衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站銣原子鐘頻率校準(zhǔn)方法分析

孔 維，李保東，陶春燕，張向征

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

1 引言

原子鐘作為精確時間基準(zhǔn)，在科學(xué)、技術(shù)、軍事和商業(yè)中具有重要地位，早已應(yīng)用到測控、導(dǎo)航、通信、監(jiān)視、能源利用、電網(wǎng)調(diào)節(jié)、海上勘探等各個方面，尤其在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，其性能直接影響用戶的導(dǎo)航定位精度。銣原子鐘(以下簡稱銣鐘)相對銫鐘和氫鐘，具有體積小、功耗低、便于制作等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面監(jiān)測站，為接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與信號處理提供高精度時間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)，其工作性能對接收機(jī)的工作狀態(tài)以及定位性能有著重要影響。

按頻率準(zhǔn)確度等級，銣鐘屬于需要定期校準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)頻率源，其頻漂的固有特性隨時間變化會導(dǎo)致接收機(jī)時鐘頻率發(fā)生漂移，因此需要定期校準(zhǔn)，以保障監(jiān)測站提供的原始觀測偽距和載波相位數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前應(yīng)用于工程實踐的銣鐘頻率校準(zhǔn)方法主要有傳統(tǒng)實驗室校準(zhǔn)、小型校準(zhǔn)測試儀校準(zhǔn)和遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)三種形式，隨著測量技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展以及計量校準(zhǔn)服務(wù)高精度、低成本的需求，校準(zhǔn)技術(shù)會朝著更加合理、高效、自動化的趨勢發(fā)展。

2 銣鐘時頻特性分析

2.1 基本概念

衡量原子鐘時頻特性的主要指標(biāo)包括：頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率偏差和頻率漂移率等。頻率準(zhǔn)確度是用來描述頻標(biāo)的實際輸出頻率相對于其標(biāo)稱頻率的偏差，頻率穩(wěn)定度是用來描述原子頻標(biāo)輸出頻率受噪聲影響而產(chǎn)生的隨機(jī)起伏情況，頻率偏差是指兩臺頻標(biāo)輸出頻率的相對偏差，頻率漂移率是指頻標(biāo)隨運行時間單調(diào)變化的速率。頻漂是原子頻標(biāo)的固有特性，是無法改變的，即原子頻標(biāo)頻率隨著時間推移變得越來越不準(zhǔn)，最終導(dǎo)致監(jiān)測站接收機(jī)的鐘差越來越大，因此必須定期校準(zhǔn)原子頻標(biāo)的輸出頻率值。

頻率準(zhǔn)確度可定義為

(1)

式中，A為頻率準(zhǔn)確度，f為被測頻標(biāo)的實際頻率，f0為標(biāo)稱頻率。

實際應(yīng)用中以參考頻標(biāo)的實際頻率作為標(biāo)準(zhǔn)來測量被測頻標(biāo)的實際頻率，要求參考頻標(biāo)的準(zhǔn)確度比被測頻標(biāo)的準(zhǔn)確度至少高一個數(shù)量級以上。

2.2 頻率準(zhǔn)確度對數(shù)據(jù)的影響

一個性能好的頻標(biāo)，其輸出頻率應(yīng)該又準(zhǔn)又穩(wěn)，輸出信號可以表示為

V(t)=[V0+ε(t)]sin[2πf0t+φ(t)]

(2)

式中，V0為標(biāo)稱振幅，ε(t)為振幅的起伏，f0為標(biāo)稱頻率或長期平均頻率，φ(t)為相位偏差。

信號的瞬時相位為

(3)

而瞬時角頻率是相位的時間導(dǎo)數(shù)，即

(4)

則瞬時頻率為

(5)

瞬時相對頻率偏差為

(6)

定義瞬時相對相位偏差為

(7)

將式(7)代入式(6)，可得

(8)

由式(8)可知，瞬時相對相位偏差x(t)在物理上表現(xiàn)為時間偏差，也稱為相位時間，在監(jiān)測站數(shù)據(jù)處理上體現(xiàn)為接收機(jī)鐘差，而瞬時相對頻率偏差y(t)也可以理解為時間偏差的變化率，即接收機(jī)鐘速。

根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，93%的銣鐘在使用1 a以上，頻率準(zhǔn)確度漂移至1×10-10量級以上，7%的銣鐘頻率準(zhǔn)確度漂移至1×10-9量級以上，由此引發(fā)的系統(tǒng)影響是接收機(jī)鐘差越來越大，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷下降。依據(jù)接收機(jī)綜合觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計出銣鐘性能偏離指標(biāo)最嚴(yán)重的監(jiān)測站，可以及時進(jìn)行銣鐘校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)方法

