衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站銣原子鐘頻率校準(zhǔn)方法分析

孔 維，李保東，陶春燕，張向征

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

1 引言

原子鐘作為精確時(shí)間基準(zhǔn)，在科學(xué)、技術(shù)、軍事和商業(yè)中具有重要地位，早已應(yīng)用到測(cè)控、導(dǎo)航、通信、監(jiān)視、能源利用、電網(wǎng)調(diào)節(jié)、海上勘探等各個(gè)方面，尤其在衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，其性能直接影響用戶的導(dǎo)航定位精度。銣原子鐘(以下簡(jiǎn)稱銣鐘)相對(duì)銫鐘和氫鐘，具有體積小、功耗低、便于制作等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)站，為接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理提供高精度時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)，其工作性能對(duì)接收機(jī)的工作狀態(tài)以及定位性能有著重要影響。

按頻率準(zhǔn)確度等級(jí)，銣鐘屬于需要定期校準(zhǔn)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)頻率源，其頻漂的固有特性隨時(shí)間變化會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)時(shí)鐘頻率發(fā)生漂移，因此需要定期校準(zhǔn)，以保障監(jiān)測(cè)站提供的原始觀測(cè)偽距和載波相位數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。目前應(yīng)用于工程實(shí)踐的銣鐘頻率校準(zhǔn)方法主要有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)、小型校準(zhǔn)測(cè)試儀校準(zhǔn)和遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)三種形式，隨著測(cè)量技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)高精度、低成本的需求，校準(zhǔn)技術(shù)會(huì)朝著更加合理、高效、自動(dòng)化的趨勢(shì)發(fā)展。

2 銣鐘時(shí)頻特性分析

2.1 基本概念

衡量原子鐘時(shí)頻特性的主要指標(biāo)包括：頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率偏差和頻率漂移率等。頻率準(zhǔn)確度是用來(lái)描述頻標(biāo)的實(shí)際輸出頻率相對(duì)于其標(biāo)稱頻率的偏差，頻率穩(wěn)定度是用來(lái)描述原子頻標(biāo)輸出頻率受噪聲影響而產(chǎn)生的隨機(jī)起伏情況，頻率偏差是指兩臺(tái)頻標(biāo)輸出頻率的相對(duì)偏差，頻率漂移率是指頻標(biāo)隨運(yùn)行時(shí)間單調(diào)變化的速率。頻漂是原子頻標(biāo)的固有特性，是無(wú)法改變的，即原子頻標(biāo)頻率隨著時(shí)間推移變得越來(lái)越不準(zhǔn)，最終導(dǎo)致監(jiān)測(cè)站接收機(jī)的鐘差越來(lái)越大，因此必須定期校準(zhǔn)原子頻標(biāo)的輸出頻率值。

頻率準(zhǔn)確度可定義為

(1)

式中，A為頻率準(zhǔn)確度，f為被測(cè)頻標(biāo)的實(shí)際頻率，f0為標(biāo)稱頻率。

實(shí)際應(yīng)用中以參考頻標(biāo)的實(shí)際頻率作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量被測(cè)頻標(biāo)的實(shí)際頻率，要求參考頻標(biāo)的準(zhǔn)確度比被測(cè)頻標(biāo)的準(zhǔn)確度至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

2.2 頻率準(zhǔn)確度對(duì)數(shù)據(jù)的影響

一個(gè)性能好的頻標(biāo)，其輸出頻率應(yīng)該又準(zhǔn)又穩(wěn)，輸出信號(hào)可以表示為

V(t)=[V0+ε(t)]sin[2πf0t+φ(t)]

(2)

式中，V0為標(biāo)稱振幅，ε(t)為振幅的起伏，f0為標(biāo)稱頻率或長(zhǎng)期平均頻率，φ(t)為相位偏差。

信號(hào)的瞬時(shí)相位為

(3)

而瞬時(shí)角頻率是相位的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，即

(4)

則瞬時(shí)頻率為

(5)

瞬時(shí)相對(duì)頻率偏差為

(6)

定義瞬時(shí)相對(duì)相位偏差為

(7)

將式(7)代入式(6)，可得

(8)

由式(8)可知，瞬時(shí)相對(duì)相位偏差x(t)在物理上表現(xiàn)為時(shí)間偏差，也稱為相位時(shí)間，在監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)處理上體現(xiàn)為接收機(jī)鐘差，而瞬時(shí)相對(duì)頻率偏差y(t)也可以理解為時(shí)間偏差的變化率，即接收機(jī)鐘速。

