氫鐘頻移校準與相位無損切換

吳智斌，趙 軍，李 冰，劉 安，劉 波

(1.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043; 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

時鐘的質(zhì)量依賴于它的穩(wěn)定性和準確性[1]。航天測控時頻系統(tǒng)都配置了高穩(wěn)定度和準確度的銣原子鐘為所有信號提供標準的頻率源，確保各設備工作時序一致[2]。隨著我國月球、火星等深空探測項目的持續(xù)開展，甚長基線干涉技術(VLBI)、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)等高精度的空間測量技術在航天測控工程中應用，對測控設備時間頻率的準確度及穩(wěn)定度提出了更高要求，頻率準確度由10-11提高到10-13量級以上，穩(wěn)定度也提高了2～3個量級，由1 s≤10-11、24 h≤10-12分別提高為1 s≤10-13、24 h≤10-15。為了滿足深空任務對本地時鐘參考源的高穩(wěn)定度需求，深空測控時頻系統(tǒng)的頻率信號源配置了高性能的氫原子鐘?？梢哉f，應用高穩(wěn)定度的氫原子鐘是VLBI等技術成功工程實施的關鍵[3]。

所謂原子鐘，就是利用氫、銣、銫等原子的能態(tài)遷移輸出穩(wěn)定振蕩頻率制成的極精密的計時器。氫原子鐘即是利用氫原子從高能級態(tài)躍遷到低能級態(tài)時輻射的電磁波，將其作為頻率標準去控制校準石英晶體[4]。氫原子頻率標準在104～105s的時間間隔能提供10-15頻率穩(wěn)定度的頻率標準[5]。

氫原子鐘的短、中期穩(wěn)定度都相對較好，但對溫控和磁場穩(wěn)定性要求較為嚴格[6]。在工程應用中，一方面，環(huán)境溫度變化及微波諧振腔老化等會引起原子鐘輸出頻率的漂移變化，從而導致氫原子鐘長期性能變差[7]，長期工作需依照外部標準頻率進行校頻[8]；另一方面，主備2臺氫原子鐘在線熱備份模式工作，當主備2臺氫鐘相位不一致時，時鐘切換產(chǎn)生階躍沖擊，對后續(xù)的信道和終端設備工作會引入干擾沖激，這就需要進行主備氫鐘相位的無損切換，從而確保切換后的頻標或時間信號的連續(xù)性，最大程度的降低或者消除氫鐘切換對后端設備產(chǎn)生的不利影響。

本文通過分析氫鐘的工作原理及調(diào)頻移相技術，設計了在工程實踐中利用GPS信號進行氫鐘頻率線性漂移修正、備鐘通過相位差測量追蹤主鐘保持相位同步的原理及實施過程，以期為日常更好地維護和使用氫鐘，保持時間頻率穩(wěn)定度，保證時頻信號的連續(xù)性，降低時頻信號對后端設備的不利影響。

1 氫鐘調(diào)頻移相控制原理

1.1 氫鐘的基本原理

文獻[9-10]闡述了氫鐘的基本原理，現(xiàn)用的氫原子頻率標準多是主動型氫激射器，是利用氫原子的2個超精細磁能級F=1，mF=0～F=0，mF=0之間的躍遷來工作的時頻基準，其相應躍遷頻率為：

fH=f0+2 750H02

式中，f0=1 420 405 752 Hz；H0為工作磁場強度。其物理部分如圖1所示，輸出信號由原子與頻率為1 420 MHz的微波腔共振產(chǎn)生，其中原子束源、選態(tài)磁鐵以及儲存泡、諧振腔位于10-4Pa的高真空室內(nèi)。氫原子鐘通常利用鎖相環(huán)修正石英體晶振的頻率漂移[11]，即將量子部分輸出的脈澤信號的優(yōu)秀長期穩(wěn)定度傳遞到晶振，同時保持晶振的優(yōu)良短穩(wěn)[12]。