3.1 傳統(tǒng)實驗室校準(zhǔn)

實驗室校準(zhǔn)是將計量設(shè)備定期送到具有資質(zhì)的計量機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，檢驗人員依據(jù)國家計量檢定系統(tǒng)和計量檢定規(guī)程進(jìn)行計量器具檢定，銣鐘的檢定周期一般為1 a。按照檢定規(guī)程對銣鐘進(jìn)行檢定，若各項檢定項目全部達(dá)到技術(shù)要求者，出具檢定證書；若檢定不合格，出具檢定結(jié)果通知書，并注明不合格的項目。

3.1.1 檢定條件

實驗室校準(zhǔn)必須具備以下條件：

(1)環(huán)境條件

溫度在(15～18)℃范圍內(nèi)、濕度小于80%、電壓為220(1±5%)V，50(1±5%)Hz，負(fù)載應(yīng)固定不變；

(2)標(biāo)準(zhǔn)頻率

頻率漂移率和頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于被檢銣頻標(biāo)的漂移率和頻率準(zhǔn)確度一個數(shù)量級；頻率穩(wěn)定度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于被檢銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度的3倍，一般采用氫鐘或銫鐘作為可靠的標(biāo)準(zhǔn)頻率參考源。

(3)測量設(shè)備

頻率準(zhǔn)確度測量誤差至少應(yīng)比被檢銣頻標(biāo)相應(yīng)指標(biāo)小一個數(shù)量；頻率穩(wěn)定度測量誤差至少應(yīng)小于被檢銣頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度的三分之一；相位噪聲應(yīng)比被檢銣頻標(biāo)的相應(yīng)指標(biāo)至少低10 dB。

3.1.2 檢定內(nèi)容

實驗室校準(zhǔn)測量主要采用通用計數(shù)器、比相器、頻差倍增器、頻率合成器、倍頻器、鑒相器、頻譜儀等高精度儀器，利用頻差倍增、混頻等技術(shù)檢驗如下項目：

(1)開機(jī)特性：5×10-10～5×10-11；

(2)諧波及非諧波

諧波：≤-40 dBc；

非諧波：≤-80 dBc；

(3)頻率穩(wěn)定度：

(5×10-11～5×10-12)/1 s；

(2×10-11～8×10-13)/10 s；

(5×10-12～2×10-13)/100 s；

(2×10-12～8×10-14)/1 000 s；

(2×10-12～2×10-14)/100 s；

(5×10-12～2×10-14)/1 d；

(4)相位噪聲：

(-70～-110)dBc/Hz(1 Hz)；

(-90～-140)dBc/Hz(10 Hz)；

(-110～-150)dBc/Hz(100 Hz)；

(-125～-160)dBc/Hz(1 kHz)；

(5)日頻率漂移率：1×10-11～1×10-13；

(6)頻率復(fù)現(xiàn)性：5×10-11～2×10-12；

(7)頻率準(zhǔn)確度：

2×10-10～5×10-11≤1×10-12τ=1 d

(8)頻率調(diào)整范圍：±2×10-9

3.2 小型校準(zhǔn)測試儀

小型校準(zhǔn)測試儀能夠在不依賴實驗室條件、不攜帶大量檢測設(shè)備的情況下，對石英晶體、電子儀器內(nèi)石英晶體振蕩器、銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，或者其它頻率源、時間源進(jìn)行檢測，與傳統(tǒng)的實驗室校準(zhǔn)相比，具有操作簡單、觀察方便、儀器小型化的特點，同時縮短了頻率測量周期，降低了測量成本。

3.2.1 工作原理

小型校準(zhǔn)測試儀內(nèi)部一般采用帶有自適應(yīng)能力的銣鐘自動馴服系統(tǒng)，可用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)或其它導(dǎo)航信號馴服內(nèi)部銣原子頻標(biāo)的輸出精度，得到精確的頻率準(zhǔn)確度和相位同步精度。一般馴服10 h后，頻率準(zhǔn)確度可達(dá)到3×10-12范圍，此時校準(zhǔn)測試儀已經(jīng)具有較好的參考頻率源，可以采用自動和手動兩種方式來校準(zhǔn)被測銣鐘，工作模式如圖1所示。

