CN101692163A - 一种频率标准远程校准方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率标准远程校准方法及其***，克服了现有技术中需要将待校准频率标准断电、并与参考方放置在同一实验室内测量的缺陷。本发明的校准方法利用参考频率标准或卫星导航定位***的***时作为参考方，无需将待校准频率标准和参考方放置在同一实验室即可实现对待校准频率标准的远程校准。该方法校准精度较高，能够校准时标时刻、时刻稳定度等直接测量法不能校准的项目。本发明的校准***在待校准方或待校准方和参考方各设置一台接收机，并将各频率标准分别作为相应接收机的时钟参考，通过计算待校准方接收机时钟与参考方的钟差，进而得到接收机与参考方的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。因此，该校准***结构简单、操作方便。

Description

一种频率标准远程校准方法及其***

技术领域

本发明涉及一种时间频率标准的校准方法及其***，特别涉及一种基于卫星导航定位***载波相位对频率标准进行远程校准的方法及其***。

背景技术

众所周知，频率标准是能够产生标准频率信号，并用来进行频率和时间测量的一种计量装置。目前，对频率标准进行校准主要是采用直接测量法，即，将待校准频率标准和参考频率标准放置在同一实验室，利用测量仪器直接对待校准频率标准进行校准。图1示出了目前常用的几种频率标准校准的直接测量方法：

1.比相法

图1A是利用比相法校准频率标准的原理图。如图中所示，待校准频率标准和参考频率标准输出的频率信号分别输入比相仪，然后，比相仪对两频率信号进行比对，得到两频率信号的相位差值，从而计算得到频差及频率稳定度，由此实现对待校准频率标准的校准。

2.双混频时差法

图1B是利用双混频时差法校准频率标准的原理图。如图中所示，待校准频率标准和参考频率标准输出的频率信号分别输入双混频时差测量仪，双混频时差测量仪对两频率标准的频率信号进行测量，得到两频率信号的时差值，从而计算得到频差及频率稳定度，由此实现对待校准频率标准的校准。

3.时间间隔计数器法

图1C是利用时间间隔计数器法校准频率标准的原理图。如图中所示，待校准频率标准和参考频率标准输出的秒脉冲信号分别输入时间间隔计数器，时间间隔计数器对两频率标准的秒脉冲信号进行测量，得到两秒脉冲信号的时差值，从而计算得到频差及频率稳定度，由此实现对待校准频率标准的校准。

上述直接测量方法比较容易实现。但是，这种方法必须将待校准频率标准与参考频率标准放置在同一实验室内测量，待校准频率标准必须经过移动及断电等过程，容易对待校准频率标准本身及相关工作产生中断和不利影响。另外，如果待校准频率标准负责维持某地方时标，则断电后地方时标将中断，因此直接测量法无法校准时标时刻。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的第一个目的是提供一种频率标准远程校准方法，该校准方法实现了对频率标准的远程校准，同时还能够校准频率标准的时标时刻、时刻稳定度及频率稳定度。

本发明的第二个目的是提供一种利用上述方法进行远程频率标准校准的***，该***实现了对频率标准在通电工作状态下的远程校准，并且其结构简单、用户操作方便、测量精度高。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种频率标准远程校准方法，其包括如下步骤：

a)将一台或多台待校准频率标准分别作为相应个数的一台或多台卫星导航定位***接收机的时钟参考；

b)利用所述一台或多台卫星导航定位***接收机接收卫星信号，得到卫星导航定位***载波相位测量数据；

c)将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式；

d)将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到所述接收机的钟差；以及

e)依据所述接收机的钟差进行计算，得到待校准频率标准与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对所述一台或多台待校准频率标准的校准。

本发明还提供了一种频率标准远程校准方法，其包括如下步骤：

a)将一台或多台待校准频率标准和一参考频率标准分别作为相应个数的卫星导航定位***接收机的时钟参考；

b)利用所述卫星导航定位***接收机分别接收卫星信号，得到卫星导航定位***载波相位测量数据；

c)将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式；

d)将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到所述接收机的钟差；以及

e)依据所述接收机的钟差进行计算，得到一台或多台待校准频率标准和参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对所述一台或多台待校准频率标准的校准。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种频率标准远程校准***，其包括：用于接收卫星导航定位***卫星信号的一台或多台接收机；与所述一台或多台接收机相连，用作所述一台或多台接收机的时钟参考的相应的一台或多台待校准频率标准；与所述一台或多台接收机相连、用于采集所述接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的一台或多台数据存储计算机；以及数据处理计算机，该数据处理计算机用于接收所一台或多台数据存储计算机存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，得到接收机的钟差，并进一步对所述接收机的钟差进行比对分析，得到一台或多台待校准频率标准分别与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即所述一台或多台待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。

