國產(chǎn)皮秒級商用MTIM測量儀比測

張 軍 陳 明 陳洪卿,2

(1.北京一樸時頻科技有限公司，北京 100086；2.中國科學院國家授時中心，陜西西安 710600)

1 引 言

時間和時間間隔測量技術在計量測試、導航定位、航空航天、天文觀測、電信、電力、網(wǎng)絡安全等領域的應用越來越廣，測量精度需求從ms，μs到ns，ps，fs量級[1-3]。美國把時間測量技術作為評估國防力量的重要標志。中國也開展高精度TI測量方法、技術研究，但精度高于1ns的TI測量儀市場主要是外國儀器。21世紀初，中國開啟研制測量精度高于1ns的國產(chǎn)商用多通道時間間隔測量儀的征程[4-6]。

2 國產(chǎn)商用皮秒級MTIM測量儀

2004年，“GNSS系統(tǒng)中相對論修正改進”項目為驗證衛(wèi)星運動相對論效應及其影響，研制了精度優(yōu)于100ps的時間間隔計數(shù)器，2006年，該成果被鑒定為“達到國際先進水平”。2009年，在此基礎上北京衛(wèi)星導航中心用該項成果研制的MDA712型TIM(Time Interval Meter)測量儀，與美國SR620型TIM測量儀進行比測，研究分析SR620測量多臺氫、銫原子鐘鐘差數(shù)據(jù)出現(xiàn)的鐘差值周期漂移的問題，發(fā)表“皮秒級時間間隔測量精度檢定方法的研究”報告[7]，從電路理論、計量方法兩方面深入探討，奠定了國產(chǎn)皮秒級TIM測量儀的理論基礎[8-10]。同時，獲得“一種多次同步模擬內(nèi)插的時間間隔測量方法和裝置”(專利號：ZL201010562836.2)和“受控頻偏時間間隔連續(xù)檢測方法”(專利號：ZL 2016010021523.3)兩項國家發(fā)明專利。在專利技術和多年工程應用基礎上，將兩通道拓展為多通道，研制成商用皮秒級MTIM多通道時間間隔測量儀，獲得中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會(國家科技部授權)頒發(fā)的“2012年衛(wèi)星導航定位科技進步一等獎”[11]?，F(xiàn)將歷次國產(chǎn)MTIM測量儀(包括多通道測量板卡MTIC)與國外名牌測量儀比測的結果，集腋成裘，以饗讀者。

3 國產(chǎn)MTIM測量儀比測結果與分析

3.1 與美國SR620測量儀的比測

為厘清北斗導航系統(tǒng)主控站各原子鐘的鐘差數(shù)據(jù)出現(xiàn)周期性的異常起伏，究竟來自原子鐘還是TI測量儀，2009年采用兩臺MDA712型測量儀與SR620測量儀對銫鐘信號同時進行長期比測，測試框圖如圖1所示。其中約10天(900 000s)的比測記錄如圖2所示，圖2(a)、2(b)分別是MDA712-1和MDA712-2測量儀測得的TI時差，圖2(c)是SR620測量儀測得的TI時差。10天內(nèi)3臺設備測得的時差曲線的變化趨勢一致，都有小于1ns的同步起伏(慢變化)，說明3臺測量儀工作正常。但SR620測得的時差曲線每隔35000s就出現(xiàn)幅度約500ps的周期性起伏，而兩臺MDA712測量儀的測得時差曲線并無相似的規(guī)律性變化，短時間內(nèi)的相對變化幅度都小于50ps，證明此前主控站監(jiān)測不同原子鐘所出現(xiàn)的時差數(shù)據(jù)帶有約0.5ns周期性起伏，源于SR620，而非原子鐘。主要原因在于MDA712測量儀采用自主專利“受控頻偏時間間隔連續(xù)檢測方法”，克服了原SR620在電路設計上的缺失[12]。

圖1 兩臺MDA712TIM測量儀與SR620測量儀比測連接框圖Fig.1 Connection diagram of TI test for two MDA712 meters compared with SR620 meter

圖2 兩臺MDA712測量儀與SR620測量儀的時差比測曲線圖Fig.2 Curves of TI tested for two MDA712 meters compared with SR620 Meter