圖1 小型校準(zhǔn)測試儀校準(zhǔn)銣鐘工作模式

自動校準(zhǔn)模式需要將校準(zhǔn)測試儀輸出的1 s脈沖(pulse per second，PPS)信號作為參考標(biāo)準(zhǔn)去同步銣鐘，將銣鐘的10 MHz信號輸出作為被測信號接入小型校準(zhǔn)測試儀實時讀取頻率值。采用頻率控制相位原理馴服銣鐘，即射頻和秒信號的相位相參。通過高精度的秒信號時差測量獲得銣鐘輸出頻率準(zhǔn)確度的相位偏移量，用超精細(xì)的頻率微調(diào)(1×10-12單步)控制相位同步精度。

手動校準(zhǔn)模式基于銣鐘內(nèi)部有一個高穩(wěn)晶振的窄帶鎖相環(huán)，銣鐘將準(zhǔn)確度傳遞給晶振，晶振的輸出與壓控電壓相關(guān)，因此通過壓控電壓即可改變晶振信號的輸出。將銣鐘的10 MHz信號輸出作為被測信號接入小型校準(zhǔn)測試儀實時讀取頻率值，通過調(diào)節(jié)銣鐘前面板旋鈕改變晶振壓控電壓，從而改變輸出10 MHz信號的頻率準(zhǔn)確度。

3.2.2 技術(shù)特點

一臺高效實用的小型校準(zhǔn)測試儀應(yīng)具有集成度高、操作簡單、攜帶方便，將多種測試項目集于一體的特點，提供低相噪、高穩(wěn)定度的10 MHz和1 PPS秒信號輸出，能夠在非實驗室條件下對10 MHz頻點的各項指標(biāo)進(jìn)行精密測量，可擴(kuò)展多種同步信號，如GPS、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點體現(xiàn)在以下4個方面。

(1)高精度、高穩(wěn)定度參考源

衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收機(jī)的定時脈沖具有很高的長期穩(wěn)定性，利用精確1 PPS信號對銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行馴服，可以獲得頻率準(zhǔn)確度<3×10-12的頻率精度；但是導(dǎo)航接收機(jī)輸出的定時信號存在秒抖動，短期穩(wěn)定度較差，可采用多次平均、標(biāo)準(zhǔn)偏差概率估算以及數(shù)字濾波等方式來平滑隨機(jī)抖動。利用高穩(wěn)石英晶體振蕩器獲得<1×10-12/s的短期穩(wěn)定度，從而保證校準(zhǔn)測試儀的短期和長期高精度、高穩(wěn)定度。

(2)高精度頻率測量

高精度頻率測量是將外部輸入的被測頻率信號與參考頻率源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進(jìn)行比較測量，采用雙時差測量技術(shù)和內(nèi)插脈沖測量技術(shù)，解決信號抖動的確定度以及時延對測量絕對精度影響等問題；采用頻率倍頻技術(shù)和混頻技術(shù)使被測信號的頻率誤差倍增，提高測量精度。

(3)高集成度

小型校準(zhǔn)測試儀用衛(wèi)星導(dǎo)航定時信號來馴服銣原子頻標(biāo)、將其與高穩(wěn)石英晶體振蕩器、頻率測量模塊和測試軟件集成在機(jī)箱內(nèi)，大量使用大規(guī)模集成電路和分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，組成一種方便、實用、便攜式的頻率綜合測量系統(tǒng)。

(4)快速通信顯示

數(shù)據(jù)通信完成外部數(shù)據(jù)交換，頻率測量結(jié)果通過數(shù)據(jù)通信模塊輸入到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到對被測頻率信號的計算數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)應(yīng)包括被測頻率的開機(jī)特性、短期穩(wěn)定度、老化率(漂移率)、準(zhǔn)確度、復(fù)現(xiàn)性等指標(biāo)，然后將計算數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.3 遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)

遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)就是主控站對監(jiān)測站銣鐘實施遠(yuǎn)距離校準(zhǔn)，被檢銣鐘無需送到計量技術(shù)機(jī)構(gòu)去校準(zhǔn)，盡量減少工作人員的上站操作，利用測定的被測銣鐘與測量標(biāo)準(zhǔn)的差值通過指令形式控制銣鐘校準(zhǔn)的過程。對于自然環(huán)境復(fù)雜的偏遠(yuǎn)監(jiān)測站，工作人員難以定期上站進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)的情況，遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)方式就顯示出極大地優(yōu)勢。

