测量船自适应驯服铷钟设计

2015-11-07中国卫星海上测控部

电子世界 2015年14期

关键词：晶振驯服计数器

中国卫星海上测控部吴昊

测量船自适应驯服铷钟设计

中国卫星海上测控部吴昊

针对测量船出海时间长，无法进行铷钟的频率校准问题，提出了自适应驯服铷钟的解决方案。本方案利用GPS秒脉冲信号长期稳定度较好的优势，通过测量铷钟的频率偏差，转化为频率步进数值对铷钟进行频率调整，使铷钟始终保持良好的准确度。

【关题词】GPS；频率偏差；驯服；准确度

1 引言

航天测控任务需要高精度高可靠性的时间基准,我船选用铷原子频标作为频率标准,用于产生满足指标要求的时间信号。目前测量船使用的为SB-123时统系统,此系统中配置三个铷原子频标,分别为定时接收机内置铷原子频标XHTF1068C、时码组合内置铷原子频标和铷守时钟内置频标XHTF1005CD。

铷原子频标具有较好的短期准确度,但由于量子结构的频率漂移、相检及运放的漂移等因素,会产生频率漂移,从而导致时差漂移。为保证频率源的可靠性,铷频标需要定期送厂所进行频率校准。由于长时间出海执行远洋航天测控任务,导致频标多次错过校准周期,本文设计了一种使用GPS脉冲秒信号驯服铷钟的方案解决该问题。

2 驯服铷钟原理

铷原子频率标准工作时,其频率除随机起伏外,还存在明显的单方向变化。驯服铷钟就是要通过与标准信号进行比较,计算待校准铷钟的频率偏差,进而微调铷钟频率,最终达到频率校准的目的。

本方案中,选取定时接收机输出的GPS秒脉冲信号作为标准信号。待驯服铷钟输出10MHz频率信号通过时码组合,生成1PPS信号,将其与标准信号进行前沿比对,得到时间间隔误差数据,软件读取数据后计算出铷钟的频率偏差,并根据铷钟的时钟模型计算出频率步进数值,送给铷钟进行频率修正。其方案设计如图1所示。

图1 驯服铷钟方案设计

3 具体方案设计

3.1 时间间隔误差测量

为实现对铷钟的驯服,首先需要精确测量待校准频标输出秒与标准信号的时间间隔误差。

3．1．1 标准信号选取

要作为标准信号,需要有较好的长期稳定性。船内站时统现有的信号中,能够作为标准信号的有定时接收机GPS秒脉冲信号以及定时接收机内置铷钟输出的秒脉冲信号。GPS秒信号的长期稳定性很高(准确度优于1E-12),但短期稳定性比较差。定时接收机中的铷钟,其短期稳定性较高,并且由于被GPS驯服,同时具备较高的长期稳定性。但是由于其处于自动判定超容差同步方式状态,只有当｜时差｜＞容差时才会对齐秒脉冲的前沿,导致其秒脉冲信号具有跳变性,在本方案中不作使用。因此采用GPS系统输出秒脉冲信号作为标准信号进行频率偏差的测量。

3．1．2 测量方法

方法上,采用时刻比对法,利用EE3386A1型通用计数器实现时间间隔误差的采样与记录,并计算出频率偏差。

在测量时间间隔误差时,我们使用第一个1PPS脉冲的上升沿作为主门的开门信号,用第二个1PPS脉冲的上升沿作为关门信号。在两个脉冲上升沿之间,使用高频率的计数脉冲进行填充。最后由计数器累计得到填充脉冲的个数,换算为两个信号的精确时间间隔Δt。其原理如图2所示。

图2 时间间隔误差测量方法

由计数器内部晶振或外接频率源提供的标准频率信号f0,经过处理后作为时标信号τ0。选取GPS输出秒脉冲作为开门信号,令待驯服频标通过分频得到的秒脉冲作为关门信号。在T1时刻,GPS秒脉冲前沿进入门控电路,打开主闸门;在T2时刻,待驯服频标秒脉冲前沿进入门控电路,将闸门关闭,闸门打开时间记为τ。在τ时间段内,计数器记录通过主闸门的τ0的个数为n。

