1.5 守时技术

所谓守时（time keeping）是指一个时频系统（包括频标和分频钟）对时间信号和时间信息的保持。频率标准（简称频标）的频率准确度、频率稳定度和守时系统的环境条件是决定守时能力的三个关键因素。

1.5.1 频标

从中国古代的铜壶滴漏、燃香计时到工业革命时期的钟表，从20世纪50年代的石英晶体振荡器到今天的高性能原子钟，冷原子喷泉钟甚至未来的光频标，计时技术和频标技术得到了长足的发展，也为航空航天、空间技术和其他科学技术的发展奠定了基础。
计时技术和频标的发展阶段如图1-45所示。 目前，国际上通用的频率标准主要包括晶体振荡器、铯原子频标、铯原子频标、氢原子频标，在时频领域科技人员的努力下，新型的频率标准正在开发。

1.5.1.1 晶体振荡器

晶体振荡器首次出现于19世纪20年代，并且迅速取代了传统的机械装置而成为新的频率标准，晶体振荡器是目前电子设备中应用最为广泛的振荡器件。石英晶体振荡器是利用石英（二氧化硅的结晶体）制成的一种谐振器件，它利用石英在压电效应作用下产生振荡电压而引起石英晶体的膨胀与收缩，从而产生周期变化的频率信号的原理制作而成。石英晶体振荡器的频率由石英的物理尺寸和晶体类型决定，一般对于高精度应用都需要对其进行校准。石英晶体振荡器对温度、湿度、压力和振动等外界环境条件较为敏感，当环境改变时，晶体振荡器的振荡频率也会改变，存在老化现象。
石英晶体振荡器主要有四类，即普通晶体振荡器（SPXO）、恒温晶体振荡器（OCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）和压控晶体振荡器（VCXO），其中OCXO和TCXO一般也具有压控输入，也属于压控晶体振荡器。
（1）普通晶体振荡器。
普通晶体振荡器（SPXO）是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所有晶体的性能，一般用于普通场所作为振源或频率参考，是晶体振荡器中价格比较低的一种产品。
（2）恒温晶体振荡器。
恒温晶体振荡器（OCXO）是通过将晶体振荡器封装在恒温器中实现稳定的频率信号输出。恒温器可以为石英晶体提供温度变化较小的工作环境。
OCXO从开始工作到输出频率稳定通常需要24h甚至更长时间，不过，当OCXO加热20~30min后，它基本上能够满足标称的技术指标。
（3）温度补偿晶体振荡器。
温度补偿晶体振荡器（TCXO）是一种在晶振内部采取了频率温度特性补偿措施，在宽的温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温度补偿晶体振荡器采用热敏补偿网络。补偿后频率温度系数一般在10^-6量级。TCXO性能不如OCXO，但造价却比OCXO低很多。由于其良好的开机特性，优越的性价比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面的优点，因而获得了广泛应用。目前卫星导航接收机一般就采用温度补偿晶体振荡器作为内部参考频率标准。
（4）压控晶体振荡器。
压控晶体振荡器（VCXO）是一种可以通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路和频率微调的时频设备。压控晶体振荡器的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的配合。

除了以上几种类型外，正在发展的还有数字补偿式晶体振荡器（DCXO）和智能控制温度补偿晶体振荡器（MCXO）。
石英频标以其廉价、体积小、重量轻、功耗低等方面的优势而成为应用最为广泛的频率标准，它被广泛应用于通信、交通、能源、医疗、科研、仪器仪表、航空航天、武器试验等领域，同时也是首选的基载频标。