圖1 氫鐘物理部分工作原理

1.2 氫鐘調(diào)頻移相原理

氫原子能量躍遷自然振蕩頻率為1 420.405 7 MHz，氫原子經(jīng)過選態(tài)磁鐵，在諧振腔中消除其它雜散頻率成分后，激發(fā)諧振腔內(nèi)2個相互關聯(lián)的晶體振蕩器，最終輸出頻率Fout。氫鐘諧振腔脈澤輸出頻率Fout=1 420.405 MHz，通過一系列的變頻、放大和檢相反饋處理后鎖定壓控晶體振蕩器(VCXO)，使其輸出穩(wěn)定的5 MHz、10 MHz、100 MHz和1 pps信號，如圖2所示。

圖2 氫原子鐘頻率綜合框圖

如圖2中，在鎖相環(huán)鎖定的條件下，同步頻率Vsynth可表示為：

Vsynth=Fout-284×VOCXO。

脈澤輸出頻率與5 MHz振蕩器之間的關系為：

但是受內(nèi)部磁場、場梯度、壁移、碰撞頻率偏移、環(huán)境變化(包括室溫、磁場、濕度、大氣壓、震動、重力和時間)和機械或電子部件老化等影響，該頻率會偏離理論值[13]。

氫鐘輸出頻率偏差Δy0可以通過數(shù)控振蕩器產(chǎn)生頻率和相位可控的正弦波對Δvsynth來步進調(diào)整補償，步進補償通過DDS(Direct Digital Synthese)輸出可變頻率和相位的波形，對氫鐘輸出頻率的尾數(shù)進行微調(diào)校準。氫原子鐘輸出射頻頻率為Fout，5 MHz壓控振蕩器輸出頻率真值為X，DDS分頻比為n，則

可見，氫鐘最終輸出的頻標信號完全決定于其射頻輸出相位，改變DDS分頻比，可以調(diào)整輸出頻標的頻率真值對氫鐘輸出頻率進行微調(diào)。

1.3 控制字

dFmas=9.09×10-6Hz，

折算到氫鐘射頻頻率1 420.405 MHz上，最小控制步進比率為6.4×10-15。

其調(diào)頻控制比率的最大范圍在±3×10-8以內(nèi)。調(diào)整后，DDS主用頻率控制字為FM，氫鐘頻率調(diào)整后輸出頻率Fmas。

Fmas= 1 420 405 751.0+(FM-FM0)×

9.094 95×10-6Hz，

式中，F(xiàn)M0為[63(H)，21(H)，37(H)，88(H)]。

2 頻移校準

2.1 頻移校準設計

由于頻率偏差和時間偏差有負倒數(shù)關系，在實際工程應用中，由于時差測量比頻差測量要簡單，通常通過測量時間偏差計算頻率偏差。

文獻[14-15]論述了測量時鐘長時間漂移的方法，在VLBI觀測中，各觀測站點之間的基線距離長，一般都以GPS或北斗等天基授時系統(tǒng)作為共同參考源，對接收的天基授時系統(tǒng)1 pps信號經(jīng)過長時間的統(tǒng)計處理后，將其長期的高穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為基準與氫鐘輸出的1 pps信號進行時間差測量比較，計算出二者之間的頻率漂移量?；谝陨戏治?，本文設計了一種用時差測量來計算氫鐘輸出頻率的長期漂移變化趨勢，選取GPS的1 pps作為外部基準，利用時間間隔計數(shù)器對GPS接收的1 pps信號與主鐘輸出的1 pps脈沖信號進行長時間比對，通過二者之間的長期變化趨勢輸出控制指令調(diào)整主鐘頻率，補償氫鐘的頻率長期漂移，其原理圖如圖3所示。

圖3 氫鐘頻移校準原理

2.2 校準實施過程

在某個觀測站點內(nèi)，當時頻系統(tǒng)與GPS時間校準初始化后，時間應按各自的原子鐘自由運行，但由于氫鐘輸出頻率的漂移，隨時間推移會逐步偏離GPS時間基準，需要定期對氫鐘輸出頻率和外部GPS時間頻率進行比對調(diào)整，使得觀測站點氫鐘時間頻率始終與GPS時間保持在一定的誤差范圍內(nèi)。具體步驟如下：

