原子鐘在線監(jiān)測(cè)評(píng)估方法設(shè)計(jì)

鄧小波，趙 斌，王 錚

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國人民解放軍61711部隊(duì)，新疆 喀什 844000；3.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

原子鐘在線監(jiān)測(cè)評(píng)估方法設(shè)計(jì)

鄧小波1,2，趙 斌2，王 錚3

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國人民解放軍61711部隊(duì)，新疆 喀什 844000；3.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

大型通信、測(cè)量電子系統(tǒng)一般配備2臺(tái)或2臺(tái)以上原子鐘作為系統(tǒng)的時(shí)間、頻率基準(zhǔn)，互為備份構(gòu)建主、備時(shí)頻信號(hào)基準(zhǔn)，以提高系統(tǒng)時(shí)頻信號(hào)可靠性，保障系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。主備原子鐘間雖然可通過相位比對(duì)、數(shù)據(jù)分析檢測(cè)到原子鐘工作狀態(tài)異常狀況，但是由于缺乏參考，難以通過時(shí)頻系統(tǒng)本身區(qū)分故障來源，存在故障定位難的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這一問題，提出了一種基于中間振蕩器的主、備用原子鐘頻率跳變檢測(cè)、短期穩(wěn)定度分析評(píng)估方法，為時(shí)頻系統(tǒng)主、備用原子鐘故障定位提供技術(shù)手段，提高時(shí)頻系統(tǒng)故障判斷準(zhǔn)確性，并縮減系統(tǒng)故障定位、故障恢復(fù)時(shí)間。使用3臺(tái)銣原子鐘進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘穩(wěn)定度的評(píng)估，并可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率跳變的故障定位。

原子鐘評(píng)估；穩(wěn)定度評(píng)估；頻率跳變檢測(cè)

0 引言

在通信、測(cè)量電子系統(tǒng)中，時(shí)間頻率系統(tǒng)作為通信、測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)頻基準(zhǔn)，為其他功能子系統(tǒng)提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確度時(shí)頻信號(hào)，而原子鐘作為時(shí)頻子系統(tǒng)的頻率信號(hào)根源，其工作狀態(tài)將直接影響工作性能。原子鐘的主要性能指標(biāo)包括頻率準(zhǔn)確度、頻率漂移率和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)，通過以往的工程經(jīng)驗(yàn)，原子鐘的故障主要是其物理器件故障，如真空度下降、銣泡故障等原因?qū)е略隅娛фi，輸出頻率發(fā)生跳變，直接影響輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度[1]。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，在時(shí)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，多采用雙機(jī)熱備的雙原子鐘設(shè)計(jì)方案，并通過相位比對(duì)設(shè)備檢測(cè)主用、備用原子鐘間相位差值，當(dāng)相位差值發(fā)生跳變時(shí)，可判斷原子鐘出現(xiàn)故障。然而對(duì)于故障的定位，由于缺乏參考輸入，無法直接判斷故障發(fā)生位置為主用原子鐘或備用原子鐘，往往需要通過系統(tǒng)運(yùn)行功能、性能狀態(tài)來判斷主用或備用原子鐘故障，具有較大的滯后性，無法在原子鐘故障初期本文發(fā)現(xiàn)并定位故障[2-3]。雖然配備雙熱備原子鐘，卻無法保障時(shí)頻子系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性高質(zhì)量服務(wù)，因此提出了增加一個(gè)中間振蕩器作為參考頻率源，通過主、備用原子鐘與中間振蕩器的相位差值，采用三角帽法計(jì)算時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度，采用最小二乘法進(jìn)行頻率跳變監(jiān)測(cè)與故障源定位，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本增加不大的前提下為原子鐘性能評(píng)估、原子鐘故障定位提供數(shù)據(jù)支持與技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在主用原子鐘A、備用原子鐘B間引入中間振蕩器C，使用相位比對(duì)設(shè)備對(duì)原子鐘A、B及中間振蕩器C輸出頻率信號(hào)進(jìn)行相位比對(duì)，依據(jù)相位比對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)3路時(shí)頻信號(hào)進(jìn)行頻率穩(wěn)定度評(píng)估、頻率跳變檢測(cè)，保障時(shí)頻系統(tǒng)的高可靠性運(yùn)行[4]。其中，中間振蕩器可依據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能、成本需求靈活選用銣原子鐘或恒溫晶振。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 基于中間振蕩器的時(shí)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 基于三角帽法頻率穩(wěn)定度評(píng)估

