1、精密时钟源的同步处理技术精密时钟源的同步处理技术 项目承担单位：西安电子科技大学项目承担单位：西安电子科技大学 中国科学院国家授时中心中国科学院国家授时中心提提 纲纲 站站间间 星星站站星间星间星与星与用户用户立项背景立项背景导航定位导航定位现代授时现代授时通讯通讯精密精密时钟时钟源的源的同步同步技术技术西方国家在高精尖技西方国家在高精尖技术领域对我们实行封术领域对我们实行封锁和禁运，因此研究锁和禁运，因此研究高精度、高可靠的时高精度、高可靠的时间同步系统具有非常间同步系统具有非常重要的实用价值。重要的实用价值。近年来国内外花费大近年来国内外花费大量的财力和人力所建量的财力和人力所建立的不同的
2、卫星导航立的不同的卫星导航定位系统的基础工作定位系统的基础工作就是建立在星就是建立在星-地、星地、星间以及地面站间的精间以及地面站间的精密时钟源的同步。密时钟源的同步。总体思路总体思路创新点一创新点一 基于时钟源内环路中的频率倍增效基于时钟源内环路中的频率倍增效应，建立应，建立老化补偿模型老化补偿模型，改善了时钟源的，改善了时钟源的温度漂移和老化问题，提高温度漂移和老化问题，提高频率准确度和频率准确度和稳定度约一个数量级稳定度约一个数量级。关键技术一关键技术一1 1、频率源温度补偿技术、频率源温度补偿技术本技术主要用于更高分辨本技术主要用于更高分辨率的原子钟数字补偿，铷率的原子钟数字补偿，铷原
3、子频标输出的原子频标输出的10MHz10MHz信信号中有号中有大于大于3 3个量级的倍个量级的倍增增，具有超高分辨率的效，具有超高分辨率的效果。果。频率源温度补偿实验结果频率源温度补偿实验结果铷原子钟补偿前的频率准确度在铷原子钟补偿前的频率准确度在4.54.51010-10-10左右，左右，而通过而通过DDSDDS补偿后输出的补偿后输出的10MHz10MHz信号的频率准确信号的频率准确度在度在4 41010-11-11左右，左右，提高了一个数量级提高了一个数量级。根据振荡器频率的历史数据，预测当前时刻的振荡器频率，根据振荡器频率的历史数据，预测当前时刻的振荡器频率，产生所需的频率补偿，本项目积
4、累了大量的振荡器的老化数产生所需的频率补偿，本项目积累了大量的振荡器的老化数据，建立了数学模型：据，建立了数学模型：2 2、频率源老化补偿技术频率源老化补偿技术国外模型：国外模型：)5()4()3()arctan()2(15.3()1(2.01.0axaxaxaay)ln()(tbaty频率源老化补偿处理技术实验结果频率源老化补偿处理技术实验结果将项目所建数学模型用于晶振老化漂移的补偿将项目所建数学模型用于晶振老化漂移的补偿,使使老化指标提高了老化指标提高了6 6倍倍。3 3、驯服保持技术驯服保持技术 利用传感器组，在没利用传感器组，在没有主控频标信号的情有主控频标信号的情况下通过计算，获得况
5、下通过计算，获得对二级频标的压控量。对二级频标的压控量。在失去卫星或地面站在失去卫星或地面站信号后，在一定时间信号后，在一定时间内二级频标仍然能够内二级频标仍然能够保持一定的准确度和保持一定的准确度和稳定度。稳定度。驯服保持技术实验结果驯服保持技术实验结果VCOCXOVCOCXO的频率准确的频率准确度在锁定后度在锁定后1212小时内小时内的变化的变化保持期间保持期间VCOCXOVCOCXO频频率准确度随时间的变化率准确度随时间的变化驯服保持技术鉴定证书驯服保持技术鉴定证书具有保持功能的产品具有保持功能的产品已经过已经过2020所计量站检所计量站检定和企业生产，定和企业生产，驯服驯服阶段准确度进
6、入阶段准确度进入10-10-1313量级量级，保持阶段准保持阶段准确度达到确度达到10-1110-11量级量级。（频标利用的是晶。（频标利用的是晶体振荡器）体振荡器）创新点二创新点二探索并发现探索并发现周期性信号之间相位变化的规律周期性信号之间相位变化的规律性性，揭示任意周期性信号间存在等效检相频率和，揭示任意周期性信号间存在等效检相频率和相位差的量化步进现象，提出了相位差的量化步进现象，提出了相位群同步概念相位群同步概念，研究出，研究出同步处理新技术同步处理新技术，实现了群相位同步和，实现了群相位同步和频率的准确度、稳定度在频率的准确度、稳定度在任意频率任意频率信号间的信号间的同步同步传递传