1.5.1.2 原子频标

原子频标简称原子钟，它是根据原子物理学或量子力学的原理，采用原子能级跃迁吸收或辐射一定频率的电磁波作为基本频率振源，通过对基本频率振源的接收、综合和锁相处理而得到的精密计时标准。原子钟是目前精度最高的频率标准，在通信、电子仪器、计量、导航定位、守时授时等领域得到了广泛应用。
在时间频率计量领域常用的原子频标为铯原子频标、铯原子频标和氢原子频标，这三种原子频标已经实现了商品化。铯原子频标具有较好的频率准确度和频率稳定度，一般作为二级计量部门广泛使用的频率标准；由于原子时的秒长定义又来自于铯原子频标，所以铯原子频标具有最好的频率准确度和稳定度，一般被用作国家时频实验室或地方守时实验室的首选守时频标；氢原子频标具有较高的短期稳定度，但存在频率漂移，长期频率稳定度略差于铯原子频标，通常用于时间频率基准实验室、计量一级站和科研部门作为频率标准。
除了铯、铷、氢三种原子频标外，目前正在实验室研究的新型原子频标主要有铯原子喷泉钟、激光抽运型原子、光钟等。飞秒锁模激光梳频率发生器的研制成功加快了光钟的研制进程。
（1）铯原子频标。
铯原子频标采用铯同位素*Rb超精细结构能级跃迁微波吸收谱线作为频率基准，对石英晶体振荡器的频率进行自动控制，从而得到高稳定度的标准频率。铯原子频标有较好的短期频率稳定度，在时间常数小于1000s时优于铯原子频标，老化率优于晶体振荡器，预热时间短，体积小，质量轻，价格比铯、氢原子频标低。因此，铯原子频标可直接应用于各种装置设备。铯原子频标应用领域广泛，目前在很多移动通信基站、电力系统变电站等都得到应用，同时也是首选的星载原子频标。我国的北斗卫星导航系统、美国的GPS系统、前苏联的GLONASS系统和欧洲的GALILEO系统都采用铯原子频标。图1-46给出了TEMEX公司LPFRS-01铯原子频标，图1-47给出了美国斯坦福研究系统（Stanford Research Systems）的FS725铯原子频标。

 （2）铯原子频标。
铯原子频标是基准频率标准，因为国际单位制（SI）秒长定义就以铯（133Cs）原子的基态超精细能级结构（F=4，mF=0）≥（F=3，mF=0）能级跃迁为基准，其相应跃迁频率为91926317701±20Hz，所以铯原子频标为一级频标。UTC作为各国共同遵循的时间尺度，由分布在世界各国时间频率基准实验室的铯原子钟组导出。
铯原子频标的主体由三部分组成，即铯束管部分、综合部分和伺服环路部分。其工作原理为用铯束管作为鉴频器，将经过调制、倍频和综合处理后的高性能石英晶体振荡器的输出信号作为铯束管的鉴频信号，通过铯束管进行鉴频，激励信号频率，如果与跃迁频率存在误差，鉴频器可测量激励信号频偏大小和方向，将此误差信号通过运算放大器放大后与高性能石英晶体振荡器压控端改变晶体振荡器的频率，从而校正铯束管的激励频率，这样就构成一个闭合环路，通过这个环路，固体的频率就被锁定到铯的跃迁频率上。
由其工作原理可见，这种方法综合了铯原子频率的长期稳定度与高性能石英晶体振荡器的短期稳定度。早期铯原子频标的铯束管寿命为3~5年，目前普通铯原子频标的铯束管寿命已经提高到10年。当铯束管失效时，铯原子频标就等效为晶体振荡器，所以必须对工作中的铯原子频标工作状态和输出的频率准确度和频率稳定度进行长期的监测才能保证其技术指标和性能。 铯原子频标以其卓越的准确度和稳定度指标而成为守时、授时的主要设备。我国的北斗卫星导航系统、美国的GPS系统、苏联的GLONASS系统和欧洲的GALILEO系统也都用到或计划用铯原子频标。目前市场上常见商品铯原子频标有美国Microsemi 5071A铯原子频标，如图1-48所示；Cs4000铯原子频标，如图1-49所示；瑞士OSA 5585PRS铯原子频标，如图1-50所示。