頻率穩(wěn)定度表征頻率源輸出頻率信號(hào)準(zhǔn)確度的變化程度，一般采用方差表征數(shù)據(jù)集合的穩(wěn)定度，原子鐘頻率穩(wěn)定度評(píng)估一般采用阿倫方差對(duì)原子鐘相位信號(hào)進(jìn)行采集計(jì)算，測(cè)量方法為使用高于被測(cè)頻率信號(hào)穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí)的頻率信號(hào)作為參考[5]。

Allan方差公式為：

式中，x(t)為時(shí)鐘在t時(shí)刻的相位值；τ為取樣間隔；〈 〉代表求平均值。

在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不具備更高穩(wěn)定度級(jí)別的參考時(shí)鐘信號(hào)，無法針對(duì)時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度進(jìn)行直接測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)針對(duì)主、備用原子鐘的頻率穩(wěn)定度評(píng)估，引入中間振蕩器，采用三角帽法進(jìn)行主、備用原子鐘及中間振蕩器的頻率穩(wěn)定度評(píng)估[6]。

通過測(cè)量時(shí)鐘a和b間相位差值，可計(jì)算a和b時(shí)鐘的相對(duì)頻率穩(wěn)定度ADEVabτ。

由于a和b時(shí)鐘為獨(dú)立運(yùn)行時(shí)鐘，因此可得

由此可得，

式中，ADEVabτ、ADEVbcτ和ADEVcaτ可通過時(shí)差測(cè)量運(yùn)算直接獲得，通過解算可以獲得：

因此通過實(shí)時(shí)在線測(cè)量主/備用原子鐘、恒溫晶振的相差信息，可通過三角帽法解算時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)，當(dāng)任意時(shí)鐘穩(wěn)定度惡化時(shí)，可快速定位故障時(shí)鐘源，并依據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行主、備原子鐘切換，保證后端設(shè)備使用。

3 基于最小二乘法的頻率跳變檢測(cè)

頻率準(zhǔn)確度是指被測(cè)信號(hào)實(shí)測(cè)頻率fx與其標(biāo)稱頻率f0間的頻率偏差程度，頻率準(zhǔn)確度公式為：

由于系統(tǒng)運(yùn)行過程中缺乏高準(zhǔn)確度的測(cè)量參考時(shí)鐘，無法直接計(jì)算評(píng)估時(shí)鐘頻率準(zhǔn)確度，只可計(jì)算時(shí)鐘間相對(duì)頻率準(zhǔn)確度，通過實(shí)時(shí)測(cè)量主、備原子鐘間相對(duì)頻差、主/備用原子鐘與中間振蕩器間相對(duì)頻差，利用最小二乘法對(duì)主/備用原子鐘與中間振蕩器間相位差值進(jìn)行最小二乘法頻率計(jì)算[9]，并實(shí)時(shí)比對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量值與最小二乘法預(yù)測(cè)值間的頻率差值，當(dāng)頻率測(cè)量值超限時(shí)，針對(duì)超限情況進(jìn)行判斷，即可判定頻率跳變來源。

基于最小二乘法的頻率跳變檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 基于最小二乘法的頻率跳變檢測(cè)原理

通過比較ΔΦ與預(yù)設(shè)門限值，即可監(jiān)測(cè)時(shí)鐘跳變情況，當(dāng)發(fā)生預(yù)測(cè)值殘差超限時(shí)，可依據(jù)三角閉合法進(jìn)行判斷跳變來源，若ΔΦab、ΔΦac發(fā)生超限，而ΔΦbc未發(fā)生超限，則可判斷時(shí)鐘a發(fā)生頻率跳變。

