基于GPS馴服銣鐘的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

馬煦，孔維，孫海燕

基于GPS馴服銣鐘的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

馬煦，孔維，孫海燕

（北京市5136信箱，北京100094）

定期對(duì)GNSS接收機(jī)的外部頻率源進(jìn)行校準(zhǔn)是保證定位精度的重要措施。介紹了GPS馴服銣鐘頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理和硬件組成，通過頻率校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)達(dá)到了較好的長(zhǎng)期頻率準(zhǔn)確度和短期頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)要求，保證了被校準(zhǔn)頻率源的精確度。

GNS接收機(jī)；頻率校準(zhǔn)；GPS馴服銣鐘；時(shí)差測(cè)量

1 引言

GNSS基準(zhǔn)站主要用于為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供廣域差分?jǐn)?shù)據(jù)，用于區(qū)域精密定位和導(dǎo)航增值服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)該功能，GNSS基準(zhǔn)站都配有高精度的銣原子頻標(biāo)為GNSS接收機(jī)采集數(shù)據(jù)提供高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，銣原子頻標(biāo)的工作性能直接影響用戶的導(dǎo)航定位精度。銣原子鐘在長(zhǎng)期使用過程中存在較大頻率漂移，普通銣原子頻標(biāo)的漂移率指標(biāo)為每月小于等于5×10-11，因此需要對(duì)銣原子鐘定期進(jìn)行頻率校準(zhǔn)［1］，以確保其工作完好性和各項(xiàng)指標(biāo)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。目前，頻率標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)存在成本高、測(cè)試周期長(zhǎng)、精度低、不便于攜帶、依賴于實(shí)驗(yàn)室等缺點(diǎn)［2-3］，為此設(shè)計(jì)研制了一套集成度高、易于攜帶，測(cè)試校準(zhǔn)精度高、可靠性好的GPS馴服銣鐘的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)。本文對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討。

2 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)

GPS馴服銣鐘頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)將GPS馴服銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、高穩(wěn)石英晶振、頻率分析模塊和專用測(cè)試軟件集成在機(jī)箱內(nèi)，組成一個(gè)具有高精度參考源的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用GPS提供的精確1 PPS信號(hào)對(duì)銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行馴服來獲取頻率準(zhǔn)確度，并利用銣原子頻率鎖定高穩(wěn)石英晶體振蕩器，因此同時(shí)提高了系統(tǒng)頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度兩個(gè)指標(biāo)，再利用頻率測(cè)試模塊獲取準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和顯示。

系統(tǒng)由頻率參考源分系統(tǒng)、頻率測(cè)量分系統(tǒng)、控制與顯示分系統(tǒng)組成，含操作能力的控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線分別與頻率參考源分系統(tǒng)、頻率測(cè)量分系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)連接。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1 頻率參考源分系統(tǒng)

頻率參考源分系統(tǒng)中的GPS接收機(jī)模塊和銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊同時(shí)與時(shí)差測(cè)量模塊連接，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊與高穩(wěn)晶體振蕩器模塊連接，時(shí)差測(cè)量模塊同時(shí)測(cè)量GPS接收機(jī)模塊和銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊分別輸出的1 PPS秒信號(hào)，得到的時(shí)差值通過數(shù)字鎖相電路和D／A轉(zhuǎn)換及濾波電路產(chǎn)生控制信號(hào)，控制銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)控制高穩(wěn)晶體振蕩器模塊，輸出高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率和脈沖信號(hào)。頻率參考源分系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