 （3）氢原子频标。
氢原子频标的物理部分被称为氢脉泽或氢激射器，它是目前商用原子频标中最精细和最昂贵的。就稳定度而言，氢原子频标的稳定度可达10^-15/天的量级，是目前稳定度最高的一种原子频标。在氢原子频标中，用作参考标准的是（F=1，mF=0）←（F=0，mF=0）能级跃迁，其相应跃迁频率为：
fH = f0 + 2766H0^2
式中：f0 = 1420495752Hz，为氢原子振荡频率；H0 为工作磁场强度。
氢1^H原子的基态超精细结构如图1-51所示。
按照激发方式分类：氢原子频标可分为主动式氢原子频标和被动式氢原子频标。主动式氢原子频标比被动式氢原子频标有更好的短期稳定度。两种类型的氢原子频标的短期稳定度均好于铯原子频标，但是氢原子频标的性能对环境条件非常敏感，从而导致它的准确度差于铯原子频标，同时，由于本身结构的复杂性以及生产量低，所以氢原子频标的价格非常昂贵。目前，氢原子频标在守时、授时以及定位导航方面具有重要应用。
图1-52和图1-53给出了美国Microsemi氢原子频标MHM2010和上海天文台国产氢原子频标SOHM。

 （4）铯原子喷泉钟。
铯原子喷泉钟作为原始频标，主要应用于时间频率基准实验室，作为时间频率基准的溯源。原子喷泉钟的稳定度预期可达到10^-17量级。目前世界上许多国家已经在实验室得到实现，但离实用和商品化还有一定的差距。2016年9月15日，我国“天宫二号”已经搭载了我国自行研制的空间冷原子频标。图1-54为中国科学院国家授时中心研制的铯喷泉原子钟。

 （5）前瞻性锶光钟。
锶（Sr）光钟采用激光器和光梳技术，由于光频率很高导致谱线Q值很高，其稳定度可以达到10^-18量级，是目前已知可以实现的最高的频率稳定度。
飞秒光梳在美国NIST研制成功后，被认为是原子频标领域的革命性事件，许多专家认为光频标时代已经到来。预计，未来5~8年，“秒”有可能用光钟代替铯原子钟重新定义和实现。目前世界上有许多国家在研制光钟，我国时频领域的研究所如上海光机所和国家授时中心相继开展了前瞻性锶光钟的研制，如图1-55所示为国家授时中心所研制的前瞻性锶光钟。

1.5.2 频标的技术指标

衡量频标特性的指标主要包括频率准确度、频率偏差、频率稳定度、频率漂移率等。

 1.5.2.1 频率准确度

准确度表示一个被测量的物理量的测量结果对它的真值的逼近程度。频率准确度表示频率源实际输出的频率值与其频率标称值的相对变化量。频率准确度计算公式如式（1-22）所示：
A =(fs-f0)/f0（1-22）
式中：A表示频率准确度；fs表示被测频率标准的实际频率值；f0表示标称频率值。
从其定义看，频率准确度是描述频率标准输出的实际频率值与其标称值的相对偏差，但在测量时无法直接测量实际频率值与标称频率值的偏差，而是以参考频率标准的实际频率值作为标准来测量被测频率标准的实际频率值。因此要求参考频率标准的准确度至少要比被测频率标准高1个数量级。同时，频率标准的实际频率值由于受内在因素和外部环境的影响，实际上并不是一个固定不变的值，而是在一定范围内有波动起伏的，所以为了测量fs需要在恒定的环境下尽可能用较长时间平均来测量，以减少起伏对其影响。一般取样时间至少为24h，标称频率值f0通常为5MHz或10MHz。
频率准确度可采用直接测频法和比相法测试，取样时间τ为24h，测试原理分别如图1-56和图1-57所示。

 用直接测频法测试时，频率准确度按公式（1-23）进行计算；用比相法进行测试时，频率准确度按公式（1-24）进行计算：
式中：A表示频率准确度；f0表示被测频率标称值；fs 表示被测频率测量值的平均;Δτ表示用时间单位表示的N个累积相位差值的平均值。