根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，93%的銣鐘在使用1 a以上，頻率準(zhǔn)確度漂移至1×10-10量級(jí)以上，7%的銣鐘頻率準(zhǔn)確度漂移至1×10-9量級(jí)以上，由此引發(fā)的系統(tǒng)影響是接收機(jī)鐘差越來(lái)越大，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷下降。依據(jù)接收機(jī)綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出銣鐘性能偏離指標(biāo)最嚴(yán)重的監(jiān)測(cè)站，可以及時(shí)進(jìn)行銣鐘校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)方法

3.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)是將計(jì)量設(shè)備定期送到具有資質(zhì)的計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，檢驗(yàn)人員依據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定系統(tǒng)和計(jì)量檢定規(guī)程進(jìn)行計(jì)量器具檢定，銣鐘的檢定周期一般為1 a。按照檢定規(guī)程對(duì)銣鐘進(jìn)行檢定，若各項(xiàng)檢定項(xiàng)目全部達(dá)到技術(shù)要求者，出具檢定證書(shū)；若檢定不合格，出具檢定結(jié)果通知書(shū)，并注明不合格的項(xiàng)目。

3.1.1 檢定條件

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)必須具備以下條件：

(1)環(huán)境條件

溫度在(15～18)℃范圍內(nèi)、濕度小于80%、電壓為220(1±5%)V，50(1±5%)Hz，負(fù)載應(yīng)固定不變；

(2)標(biāo)準(zhǔn)頻率

頻率漂移率和頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于被檢銣頻標(biāo)的漂移率和頻率準(zhǔn)確度一個(gè)數(shù)量級(jí)；頻率穩(wěn)定度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于被檢銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度的3倍，一般采用氫鐘或銫鐘作為可靠的標(biāo)準(zhǔn)頻率參考源。

(3)測(cè)量設(shè)備

頻率準(zhǔn)確度測(cè)量誤差至少應(yīng)比被檢銣頻標(biāo)相應(yīng)指標(biāo)小一個(gè)數(shù)量；頻率穩(wěn)定度測(cè)量誤差至少應(yīng)小于被檢銣頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度的三分之一；相位噪聲應(yīng)比被檢銣頻標(biāo)的相應(yīng)指標(biāo)至少低10 dB。

3.1.2 檢定內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)測(cè)量主要采用通用計(jì)數(shù)器、比相器、頻差倍增器、頻率合成器、倍頻器、鑒相器、頻譜儀等高精度儀器，利用頻差倍增、混頻等技術(shù)檢驗(yàn)如下項(xiàng)目：

(1)開(kāi)機(jī)特性：5×10-10～5×10-11；

(2)諧波及非諧波

諧波：≤-40 dBc；

非諧波：≤-80 dBc；

(3)頻率穩(wěn)定度：

(5×10-11～5×10-12)/1 s；

(2×10-11～8×10-13)/10 s；

(5×10-12～2×10-13)/100 s；

(2×10-12～8×10-14)/1 000 s；

(2×10-12～2×10-14)/100 s；

(5×10-12～2×10-14)/1 d；

(4)相位噪聲：

(-70～-110)dBc/Hz(1 Hz)；

(-90～-140)dBc/Hz(10 Hz)；

(-110～-150)dBc/Hz(100 Hz)；

(-125～-160)dBc/Hz(1 kHz)；

(5)日頻率漂移率：1×10-11～1×10-13；

(6)頻率復(fù)現(xiàn)性：5×10-11～2×10-12；

(7)頻率準(zhǔn)確度：

2×10-10～5×10-11≤1×10-12τ=1 d

(8)頻率調(diào)整范圍：±2×10-9

3.2 小型校準(zhǔn)測(cè)試儀

小型校準(zhǔn)測(cè)試儀能夠在不依賴實(shí)驗(yàn)室條件、不攜帶大量檢測(cè)設(shè)備的情況下，對(duì)石英晶體、電子儀器內(nèi)石英晶體振蕩器、銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，或者其它頻率源、時(shí)間源進(jìn)行檢測(cè)，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)相比，具有操作簡(jiǎn)單、觀察方便、儀器小型化的特點(diǎn)，同時(shí)縮短了頻率測(cè)量周期，降低了測(cè)量成本。