本发明还提供了一种频率标准远程校准的***，其包括：用于接收卫星导航定位***卫星信号的参考方接收机；与所述参考方接收机相连，用作所述参考方接收机的时钟参考的参考频率标准；用于接收卫星导航定位***卫星信号的一台或多台待校准方接收机；与所述一台或多台待校准方接收机相连，用作所述一台或多台待校准方接收机的时钟参考的一台或多台待校准频率标准；与所述参考方接收机相连、用于采集所述参考方接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的参考方数据存储计算机；与所述一台或多台待校准方接收机相连、用于采集所述一台或多台待校准方接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的一台或多台待校准方数据存储计算机；以及数据处理计算机，所述数据处理计算机用于接收所述参考方数据存储计算机、待校准方数据存储计算机存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，得到所述参考方、待校准方接收机的钟差，并进一步对所述接收机的钟差进行比对分析，得到待校准频率标准与参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。

本发明基于卫星导航定位***的载波相位进行频率校准，其利用参考频率标准或者卫星导航定位***的***时作为校准参考，无需将待校准频率标准和参考方放置在同一实验室即可实现对待校准频率标准的远程校准。同时，由于在校准时无需将待校准频率标准断电，其时标能够连续运行，因此该方法能够校准时标时刻，时刻稳定等直接测量法不能校准的项目。另外，该方法基于卫星导航定位***载波相位测量技术进行校准，其校准精度较高，时差稳定度可控制在亚ns级，相对于频率差测量不确定度可以达到2×10^-15量级/天。

本发明的频率标准校准***结构简单，不需采用时间间隔计数器等直接法测量仪器，只需在待校准方或待校准方和参考方分别设置具有卫星导航定位***载波相位观测能力的接收机，并将待校准频率标准或待校准频率标准和参考频率标准分别作为一台接收机的时钟参考，通过计算待校准方接收机时钟与卫星导航定位***的***时或者参考方接收机时钟的时差，进而计算得到接收机与参考方的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。因此，该校准***结构简单、操作方便。

附图说明

图1A是利用比相法校准频率标准的原理图；

图1B是利用双混频时差法校准频率标准的原理图；

图1C是利用时间间隔计数器法校准频率标准的原理图；

图2是根据本发明的频率标准远程校准***的第一优选实施方式的结构示意图；

图3是根据本发明的频率标准远程校准***的第二优选实施方式的结构示意图；

图4是根据本发明的频率标准远程校准方法的第一优选实施方式的流程图；

图5是根据本发明的频率标准远程校准方法的第二优选实施方式的流程图；以及

图6是根据本发明的频率标准远程校准方法进行校准时的时差观测值。

附图标记：

201GPS接收机；202待校准频率标准；

203数据存储计算机；204数据处理计算机；

301参考方GPS接收机；302待校准方GPS接收机；

303参考频率标准；304待校准频率标准；

305参考方数据存储计算机；306待校准方数据存储计算机；

307数据处理计算机。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。

本发明提供了一种频率标准远程校准方法，在其第一优选实施方式中，其包括如下步骤：

步骤1：将一台或多台待校准频率标准分别作为相应个数的一台或多台卫星导航定位***接收机的时钟参考；

步骤2：利用所述一台或多台卫星导航定位***接收机接收卫星信号，得到卫星导航定位***载波相位测量数据；

步骤3：将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式；

步骤4：将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到所述接收机的钟差；以及

步骤5：依据所述接收机的钟差进行计算，得到待校准频率标准与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对所述一台或多台待校准频率标准的校准。

在本实施方式中，卫星导航定位***可为任何卫星导航***，可以为但不限于GPS(全球定位***)、GLONASS(Global Navigation SatelliteSystem，全球卫星导航***)、COMPASS(北斗卫星定位***)、Galileo(伽利略)全球卫星定位***等卫星导航***，在本实施方式中，优选采用GPS。

为利用本发明的上述方法实现对频率标准的远程校准，本发明提供了一种频率标准远程校准***，其包括用于接收卫星导航定位***卫星信号的一台或多台接收机；与所述一台或多台接收机相连，用作所述一台或多台接收机的时钟参考的相应的一台或多台待校准频率标准；与所述一台或多台接收机相连、用于采集所述接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的一台或多台数据存储计算机；以及数据处理计算机，所述数据处理计算机用于接收所述一台或多台数据存储计算机存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，得到接收机的钟差，并进一步对所述接收机的钟差进行比对分析，得到一台或多台待校准频率标准分别与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即所述一台或多台待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。

图2示出了上述频率标准远程校准***的第一优选实施方式。该远程校准***包括：用于接收卫星导航定位***的卫星信号的GPS接收机201；与该GPS接收机201相连，用作该GPS接收机201的时钟参考的待校准频率标准202；与该GPS接收机201相连、用于接收GPS接收机201的观测数据并将观测数据存储为标准数据格式的数据存储计算机203；以及数据处理计算机204，该数据处理计算机204用于接收数据存储计算机203存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，从而得到接收机的钟差，并进一步对接收机的钟差进行分析，得到待校准频率标准202与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。由此完成对待校准频率标准的校准。