① 以GPS為基準，將氫鐘與GPS的1 pps輸入時間間隔計數(shù)器進行時間差測量，測量時間一般需在48 h以上，以減小GPS接收數(shù)據(jù)的異常跳變、抖動和氫鐘相位抖動帶來的影響。

② 使用最小二乘法對測量的時差數(shù)據(jù)進行一次曲線Y=Ax+B擬合。其中A為氫鐘相對于GPS的長期頻率漂移率。氫鐘頻率漂移調(diào)整的目的即將A調(diào)整為趨于零，A存在2種變化趨勢：一是當A大于零時，給氫鐘置一負向、模為A的斜率值-A，即將氫鐘頻率尾數(shù)向低微調(diào)；二是當A小于零時，給氫鐘置一正向、模為A的斜率值-A，即將氫鐘頻率尾數(shù)向低高微調(diào)。

③ 氫鐘頻率調(diào)整控制字。氫鐘最小控制步進比率為6.4×10-15，則步進n為：

調(diào)整控制字為：

④ 向氫鐘發(fā)送調(diào)整控制字進行頻率微調(diào)。如某次氫鐘進行頻率校準，調(diào)整前頻率為：1 420 405 750.352 550 Hz，經(jīng)過時間間隔計數(shù)器72 h測量后得到氫鐘與GPS的1 pps時差序列，剔除野值后，經(jīng)過最小二乘法擬合。則有A=1.225 9×10-12。

步進

向氫鐘發(fā)送的命令控制字為：

FM=FM0-19 145.789 7，

氫鐘頻率校準后輸出頻率為：

1 420 405 750.526 680 Hz，

經(jīng)過時間間隔計數(shù)器72 h測量后得到氫鐘與GPS的變化率為：A=3.180 4×10-14，滿足10-13的指標要求。

3 相位無損切換

3.1 主備鐘相位跟蹤

根據(jù)氫鐘指標，頻率穩(wěn)定度的阿倫方差不大于1.5×10-13@1 s，則1 s后10 MHz輸出頻差Δf為1.5×10-6Hz，經(jīng)過133.3 s后，備鐘相對主鐘的時延為20 ps，相位漂移達到0.072o，1 851 s后主備氫鐘相位差超過1°。按照氫鐘技術指標，在2臺氫鐘自由運行30 min后必須對備鐘進行相位校準才能在線切換。

Δf=α×f0=1.5×10-6Hz，

Δt=α×t≈2×10-9s=20×10-10s，

時頻系統(tǒng)配置2臺高精度氫原子鐘，在線熱備份模式。不同源自由運行的2臺氫鐘在切換時，輸出的頻標信號相位不一致時會出現(xiàn)一個階躍變化，從而對后續(xù)的信道和終端設備工作產(chǎn)生沖激，如果在任務過程中實施切換，將會對測量和控制過程產(chǎn)生影響，嚴重時會造成終端設備重捕，影響任務流程。系統(tǒng)要求主備氫鐘進行在線切換時，后端信道和終端設備收到的時間和頻標信號應該是無損的，相位不連續(xù)性不大于1°。

對于相位測量采用將主鐘和備鐘輸出的10 MHz頻標輸入至相位差測量單元，對2個信號的相位進行實時測量(如圖4所示)，以主鐘為基準，對備鐘輸出的頻標信號相位差進行處理，形成備鐘調(diào)頻控制量，按照一定的時序?qū)溏娺M行調(diào)頻，使其輸出的頻標相位對主鐘進行跟蹤同步后，再按照一定的時序?qū)溏娺M行反向調(diào)頻，使之始終與主鐘保持同步，從而確保切換后的頻標或時間信號的連續(xù)性，最大程度的降低或者消除氫鐘切換對后端設備的不利影響。