3.2.1 工作原理

小型校準(zhǔn)測(cè)試儀內(nèi)部一般采用帶有自適應(yīng)能力的銣鐘自動(dòng)馴服系統(tǒng)，可用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)或其它導(dǎo)航信號(hào)馴服內(nèi)部銣原子頻標(biāo)的輸出精度，得到精確的頻率準(zhǔn)確度和相位同步精度。一般馴服10 h后，頻率準(zhǔn)確度可達(dá)到3×10-12范圍，此時(shí)校準(zhǔn)測(cè)試儀已經(jīng)具有較好的參考頻率源，可以采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式來(lái)校準(zhǔn)被測(cè)銣鐘，工作模式如圖1所示。

圖1 小型校準(zhǔn)測(cè)試儀校準(zhǔn)銣鐘工作模式

自動(dòng)校準(zhǔn)模式需要將校準(zhǔn)測(cè)試儀輸出的1 s脈沖(pulse per second，PPS)信號(hào)作為參考標(biāo)準(zhǔn)去同步銣鐘，將銣鐘的10 MHz信號(hào)輸出作為被測(cè)信號(hào)接入小型校準(zhǔn)測(cè)試儀實(shí)時(shí)讀取頻率值。采用頻率控制相位原理馴服銣鐘，即射頻和秒信號(hào)的相位相參。通過(guò)高精度的秒信號(hào)時(shí)差測(cè)量獲得銣鐘輸出頻率準(zhǔn)確度的相位偏移量，用超精細(xì)的頻率微調(diào)(1×10-12單步)控制相位同步精度。

手動(dòng)校準(zhǔn)模式基于銣鐘內(nèi)部有一個(gè)高穩(wěn)晶振的窄帶鎖相環(huán)，銣鐘將準(zhǔn)確度傳遞給晶振，晶振的輸出與壓控電壓相關(guān)，因此通過(guò)壓控電壓即可改變晶振信號(hào)的輸出。將銣鐘的10 MHz信號(hào)輸出作為被測(cè)信號(hào)接入小型校準(zhǔn)測(cè)試儀實(shí)時(shí)讀取頻率值，通過(guò)調(diào)節(jié)銣鐘前面板旋鈕改變晶振壓控電壓，從而改變輸出10 MHz信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度。

3.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

一臺(tái)高效實(shí)用的小型校準(zhǔn)測(cè)試儀應(yīng)具有集成度高、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，將多種測(cè)試項(xiàng)目集于一體的特點(diǎn)，提供低相噪、高穩(wěn)定度的10 MHz和1 PPS秒信號(hào)輸出，能夠在非實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)10 MHz頻點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行精密測(cè)量，可擴(kuò)展多種同步信號(hào)，如GPS、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

(1)高精度、高穩(wěn)定度參考源

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)的定時(shí)脈沖具有很高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，利用精確1 PPS信號(hào)對(duì)銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行馴服，可以獲得頻率準(zhǔn)確度<3×10-12的頻率精度；但是導(dǎo)航接收機(jī)輸出的定時(shí)信號(hào)存在秒抖動(dòng)，短期穩(wěn)定度較差，可采用多次平均、標(biāo)準(zhǔn)偏差概率估算以及數(shù)字濾波等方式來(lái)平滑隨機(jī)抖動(dòng)。利用高穩(wěn)石英晶體振蕩器獲得<1×10-12/s的短期穩(wěn)定度，從而保證校準(zhǔn)測(cè)試儀的短期和長(zhǎng)期高精度、高穩(wěn)定度。

(2)高精度頻率測(cè)量

高精度頻率測(cè)量是將外部輸入的被測(cè)頻率信號(hào)與參考頻率源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行比較測(cè)量，采用雙時(shí)差測(cè)量技術(shù)和內(nèi)插脈沖測(cè)量技術(shù)，解決信號(hào)抖動(dòng)的確定度以及時(shí)延對(duì)測(cè)量絕對(duì)精度影響等問(wèn)題；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，提高測(cè)量精度。

(3)高集成度

小型校準(zhǔn)測(cè)試儀用衛(wèi)星導(dǎo)航定時(shí)信號(hào)來(lái)馴服銣原子頻標(biāo)、將其與高穩(wěn)石英晶體振蕩器、頻率測(cè)量模塊和測(cè)試軟件集成在機(jī)箱內(nèi)，大量使用大規(guī)模集成電路和分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，組成一種方便、實(shí)用、便攜式的頻率綜合測(cè)量系統(tǒng)。

(4)快速通信顯示

數(shù)據(jù)通信完成外部數(shù)據(jù)交換，頻率測(cè)量結(jié)果通過(guò)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)，計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)包括被測(cè)頻率的開(kāi)機(jī)特性、短期穩(wěn)定度、老化率(漂移率)、準(zhǔn)確度、復(fù)現(xiàn)性等指標(biāo)，然后將計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.3 遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)

遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)就是主控站對(duì)監(jiān)測(cè)站銣鐘實(shí)施遠(yuǎn)距離校準(zhǔn)，被檢銣鐘無(wú)需送到計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)去校準(zhǔn)，盡量減少工作人員的上站操作，利用測(cè)定的被測(cè)銣鐘與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的差值通過(guò)指令形式控制銣鐘校準(zhǔn)的過(guò)程。對(duì)于自然環(huán)境復(fù)雜的偏遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)站，工作人員難以定期上站進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)的情況，遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)方式就顯示出極大地優(yōu)勢(shì)。

3.3.1 工作原理

遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)充分利用了地面網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程控制的功能，在各監(jiān)測(cè)站配置定時(shí)接收機(jī)和高精度時(shí)差測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)完成定時(shí)接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)1 PPS秒信號(hào)與被測(cè)銣鐘1 PPS秒信號(hào)的時(shí)差測(cè)量，利用時(shí)差在時(shí)間間隔內(nèi)的變化量擬合出被測(cè)銣鐘的頻率準(zhǔn)確度，全部數(shù)據(jù)處理均由監(jiān)測(cè)站完成。主控站人員可以遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)站是否運(yùn)行數(shù)據(jù)處理軟件，如果計(jì)算數(shù)值超出指標(biāo)范圍，再控制是否調(diào)整被測(cè)銣鐘。為了提高計(jì)算精度，采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行粗差剔除后再參與計(jì)算；所有計(jì)算結(jié)果和指令執(zhí)行信息均存儲(chǔ)在本地專用數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于事后查詢分析。遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)銣鐘工作模式見(jiàn)圖2。

圖2 遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)工作模式

3.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站銣鐘校準(zhǔn)工作開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)

程在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，需具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)主控站與監(jiān)測(cè)站之間能夠保持良好的網(wǎng)絡(luò)通信能力，便于遠(yuǎn)程操控監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)處理機(jī)。

(2)監(jiān)測(cè)站上必須配置高精度定時(shí)接收機(jī)提供參考標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，配置時(shí)間間隔測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的時(shí)差測(cè)量。

(3)監(jiān)測(cè)站上需要研制數(shù)據(jù)采集與處理軟件，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的粗差剔除、擬合等處理，并將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

(4)監(jiān)測(cè)站銣鐘需具備接收控制指令自動(dòng)調(diào)整頻率的能力。

4 優(yōu)缺點(diǎn)比較

實(shí)驗(yàn)室頻率校準(zhǔn)存在成本高、測(cè)試周期長(zhǎng)、依賴于實(shí)驗(yàn)室、需要整站停機(jī)等缺點(diǎn)；小型測(cè)試校準(zhǔn)儀較好的解決了監(jiān)測(cè)站整站停機(jī)后影響系統(tǒng)連續(xù)入站的問(wèn)題，具備集成度高、易于攜帶，測(cè)試周期短、測(cè)試校準(zhǔn)精度高、可靠性好等特點(diǎn)；通過(guò)地面網(wǎng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)銣鐘的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在主控站對(duì)監(jiān)測(cè)站銣鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，可節(jié)省人力資源、提高自動(dòng)化程度。三種方法涉及的各項(xiàng)因素比較見(jiàn)表1。

5 結(jié)束語(yǔ)

監(jiān)測(cè)站銣鐘的頻率準(zhǔn)確度對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響，校準(zhǔn)銣鐘時(shí)應(yīng)盡量不采用中斷監(jiān)測(cè)站運(yùn)行的銣鐘送檢方式；由于監(jiān)測(cè)站處于無(wú)人值守工作狀態(tài)，利用小型校準(zhǔn)測(cè)試儀進(jìn)行年度巡檢維護(hù)工作，可以作為一種可靠、準(zhǔn)確的校準(zhǔn)方法；遠(yuǎn)程在線校準(zhǔn)方法效率最高，尤其是對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)測(cè)站銣鐘校準(zhǔn)具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其推廣應(yīng)用受限于頻率參考源、測(cè)量?jī)x器與監(jiān)測(cè)站設(shè)備之間的一體化設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)操作依托于地面網(wǎng)絡(luò)也需要進(jìn)一步進(jìn)行工程實(shí)踐。

表1 三種方法涉及的各項(xiàng)因素比較

[1] 郭海榮，楊升，何海波.導(dǎo)航衛(wèi)星原子鐘頻率漂移特性分析[J].全球定位系統(tǒng)，2007(6)：5-10.

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