3.3.1 工作原理

遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)充分利用了地面網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程控制的功能，在各監(jiān)測站配置定時接收機(jī)和高精度時差測量設(shè)備，實時完成定時接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)1 PPS秒信號與被測銣鐘1 PPS秒信號的時差測量，利用時差在時間間隔內(nèi)的變化量擬合出被測銣鐘的頻率準(zhǔn)確度，全部數(shù)據(jù)處理均由監(jiān)測站完成。主控站人員可以遠(yuǎn)程控制監(jiān)測站是否運行數(shù)據(jù)處理軟件，如果計算數(shù)值超出指標(biāo)范圍，再控制是否調(diào)整被測銣鐘。為了提高計算精度，采集到的測量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行粗差剔除后再參與計算；所有計算結(jié)果和指令執(zhí)行信息均存儲在本地專用數(shù)據(jù)庫中，便于事后查詢分析。遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)銣鐘工作模式見圖2。

圖2 遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)工作模式

3.3.2 技術(shù)特點

針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站銣鐘校準(zhǔn)工作開發(fā)遠(yuǎn)

程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，需具備以下技術(shù)特點：

(1)主控站與監(jiān)測站之間能夠保持良好的網(wǎng)絡(luò)通信能力，便于遠(yuǎn)程操控監(jiān)測站數(shù)據(jù)處理機(jī)。

(2)監(jiān)測站上必須配置高精度定時接收機(jī)提供參考標(biāo)準(zhǔn)秒信號，配置時間間隔測量設(shè)備實現(xiàn)被測信號與參考信號的時差測量。

(3)監(jiān)測站上需要研制數(shù)據(jù)采集與處理軟件，完成測量數(shù)據(jù)的粗差剔除、擬合等處理，并將測量結(jié)果存儲在本地數(shù)據(jù)庫。

(4)監(jiān)測站銣鐘需具備接收控制指令自動調(diào)整頻率的能力。

4 優(yōu)缺點比較

實驗室頻率校準(zhǔn)存在成本高、測試周期長、依賴于實驗室、需要整站停機(jī)等缺點；小型測試校準(zhǔn)儀較好的解決了監(jiān)測站整站停機(jī)后影響系統(tǒng)連續(xù)入站的問題，具備集成度高、易于攜帶，測試周期短、測試校準(zhǔn)精度高、可靠性好等特點；通過地面網(wǎng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)銣鐘的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在主控站對監(jiān)測站銣鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，可節(jié)省人力資源、提高自動化程度。三種方法涉及的各項因素比較見表1。

5 結(jié)束語

監(jiān)測站銣鐘的頻率準(zhǔn)確度對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響，校準(zhǔn)銣鐘時應(yīng)盡量不采用中斷監(jiān)測站運行的銣鐘送檢方式；由于監(jiān)測站處于無人值守工作狀態(tài)，利用小型校準(zhǔn)測試儀進(jìn)行年度巡檢維護(hù)工作，可以作為一種可靠、準(zhǔn)確的校準(zhǔn)方法；遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)方法效率最高，尤其是對偏遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)測站銣鐘校準(zhǔn)具有明顯優(yōu)勢，但其推廣應(yīng)用受限于頻率參考源、測量儀器與監(jiān)測站設(shè)備之間的一體化設(shè)計，校準(zhǔn)操作依托于地面網(wǎng)絡(luò)也需要進(jìn)一步進(jìn)行工程實踐。

表1 三種方法涉及的各項因素比較

[1] 郭海榮，楊升，何海波.導(dǎo)航衛(wèi)星原子鐘頻率漂移特性分析[J].全球定位系統(tǒng)，2007(6)：5-10.

[2] JJG 292-2009， 銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程[S].

[3] GJB/J 3073-97， 全球定位系統(tǒng)(GPS)時間頻率接收機(jī)檢定規(guī)程[S].

[4] 張瑩，周渭，梁志榮.基于GPS鎖定高溫晶體振蕩器技術(shù)的研究[J].宇航計測技術(shù)，2005，(25)1：54-58.

[5] 王玉珍，才瀅，付永杰.高精度無間隙視頻測量技術(shù)的研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009，23(1)：70-74.

[6] 崔保珍，王玉珍.GPS馴服銣鐘頻標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2010，24(9)：808-813.

[7] 瞿穩(wěn)科，鄒本杰，陳天立.基于數(shù)據(jù)融合的增強(qiáng)系統(tǒng)參考站外頻標(biāo)的設(shè)計[J].全球定位系統(tǒng)，2011(3)：18-20.

[8] 馬煦，孔維，孫海燕.基于GPS馴服銣鐘的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2011，51(10)：109-112.

[9] 杜燕，劉陽琦，潘紅芳，等.銣原子頻標(biāo)遠(yuǎn)程在線校頻方案設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2012，52(6)：1051-1053.

[10] 倪媛媛，胡永輝，何在民.北斗衛(wèi)星校準(zhǔn)銣鐘單元的設(shè)計與實現(xiàn)[J].數(shù)字通信世界，2012(12)：60-63.