測(cè)量船自適應(yīng)馴服銣鐘設(shè)計(jì)

中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 吳 昊

測(cè)量船自適應(yīng)馴服銣鐘設(shè)計(jì)

中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 吳 昊

針對(duì)測(cè)量船出海時(shí)間長(zhǎng)，無法進(jìn)行銣鐘的頻率校準(zhǔn)問題，提出了自適應(yīng)馴服銣鐘的解決方案。本方案利用GPS秒脈沖信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定度較好的優(yōu)勢(shì)，通過測(cè)量銣鐘的頻率偏差，轉(zhuǎn)化為頻率步進(jìn)數(shù)值對(duì)銣鐘進(jìn)行頻率調(diào)整，使銣鐘始終保持良好的準(zhǔn)確度。

【關(guān)題詞】GPS；頻率偏差；馴服；準(zhǔn)確度

1 引言

航天測(cè)控任務(wù)需要高精度高可靠性的時(shí)間基準(zhǔn),我船選用銣原子頻標(biāo)作為頻率標(biāo)準(zhǔn),用于產(chǎn)生滿足指標(biāo)要求的時(shí)間信號(hào)。目前測(cè)量船使用的為SB-123時(shí)統(tǒng)系統(tǒng),此系統(tǒng)中配置三個(gè)銣原子頻標(biāo),分別為定時(shí)接收機(jī)內(nèi)置銣原子頻標(biāo)XHTF1068C、時(shí)碼組合內(nèi)置銣原子頻標(biāo)和銣?zhǔn)貢r(shí)鐘內(nèi)置頻標(biāo)XHTF1005CD。

銣原子頻標(biāo)具有較好的短期準(zhǔn)確度,但由于量子結(jié)構(gòu)的頻率漂移、相檢及運(yùn)放的漂移等因素,會(huì)產(chǎn)生頻率漂移,從而導(dǎo)致時(shí)差漂移。為保證頻率源的可靠性,銣頻標(biāo)需要定期送廠所進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。由于長(zhǎng)時(shí)間出海執(zhí)行遠(yuǎn)洋航天測(cè)控任務(wù),導(dǎo)致頻標(biāo)多次錯(cuò)過校準(zhǔn)周期,本文設(shè)計(jì)了一種使用GPS脈沖秒信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)工作時(shí),其頻率除隨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較,計(jì)算待校準(zhǔn)銣鐘的頻率偏差,進(jìn)而微調(diào)銣鐘頻率,最終達(dá)到頻率校準(zhǔn)的目的。

本方案中,選取定時(shí)接收機(jī)輸出的GPS秒脈沖信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。待馴服銣鐘輸出10MHz頻率信號(hào)通過時(shí)碼組合,生成1PPS信號(hào),將其與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行前沿比對(duì),得到時(shí)間間隔誤差數(shù)據(jù),軟件讀取數(shù)據(jù)后計(jì)算出銣鐘的頻率偏差,并根據(jù)銣鐘的時(shí)鐘模型計(jì)算出頻率步進(jìn)數(shù)值,送給銣鐘進(jìn)行頻率修正。其方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 馴服銣鐘方案設(shè)計(jì)

3 具體方案設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)間間隔誤差測(cè)量

為實(shí)現(xiàn)對(duì)銣鐘的馴服,首先需要精確測(cè)量待校準(zhǔn)頻標(biāo)輸出秒與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)間間隔誤差。

3．1．1 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)選取

要作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),需要有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。船內(nèi)站時(shí)統(tǒng)現(xiàn)有的信號(hào)中,能夠作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的有定時(shí)接收機(jī)GPS秒脈沖信號(hào)以及定時(shí)接收機(jī)內(nèi)置銣鐘輸出的秒脈沖信號(hào)。GPS秒信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性很高(準(zhǔn)確度優(yōu)于1E-12),但短期穩(wěn)定性比較差。定時(shí)接收機(jī)中的銣鐘,其短期穩(wěn)定性較高,并且由于被GPS馴服,同時(shí)具備較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。但是由于其處于自動(dòng)判定超容差同步方式狀態(tài),只有當(dāng)｜時(shí)差｜＞容差時(shí)才會(huì)對(duì)齊秒脈沖的前沿,導(dǎo)致其秒脈沖信號(hào)具有跳變性,在本方案中不作使用。因此采用GPS系統(tǒng)輸出秒脈沖信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行頻率偏差的測(cè)量。

3．1．2 測(cè)量方法

方法上,采用時(shí)刻比對(duì)法,利用EE3386A1型通用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔誤差的采樣與記錄,并計(jì)算出頻率偏差。

