測量船自適應馴服銣鐘設計

中國衛星海上測控部 吳 昊

測量船自適應馴服銣鐘設計

中國衛星海上測控部 吳 昊

針對測量船出海時間長，無法進行銣鐘的頻率校準問題，提出了自適應馴服銣鐘的解決方案。本方案利用GPS秒脈沖信號長期穩定度較好的優勢，通過測量銣鐘的頻率偏差，轉化為頻率步進數值對銣鐘進行頻率調整，使銣鐘始終保持良好的準確度。

【關題詞】GPS；頻率偏差；馴服；準確度

1 引言

航天測控任務需要高精度高可靠性的時間基準,我船選用銣原子頻標作為頻率標準,用于產生滿足指標要求的時間信號。目前測量船使用的為SB-123時統系統,此系統中配置三個銣原子頻標,分別為定時接收機內置銣原子頻標XHTF1068C、時碼組合內置銣原子頻標和銣守時鐘內置頻標XHTF1005CD。

銣原子頻標具有較好的短期準確度,但由于量子結構的頻率漂移、相檢及運放的漂移等因素,會產生頻率漂移,從而導致時差漂移。為保證頻率源的可靠性,銣頻標需要定期送廠所進行頻率校準。由于長時間出海執行遠洋航天測控任務,導致頻標多次錯過校準周期,本文設計了一種使用GPS脈沖秒信號馴服銣鐘的方案解決該問題。

2 馴服銣鐘原理

銣原子頻率標準工作時,其頻率除隨機起伏外,還存在明顯的單方向變化。馴服銣鐘就是要通過與標準信號進行比較,計算待校準銣鐘的頻率偏差,進而微調銣鐘頻率,最終達到頻率校準的目的。

本方案中,選取定時接收機輸出的GPS秒脈沖信號作為標準信號。待馴服銣鐘輸出10MHz頻率信號通過時碼組合,生成1PPS信號,將其與標準信號進行前沿比對,得到時間間隔誤差數據,軟件讀取數據后計算出銣鐘的頻率偏差,并根據銣鐘的時鐘模型計算出頻率步進數值,送給銣鐘進行頻率修正。其方案設計如圖1所示。

圖1 馴服銣鐘方案設計

3 具體方案設計

3.1 時間間隔誤差測量

為實現對銣鐘的馴服,首先需要精確測量待校準頻標輸出秒與標準信號的時間間隔誤差。

3．1．1 標準信號選取

要作為標準信號,需要有較好的長期穩定性。船內站時統現有的信號中,能夠作為標準信號的有定時接收機GPS秒脈沖信號以及定時接收機內置銣鐘輸出的秒脈沖信號。GPS秒信號的長期穩定性很高(準確度優于1E-12),但短期穩定性比較差。定時接收機中的銣鐘,其短期穩定性較高,并且由于被GPS馴服,同時具備較高的長期穩定性。但是由于其處于自動判定超容差同步方式狀態,只有當｜時差｜＞容差時才會對齊秒脈沖的前沿,導致其秒脈沖信號具有跳變性,在本方案中不作使用。因此采用GPS系統輸出秒脈沖信號作為標準信號進行頻率偏差的測量。

3．1．2 測量方法

方法上,采用時刻比對法,利用EE3386A1型通用計數器實現時間間隔誤差的采樣與記錄,并計算出頻率偏差。

在測量時間間隔誤差時,我們使用第一個1PPS脈沖的上升沿作為主門的開門信號,用第二個1PPS脈沖的上升沿作為關門信號。在兩個脈沖上升沿之間,使用高頻率的計數脈沖進行填充。最后由計數器累計得到填充脈沖的個數,換算為兩個信號的精確時間間隔Δt。其原理如圖2所示。

圖2 時間間隔誤差測量方法

由計數器內部晶振或外接頻率源提供的標準頻率信號f0,經過處理后作為時標信號τ0。選取GPS輸出秒脈沖作為開門信號,令待馴服頻標通過分頻得到的秒脈沖作為關門信號。在T1時刻,GPS秒脈沖前沿進入門控電路,打開主閘門;在T2時刻,待馴服頻標秒脈沖前沿進入門控電路,將閘門關閉,閘門打開時間記為τ。在τ時間段內,計數器記錄通過主閘門的τ0的個數為n。

3．1．3 誤差分析

采用此方法求時間間隔,主要影響其精確度的因素有三個：時基誤差、測量分辨率誤差,即±1個計數所對應的測量誤差;噪聲觸發誤差。

由上可得：

時間間隔測量誤差=時基誤差±測量分辨率誤差±噪聲觸發誤差。

(1)時基誤差。

時基即測量時間間隔時所選用的時間單位,由頻率信號經過計數器分頻或倍頻后得到,其頻率信號可在計數器內部晶振或者外部頻標中選擇。時基誤差主要是由時基不準確所造成的誤差,減小時基或選擇頻率準確度更高的頻標信號可以減小該誤差。