在本实施方式中，数据处理计算机204可以直接与数据存储计算机203相连以接收其数据；也可通过网络传输的方式接收数据存储计算机203存储的数据，该网络传输方式可以为但不限于FTP、email等传输方式，在本实施方式中，优选采用由数据存储计算机203向数据处理计算机204发送email的方式传输数据。

在本实施方式中，当进行远程校准时，传输线路及器件的延迟需要使用相应的仪器进行测定，可以为但不限于网络分析仪，并且，测定结果会在最终的校准结果中进行补偿。

对于不同的卫星导航定位***，载波频段不同，能够观测该卫星导航定位***的载波相位和伪随机码信号的接收机也不同。在本实施方式中，卫星导航定位***优选采用GPS***，接收机优选采用能够观测GPS L1和L2载波相位和伪随机码信号的GPS接收机。依据本发明，对于采用其它卫星导航定位***的实施方式，本领域技术人员经过简单变换就能够实施，在此不作详细描述。

在本实施方式中，GPS接收机201可以为但不限于测地型接收机、双频接收机，在本实施方式中，优选的GPS接收机201为GPS双频多通道测地型接收机。

待校准频率标准202为频率标准或者时间频率标准，可以为但不限于原子钟、原子钟组、晶振、GPS控制的铷钟或晶振等，在本实施方式中，优选的待校准频率标准202为氢原子钟或铯原子钟。

GPS接收机201与待校准频率标准202相连，待校准频率标准202的时标信号和频标信号输入GPS接收机201以作为该GPS接收机201的时钟参考，在本实施方式中，优选的时标信号为待校准频率标准202的1PPS时标信号；优选的频标信号为待校准频率标准202的5M或者10M频率信号。

在本实施方式中，GPS接收机201间隔一定时间接收一次卫星信号，该时间间隔为数据采集间隔，该数据采集间隔包括长度为整数秒的时间，可以为但不限于30s。

数据处理计算机204接收数据存储计算机203存储的数据并进行数据处理、建立载波相位方程，并求解GPS接收机201钟差。在本实施方式中，为求解钟差，数据处理计算机204处理数据的时间间隔为数据处理间隔，该数据处理间隔为数据采集间隔的整数倍。

图4示出了利用上述频率标准校准***进行远程校准的流程图，其包括如下步骤：

步骤1：将待校准频率标准202作为一台GPS接收机201的时钟参考。具体是将待校准频率标准202的时标信号和频标信号输入GPS接收机201，并作为该GPS接收机201的时钟参考，在本实施方式中，优选地将待校准频率标准202的1PPS时标信号和5M或者10M频率信号输入GPS接收机201以作为该GPS接收机201的时钟参考。

步骤2：GPS接收机201接收GPS卫星信号，从而得到载波相位测量数据。在本实施方式中，具体方法是利用载波相位测量方法测定GPS载波信号在传播路径上的相位变化值，以确定载波信号传播的距离。在进行载波相位测量时，卫星S发出一个波长为已知值λ的载波信号，在任意时刻t，其在卫星S处的相位为

经过距离ρ，载波信号传播到接收机K处时的相位为

为方便计算，载波相位均以周数为单位。则由S至K，载波信号的相位变化为

其中，既包括相位变化的整周数，也包括不足一周的小数部分。根据这种方法，如果能测定

则卫星S至接收机K的距离ρ即为：

其中，N₀为载波信号在t时刻的相位变化值

的整周数部分，即整周模糊度，

为

中不足一个周期的小数部分。

在实际应用中，由于无法测得载波信号在卫星S处的相位

因此，在本实施方式中，接收机能够产生一个频率和初相与第i颗GPS卫星载波信号完全相同的基准信号，则在任一时刻t，接收机基准信号的相位即为卫星上载波信号的相位。

根据上述方法，接收机能够得到时刻t时第i颗GPS卫星的载波信号，由于载波信号是一种周期性的正弦信号，实际相位测量中无法测定整周模糊度N₀，只能测定不足一周的小数部分。而且由于电离层、对流层、固体潮、相对论效应等误差，电缆、转接头、接收机、天线等延迟量，接收机噪声以及多路径效应等影响，通过整周跳检测和模糊度确定后，当用载波相位观测量作观测时，以米为单位的载波相位观测方程为：

ΔΦⁱ(t)λ＝Rⁱ(t)+λNⁱ+Cdτⁱ(t)-Cdτ_t(t)-dρ_ion+dρ_trop+v_Φ+dM其中，

ΔΦⁱ(t)为接收站和第i颗GPS卫星之间在时刻t的载波滞后相位观测值；

Rⁱ(t)为接收站和第i颗GPS卫星之间在时刻t的几何距离；

C为光速；

λ为GPS信号的载波波长；

Nⁱ为接收站在时刻t至第i颗GPS卫星的载波相位滞后整周数，即，整周模糊度；

dτ_t(t)为GPS信号接收机的时钟相对于GPS***时的偏差；

dτⁱ(t)为第i颗GPS卫星的时钟相对于GPS***时的偏差；

dρ_ion为电离层引起的传输延迟；

dρ_trop为对流层引起的传输延迟；

v_Φ为接收机测量噪声；

dM为多路径误差。

步骤3：将载波相位测量数据存储为标准数据格式。在本实施方式中，具体是数据存储计算机203接收GPS接收机201的载波相位测量数据，并将载波相位测量数据存储为在GPS测量应用中普遍适用的标准数据格式。该标准数据格式可以为但不限于RINEX(Receiver Independent ExchangeFormat，与接收机无关的交换格式)。