在測(cè)量時(shí)間間隔誤差時(shí),我們使用第一個(gè)1PPS脈沖的上升沿作為主門的開門信號(hào),用第二個(gè)1PPS脈沖的上升沿作為關(guān)門信號(hào)。在兩個(gè)脈沖上升沿之間,使用高頻率的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行填充。最后由計(jì)數(shù)器累計(jì)得到填充脈沖的個(gè)數(shù),換算為兩個(gè)信號(hào)的精確時(shí)間間隔Δt。其原理如圖2所示。

圖2 時(shí)間間隔誤差測(cè)量方法

由計(jì)數(shù)器內(nèi)部晶振或外接頻率源提供的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)f0,經(jīng)過處理后作為時(shí)標(biāo)信號(hào)τ0。選取GPS輸出秒脈沖作為開門信號(hào),令待馴服頻標(biāo)通過分頻得到的秒脈沖作為關(guān)門信號(hào)。在T1時(shí)刻,GPS秒脈沖前沿進(jìn)入門控電路,打開主閘門;在T2時(shí)刻,待馴服頻標(biāo)秒脈沖前沿進(jìn)入門控電路,將閘門關(guān)閉,閘門打開時(shí)間記為τ。在τ時(shí)間段內(nèi),計(jì)數(shù)器記錄通過主閘門的τ0的個(gè)數(shù)為n。

3．1．3 誤差分析

采用此方法求時(shí)間間隔,主要影響其精確度的因素有三個(gè)：時(shí)基誤差、測(cè)量分辨率誤差,即±1個(gè)計(jì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差;噪聲觸發(fā)誤差。

由上可得：

時(shí)間間隔測(cè)量誤差=時(shí)基誤差±測(cè)量分辨率誤差±噪聲觸發(fā)誤差。

(1)時(shí)基誤差。

時(shí)基即測(cè)量時(shí)間間隔時(shí)所選用的時(shí)間單位,由頻率信號(hào)經(jīng)過計(jì)數(shù)器分頻或倍頻后得到,其頻率信號(hào)可在計(jì)數(shù)器內(nèi)部晶振或者外部頻標(biāo)中選擇。時(shí)基誤差主要是由時(shí)基不準(zhǔn)確所造成的誤差,減小時(shí)基或選擇頻率準(zhǔn)確度更高的頻標(biāo)信號(hào)可以減小該誤差。

我船站時(shí)統(tǒng)銣原子頻標(biāo)產(chǎn)生的10MHz信號(hào),其準(zhǔn)確度優(yōu)于內(nèi)部晶振。因此我們選用10MHz信號(hào)替代計(jì)數(shù)器的5MHz時(shí)基信號(hào),從而達(dá)到降低該誤差的目的。

(2)測(cè)量分辨率誤差。

測(cè)量分辨率誤差也稱作系統(tǒng)誤差,它是計(jì)數(shù)器的固有誤差,是開、關(guān)脈沖和填充脈沖沒有嚴(yán)格對(duì)齊所導(dǎo)致的。計(jì)數(shù)器不能測(cè)量讀數(shù)末位數(shù)以下的數(shù)值,測(cè)量所得的計(jì)數(shù)值有±1的誤差,因此又稱作±1誤差。其產(chǎn)生原因如圖3所示。

圖3 測(cè)量分辨率誤差產(chǎn)生原理

本方案中,頻率信號(hào)在計(jì)數(shù)器中經(jīng)過時(shí)標(biāo)產(chǎn)生和倍頻后,生成10ns時(shí)標(biāo)信號(hào)用于測(cè)量時(shí)間間隔。因此測(cè)量分辨率誤差不大于10ns。

(3)噪聲觸發(fā)誤差。

本方案中,開、關(guān)閘門都是由秒脈沖前沿觸發(fā)的,因此若噪聲疊加過大或秒前沿過大,都可能導(dǎo)致提前或推遲觸發(fā),產(chǎn)生噪聲觸發(fā)誤差。噪聲觸發(fā)誤差與信噪比有關(guān),同時(shí)還取決于待測(cè)信號(hào)的波形和所選擇的觸發(fā)點(diǎn)。經(jīng)過指標(biāo)測(cè)試,時(shí)碼組合輸出秒信號(hào)以及GPS秒信號(hào)波形良好,前沿小于0.02us,滿足指標(biāo)要求。