GPS信號(hào)馴服銣鐘工作原理如下：GPS接收機(jī)通過GPS天線接收GPS信號(hào)，產(chǎn)生GPS時(shí)間信息和1 PPS信號(hào)，時(shí)間信息為系統(tǒng)提供精確的時(shí)間信息；1 PPS信號(hào)用于馴服銣原子振蕩器。將GPS接收機(jī)產(chǎn)生的1 PPS信號(hào)與銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的1 PPS信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)差測(cè)量模塊，并將時(shí)差測(cè)量模塊輸出信號(hào)輸入FPGA數(shù)字鎖相電路，產(chǎn)生對(duì)銣原子振蕩器的馴服信號(hào)，并通過D／A轉(zhuǎn)換及濾波電路輸入至銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成對(duì)銣原子振蕩器的馴服功能。GPS馴服銣原子振蕩器能提高銣原子振蕩器輸出頻率信號(hào)的準(zhǔn)確度，將銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)馴服在GPS信號(hào)的精度上。并且，由于銣原子振蕩器具有很小的漂移率，因此當(dāng)GPS信號(hào)丟失時(shí)，利用銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的低漂移特性使輸出頻率在一定的時(shí)間范圍內(nèi)保持很高的精度。GPS信號(hào)馴服銣原子振蕩器需要克服GPS秒信號(hào)的抖動(dòng)提高短期穩(wěn)定度，采用多次平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差的概率估算法以及數(shù)字濾波的方式，可以很好地平滑GPS的隨機(jī)抖動(dòng)（100 ns的抖動(dòng)）。馴服銣鐘采用頻率控制相位的原理，即射頻和秒信號(hào)的相位相參。通過高精度的秒信號(hào)時(shí)差測(cè)量，獲得銣鐘輸出頻率的準(zhǔn)確度值，根據(jù)其數(shù)值在單片機(jī)的控制下設(shè)置頻率微調(diào)量，當(dāng)頻率準(zhǔn)確度馴服到3×10-12范圍內(nèi)后，根據(jù)時(shí)差測(cè)量得相位偏移量，用超精細(xì)的頻率微調(diào)（1×10-12單步）控制相位同步精度。高精度時(shí)間間隔測(cè)試采用內(nèi)插脈沖測(cè)量技術(shù)（分辨率為0.5 ns）可以獲得很高的相位測(cè)量精度。

銣鐘鎖定高穩(wěn)定度晶振工作原理如下：銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和高穩(wěn)晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率信號(hào)輸入鑒相器，產(chǎn)生鎖定信號(hào)并通過低通濾波器輸入高穩(wěn)晶體振蕩器，使高穩(wěn)晶體振蕩器輸出具有短期高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。銣原子振蕩器鎖定高穩(wěn)定度晶振提高了輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的短期穩(wěn)定度，使其既具備高準(zhǔn)確度又具備高穩(wěn)定度。銣原子振蕩器鎖定晶振的環(huán)路，系統(tǒng)采用了窄帶環(huán)路技術(shù)和電壓跟蹤掃描技術(shù)，有效地解決了環(huán)路的鎖定帶寬和輸出頻率的相位噪聲和頻率穩(wěn)定度的問題。

時(shí)差測(cè)量模塊工作原理如下：采用了特殊的雙時(shí)差測(cè)量技術(shù)和內(nèi)插脈沖測(cè)量技術(shù)，很好地解決了信號(hào)抖動(dòng)的確定度以及內(nèi)部處理過程中時(shí)延對(duì)測(cè)量絕對(duì)精度的影響。可以在一次測(cè)量中完成被測(cè)秒信號(hào)的多參數(shù)測(cè)量，對(duì)于高精度的時(shí)間測(cè)量非常有效。馴服銣鐘采用頻率控制相位的原理，即射頻和秒信號(hào)的相位相參。通過高精度的秒信號(hào)時(shí)差測(cè)量，獲得銣鐘輸出頻率的準(zhǔn)確度值，根據(jù)其數(shù)值在單片機(jī)的控制下設(shè)置頻率微調(diào)量，當(dāng)頻率準(zhǔn)確度馴服到3×10-12范圍內(nèi)后，根據(jù)時(shí)差測(cè)量得相位偏移量，用超精細(xì)的頻率微調(diào)（1×10-12單步）控制相位同步精度。

2.2 頻率測(cè)試分系統(tǒng)