步骤4：将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送至数据处理计算机204，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到GPS接收机201的钟差。在本实施方式中，数据处理计算机204可以直接与数据存储计算机203相连以接收其数据；也可通过网络传输的方式接收数据存储计算机203存储的数据，该网络传输方式可以为但不限于FTP、email等传输方式，在本实施方式中，优选采用由数据存储计算机203向数据处理计算机204发送email的方式传输数据。

该步骤具体是：首先，将数据存储计算机203传送的存储为RINEX文件的载波相位测量数据汇总，并将RINEX文件的格式统一为与年份有关的数据格式*.xxo，并且下载相应的IGS(国际全球导航卫星***服务)星历文件以及相应的太阳、月球、ut1、闰秒等历表文件。在本实施方式中，xx对应着相应的年份，例如2008年为*.08o，2009年为*.09o。

再次，对误差建模补偿，其包括对电离层、对流层、sagnac(萨格纳克)效应、天线坐标、星历及GPS卫星轨道偏心率造成的相对论修正等误差的补偿。

然后，延迟测定扣除，包括对线缆及小型器件延迟、天线延迟和接收机内部延迟等延迟的测定扣除。

最后，建立载波相位观测方程，并利用GPS测地分析软件进行载波相位观测方程解算，同时进行未知参数的估计，得到GPS接收机201的钟差值。在本实施方式中，未知参数包括整周模糊度和GPS接收机钟差。对上述未知参数具体的估计方法为：在单差观测方程中利用最小二乘法得到浮点模糊度，将其转换为双差浮点模糊度后，在双差观测方程中利用LAMBDA方法进行整周模糊度固定，得到整周模糊度；根据得到的整周模糊度值在单差观测方程中利用Kalman滤波方法计算得到最终的GPS接收机钟差。

依据本步骤中上述方法的描述，根据观测时刻的不同，能够得到多个载波相位观测方程，从而建立未知参数为GPS接收机钟差以及整周模糊度的观测方程组。经过对方程组的解算，最终得到GPS接收机时钟与GPS***时间的偏差值，经过时间频率相关计算可得到最终接收机参考钟的时差、频差和稳定度。具体是利用GPS测地分析软件进行载波相位观测方程解算，得到GPS接收机201的钟差Δt_i，i＝1……n。

步骤5：该GPS接收机201的钟差即为待校准频率标准202的时差，然后根据时差计算时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对待校准频率标准202的校准。具体计算方法是：将待校准频率标准202的时差值取平均后就是待校准频率标准202的时刻偏差：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i}{n}$

将待校准频率标准202的时差值进行线性拟合后，斜率为待校准频率标准202的频差值，即待校准频率标准202的频率偏差，利用待校准频率标准202的时差值计算其标准偏差值，此即待校准频率标准202的时刻稳定度：

$\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δt}}_i-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i}{n})}^2}{n-1}}$

利用待校准频率标准202的时差值计算相应的采样间隔的Allan标准偏差值即待校准频率标准202的频率稳定度：

其中，τ为采样间隔

在本实施方式中，采样间隔为数据处理间隔的整数倍。另外，在解算过程中，使用到的包含卫星钟偏差校正值及卫星在轨精密位置值等信息的IGS精密星历由IGS网站提供。

在计算得到待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度、以及频率稳定度后，这些数据即为对频率标准校准的结果，由此完成对待校准频率标准的校准。

本发明提供了一种频率标准远程校准方法，在其第二优选实施方式中，其包括如下步骤：

a)将一台或多台待校准频率标准和参考频率标准分别作为相应个数的卫星导航定位***接收机的时钟参考；

b)利用所述卫星导航定位***接收机分别接收卫星信号，从而得到载波相位测量数据；

c)采集载波相位测量数据并将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式；

d)将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到所述接收机的钟差；以及

e)依据所述接收机的钟差进行计算，得到一台或多台待校准频率标准和参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对所述一台或多台待校准频率标准的校准。

利用本发明的上述方法实现对频率标准的远程校准，本发明提供了一种频率标准远程校准***，其包括用于接收卫星导航定位***卫星信号的参考方接收机；与所述参考方接收机相连，用作所述参考方接收机的时钟参考的参考频率标准；用于接收卫星导航定位***卫星信号的一台或多台待校准方接收机；与所述一台或多台待校准方接收机相连，用作所述一台或多台待校准方接收机的时钟参考的一台或多台待校准频率标准；与所述参考方接收机相连、用于采集所述参考方接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的参考方数据存储计算机；与所述一台或多台待校准方接收机相连、用于采集所述一台或多台待校准方接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的一台或多台待校准方数据存储计算机；以及数据处理计算机，所述数据处理计算机用于接收所述参考方数据存储计算机、待校准方数据存储计算机存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，得到所述参考方、待校准方接收机的钟差，并进一步对所述接收机的钟差进行比对分析，得到待校准频率标准与参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。