我船站時統銣原子頻標產生的10MHz信號,其準確度優于內部晶振。因此我們選用10MHz信號替代計數器的5MHz時基信號,從而達到降低該誤差的目的。

(2)測量分辨率誤差。

測量分辨率誤差也稱作系統誤差,它是計數器的固有誤差,是開、關脈沖和填充脈沖沒有嚴格對齊所導致的。計數器不能測量讀數末位數以下的數值,測量所得的計數值有±1的誤差,因此又稱作±1誤差。其產生原因如圖3所示。

圖3 測量分辨率誤差產生原理

本方案中,頻率信號在計數器中經過時標產生和倍頻后,生成10ns時標信號用于測量時間間隔。因此測量分辨率誤差不大于10ns。

(3)噪聲觸發誤差。

本方案中,開、關閘門都是由秒脈沖前沿觸發的,因此若噪聲疊加過大或秒前沿過大,都可能導致提前或推遲觸發,產生噪聲觸發誤差。噪聲觸發誤差與信噪比有關,同時還取決于待測信號的波形和所選擇的觸發點。經過指標測試,時碼組合輸出秒信號以及GPS秒信號波形良好,前沿小于0.02us,滿足指標要求。

采用本測試方法,時間間隔測量分辨率能夠達到10ns,其誤差不影響數據的有效性。

3.2 軟件設計及數據分析

開始馴服之前,需要做一些準備工作。為避免測量開始時兩路秒信號相位差過大,應首先將時碼組合與GPS外秒進行同步對時操作,對齊秒前沿。在軟件上,我們設定一個合理的時間間隔誤差門限值。之后軟件通過串口讀取計數器測量所得的時間間隔誤差數據。

由于GPS短期穩定度一般,存在較大前沿抖動,每一秒所收集的誤差數據并不一定準確,因此我們選擇連續一段時間(如1000秒)的誤差數據,求得它們的算術平均值。將此數值與門限值比較,若在門限以內,則不處理;若超出門限,則取連續兩個算術平均值,計算其頻率差。

根據銣鐘的時鐘數據模型,將頻率差轉換為頻率步進數據,送給銣鐘進行頻率校準。

3.3 馴服銣鐘

測量船使用的頻標為銣氣泡型原子頻標,其中的諧振器為被動型。這表示它需要一個晶振提供頻率信號,用作微波磁場的激勵。其電子線路如圖5所示。

圖5 銣頻標內部電子線路示意圖

壓控晶振提供的頻率信號fc,經過倍頻綜合后,得到微波頻率f=683406875MHz(Rb87的躍遷頻率ν0=683468261208Hz± 0.5Hz)來激勵躍遷。利用光檢測法將對微波量子輻射的檢測轉換為對光量子輻射的檢測,輸出光檢電流i。i越小,說明f越接近躍遷頻率。

當使用低頻信號fL(幾十到一百幾十赫茲;當fc=5MHz時,2fL=164Hz)調制光檢電流,時,將輸出2fL的調制信號,否則兩者頻率相同。通過此原理,銣鐘內構造伺服電路,伺服電路計算出誤差信號后反饋給壓控晶振,晶振據此對其振蕩頻率進行微調。通過上述過程,壓控晶振輸出頻率將始終與銣原子躍遷頻率保持一致,最終完成銣原子躍遷頻率對壓控晶振輸出頻率的控制。

分析原理可知,當我們根據銣鐘的時鐘數據模型,對調制振蕩器輸出的低頻信號fL進行頻率改變時,同時改變的還有相位檢波器送給晶振的誤差反饋信號。晶振接收到該信號后作出調整,其振蕩頻率將會得到修正,輸出頻率也會相應產生變化。綜上所述,只要對fL作出調整,就可影響銣原子頻標的輸出頻率。

因此我們設計馴服銣鐘方案如下。軟件收集時間間隔數據,進行處理后,根據銣鐘的時鐘數據模型計算得到頻率步進數值。數據由PC輸出后,經過D/A轉換送入調制振蕩器,對其輸出的低頻信號fL進行微調。fL變化導致輸出頻率不為2fL,于是相位檢波器將誤差反饋信號送晶振進行頻率校準,最終使系統保持平衡。我們通過此方式對銣頻標進行頻率修正,控制時間間隔誤差始終在門限值以內,最終完成頻標的自馴服。

4 結束語

本文提出的測量船自適應馴服銣鐘設計,為解決測量船因長期出海導致的頻標無法校準問題提供了一種解決思路。應用此方案,時統設備可常年工作而頻標不需要校準,待長時間停靠碼頭時再將頻標送廠所檢測。既使設備能夠參試,又保證了信號的精度,滿足高密度試驗任務的需求。

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