頻率測(cè)試分系統(tǒng)是系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確可靠測(cè)量數(shù)據(jù)的有效保證，其中誤差倍增模塊將外部輸入的被測(cè)頻率信號(hào)進(jìn)行信號(hào)合成，并將其與頻率參考源分系統(tǒng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的差值和放大倍數(shù)相乘，從而將差值信號(hào)的誤差放大，頻率測(cè)試模塊完成該差值信號(hào)的測(cè)量。頻率測(cè)試分系統(tǒng)模塊組成如圖3所示。

誤差倍增模塊主要作用是提高系統(tǒng)的測(cè)試精度，由于現(xiàn)用計(jì)數(shù)器的填充脈沖頻率為100 MHz左右，所以1 s閘門的測(cè)量精度只能為1×10-8。當(dāng)被測(cè)頻率的準(zhǔn)確度小于1×10-8時(shí)，測(cè)試值的末尾只能顯示0或者1，而不能準(zhǔn)確地反映被測(cè)頻率的準(zhǔn)確值，因此需要將此信號(hào)的誤差放大。通過乘法器電路的性質(zhì)得知：如果被測(cè)頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率能差出一個(gè)1 kHz+ΔF（ΔF為被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的差值，如果計(jì)數(shù)器的位數(shù)不夠，就不能準(zhǔn)確地反應(yīng)被測(cè)信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度），就可以通過此測(cè)量值和放大倍數(shù)相乘得到被測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確值，由此提高1 s的測(cè)試精度到1×10-12（誤差倍數(shù)x為10 000倍，填充脈沖為100 MHz）。

頻率測(cè)試模塊采用等精度測(cè)頻的方式，保證測(cè)試的頻率差和被測(cè)頻率保持高度的一致性。按測(cè)量原理可分為計(jì)數(shù)器法和相位測(cè)試法。在頻率測(cè)量時(shí)，如前所述，1s閘門的測(cè)量精度只能為1×10-8，當(dāng)被測(cè)頻率的準(zhǔn)確度小于1×10-8時(shí)，這個(gè)精度顯然不能滿足測(cè)量的需要。在工程技術(shù)上采用的誤差倍增和差拍多周期法是一種最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，但誤差倍增受電路噪聲的制約，不利于高次誤差倍增，為了獲得足夠高的測(cè)量精度以及簡(jiǎn)單實(shí)用和測(cè)量指標(biāo)具有一定高的提升空間，系統(tǒng)采用了低倍增次數(shù)、合理的差拍頻率和很高的頻率測(cè)量精度的頻率計(jì)。誤差倍增法的核心是采用頻率倍頻技術(shù)和混頻技術(shù)，使被測(cè)信號(hào)的頻率誤差倍增。

2.3 控制與顯示分系統(tǒng)

控制與顯示分系統(tǒng)中的微處理器模塊控制系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)通信模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)頻率參考源系統(tǒng)和頻率測(cè)量系統(tǒng)中模塊以及顯示模塊之間的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)通信模塊還完成外部數(shù)據(jù)交換功能，頻率測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果通過數(shù)據(jù)通信模塊輸入到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到對(duì)被測(cè)頻率信號(hào)的計(jì)算數(shù)據(jù)，并通過顯示模塊進(jìn)行顯示，模塊組成如圖1所示。

3 頻率校準(zhǔn)試驗(yàn)

利用基于GPS馴服銣鐘的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)，我們多次對(duì)GNSS基準(zhǔn)站上的銣原子頻標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試和校準(zhǔn)。被測(cè)銣原子頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度已經(jīng)漂移至1×10-9以下，表1和表2給出了經(jīng)過6 h測(cè)試跟蹤后，被測(cè)銣原子頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度分別在1 s、2 s、4 s、10 s、50 s、100 s時(shí)段和頻率穩(wěn)定度分別在1ms、10ms、20 ms、100 ms、1 s、10 s、100 s時(shí)段的結(jié)果。

