远程时间复现技术验证

实验验证系统
本文验证实验中远程客户端所使用的时间频率参考为铯原子钟，铯原子钟相比铷原子钟可提供更好的准确度和长期稳定度，依其特性可在较低的驯服频度下实现较好的远程时间复现效果[15]，完整实验系统如图2所示。在中国计量科学研究院昌平院区参考端中，UTC(NIM)输出时频信号作为光纤双向时间传递调制解调器(Modem)设备B的参考输入。在中国计量科学研究院和平里院区客户端中，铯钟Cs1输出时频信号作为相位微跃器的参考输入，相位微跃器经过调频或者调相并输出时频信号作为Modem A的参考输入。参考端与客户端Modem设备经过各自本地电光转换器，通过光纤链路进行光纤双向时间比对获得两端时钟参考的钟差值，钟差值通过互联网传递至客户端上位机电脑，供其中的驯服控制程序进行控制量计算。相位微跃器HROG-10通过RS-232连接上位机电脑，获取驯服控制程序所发送的控制信号并进行相对于本地参考铯钟Cs1的频率偏移或者相位偏移，最终微跃器输出时间信号与UTC(NIM)同步，实现远程复现UTC(NIM)时间。
实验结果分析
为验证远程时间复现系统设计方案的有效性，针对系统的远程时间复现性能进行相关实验测试。本文将通过仿真程序，将参数整定后的变速积分PID控制器应用于远程时间复现系统中，经过周期为15天的远程时间复现实验，统计分析远程时间复现的时间偏差、频率偏差、时间稳定度、频率稳定度情况。此外将不经过仿真程序进行参数整定，仅通过短期测试选取较优参数的固定参数PID控制器应用于远程时间复现系统中，作为对照组进行等周期测试，并统计相关指标进行比对。

在MJD 59564-59579期间，应用固定参数PID控制器于远程时间复现系统，实验的远程时间复现时间偏差结果如图3所示，其中复现时间偏差平均值为0.143 ns，标准偏差为0.225 ns。在MJD 59666-59681期间，应用经过参数优化后的变速积分PID控制器于远程时间复现系统，实验的远程时间复现时间偏差结果如图4所示，复现时间偏差平均值为0.002 ns，标准偏差为0.207 ns。对时差数据进行统计，如表3所示，由表可知相比于固定参数PID控制，优化参数后的变速积分PID控制具有更好的远程时间复现效果，远程时间复现时，超过85%的时差绝对值在0.3 ns内，绝大部分时差绝对值在0.4 ns以内。计算分析参数优化后变速积分PID控制的远程时间复现的时间稳定度TDEV和频率稳定度MDEV，并与固定参数PID控制的远程时间复现相比较，两种控制方式的远程时间复现时间稳定度TDEV和频率稳定度MDEV对比图如图5所示。由图可知，参数优化后变速积分PID控制的远程时间复现在短期稳定度及长期稳定度上均优于固定参数PID控制的远程时间复现。
对两种控制方式的远程时间复现的时间稳定度TDEV和频率稳定度MDEV进行统计如表4所示。参数优化后变速积分PID控制与固定参数PID控制的远程时间复现的时间稳定度分别为5.83e-12 s·d?1和2.45e-11 s·d?1，对应频率稳定度分别为1.17e-16 ·d?1和4.91e-16·d?1。

结论
研究基于变速积分PID控制的远程原子钟驯服方法，利用中国计量科学研究院光纤双向时间比对系统的远程时间传递历史数据进行原子钟驯服仿真，实现变速积分PID控制的参数整定优化。实施固定参数PID控制及参数整定优化后变速积分PID控制的远程UTC(NIM)时间复现实验。实验结果表明相比固定参数PID控制，参数整定优化后变速积分PID控制的远程UTC(NIM)时间复现效果更优，超过85%的时差绝对值在0.3 ns内，时间稳定度和频率稳定度分别为5.83e-12 s·d?1和1.17e-16 ·d?1。