基于GPS/北斗共視技術(shù)的銣鐘馴服方法

遲華山，張 磊，遲文波，強(qiáng)成虎

(1.海軍裝備研究院 博士后科研工作站，北京 100073； 2.海軍裝備研究院 信息工程技術(shù)研究所，北京 102249)

基于GPS/北斗共視技術(shù)的銣鐘馴服方法

遲華山1,2，張 磊2，遲文波2，強(qiáng)成虎2

(1.海軍裝備研究院 博士后科研工作站，北京 100073； 2.海軍裝備研究院 信息工程技術(shù)研究所，北京 102249)

為了提升銣鐘的頻率準(zhǔn)確度等性能，以提供高精度的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，在分析了現(xiàn)有銣鐘馴服方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于GPS/北斗共視技術(shù)的銣鐘馴服方法，將銣鐘的輸出頻率馴服到時(shí)間頻率的最高國家基準(zhǔn)UTC(NIM)上，克服了原來將銣鐘頻率直接馴服到星載原子鐘方法中存在的頻率準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn);另外，為了拓展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和維護(hù)我國在時(shí)間頻率計(jì)量領(lǐng)域的獨(dú)立自主地位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除實(shí)現(xiàn)了GPS共視馴服外，還設(shè)計(jì)兼容了北斗共視馴服模式;試驗(yàn)結(jié)果表明，利用基于共視技術(shù)的馴服方法可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)銣鐘的馴服，原來相對(duì)頻率偏差指標(biāo)為5e-11的銣鐘經(jīng)過GPS和北斗共視馴服后，其相對(duì)頻率偏差指標(biāo)分別提升至1.62133e-14和1.36395e-14，提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了銫鐘的水平。

共視技術(shù); 銣鐘; 馴服

0 引言

隨著現(xiàn)代裝備信息化水平的不斷提升，計(jì)量領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茉宇l率標(biāo)準(zhǔn)(或稱原子鐘)的需求越來越大。在眾多原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中，銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度等方面性能優(yōu)異，能夠滿足日益提高的性能要求，但是銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)體積大，價(jià)格昂貴，而且國外對(duì)其高性能銫鐘在我國軍事等重要領(lǐng)域的應(yīng)用有嚴(yán)格的禁止條款，極大限制了其應(yīng)用范圍。另外由于銣頻率標(biāo)準(zhǔn)不需要真空系統(tǒng)、致偏磁鐵和原子束，因而具有體積小、質(zhì)量小、預(yù)熱時(shí)間短、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是其頻率漂移比較大，準(zhǔn)確度性能較銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)有較大差距，僅能用作二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。要應(yīng)用到一些更高精度要求的場合，必須對(duì)其進(jìn)行性能提升。目前廣泛采用的方法就是利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS，global navigation satellite system)對(duì)銣鐘進(jìn)行馴服，從而提高性能，擴(kuò)展應(yīng)用。

本論文針對(duì)這一需求，將銣振蕩器與衛(wèi)星(GPS和北斗)共視技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合在一起，將銣振蕩器輸出頻率馴服到我國最高的時(shí)間頻率基準(zhǔn)(中國計(jì)量科學(xué)研究院的UTC(NIM))上，大大提高其頻率長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，能夠?yàn)殡娏?、電信、時(shí)統(tǒng)、計(jì)量校準(zhǔn)等提供銫鐘量級(jí)的高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。

1 傳統(tǒng)銣鐘馴服方法

為了提升銣鐘的性能，近年來國內(nèi)外一些科研單位和公司也相繼開展了針對(duì)銣鐘的馴服研究[3-4]。

中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所利用GPS授時(shí)、測頻及時(shí)間同步技術(shù)，將高穩(wěn)定性銣振蕩器的輸出頻率馴服于GPS衛(wèi)星的星載銫原子鐘信號(hào)上，提高了頻率信號(hào)的長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，而且當(dāng)GPS失鎖或出現(xiàn)異常不可用時(shí)，系統(tǒng)能夠智能判別，切換到銣鐘進(jìn)行守時(shí)，繼續(xù)提供時(shí)間頻率信號(hào)。

西安同步電子科技有限公司研發(fā)的SYN3206型北斗馴服銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，將銣原子頻率直接溯源到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星載原子鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)上，在跟蹤到北斗信號(hào)24小時(shí)后，其馴服銣鐘的準(zhǔn)確度最高可以達(dá)到5e-12水平。

綜上，傳統(tǒng)馴服銣鐘的方法不管采用的是GPS還是北斗手段，都是將銣鐘輸出頻率直接馴服到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星載原子鐘上，其馴服原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)馴服銣鐘原理框圖