在本发明的频率标准远程校准***的第二优选实施方式中，该频率标准远程校准***包括：用于接收卫星导航定位***的卫星信号的参考方接收机和待校准方接收机；与参考方接收机相连，用作该参考方接收机的时钟参考的参考频率标准；与待校准方接收机相连，用作该待校准方接收机的时钟参考的待校准频率标准；与参考方接收机相连、用于采集该参考方接收机的观测数据并将观测数据存储为标准数据格式的参考方数据存储计算机；与待校准方接收机相连、用于采集该待校准方接收机的观测数据并将观测数据存储为标准数据格式的待校准方数据存储计算机；以及数据处理计算机，该数据处理计算机用于接收参考方、待校准方数据存储计算机存储的数据、建立载波相位观测方程并对该载波相位观测方程进行解算，从而分别得到该参考方、待校准方接收机与卫星导航定位***的***时的钟差，并进一步对两个接收机的钟差进行比对分析，得到待校准频率标准与参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，这些数据即为对待校准频率标准校准的结果，由此完成对待校准频率标准的校准。

在本实施方式中，卫星导航定位***优选采用GPS***，接收机优选采用能够观测GPS L1和L2载波相位和伪随机码信号的GPS接收机。对于采用其它卫星导航定位***的实施方式，经过简单变换就能够实施，在此不作详细描述，图3为该实施方式的示意图。如图中所示，该频率标准远程校准***包括：用于接收卫星导航定位***的卫星信号的参考方GPS接收机301和待校准方GPS接收机302；与参考方GPS接收机301相连，用作该参考方GPS接收机301的时钟参考的参考频率标准303；与待校准方GPS接收机302相连，用作该待校准方GPS接收机302的时钟参考的待校准频率标准304；与参考方GPS接收机301相连、用于接收该参考方GPS接收机301的观测数据并将观测数据存储为标准数据格式的参考方数据存储计算机305；与待校准方GPS接收机302相连、用于接收该待校准方GPS接收机302的观测数据并将观测数据存储为标准数据格式的待校准方数据存储计算机306；以及数据处理计算机307，该数据处理计算机307用于接收参考方、待校准方数据存储计算机305、306存储的数据、建立载波相位观测方程并对该载波相位观测方程进行解算，从而分别得到该参考方、待校准方GPS接收机301、302与GPS***时的钟差，并进一步对两个接收机的钟差进行比对分析，得到待校准频率标准304与参考频率标准303的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即待校准准频率标准304的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，这些数据即为对待校准频率标准304校准的结果，由此完成对待校准频率标准的校准。

在本实施方式中，数据处理计算机307可以直接与参考方、待校准方数据存储计算机305、306相连以接收其数据；也可通过网络传输的方式接收参考方、待校准方数据存储计算机305、306存储的数据，该网络传输方式可以为但不限于FTP、email等传输方式，在本实施方式中，优选采用由参考方、待校准方数据存储计算机305、306向数据处理计算机307发送email的方式传输数据。

在本实施方式中，当进行远程校准时，传输线路及器件的延迟需要使用相应的仪器进行测定，可以为但不限于网络分析仪，并且，测定结果会在最终的校准结果中进行补偿。

在本实施方式中，参考方GPS接收机301、待校准方GPS接收机302能够观测GPS L1和L2载波相位和伪随机码信号，它们可以为但不限于测地型接收机、双频接收机，在本实施方式中，优选的参考方GPS接收机301、待校准方GPS接收机302分别为GPS双频多通道测地型接收机。

参考频率标准303可以为任何国家、地方、行业或部门的时间频率基准，可以为但不限于原子钟、原子钟组、晶振、GNSS控制的铷钟或晶振等，在本实施方式中，优选的参考频率标准303为氢原子钟或铯原子钟。

待校准频率标准304为频率标准或者时间频率标准，可以为但不限于原子钟、原子钟组、晶振、GNSS控制的铷钟或晶振等，在本实施方式中，优选的待校准频率标准304为氢原子钟或铯原子钟。

参考方GPS接收机301、待校准方GPS接收机302分别与参考频率标准303和待校准频率标准304相连，两频率标准的时标信号和频标信号分别输入相应的接收机以作为该接收机的时钟参考，在本实施方式中，优选地将两频率标准的1PPS信号和5M或10M频率信号输入相应的接收机以作为该接收机的时钟参考。

