孔 維,李保東,陶春燕,張向征
(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)
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。
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。
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)。
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
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。
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。
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。
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
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