GPS馴服銣原子振蕩器頻率測(cè)試系統(tǒng)中GPS信號(hào)鎖定狀態(tài)頻率準(zhǔn)確度小于1×10-12，保持狀態(tài)頻率準(zhǔn)確度小于3×10-12，頻率穩(wěn)定度小于4×10-12／10 s，小于5×10-12／12 s，滿足測(cè)試設(shè)備的精度比被測(cè)信號(hào)精度至少高3倍的要求。被測(cè)設(shè)備經(jīng)校準(zhǔn)后能夠恢復(fù)到設(shè)備出廠指標(biāo)，提高了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源的測(cè)量精度，確保了系統(tǒng)用戶進(jìn)行精密定位的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于GPS馴服銣鐘的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)研制工作原理和硬件設(shè)計(jì)，并根據(jù)頻率校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作性能。經(jīng)過GPS馴服銣鐘和銣鐘鎖定高穩(wěn)晶振兩個(gè)重要技術(shù)手段同時(shí)提高了系統(tǒng)長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度和短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)，測(cè)試和校準(zhǔn)結(jié)果表明該系統(tǒng)頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標(biāo)以及頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)接近銫鐘水平，并具有體積小、重量輕、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足GNSS基準(zhǔn)站原子鐘以及多種時(shí)間頻率設(shè)備測(cè)試校準(zhǔn)需要。

［1］蔡勇，林傳富，沈季良.高精度原子鐘頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀的研制［J］.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)年刊，2000（21）：148-152.

CAIYong，LIN Chuan-fu，SHEN Ji-liang.The Developments of High Precision Frequency Stability Test Equipments for Atomic Frequency Standard［J］.Annals of ShanghaiObservatory Academia Sinica，2000（21）：148-152.（in Chinese）

［2］楊旭海，翟惠生，胡永輝，等.基于新校頻算法的GPS可馴銣鐘系統(tǒng)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005（1）：41-44.

YANG Xu-hai，ZHAIHui-sheng，HU Yong-hui，etal. Study on GPSDisciplined Rb Clock Based on New Frequency Accuracy Measurement Algorithm［J］.Journal of Apparatus and Instrument，2005（1）：41-44.（in Chinese）

［3］郭向陽(yáng)，趙振杰.自適應(yīng)馴服銣鐘的實(shí)現(xiàn)［J］.飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2006，8（4）：83-86.

GUOXiang-yang，ZHAO Zhen-jie.The Implementation of an Adaptive and Tame Rubidium Clock［J］.Journalof Spacecraft TT＆C Technology，2006，8（4）：83-86.（in Chinese）

MA Xu was born in Qinhuangdao，Hebei Province，in 1968.He is now a senior engineerwith the M.S.degree.His research concerns satellite navigation，positioning and differential reference station.

Email：greatmaxu＠126.com

孔維（1980—），女，河南南陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位及差分基準(zhǔn)站研究方面的工作；

KONGWeiwas born in Nanyang，Henan Province，in 1980. She is now an engineer with the M.S.degree.Her research concerns satellite navigation and differential reference station.

Email：kwnancy＠126.com

孫海燕（1975—），女，湖北武漢人，博士，工程師，長(zhǎng)期從事衛(wèi)星導(dǎo)航及時(shí)間頻率研究。

SUN Hai-yanwasborn inWuhan，HubeiProvince，in 1975. She is now an engineer with the Ph.D.degree.Her research concerns satellite navigation＆time and frequency.

Design of a Frequency Calibration System Based on GPSDisciplined Rubidium Clock

MAXu，KONGWei，SUN Hai-yan
（Beijing P.O.Box 5136，Beijing 100094，China）

Periodical calibration of frequency standard for GNSS receiver is an importantmeasure to guarantee the positioning precision.The working principles and hardware structure of frequency calibration system based on GPS disciplining Rubidium clock are introduced.The frequency calibration experiment validates that this system has achieved the preferable long frequency accuracy and short frequency accuracy，which ensures the calibrated frequency standard precision.

GNSS receiver；frequency calibration；GPSdisciplined Rubidium clock；time differencemeasurement

The National High-tech R＆D Program（863 Program）of China

TN945.17

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.022

馬煦（1968—），男，河北秦皇島人，碩士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位工作及差分基準(zhǔn)站研究；

1001-893X（2011）10-0109-04

2011-04-11；

2011-09-22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目