在本实施方式中，接收机间隔一定时间接收一次卫星信号，该时间间隔为数据采集间隔，该数据采集间隔包括长度为整数秒的时间，可以为但不限于30s。

数据处理计算机接收数据存储计算机存储的数据并进行数据处理、建立载波相位方程，并求解参考方GPS接收机301和待校准方GPS接收机302的钟差。在本实施方式中，为求解钟差，数据处理计算机处理数据的时间间隔为数据处理间隔，该数据处理间隔为数据采集间隔的整数倍。

图5示出了利用上述频率标准校准***的第二优选实施方式进行远程校准的流程图，包括如下步骤：

步骤1：将待校准频率标准304和参考频率标准303分别作为一台GPS接收机的时钟参考。具体是将参考频率标准303和待校准频率标准304的时标信号和频标信号分别输入参考方GPS接收机301、待校准方GPS接收机302并作为相应接收机的时钟参考，在本实施方式中，优选地将两频率标准的1PPS信号和5M或10M频率信号输入相应的接收机以作为该接收机的时钟参考。

步骤2：参考方、待校准方GPS接收机301、302分别接收GPS卫星信号，从而得到载波相位测量数据。在本实施方式中，参考方、待校准方GPS接收机301、302得到载波相位测量数据的方法与频率标准校准***的第一优选实施方式中的GPS接收机201得到载波相位测量数据的方法原理相同，在此不作重复描述。在本实施方式中，该步骤可以按照第一优选实施方式中的GPS接收机201得到载波相位测量数据的方法实施。

步骤3：将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式。在本实施方式中，具体是参考方数据存储计算机305和待校准方数据存储计算机306分别接收参考方GPS接收机301、待校准方GPS接收机302的载波相位测量数据，并将载波相位测量数据存储为在GPS测量应用中普遍适用的标准数据格式，该标准数据格式可以为但不限于RINEX数据格式。

步骤4：将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机307，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到双方GPS接收机的钟差。该步骤具体是：首先，将参考方数据存储计算机305和待校准方数据存储计算机306存储为RINEX文件的载波相位测量数据汇总，并将RINEX文件的格式统一为与年份有关的数据格式*.xxo，并且下载相应的IGS星历文件以及相应的太阳、月球、ut1、闰秒等历表文件。

再次，对误差建模补偿，其包括对电离层、对流层、sagnac效应、天线坐标、星历及GPS卫星轨道偏心率造成的相对论修正等误差的补偿。

然后，延迟测定扣除，包括对线缆及小型器件延迟、天线延迟和接收机内部延迟等延迟的测定扣除。

最后，建立载波相位观测方程，并利用GPS测地分析软件进行载波相位观测方程解算，同时进行未知参数的估计，得到参考方GPS接收机301和待校准方GPS接收机302的钟差值。在本实施方式中，未知参数包括GPS接收机钟差和整周模糊度。具体的求解过程为：在单差观测方程中利用最小二乘法得到浮点模糊度，转换为双差浮点模糊度后，在双差观测方程中利用LAMBDA方法进行模糊度固定，得到整周模糊度；再根据得到的整周模糊度值在单差观测方程中利用Kalman滤波方法计算得到最终的GPS接收机钟差。

依据本步骤中上述方法的描述，根据观测时刻的不同，得到多个载波相位观测方程，从而建立未知参数为观测站时钟偏差以及整周模糊度的观测方程组。经过对方程组的解算，最终可分别得到两接收机301、302的时钟与GPS***时间的偏差值，经过时间频率相关计算可得到最终两接收机参考钟的时钟差、频率差和稳定度。具体是利用GPS测地分析软件进行载波相位观测方程解算，得到参考方GPS接收机301的钟差Δt_i ^r1，i＝1……n，以及待校准方GPS接收机302的钟差Δt_i ^r2，i＝1……n。

步骤5：依据参考方GPS接收机301和待校准方GPS接收机302的钟差进行计算，得到待校准频率标准304的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对待校准频率标准的校准。

本步骤中具体的计算方法是：将参考方GPS接收机301和待校准方GPS接收机302的钟差值作差可得到双方频率标准的时差值，即待校准频率标准304的时差：

${\mathrm{\Δt}}_i^{12}={\mathrm{\Δt}}_i^{r2}-{\mathrm{\Δt}}_i^{r1},i=1......n$

将待校准频率标准304的时差取平均就是待校准频率标准304的时刻偏差：

${\mathrm{\Δt}}^{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^{12}}{n}$

将待校准频率标准304的时差值进行线性拟合后，斜率为待校准频率标准304的频差值，即待校准频率标准304的频率偏差；利用双方频率标准的时差值计算其标准偏差值，此即待校准频率标准304的时刻稳定度：

$\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{t}_i^{12}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_i^{12}}{n})}^2}{n-1}}$

利用双方频率标准的时差值计算相应的采样间隔的Allan标准偏差值，此即待校准频率标准304的频率稳定度：

其中，τ为采样间隔

在本实施方式中，采样间隔为数据处理间隔的整数倍。另外，在解算过程中，使用到的包含卫星钟偏差校正值及卫星在轨精密位置值等信息的IGS精密星历由IGS网站提供。

在计算得到待校准频率标准304的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度、以及频率稳定度后，这些数据即为对频率标准校准的结果，由此完成对待校准频率标准304的校准。