利用GNSS馴服銣鐘的常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法是：利用GNSS接收機(jī)得到1pps信號(hào)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，將其與待馴服銣鐘產(chǎn)生的1pps信號(hào)同時(shí)輸入到高分辨率的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，進(jìn)行時(shí)差測量，再將這個(gè)時(shí)差值送入微處理器(通常是一個(gè)單片機(jī))內(nèi)進(jìn)行處理，計(jì)算出馴服銣鐘需要的修正值。當(dāng)確認(rèn)誤差超出門限值時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行修正。將以上修正值通過D/A轉(zhuǎn)換，控制銣鐘，使其輸出頻率得到修正，確保其始終跟蹤衛(wèi)星的星載鐘，提高了銣鐘的輸出頻率準(zhǔn)確度。當(dāng)接收機(jī)接收不到GNSS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，微處理器不對(duì)銣鐘進(jìn)行調(diào)整，使得銣鐘能夠保持當(dāng)前狀態(tài)。

以上直接溯源到GPS或者北斗星載原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方案雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)銣鐘的馴服，提升銣鐘的性能指標(biāo)，但是存在兩個(gè)問題：(1)信號(hào)在衛(wèi)星和地面銣鐘之間的傳輸過程中存在星載時(shí)鐘的誤差、星歷誤差及部分對(duì)流層、電離層延遲誤差，這些誤差無疑會(huì)對(duì)馴服銣鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度產(chǎn)生不良影響；(2)直接溯源法的溯源對(duì)象是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星載原子鐘，但星載鐘受到衛(wèi)星體積和重量等的限制，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性相較于地面上高性能的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)(比如中國計(jì)量科學(xué)研究院的最高國家基準(zhǔn)UTC(NIM))來說，要差很多，造成銣鐘馴服的性能無法得到根本提升。

2 基于共視技術(shù)的馴服方法

為了克服以上直接溯源至星載原子鐘方法的不足，本項(xiàng)目采用了衛(wèi)星共視馴服的方法實(shí)現(xiàn)頻率溯源。利用兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測同一顆導(dǎo)航衛(wèi)星，通過交換數(shù)據(jù)可以消除共同的時(shí)間傳遞誤差，如星載時(shí)鐘的誤差、星歷誤差、SA影響及部分電離層延遲誤差，再通過電離層延時(shí)修正、對(duì)流層延時(shí)修正、多種軟件算法，可以實(shí)現(xiàn)將銣鐘馴服實(shí)時(shí)同步到UTC(NIM)的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，提高了本地銣鐘頻率信號(hào)的長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，能夠提供銫鐘量級(jí)的高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目基于共視方法的銣鐘馴服系統(tǒng)的原理框圖，如圖2所示。

圖2 基于共視方法的銣鐘馴服系統(tǒng)原理框圖

共視銣鐘馴服系統(tǒng)由GNSS接收模塊、時(shí)差測量模塊、可控銣鐘振蕩器和馴服系統(tǒng)等模塊組成，其中的GNSS接收模塊接收GNSS衛(wèi)星(GPS或者北斗衛(wèi)星)發(fā)來的信號(hào)，與來自可控銣鐘振蕩器的1PPS信號(hào)進(jìn)行時(shí)差比較，測得的時(shí)差數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)接?jì)算機(jī)PC中存儲(chǔ)；另外，中國最高時(shí)間頻率基準(zhǔn)UTC(NIM)數(shù)據(jù)與來自另一臺(tái)GNSS接收模塊接收的信號(hào)進(jìn)行時(shí)差比較，測得的時(shí)差數(shù)據(jù)也傳輸?shù)接?jì)算機(jī)PC中存儲(chǔ)；在PC中，根據(jù)GNSS共視方法對(duì)兩路時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到可控銣鐘振蕩器輸出頻率與UTC(NIM)標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的差值，同時(shí)輸出信號(hào)至馴服系統(tǒng)，得到可控銣鐘振蕩器的控制信號(hào)，從而控制銣鐘振蕩器的輸出頻率逐漸向UTC(NIM)標(biāo)準(zhǔn)頻率靠攏，并最終達(dá)到時(shí)間同步、頻率一致。

計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的頻率差計(jì)算公式如下：

其中:fRb為銣鐘振蕩器的輸出頻率；fUTC(NIM)為UTC(NIM)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，為10 MHz；Δf為銣鐘振蕩器輸出頻率相對(duì)UTC(NIM)標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差；為采樣周期；為第個(gè)采樣周期內(nèi)，銣鐘振蕩器輸出和UTC(NIM)之間的時(shí)間偏差。

