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)；④ 線纜溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)依據(jù)線纜級(jí)聯(lián)長(zhǎng)度和所處溫度環(huán)境落實(shí)為線纜溫度相位穩(wěn)定性技術(shù)要求，設(shè)備溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)依據(jù)設(shè)備級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)和所處溫度環(huán)境落實(shí)為設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性技術(shù)要求。

時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備安裝環(huán)境屬于系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)指標(biāo)分解的工作環(huán)節(jié)，需依據(jù)工程可行性和性價(jià)比進(jìn)行綜合權(quán)衡，本文為了后續(xù)定量計(jì)算分析，設(shè)定原子鐘組時(shí)間頻率系統(tǒng)的鐘組系統(tǒng)所有部件在恒溫機(jī)房環(huán)境和時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)所有部件在普通機(jī)房環(huán)境。

以圖1中原子鐘組系統(tǒng)為例，設(shè)定鐘組系統(tǒng)要求頻率穩(wěn)定度≤3×10-15/d，對(duì)應(yīng)天相位漂移≤259 ps；設(shè)計(jì)時(shí)考慮將259 ps×30% = 78 ps作為原子鐘鐘組系統(tǒng)的溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)。原子鐘組系統(tǒng)所有部件在恒溫機(jī)房環(huán)境下，具體指標(biāo)分解見表3和4。

表3 原子鐘組系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)和指標(biāo)分解表（舉例）

以圖1中時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)為例，設(shè)定鐘組時(shí)頻傳遞系統(tǒng)要求±100 ps，設(shè)計(jì)時(shí)考慮將其200 ps×30% = 60 ps作為鐘組時(shí)頻傳遞系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)。鐘組時(shí)頻傳遞系統(tǒng)部件在普通機(jī)房環(huán)境下，具體指標(biāo)分解見表4。

表4 時(shí)頻傳遞系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化總體指標(biāo)和指標(biāo)分解表（舉例）

對(duì)于已建時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)溫度相位性能逐步改善，建議措施如下：① 鑒于線纜在工程成本中比例很小，新增或更換同軸線纜時(shí)應(yīng)采用穩(wěn)相同軸線纜；② 鑒于差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備對(duì)系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化的大幅惡化影響，建議進(jìn)行設(shè)備溫度相位穩(wěn)定性篩查，找出系統(tǒng)中差溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備（≥30 ps/℃），合適時(shí)進(jìn)行替換。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述：目前時(shí)統(tǒng)工程中大多數(shù)尚未采取相關(guān)溫度相位性能控制措施，采用非穩(wěn)相同軸線纜和普通溫度相位穩(wěn)定性設(shè)備，恒溫機(jī)房原子鐘組系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化會(huì)造成4×10-15/d以上頻率穩(wěn)定度影響，普通機(jī)房時(shí)統(tǒng)傳遞系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化會(huì)造成幾百皮秒時(shí)刻同步影響，50 m室外天饋線溫度固有時(shí)延變化會(huì)造成GNSS共視時(shí)間傳遞系統(tǒng)和衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞系統(tǒng)近納秒時(shí)刻同步影響。建立時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)溫度固有時(shí)延變化指標(biāo)，進(jìn)行指標(biāo)分解，落實(shí)為設(shè)備和線纜溫度相位穩(wěn)定性要求，將成為高質(zhì)量時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)、優(yōu)化完善和維護(hù)的必要措施。

致謝：本文是相關(guān)單位和技術(shù)人員長(zhǎng)期高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)實(shí)踐中的集體智慧結(jié)晶。感謝國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院導(dǎo)航與時(shí)空技術(shù)工程研究中心龔航在設(shè)備固有時(shí)延溫度變化測(cè)試和建模上的具體貢獻(xiàn)，感謝北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心蔡志武、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室袁海波、時(shí)間頻率測(cè)量與控制研究室劉婭和量子頻標(biāo)研究室劉濤、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所導(dǎo)航專業(yè)部劉鐵強(qiáng)對(duì)文章的指導(dǎo)和高價(jià)值意見反饋。

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Analysis and countermeasures temperature effect of fixed time delay in high precision time system

ZHANG Jun1, YUAN Yuan2, CHEN Ming1

(1. Beijing Yipu Time Frequency Technology Company Limited, Beijing 100086, China;2. Beijing Institute of Radio Metrology, Beijing 100854, China)

As a key technology in the construction and maintenance of the high-precision time integration system, the calibration accuracy and subsequent changes of the fixed time delay zero scale will directly affect the accuracy of the time system. In the long-term practice of construction and maintenance of the high-precision time integration system, it is found that the influence of the temperature on the fixed time delay can reach an order of 100 picoseconds or even nanoseconds. Taking the typical atomic clock group and its distribution system as an example, this paper analyzes the composition of fixed time delay in the time system; quantitatively analyzes the influence of the temperature fixed time delay upon the accuracy of the time system based on the temperature phase stability data of various signal cables and the experimental test of the temperature phase stability of the equipment; puts forward the relevant suggestions for the index of the fixed time delay temperature coefficient, the index decomposition and the calculation method for the high-precision time system.

time system; fixed delay; fixed delay temperature coefficient; picosecond

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-03-0172-11

張軍, 袁媛, 陳明. 高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中固有時(shí)延溫度影響及其應(yīng)對(duì)措施分析[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(3): 172-182.

2021-04-21；

2021-06-19