采用本測(cè)試方法,時(shí)間間隔測(cè)量分辨率能夠達(dá)到10ns,其誤差不影響數(shù)據(jù)的有效性。

3.2 軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

開始馴服之前,需要做一些準(zhǔn)備工作。為避免測(cè)量開始時(shí)兩路秒信號(hào)相位差過大,應(yīng)首先將時(shí)碼組合與GPS外秒進(jìn)行同步對(duì)時(shí)操作,對(duì)齊秒前沿。在軟件上,我們?cè)O(shè)定一個(gè)合理的時(shí)間間隔誤差門限值。之后軟件通過串口讀取計(jì)數(shù)器測(cè)量所得的時(shí)間間隔誤差數(shù)據(jù)。

由于GPS短期穩(wěn)定度一般,存在較大前沿抖動(dòng),每一秒所收集的誤差數(shù)據(jù)并不一定準(zhǔn)確,因此我們選擇連續(xù)一段時(shí)間(如1000秒)的誤差數(shù)據(jù),求得它們的算術(shù)平均值。將此數(shù)值與門限值比較,若在門限以內(nèi),則不處理;若超出門限,則取連續(xù)兩個(gè)算術(shù)平均值,計(jì)算其頻率差。

根據(jù)銣鐘的時(shí)鐘數(shù)據(jù)模型,將頻率差轉(zhuǎn)換為頻率步進(jìn)數(shù)據(jù),送給銣鐘進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。

3.3 馴服銣鐘

測(cè)量船使用的頻標(biāo)為銣氣泡型原子頻標(biāo),其中的諧振器為被動(dòng)型。這表示它需要一個(gè)晶振提供頻率信號(hào),用作微波磁場(chǎng)的激勵(lì)。其電子線路如圖5所示。

圖5 銣頻標(biāo)內(nèi)部電子線路示意圖

壓控晶振提供的頻率信號(hào)fc,經(jīng)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(lì)躍遷。利用光檢測(cè)法將對(duì)微波量子輻射的檢測(cè)轉(zhuǎn)換為對(duì)光量子輻射的檢測(cè),輸出光檢電流i。i越小,說明f越接近躍遷頻率。

當(dāng)使用低頻信號(hào)fL(幾十到一百幾十赫茲;當(dāng)fc=5MHz時(shí),2fL=164Hz)調(diào)制光檢電流,時(shí),將輸出2fL的調(diào)制信號(hào),否則兩者頻率相同。通過此原理,銣鐘內(nèi)構(gòu)造伺服電路,伺服電路計(jì)算出誤差信號(hào)后反饋給壓控晶振,晶振據(jù)此對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)。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(duì)壓控晶振輸出頻率的控制。

分析原理可知,當(dāng)我們根據(jù)銣鐘的時(shí)鐘數(shù)據(jù)模型,對(duì)調(diào)制振蕩器輸出的低頻信號(hào)fL進(jìn)行頻率改變時(shí),同時(shí)改變的還有相位檢波器送給晶振的誤差反饋信號(hào)。晶振接收到該信號(hào)后作出調(diào)整,其振蕩頻率將會(huì)得到修正,輸出頻率也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化。綜上所述,只要對(duì)fL作出調(diào)整,就可影響銣原子頻標(biāo)的輸出頻率。

因此我們?cè)O(shè)計(jì)馴服銣鐘方案如下。軟件收集時(shí)間間隔數(shù)據(jù),進(jìn)行處理后,根據(jù)銣鐘的時(shí)鐘數(shù)據(jù)模型計(jì)算得到頻率步進(jìn)數(shù)值。數(shù)據(jù)由PC輸出后,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換送入調(diào)制振蕩器,對(duì)其輸出的低頻信號(hào)fL進(jìn)行微調(diào)。fL變化導(dǎo)致輸出頻率不為2fL,于是相位檢波器將誤差反饋信號(hào)送晶振進(jìn)行頻率校準(zhǔn),最終使系統(tǒng)保持平衡。我們通過此方式對(duì)銣頻標(biāo)進(jìn)行頻率修正,控制時(shí)間間隔誤差始終在門限值以內(nèi),最終完成頻標(biāo)的自馴服。

4 結(jié)束語

本文提出的測(cè)量船自適應(yīng)馴服銣鐘設(shè)計(jì),為解決測(cè)量船因長(zhǎng)期出海導(dǎo)致的頻標(biāo)無法校準(zhǔn)問題提供了一種解決思路。應(yīng)用此方案,時(shí)統(tǒng)設(shè)備可常年工作而頻標(biāo)不需要校準(zhǔn),待長(zhǎng)時(shí)間?？看a頭時(shí)再將頻標(biāo)送廠所檢測(cè)。既使設(shè)備能夠參試,又保證了信號(hào)的精度,滿足高密度試驗(yàn)任務(wù)的需求。

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