4 時(shí)鐘在線評(píng)估系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中使用3臺(tái)銣原子鐘進(jìn)行時(shí)鐘的在線監(jiān)測(cè)評(píng)估，使用多通道比相儀進(jìn)行時(shí)鐘a、b和c間的相位比對(duì)，使用三角帽法、最小二乘法頻率跳變監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行相差數(shù)據(jù)處理[5]，為體現(xiàn)評(píng)估與跳變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能力，其中a、c原子鐘正常運(yùn)行，b原子鐘在數(shù)據(jù)采集開始時(shí)進(jìn)行了開關(guān)機(jī)，相位數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3和圖4所示[11-12]。

通過數(shù)據(jù)分析，可發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘a、c穩(wěn)定度指標(biāo)相對(duì)較高，同時(shí)通過最小二乘法時(shí)鐘相位預(yù)測(cè)殘差示意圖(如圖5所示)也可分析，時(shí)鐘b在150 s、550 s位置發(fā)生2次殘差值跳動(dòng)，依據(jù)前面所述的故障定位方法，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘ab與時(shí)鐘bc間相位預(yù)計(jì)殘差跳動(dòng)，因此定位故障為b原子鐘發(fā)生了頻率跳變，傳統(tǒng)主、備相位比對(duì)圖5中時(shí)鐘ab相位預(yù)測(cè)殘差，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘ab間相位預(yù)測(cè)殘差發(fā)生跳變，無法依據(jù)測(cè)量值定位故障源，僅可依靠后續(xù)用時(shí)設(shè)備指標(biāo)變化反推時(shí)鐘跳變?cè)礊橹?、備原子鐘，而采用中間振蕩器的原子鐘在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法則可迅速定位故障為時(shí)鐘b發(fā)生頻率跳變，導(dǎo)致其穩(wěn)定度下降，完成了b時(shí)鐘失鎖的故障檢測(cè)[13-14]。

圖3 時(shí)鐘相對(duì)頻率穩(wěn)定度示意

圖4 時(shí)鐘穩(wěn)定度示意

圖5 最小二乘法時(shí)鐘相差預(yù)測(cè)殘差示意

5 結(jié)束語

本文針對(duì)時(shí)間頻率系統(tǒng)原子鐘在線評(píng)估，介紹了相關(guān)原子鐘性能指標(biāo)評(píng)估的模型與算法，并基于三角帽法穩(wěn)定度評(píng)估、最小二乘法時(shí)鐘頻率跳變檢測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，采用增加中間振蕩器的時(shí)頻系統(tǒng)在線評(píng)估構(gòu)架可有效針對(duì)原子鐘穩(wěn)定度、原子鐘頻率跳變進(jìn)行在線評(píng)估、監(jiān)測(cè)，并可為故障定位提供數(shù)據(jù)手段，增加時(shí)間頻率系統(tǒng)工作可靠性，降低故障定位和故障恢復(fù)時(shí)間。

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DesignofOnlineMonitorandEvaluationMethodforAtomicClock

DENG Xiaobo1,2,ZHAO Bin2,WANG Zheng3

(1.CollegeofEarthEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.Unit61711,PLA,Kashi844000,China;3.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

Large-scale communication and measurement systems normally have two or more atomic clocks to form a master-slave time and frequency reference,which increases the system reliability and ensures continuous operation.Although the abnormal state of master and slave clocks can be detected by measuring their phase difference,but it’s hard to identify the source of fault due to the lack of external reference.In order to solve this problem,the paper proposes a master-slave clock frequency jump detection and stability evaluation method based on middle oscillator.This method can improve the fault detection accuracy of time frequency system and reduce the fault location and recovery time.Three Rb clocks are used in experiment to verify this method,and the result shows that the method can successfully evaluate the clock stability and identify the fault source.

atomic clock evaluation；stability evaluation；frequency jump detection

2017-09-15

中國電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(EX156290055)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.10

鄧小波，趙斌，王錚.原子鐘在線監(jiān)測(cè)評(píng)估方法設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2018,48(1):46-49.[DENG Xiaobo,ZHAO Bin,WANG Zheng.Design of Online Monitor and Evaluation Method for Atomic Clock[J].Radio Engineering,2018,48(1):46-49.]

TN967

A

1003-3106(2018)01-0046-04

鄧小波男，(1983—)，畢業(yè)于新疆大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

趙斌男，(1982—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

王錚男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

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