3.2 與德國TIMETECH測量儀的比測

北斗系統(tǒng)主控站用德國TIMETECH公司的MCTIC多通道時間間隔測量儀替代SR620比測多臺氫鐘、銫鐘[13]。兩臺國產(chǎn)的16通道的皮秒級MTIM712B測量儀陪同TIMETECH測量儀同時比測，運行6年多時間。為分析兩者測得的時差數(shù)據(jù)存在部分不一致性，究竟是源于原子鐘還是源于測量儀，從數(shù)據(jù)庫中隨機選擇2016年4至6月的實測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計處理分析[12]，獲得10多組比測的TI時差數(shù)據(jù)曲線，為說明分析結果，選取有代表性的一組，如圖3所示。

圖3 MTIM712B測量儀與TIMETECH測量儀的TI比測結果曲線圖Fig.3 Curves of TI tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH meter

圖3中，黑色曲線表示MTIM712B測量儀的TI測量結果，淺灰色曲線表示MCTIC測量儀的TI測量結果，深灰色曲線表示黑色線與淺灰色線兩者的差值曲線。不難看出，深灰色線出現(xiàn)的較大起伏，都與淺灰色線的較大起伏一一對應，而對應時段的黑色線則相對平穩(wěn)，未有較大起伏。在兩個月內(nèi)，10多組時鐘的鐘差曲線，與圖3曲線相類似，大同小異。

分析表明，鐘差曲線較大起伏源于TIMETECH測量儀，而非原子鐘；同時也可說明國產(chǎn)MTIM測量儀長期工作的穩(wěn)定性、可靠性，其與TIMETECH測量儀的統(tǒng)計比較見表1。多年測試數(shù)據(jù)表明，MTIM_712B測量儀的性能略優(yōu)于TIMETECH測量儀[12]。

3.3 國產(chǎn)MTIM測量儀與德國TDC_GP21芯片、SR620測量儀的比測

2018年，某單位為北斗三號建設采購2臺由8塊7通道的皮秒級商用MTIC測量板卡嵌裝的國產(chǎn)MTIM測量儀。合同要求MTIC的測量噪聲小于15ps(rms)、測量不確定度小于30ps(max 100)、通道固定延遲[14-16]不一致性小于30ps。2019年4月現(xiàn)場驗收測量結果表明，采用專利“受控頻偏時間間隔連續(xù)檢測方法”的國產(chǎn)測量板卡和MTIM712測量儀全部達到合同要求。為驗證國產(chǎn)測量儀的整機性能，將MTIM712測量儀與1臺SR620測量儀以及1臺用德國ACAM公司的TDC-GP21芯片構建的TI測量儀(稱為TDC_GP21測量儀)同時比測。德國TDC_GP21芯片采用延遲線技術，能實現(xiàn)2通道高精度TI測量，其測量分辨力為10ps、測量噪聲為30ps、測量不確定度為100ps。3臺測量儀比對測量的TI數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

表1 MTIM712B測量儀與TIMETECH測量儀的長期比測結果評估Tab.1 Conclusion of results tested for MTIM712B meter compared with TIMETECH over long-term性 能德國TIMETECH測量儀國產(chǎn)MTIM712B測量儀兩者不一致性不確定度(MAX_100)<50ps<50ps<88ps測量噪聲(RMS)<30ps<30ps<43ps固定時延變化范圍<29ps<29ps<29ps長期工作的穩(wěn)定性有瑕疵,出現(xiàn)8次異常數(shù)據(jù)和突發(fā)噪聲變大現(xiàn)象。性能良好,無性能異?，F(xiàn)象?！?/p>

圖4 MTIM712B測量儀與SR620測量儀/TDC_GP21測量儀比測的TI曲線圖Fig.4 Curves of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter

圖4中，下部的黑色曲線是采用“受控頻偏TI連續(xù)檢測方法”設計的國產(chǎn)MTIM712測量儀測得的數(shù)據(jù)曲線，深灰色曲線是SR620測量儀測得的數(shù)據(jù)曲線，淺灰色曲線是TDC_GP21測量儀測得的數(shù)據(jù)曲線，測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果比較見表2。

