NIMDO远程时间溯源装置——构建精准时间溯源传递体系

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在国际单位制规定的7个基本物理量中，时间的测量准确度最高、应用最广。高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，渗透至基础研究领域、工程技术领域，乃至国计民生的诸多方面，关系着国家社会的安全稳定。我国是世界上少数几个拥有准确、独立的时间频率基准的国家之一。中国计量科学研究院（NIM）建立了我国的时间频率计量基准，包括秒长国家计量基准和原子时标国家计量基准UTC(NIM)。

高准确度的时频传递系统是时间频率服务的重要组成部分，是链接我国时间频率基准到各级标准及时间频率用户之间的桥梁，对于国民经济和国防建设有着举足轻重的作用。时间可利用电波来进行高准确度量值传递是其显著特点，这也是使得时间频率形成计量系统内唯一扁平化溯源体系的最重要要素。尽管使用单向GPS授时技术的时间标准可溯源到GPS时间，但这既因各种误差源在单向授时中消除效果差而性能受限，又无法保证其在我国的合法溯源性和安全性，尤其是航空航天等对安全、稳定有着高要求的行业及其用户来说，对国家时间频率计量基准的精准溯源就尤为重要。

根据中国国家计量法，法定时间频率量值应溯源到国家时间频率计量基准。在2016年修订实施的最新的时间频率计量器具检定系统表当中，时间标准这一层级在我国实际尚属空白状态，原因在于对时间标准的概念不清晰，缺乏系统性的研究，同时时间标准的实现需要建立技术复杂度高、操作和维护难度大的授时系统，对人力、物力和资金都是极大的消耗，这在很大程度上也限制了国家时间频率计量基准的应用。

为此，中国计量科学研究院系统研究了全球导航卫星系统(GNSS)远程时间频率传递技术和时间传递链路校准技术，成功研制了远程时间溯源装置—— NIMDO,实现了基于GNSS时间频率传递的可准实时验证的溯源或授时技术，通过全球导航卫星系统实现远程时间频率源与原子时标国家计量基准UTC(NIM)的比对，进而实施对远程时间频率源的实时驯服，最终实现其与UTC(NIM)的实时同步。它的目标是解决我国地方基本没有时间标准（守时系统）的问题，同时这项技术也可作为一种纳秒级高精度授时技术来使用。当然，它也可以进而以UTC(NIM)以外的其他标准时间作为参考，实现与其他标准时间的溯源同步。以UTC(NIM)作为参考时，可在远程端以一定的偏差（90%情况下优于10纳秒）及其不确定度水平（偏差合成标准不确定度优于5纳秒）复现UTC(NIM)，也就是在远程端实现了一个高性能的实时溯源到UTC(NIM)的原子时标（即NIMDO）。


GNSS时间频率传递功能是NIMDO的重要组成部分之一，其基本原理可描述为:时间频率传递双方都将各方GNSS时频传递装置与本地时间频率参考建立链接，双方通过GNSS时间频率传递装置测量记录同时段的GNSS观测数据，通过解算，分别得到两站时间频率参考与GNSS（系统）时间的差，它们的单差为两站时间频率参考的比对结果，即两站时间频率传递结果，如图1所示。NIMDO支持全球定位系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、北斗卫星导航系统（BDS）和伽利略卫星导航系统（Galileo）等，支持码和载波相位测量，能够生成与接收机无关的交换格式（Rinex）和国际时间频率咨询委员会时间传递标准格式（CGGTTS）及其实时数据（每16分钟产生一个数据文件），可实现本地数据向远程端服务器的自动上传下载，并且能够通过实时交互数据与其他观测站进行比对。

NIMDO的时间标准精密驯服算法为NIMDO的另一项关键技术，包括NIMDO内可控振荡器的噪声特性分析建模、时间频率参数预测和驯服控制等，用于保证振荡器以可控方式运行，确保其时间和频率输出准确、稳定、可靠及与UTC(NIM)的实时溯源性。

NIMDO配套专业的用户软件，无论是在局域网还是在互联网上，均可由用户通过网页浏览器实现远程控制和监测，界面友好，中英文显示，方便操作。用户可在装置本地登陆或通过网络远程登陆查看装置实现时标与UTC(NIM)时差的实时曲线（最小时间间隔30秒）和历史比对曲线。

总而言之，NIMDO（图2）是GNSS时间频率传递装置的重要扩展，其在中国计量科学研究院自主研制的NIM-TF-GNSS-3型时间频率传递模组基础上，集成“GNSS全/共视法”实时比对和时间频率标准实时精密驯服算法，将本地时钟远程溯源并同步至UTC(NIM)（或其他标准时间上），从而实现时间、频率的远程复现及传递。当NIMDO持续运行时，它成为一个实时溯源及同步到UTC(NIM)的时间尺度，产生标准时间和频率信号。当然，NIMDO 也可单独作为 GNSS 时间频率传递装置， 实现用户原子钟和时间频率计量基准、标准的远程（实时）比对， 生成标准格式的时间频率传递数据文件， 解决用户远端原子钟的校准问题。

NIMDO在满足运行条件时可随时开机，之后自动稳定运行，不需要人为干预，与参考标准时间在几小时内同步锁定在预期指标内，因此显著减少了人力和物质资源的使用并且大大节省了时间。NIMDO已在军民多个领域中使用，包括通信、电力、航天等，尤其在无人值守条件下，实现了与原子时标国家计量基准UTC(NIM)实时同步和溯源的时间频率标准，有力保障了高性能远程校准及网络授时能力，可以满足中国各地区高端装备制造、智能电网、交通、互联网、移动通信(5G)和大数据等领域对高准确度时间频率量值的溯源需求。

在此基础上，中国计量科学研究院分别在黑龙江、新疆和贵州的省级计量机构建立试点，安装了NIMDO，构建了各试点的时间频率标准，并通过溯源比对系统实现了其与UTC(NIM)的实时比对，形成了远程时间频率溯源示范系统，取得了良好的效果。其中，在贵州省计量测试院布设的远程时间溯源装置，经过近4年的验证运行，与UTC(NIM)的溯源结果有90%以上的观测点在5纳秒以内，98%以上的观测点在10纳秒以内，20纳秒以内的观测点达到99.85%，频差结果小于5e-14的观测点达到61%。基于中国计量科学研究院研制的“远程时间溯源装置NIMDO”，实现了与原子时标国家计量基准UTC(NIM)的实时溯源并同步的时间频率标准，基本可以满足区域各类时间频率量值的溯源需求。

目前，以NIMDO为核心，在贵州和青岛分别成立了国家时间频率计量中心贵州和青岛应用中心，与国家时间频率计量中心上海实验室（以NIMDO为重要溯源手段）共同成为国家远程时间溯源体系的重要节点。同时，若干地方和行业计量机构及一些其他企业和重要机构正在筹划基于NIMDO建设时间频率相关的精密实验室，它们的成立将在我国时间频率计量基准量值的传递与应用等方面发挥重要支撑作用，同时为高速铁路、北斗卫星导航应用、5G移动通信、大数据传输、智能电网、高端装备制造等领域提供高精度的时间频率技术服务。