1.5.2.2 频率偏差

频率偏差是指两台频率标准输出频率值之间的相对偏差，其定义如式（1-25）所示：
D = (fs-f0)/f0  （1-25）
式中：D表示频率偏差；fs和f0分别表示频率标准A和B的输出频率值；f0为两台频率标准的标称频率值。
对比式（1-22）和式（1-25）可知，频率准确度是个“绝对”的概念，它描述频率准确到什么程度；而频率偏差是个相对的概念，它描述的是两台频率标准的频率相差的大小。当两台频率标准的准确度已知时，就可算出它们之间的频率偏差。在工程上，频率偏差指标更有意义。

1.5.2.3 频率稳定度

频率稳定度表示频率源输出频率的随机起伏程度，即频率源由于自身的原因以及（或者）环境因素引起的频率信号在给定的时间间隔中的变化。在时频领域中我们用一种标准的方法在时域上表征振荡器长期和短期频率稳定度，这就是Allan方差，又叫做双取样方差AVAR。所以频率稳定度时域表征量为在某一时刻时间间隔（采样时间）内平均频率的双取样方差（Allan方差）平方根值。在频域上，通常用相对频率起伏的功率谱密度来表征频率稳定度。对于星载原子钟常用哈德曼方差表示。
频率稳定度测试时，取样时间τ一般为1s、10s、100s、1000s和1天。1s、10s、100s和1000s的频率稳定度的测试可采用直接测频法和比相法，1天的频率稳定度的测试可采用比相法。
当采用直接测频法测试频率稳定度时，频率稳定度按公式（1-26）进行计算；当用比相法测试频率稳定度时，频率稳定度按公式（1-27）进行计算：
式中：σy表示频率稳定度；τ表示取样时间；m表示取样组数；fi表示第i+1个取样时间τ内频率测量的平均值；fi表示第i个取样时间τ内频率测量的平均值；f0表示被测频率标称值；
Δφi表示第i次测量的累计相位差值；Δφi+1表示第i+1次测量的累计相位差值。

 1.5.2.4 频率漂移率

频率标准在连续运行时，由于内部元器件参数和外部环境变化等原因，其输出的频率值常随运行时间单调增加或减小，且常呈现线性规律，因此把频率值随运行时间单调变化的线性率称为频率漂移率。对于像OCXO等石英晶体振荡器来说，其频率漂移率通常由其关键器件石英晶体随运行时间老化所造成，因此常把其频率漂移率称为频率老化率。

1.5.3 提高守时能力的方法

频标是守时实验室的核心，所以频率的稳定以及周围环境的恒定对于守时能力的保持和提高至关重要，提高时钟守时能力的方法归纳起来主要有以下几种：
（1）定时进行频率校准，有条件可对系统频标进行实时校准（如采用GPS驯晶振、驯铯钟等方法），采用相位改正技术，进行实时补偿和校准。
（2）选用稳定度较好的频标。
（3）选用新的算法。
（4）增加钟组钟的数量，采用“纸面钟”技术。