表2中，國產(chǎn)MTIM712測量儀的溫度系數(shù)之所以良好，在于電路設計時，將每路測試信號的輸入模擬部分與時間展寬電路模擬部分，都設計為成對的溫度系數(shù)負相關電路，使其時延隨溫度變化的影響相互相抵消，達90%以上，并采用良導熱性能材料進行一體化屏蔽盒設計，使整個測量板成為一個等溫體，正常工作時不同通道間的溫度差別減小到2℃內(nèi)[12,16]。此外，還采取測溫反饋算法補償通道固定時延，不斷迭代優(yōu)化，使固定時延溫度系數(shù)<1.0ps/℃。因此，MTIM測量儀器能克服環(huán)境溫度劇變對TI測量的影響及其引發(fā)的關聯(lián)效應，滿足北斗三號系統(tǒng)工程對測量通道固定時延的溫度系數(shù)小于(1～2)ps/℃要求。

表2 MTIM_712B測量儀與SR620測量儀/TDC_GP21測量儀的TI比測結果Tab.2 Results of TI tested for MTIM-712 meter compared with SR620 meter/TDC_GP21 meter性 能測試方法概要描述TDC_GP21測量儀MTIM712測量儀SR620測量儀不確定度MAX_100(ps)參考和被測信號間均同源下,對同一時差源時間間隔連續(xù)9h的測量統(tǒng)計92971測量噪聲RMS(ps)加電1h恒溫后,參考和被測信號間均同源下,300s取樣的TI測量58921溫度系數(shù)(ps/℃)加電30min內(nèi),參考和被測信號間均同源情況下,測量時間間隔變化量與溫度變化的比值3.60.65.0

3.4 國產(chǎn)商用MTIM測量儀的批量驗收比測

2018年，A單位招標采購24塊多通道的國產(chǎn)OEM時間間隔測量板卡(MTIC)，要求噪聲<20ps(rms)、不確定度<70ps、通道固定延遲不一致性<50ps、通道固定時延溫度系數(shù)<2ps/℃，用于發(fā)射天線信號相位比測[16,17]；采購24塊7通道的MTIC測量板卡，要求測量噪聲、不確定度、通道固定延遲差及其溫度系數(shù)分別小于15ps，20ps，30ps和1ps/℃，用于原子鐘組比測。2019年，經(jīng)過近2個月的驗收測量，驗測結果(數(shù)據(jù)表，略)表明，皮秒級商用MTIC測量設備全部達到合同要求。國產(chǎn)皮秒級商用MTIM測試儀面市多年，供給北京衛(wèi)星導航中心、中國計量科學研究院、中國科學院上海天文臺、等多家單位，近3年就有24批次、40臺整機、131塊MTIC測量板卡、約1409個測量通道產(chǎn)品在為用戶服務。

4 結束語

伴隨北斗系統(tǒng)發(fā)展[16,20]的國產(chǎn)皮秒級MTIM測量儀與進口名牌產(chǎn)品的性能指標(手冊)比較，見表3。

目前，國內(nèi)已有各種研究皮秒級TIM技術方法和測量設備[18,19]，但是能小批量產(chǎn)商用的、不確定度優(yōu)于50ps的MTIM測量儀仍少見。國產(chǎn)皮秒級MTIM主要技術指標與國外同類設備相當，可用于國家高精度新時空綜合定位導航授時(PNT)體系建設[20-22]。

表3 MTIM測量儀與國外同類產(chǎn)品性能比較Tab.3 Conclusion for capability of MTIM meter compared with same famous foreign products型號生產(chǎn)廠商分辨力測量范圍噪聲RMS不確定度MAX_100最高采樣率溫度特性測量通道SR620美國斯坦福25ps比相儀50ps500ps1ksps/ch15ps/℃2MCTIC德國TIMETECH10ps±1s20ps100ps1sps/ch2.0ps/℃16GP21芯片德國ACAM公司10ps0～10μs30ps100ps500ksps/ch10ps/℃2MTIM712C北京一樸時頻10ps±42s15ps20ps500ksps/ch1.0ps/℃16