7、递。关键技术二关键技术二 群周期和相位群同步在时钟同步中的应用群周期和相位群同步在时钟同步中的应用利用相位群同步，进行不同频率信号的比对处利用相位群同步，进行不同频率信号的比对处理，使用理，使用10MHz10MHz原子钟来锁定原子钟来锁定10.23MHz10.23MHz高稳晶高稳晶振达到时钟同步。振达到时钟同步。创新点二主要成果：共发表共发表SCISCI论文论文4 4篇、申请专利篇、申请专利1 1项项 创新点二的先进性：在国内外我们在国内外我们首次提出了首次提出了相相位群同步的概念位群同步的概念，测量控制，测量控制分辨率达分辨率达psps量级量级，而，而国外目前只有相位同步。国外目前只有相位同
8、步。第三方评价第三方评价创新点三创新点三提出了提出了时时-空转换的延迟游空转换的延迟游标法标法，研究出，研究出并行时间间隔测并行时间间隔测量技术量技术，使，使微秒微秒测量间隔下分测量间隔下分辨率辨率达达50ps50ps。关键技术三关键技术三 高分辨率短时间间隔测量技术高分辨率短时间间隔测量技术 长度游标法测量短时间间隔的设备方框图长度游标法测量短时间间隔的设备方框图分层次分层次并行并行时空转换时空转换创新点四创新点四提出了提出了多线程技术和滤波算法多线程技术和滤波算法实现了快实现了快速高精度的时间同步，在速高精度的时间同步，在GPSGPS共视模式下，共视模式下，时间同步精度为时间同步精度为4.
9、68ns4.68ns，在北斗共视模式下，在北斗共视模式下，天津监管中心与国家授时中心的，天津监管中心与国家授时中心的时间同步时间同步精度为精度为9.86ns9.86ns。卫星共视的时间同步技术卫星共视的时间同步技术基于基于“共视共视”原理的原理的GPS/BDGPS/BD卫星共视时间卫星共视时间同步技术结构（单站）同步技术结构（单站）卫星共视时间比对布局结构卫星共视时间比对布局结构图（多站）（虚线表示通过图（多站）（虚线表示通过通信网进行数据交换）通信网进行数据交换）关键技术四关键技术四 卫星共视的时间同步技术卫星共视的时间同步技术软件数据处理多线程组成框图软件数据处理多线程组成框图 共视比对数
10、据分析结果共视比对数据分析结果在北斗共视模式下，在北斗共视模式下，天津监管中心与国天津监管中心与国家授时中心的家授时中心的时间时间同步精度为同步精度为9.86ns9.86ns。在在GPSGPS共视模式共视模式下，下，时间同步精时间同步精度为度为4.68ns4.68ns。先进性先进性性能指标性能指标国际国际本项目本项目相位群同步下，测量控制相位群同步下，测量控制分辨率分辨率国外目前只有相位同步，国外目前只有相位同步，还没有提出相位群同步。还没有提出相位群同步。达达psps量级量级温度补偿下的温度特性温度补偿下的温度特性国外的温度补偿只是针对国外的温度补偿只是针对普通振荡器，对原子频标普通振荡器，
11、对原子频标还没有进行温度补偿。还没有进行温度补偿。温度特性普遍改善了温度特性普遍改善了1 1个个量级量级补偿后的老化率补偿后的老化率目前国外未见老化补偿报目前国外未见老化补偿报道。道。补偿后老化率提高了补偿后老化率提高了6 6倍倍高精度短时间间隔测量分高精度短时间间隔测量分辨率辨率20100ps20100ps达达50ps50ps共视法的时间精度共视法的时间精度110ns110ns110ns110nsGroup 1:Materials,Resonators,&Resonator CircuitsRandy Kubena,Hughes Research Laboratory,USADana Wei
12、nstein,MIT,USAAaron Partridge,SiTime Corporation,USASheng-Shian Li,National Tsing Hua University,TaiwanGroup 2:Oscillators,Synthesizers,Noise,&Circuit Techniques Wei Zhou,Xidian University,ChinaVincent Cros,CNRS,FranceXianhe Huang,Chengdu University,ChinaMaxim Goryachev,University of Western Australia,Australia推广应用情况推广应用情况时间时间频率频率基础基础处理处理导航导航定位定位电力电力故障故障定位定位通讯通讯空间空间技术技术交通交通运输运输军事军事应用应用敬请各位专家批评指正敬请各位专家批评指正 谢谢谢谢