（5）改善系统环境，特别是温度、湿度和电磁环境。
（6）提高测源和时间比对的频度。

参考文献
[1] 上海天文台，等. 我国的综合时号改正数[R]. 中华人民共和国科学技术委员会，1965.
[2] Karatsuba P. Frequency and Time [M]. London: ACADEMIC PRESS, 1978.
[3] 吴贵臣，张辉. 原子时尺度TA（CSAO）的建立[J]. 科学通报，1981, 26（10）: 606-608.
[4] 《计量测试技术手册》编辑委员会. 计量测试技术手册：第11卷. 时间频率[M]. 北京：中国计量出版社，1996.
[5] 吴守贤，漆贯荣. 时间测量[M]. 北京：科学出版社，1983.
[6] 陕西天文台. 长波授时台国家级技术鉴定报告技术正度[R]. 中科院陕西天文台，1986.
[7] 胡永辉，漆贯荣. 时间测量原理[M]. 香港：亚太科学出版社，2000.
[8] BIPM—Annual Report of the BIPM Time Section. Volume 14, 1989-2001.
[9] 董宝润. 时间统一系统[M]. 北京：国防工业出版社，2003.
[10] 徐绍铨，张华海，杨志强. GPS测量原理及应用[M]（第三版）. 北京：高等教育出版社，2008.
[11] Peter H. Dana. Global Positioning System (GPS) Time Dissemination for Real-Time Applications [J]. Real-Time Systems, 1997 (1).
[12] Elliot D. Kaplan 著，寇艳红，译. GPS原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2007.
[13] S. Punsukhoham, J. K. Ray. GPS Receivers for Navigation and Timing Applications.
[14] Thomas E. Parker, Demetrios Matsakis. Time and Frequency Dissemination Advances in GNSS Transfer Techniques, GPS World, 2004.
[15] 吴海涛，李孝辉，卢晓春，等. 卫星导航系统时间基础[M]. 北京：科学出版社，2011.
[16] 杨俊，单庆晓. 卫星授时原理与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2013.
[17] 施浒立，孙希延，李志刚. 转发式卫星导航原理[M]. 北京：科学出版社，2009.
[18] S. G. Revnivykh. GLONASS Status, Development and Application, International Committee Global Navigation Satellite Systems (ICG) Second Meeting, 2007.
[19] Wilson R. E. Methods and Uses precise time in power system, OilPower Delivery, 1992.
[20] 赵兰雨，曹慧生，胡永辉，等. 利用卫星共视比对系统实现电网的时间同步[J]. 现代电力，2010（2）: 70-73.
[21] 于跃海，张道农，胡永辉，等. 电力系统时间同步方案[J]. 电力系统自动化，2008（17）: 82-86.
[22] 郭栋. 基于北斗/GPS双模授时的电力系统时间同步技术研究[D]. 长沙：湖南大学，2014.

[23] 王义道. 量子频标原理[M]. 北京：科学出版社，1986.
[24] 王义道. 激光冷却和捕获原子的方法[J]. 物理，1998, 27：131-136.
[25] 翟运成. 原子时频最新进展[C]. 全国时间频率学术报告会论文集，2001.
[26] 翟运成. 原子时间和频率标准[J]. 物理，1977, 6（2）：104-111.
[27] 林启华. 时间同步与校频[M]. 北京：国防工业出版社，1990.
[28] 周渭，朱根富. 频率与时间计量[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1986.
[29] Weyers S, Schomderland R, Bauch A. Performance of PTB’s Cesium Fountain CSF 1, In: John vig ed. Proc. of 2001 IEEE International Frequency Control Symposium, Danvers: the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2001.
[30] Elston C R, Burt E A, Swanson T B. et al. Characterization of the USNO Cesium Fountain In: John vig ed. Proc. of 2001 IEEE International Control Symposium, Danvers: the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2001.
[31] Parker T, Jefferts S, Nelson L. et al. First Comparison of Recoalescent Fountains, In: John vig ed. Proc. of 2001 IEEE International Control Symposium, Danvers: the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2001.
[32] Ferigle, legere R, Sapitze W. et al. Laser-cooled Rb Clocks, In: John vig ed. Proc. of 1998 IEEE International Control Symposium, Piscataway, New Jersey: IEEE, 1998.
[33] Kuznetsov D, Jefferts S R, Heavner T P. et al. Design Studies for a High-Stability Laser-cooled Rubidium Local Oscillator, In: John Vig ed. Proc. of 2001 IEEE International Control Symposium, Danvers: the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2001.
[34] 王义道. 实验室型频标准确度国际专题讨论会[J]. 计量学报，1993, 14（1）：76.
[35] 陈家宏，张勤，冯万兴，等. 中国电网雷电定位系统域雷电监测网[J]. 高电压技术，2008, 34（3）：425-431.
[36] 杨旭海. GPS共视时间频率传递应用研究[D]. 北京：中国科学院研究生院，2003.