根据上述方法对频率标准进行校准，得到的校准精度较高，图3示出了根据本方法进行校准时的时差观测值，由图中可见，根据本发明的校准方法进行频率标准校准，时差稳定度可控制在亚ns级，相对于频率差测量不确定度可以达到2×10^-15/天量级。

除上述两个优选实施方式外，本发明的校准***亦可实施为将多台待校准频率标准分别作为相应个数的多台GPS接收机的时钟参考的第三优选实施方式(附图中未示出)，在该第三优选实施方式中，待校准频率标准为两台或两台以上。其中，每台待校准频率标准分别作为一台GPS接收机的时钟参考，各数据存储计算机将各个GPS接收机观测的载波相位测量数据传输至数据处理计算机，该数据处理计算机建立载波相位观测方程，并同时进行参数估计，对所有载波相位观测方程同步进行解算，得到各台GPS接收机的钟差，然后依据GPS接收机的钟差进行计算，同步得到各台待校准频率标准和GPS***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对各台待校准频率标准的同步校准。另外，在该第三优选实施方式中，还可以具有一台参考频率标准，该参考频率标准与每台待校准频率标准分别作为一台GPS接收机的时钟参考，各数据存储计算机将各个GPS接收机观测的载波相位测量数据传输至数据处理计算机，该数据处理计算机建立载波相位观测方程，并同时进行参数估计，对所有载波相位观测方程同步进行解算，得到各台GPS接收机的钟差，然后依据GPS接收机的钟差进行计算，同步得到多台待校准频率标准与参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对多台待校准频率标准的同步校准。因此，根据本第三优选实施方式，可以同步对多台频率标准进行远程校准，校准效率得到明显提高。

以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，依据本发明所附权利要求中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (20)

1.一种频率标准远程校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)将一台或多台待校准频率标准分别作为相应个数的一台或多台卫星导航定位***接收机的时钟参考；

b)利用所述一台或多台卫星导航定位***接收机接收卫星信号，得到卫星导航定位***载波相位测量数据；

c)将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式；

d)将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到所述接收机的钟差；以及

e)依据所述接收机的钟差进行计算，得到待校准频率标准与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对所述一台或多台待校准频率标准的校准。

2.一种频率标准远程校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)将一台或多台待校准频率标准和参考频率标准分别作为相应个数的卫星导航定位***接收机的时钟参考；

b)利用所述卫星导航定位***接收机分别接收卫星信号，从而得到卫星导航定位***载波相位测量数据；

c)将所述载波相位测量数据存储为标准数据格式；

d)将存储为标准数据格式的载波相位测量数据传送到数据处理计算机，进行数据预处理、误差建模及补偿、延迟测定及扣除，建立并解算载波相位观测方程，同时进行参数估计，得到所述接收机的钟差；以及

e)依据所述接收机的钟差进行计算，得到一台或多台待校准频率标准和参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，从而完成对所述一台或多台待校准频率标准的校准。

3.如权利要求1或2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述卫星导航定位***包括GPS***、GLONASS***、COMPASS***、Galileo***。

4.如权利要求1或2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述卫星导航定位***为GPS***。

5.如权利要求1所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，在a步骤中，所述卫星导航定位***接收机的时钟参考包括所述待校准频率标准的时标信号和频标信号。

6.如权利要求2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，在a步骤中，所述卫星导航定位***接收机的时钟参考包括所述待校准频率标准或参考频率标准的时标信号和频标信号。

7.如权利要求4、5或6之一所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述时标信号包括1PPS信号；所述频标信号包括频率为5M或10M的频率信号。

8.如权利要求1或2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，在c步骤中，将所述载波相位测量数据存储为RINEX格式的数据文件。

9.如权利要求1或2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述d步骤进一步包括：

d1)数据预处理，将一台或者多台卫星导航定位***接收机的载波相位测量数据汇总，并将所述一台或者多台接收机的RINEX文件的格式统一为与年份有关的数据格式*.xxo，并且下载相应的包括IGS星历文件以及相应的太阳、月球、ut1(一类世界时)、闰秒历表文件；

d2)误差建模补偿，包括对电离层、对流层、sagnac(萨格纳克)效应、天线坐标、星历及卫星导航定位***卫星轨道偏心率造成的相对论修正等误差的建模补偿；

d3)延迟测定扣除，包括对线缆及小型器件延迟、天线延迟和接收机内部延迟等延迟的测定扣除；以及

d4)建立载波相位观测方程，利用测地分析软件进行载波相位观测方程解算，同时进行未知参数的估计，得到所述一台或者多台接收机的钟差值。

10.如权利要求9所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述d1步骤进中的数据格式*.xxo，其中，xx对应着相应的年份。