3．1．3 误差分析

采用此方法求时间间隔,主要影响其精确度的因素有三个：时基误差、测量分辨率误差,即±1个计数所对应的测量误差;噪声触发误差。

由上可得：

时间间隔测量误差=时基误差±测量分辨率误差±噪声触发误差。

(1)时基误差。

时基即测量时间间隔时所选用的时间单位,由频率信号经过计数器分频或倍频后得到,其频率信号可在计数器内部晶振或者外部频标中选择。时基误差主要是由时基不准确所造成的误差,减小时基或选择频率准确度更高的频标信号可以减小该误差。

我船站时统铷原子频标产生的10MHz信号,其准确度优于内部晶振。因此我们选用10MHz信号替代计数器的5MHz时基信号,从而达到降低该误差的目的。

(2)测量分辨率误差。

测量分辨率误差也称作系统误差,它是计数器的固有误差,是开、关脉冲和填充脉冲没有严格对齐所导致的。计数器不能测量读数末位数以下的数值,测量所得的计数值有±1的误差,因此又称作±1误差。其产生原因如图3所示。

图3 测量分辨率误差产生原理

本方案中,频率信号在计数器中经过时标产生和倍频后,生成10ns时标信号用于测量时间间隔。因此测量分辨率误差不大于10ns。

(3)噪声触发误差。

本方案中,开、关闸门都是由秒脉冲前沿触发的,因此若噪声叠加过大或秒前沿过大,都可能导致提前或推迟触发,产生噪声触发误差。噪声触发误差与信噪比有关,同时还取决于待测信号的波形和所选择的触发点。经过指标测试,时码组合输出秒信号以及GPS秒信号波形良好,前沿小于0.02us,满足指标要求。

采用本测试方法,时间间隔测量分辨率能够达到10ns,其误差不影响数据的有效性。

3.2 软件设计及数据分析

开始驯服之前,需要做一些准备工作。为避免测量开始时两路秒信号相位差过大,应首先将时码组合与GPS外秒进行同步对时操作,对齐秒前沿。在软件上,我们设定一个合理的时间间隔误差门限值。之后软件通过串口读取计数器测量所得的时间间隔误差数据。

由于GPS短期稳定度一般,存在较大前沿抖动,每一秒所收集的误差数据并不一定准确,因此我们选择连续一段时间(如1000秒)的误差数据,求得它们的算术平均值。将此数值与门限值比较,若在门限以内,则不处理;若超出门限,则取连续两个算术平均值,计算其频率差。

根据铷钟的时钟数据模型,将频率差转换为频率步进数据,送给铷钟进行频率校准。

3.3 驯服铷钟

测量船使用的频标为铷气泡型原子频标,其中的谐振器为被动型。这表示它需要一个晶振提供频率信号,用作微波磁场的激励。其电子线路如图5所示。

图5 铷频标内部电子线路示意图

压控晶振提供的频率信号fc,经过倍频综合后,得到微波频率f=683406875MHz(Rb87的跃迁频率ν0=683468261208Hz± 0.5Hz)来激励跃迁。利用光检测法将对微波量子辐射的检测转换为对光量子辐射的检测,输出光检电流i。i越小,说明f越接近跃迁频率。

当使用低频信号fL(几十到一百几十赫兹;当fc=5MHz时,2fL=164Hz)调制光检电流,时,将输出2fL的调制信号,否则两者频率相同。通过此原理,铷钟内构造伺服电路,伺服电路计算出误差信号后反馈给压控晶振,晶振据此对其振荡频率进行微调。通过上述过程,压控晶振输出频率将始终与铷原子跃迁频率保持一致,最终完成铷原子跃迁频率对压控晶振输出频率的控制。

分析原理可知,当我们根据铷钟的时钟数据模型,对调制振荡器输出的低频信号fL进行频率改变时,同时改变的还有相位检波器送给晶振的误差反馈信号。晶振接收到该信号后作出调整,其振荡频率将会得到修正,输出频率也会相应产生变化。综上所述,只要对fL作出调整,就可影响铷原子频标的输出频率。

因此我们设计驯服铷钟方案如下。软件收集时间间隔数据,进行处理后,根据铷钟的时钟数据模型计算得到频率步进数值。数据由PC输出后,经过D/A转换送入调制振荡器,对其输出的低频信号fL进行微调。fL变化导致输出频率不为2fL,于是相位检波器将误差反馈信号送晶振进行频率校准,最终使系统保持平衡。我们通过此方式对铷频标进行频率修正,控制时间间隔误差始终在门限值以内,最终完成频标的自驯服。