圖4 主備鐘相位無損跟蹤原理

3.2 相位無損切換過程

相差測量值由相差測量單元的主備氫鐘輸入信號決定，以主鐘10 MHz為基準，進行主備氫鐘相差計算，根據(jù)相差計算備鐘頻率調(diào)整量，經(jīng)過對備鐘頻率調(diào)整，則主、備鐘相位差理論值恒定在ΔP附近。設計相位無損切換如下：

① 用相位測量單元測量主備氫鐘10MHz信號的相位差ΔPi(1次/秒)，在2 min內(nèi)進行平均，產(chǎn)生一個相差平均值avg，

avg=-(ΔP1+ΔP2+…… +ΔP120)/120。

如果avg≤-180，則avg=avg+360；否則如果avg≥180，則avg=avg-180。

② 相位差對應的備鐘頻率調(diào)整控制量

式中，τ為氫鐘頻率調(diào)整時間。

③ 氫鐘調(diào)整控制指令的控制字

④ 在τs內(nèi)每秒向備用氫鐘發(fā)送調(diào)頻控制指令a，將備鐘頻率調(diào)整為f0+a×τ(備鐘調(diào)整前頻率為f0)，調(diào)整過程中，備鐘相位逐步向主鐘逼近。

⑤ 待時間τs時間后主備氫鐘相位一致，在τ～2τs內(nèi)每秒向備用氫鐘發(fā)送調(diào)頻控制指令-a，使備鐘頻率回到頻率f0。

如某次氫鐘主備相位差測量為：-93.25o，設置為5 min調(diào)整時間，則

fc=8.634 3×10-11。

氫鐘調(diào)整控制字

a=9.493 5×10-6+FM0。

在5 min內(nèi)每秒向備鐘發(fā)送a，主備氫鐘相位差為0.08o，滿足1o的指標要求，再次向備鐘發(fā)送-a，使備鐘頻率恢復初始值。

無損切換調(diào)整結(jié)束后，主備氫鐘相位在可接受的誤差范圍內(nèi)，可保證主備鐘切換后的頻標或時間信號的連續(xù)性，消除氫鐘切換對后端設備的不利影響。

3.3 結(jié)論

通過本文設計的頻率漂移校準及相位無損切換的工程實施方法，對氫鐘進行氫鐘頻率校準后輸出頻率測量，氫鐘與GPS的相對穩(wěn)定度由原來72 h內(nèi)1.1×10-13提高到3.2×10-14，滿足10-13的指標要求；主備氫鐘相位差由原來72 h的1.03o減小至0.08o，滿足1o的指標要求。因此，此方法在工程實踐中切實可行。

4 結(jié)束語

氫鐘的長期頻率漂移與其所處的溫控和屏蔽環(huán)境相關，為了減少頻率漂移，氫鐘都安放在恒溫屏蔽空間，通常工作范圍在20～25 ℃內(nèi)，并且鐘房內(nèi)的磁場強度小于0.5高斯，波動小于0.05高斯，同時系統(tǒng)配置專用的溫控、相位及頻率測量裝置。盡管如此設計，仍需要按照一定規(guī)則修正氫鐘隨溫度等波動帶來的頻率漂移及主備鐘自由運行的相位偏移。傳統(tǒng)校正方法中，通過對氫原子鐘進行建模，在后續(xù)算法處理中加入時鐘模型估計，采用這種方法可以在一定程度上減小時鐘頻率漂移對后續(xù)信號處理影響。但是通常模型只能在一定程度上反映氫鐘頻率變化趨勢，在實際應用中需要根據(jù)氫鐘實際所處的環(huán)境條件以及工作參數(shù)進行不斷調(diào)整，具有一定的應用局限性。

本文設計的頻率漂移校準及相位無損切換的工程實施方法，工程可實現(xiàn)性較強，保證了氫鐘的長期可靠運行，應用結(jié)果表明，本文方法滿足了VLBI長時間跟蹤對頻率和相位的需求。

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