11.如权利要求1所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述e步骤进一步包括：

e1)将接收机的钟差值作为待校准频率标准与卫星导航定位******时的时差值，即待校准频率标准的时差值，将待校准频率标准的时差值取平均后就是待校准频率标准的时刻偏差；

e2)将时差值进行线性拟合，得到待校准频率标准的频差值，即为待校准频率标准的频率偏差；

e3)利用时差值计算其标准偏差值，得到待校准频率标准的时刻稳定度；

e4)利用时差值计算相应采样间隔的Allan(阿伦)标准偏差值，得到待校准频率标准的频率稳定度。

12.如权利要求11所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述e步骤中待校准频率标准的时刻偏差计算公式为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_i}{n},$ 其中，Δt_i为待校准频率标准的时差值；

待校准频率标准的时刻稳定度计算公式为：

$\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δt}}_i-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i}{n})}^2}{n-1}}$

待校准频率标准的频率稳定度计算公式为：

$\sqrt{\frac{1}{2m{\mathrm{\τ}}^2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δt}}_{i+2}-2{\mathrm{\Δt}}_{i+1}+{\mathrm{\Δt}}_i)}^2},m=n-2$

13.如权利要求2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述e步骤进一步包括：

e1)取两台接收机的钟差值的差值，从而得到待校准频率标准与参考频率标准的时差值，即待校准频率标准的时差值，将待校准频率标准的时差值取平均后就是待校准频率标准的时刻偏差；

e2)将时差进行线性拟合，得到待校准频率标准的频差值，即为待校准频率标准的频率偏差；

e3)利用时差值计算其标准偏差值，得到待校准频率标准的时刻稳定度；

e4)利用时差值计算相应采样间隔的Allan标准偏差值，得到待校准频率标准的频率稳定度。

14.如权利要求13所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述e步骤中待校准频率标准的时差计算公式为：

${\mathrm{\Δt}}_i^{12}={\mathrm{\Δt}}_i^{r2}-{\mathrm{\Δt}}_i^{r1},i=1\·\·\·\·\·\·n$

待校准频率标准时刻偏差的计算公式为：

${\mathrm{\Δt}}^{12}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_i^{12}}{n}$

待校准频率标准时刻稳定度的计算公式为：

$\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δt}}_i^{12}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^{12}}{n})}^2}{n-1}}$

待校准频率标准频率稳定度的计算公式为：

$\sqrt{\frac{1}{2m{\mathrm{\τ}}^2}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Δt}}_{i+2}^{12}-2\mathrm{\Δ}{t}_{i+1}^{12}+{\mathrm{\Δt}}_i^{12})}^2},m=n-2$

15.如权利要求1或2所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述接收机接收卫星导航定位***的卫星信号的数据采集间隔包括间隔为30s。

16.如权利要求1、2或15之一项所述的频率标准远程校准方法，其特征在于，所述数据处理计算机处理数据时的数据处理间隔为所述数据采集间隔的整数倍。

17.一种利用权利要求1所述的校准方法进行频率标准远程校准的***，其特征在于，包括：

用于接收卫星导航定位***卫星信号的一台或多台接收机；

与所述一台或多台接收机相连，用作所述一台或多台接收机的时钟参考的相应的一台或多台待校准频率标准；

与所述一台或多台接收机相连、用于接收所述接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的一台或多台数据存储计算机；以及

数据处理计算机，所述数据处理计算机用于接收所述一台或多台数据存储计算机存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，得到接收机的钟差，并进一步对所述接收机的钟差进行分析，得到一台或多台待校准频率标准分别与卫星导航定位***的***时的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即所述一台或多台待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。

18.一种利用权利要求2所述的校准方法进行频率标准远程校准的***，其特征在于，包括：

用于接收卫星导航定位***卫星信号的参考方接收机；

与所述参考方接收机相连，用作所述参考方接收机的时钟参考的参考频率标准；

用于接收卫星导航定位***卫星信号的一台或多台待校准方接收机；

与所述一台或多台待校准方接收机相连，用作所述一台或多台待校准方接收机的时钟参考的一台或多台待校准频率标准；

与所述参考方接收机相连、用于接收所述参考方接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的参考方数据存储计算机；

与所述一台或多台待校准方接收机相连、用于接收所述一台或多台待校准方接收机的观测数据并将所述观测数据存储为标准数据格式的一台或多台待校准方数据存储计算机；以及

数据处理计算机，所述数据处理计算机用于接收所述参考方数据存储计算机、待校准方数据存储计算机存储的数据、建立及解算载波相位观测方程，得到所述参考方、待校准方接收机的钟差，并进一步对所述参考方、待校准方接收机的钟差进行比对分析，得到待校准频率标准与参考频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度，即待校准频率标准的时刻偏差、频率偏差、时刻稳定度和频率稳定度。

19.如权利要求17或18所述的频率标准远程校准***，其特征在于，所述接收机为能够观测卫星导航定位***的载波相位和伪随机码信号的接收机。

20.如权利要求17-19之一项所述的频率标准远程校准***，其特征在于，所述接收机为能够观测GPS L1和L2载波相位和伪随机码信号的GPS双频多通道测地型接收机。

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