從圖2中可以看到，本項(xiàng)目采用的衛(wèi)星共視的方法實(shí)現(xiàn)頻率溯源，作為頻率基準(zhǔn)的UTC(NIM)鐘和馴服銣鐘都需要與衛(wèi)星通信，兩路信號(hào)傳輸過程中電離層和對(duì)流層等引入的誤差，在數(shù)據(jù)處理單元可以得到抑制甚至消除，從而提高馴服銣鐘的準(zhǔn)確度。另外，UTC(NIM)作為我國時(shí)間頻率的最高國家基準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等指標(biāo)都全面優(yōu)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星載鐘，將銣鐘輸出馴服到UTC(NIM)上，可以保證馴服后銣鐘頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文基于共視技術(shù)的銣鐘馴服方法的有效性，進(jìn)行了GPS和北斗兩種馴服模式下的試驗(yàn)。儀器設(shè)備放置于實(shí)驗(yàn)室常溫環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求配套220 V交流電源、網(wǎng)絡(luò)、防靜電裝置等；室外GNSS接收天線架設(shè)于樓頂開闊環(huán)境下，要求高度角15度以上完全開闊，周圍500米內(nèi)無強(qiáng)烈電磁干擾等。測試時(shí)，儀器設(shè)備的連接圖如圖3所示。

圖3 共視法銣鐘馴服試驗(yàn)設(shè)備連接圖

圖4 GPS共視馴服模式下的鐘差曲線

圖5 北斗共視馴服模式下的鐘差曲線

3.1 GPS模式下銣鐘馴服試驗(yàn)步驟和結(jié)果

首先將馴服銣鐘設(shè)備的工作模式設(shè)置為GPS馴服工作模式，設(shè)備預(yù)熱后，通過控制軟件開啟馴服按鈕。經(jīng)過24小時(shí)的不間斷數(shù)據(jù)采集，得到馴服銣鐘與UTC(NIM)基準(zhǔn)之間的鐘差數(shù)據(jù)文件，繪制鐘差曲線，如圖4所示。

從圖4中，可以看到經(jīng)過GPS共視馴服的銣鐘與UTC(NIM)基準(zhǔn)之間的鐘差很小。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以上鐘差值的均值為0.103 371 ns。利用觀測得到的鐘差數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性擬合方法解算，可以得到經(jīng)過GPS共視馴服的銣鐘與UTC(NIM)基準(zhǔn)的相對(duì)頻率偏差(1天)結(jié)果為1.621 33e-14。

3.2 北斗模式下銣鐘馴服試驗(yàn)步驟和結(jié)果

將馴服銣鐘設(shè)備的工作模式設(shè)置為北斗馴服工作模式，設(shè)備預(yù)熱后，通過控制軟件開啟馴服按鈕。經(jīng)過24小時(shí)的不間斷數(shù)據(jù)采集，得到馴服銣鐘與UTC(NIM)基準(zhǔn)之間的鐘差數(shù)據(jù)文件，繪制鐘差曲線，如圖5所示。

從圖5中，可以看到經(jīng)過北斗共視馴服的銣鐘與UTC(NIM)基準(zhǔn)之間的鐘差很小。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，以上鐘差值的均值為-0.961 111 ns。利用觀測得到的鐘差數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性擬合方法解算，可以得到經(jīng)過北斗共視馴服的銣鐘與UTC(NIM)基準(zhǔn)的相對(duì)頻率偏差(1天)結(jié)果為1.363 95e-14。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

以上試驗(yàn)中采用的是美國斯坦福公司生產(chǎn)的銣鐘模塊(型號(hào)：PRS10)，經(jīng)查技術(shù)說明書，其相對(duì)頻率偏差指標(biāo)為5e

-11，其值是典型的銣鐘水平。經(jīng)本文方法的GPS共視馴服后，其相對(duì)頻率偏差指標(biāo)提升到1.621 33e-14，經(jīng)北斗共視馴服后，其相對(duì)頻率偏差指標(biāo)提升到1.363 95e-14，提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，GPS和北斗兩種模式下的性能指標(biāo)都得到了極大地提升，達(dá)到了與高性能銫鐘相當(dāng)?shù)乃健?/p>

4 結(jié)束語

本論文采用基于北斗/GPS共視技術(shù)的銣鐘馴服方法，將銣鐘馴服到時(shí)間頻率的最高國家基準(zhǔn)(UTC-NIM)上，保證了頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的方法可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)銣鐘的馴服，經(jīng)馴服的銣鐘頻率信號(hào)指標(biāo)良好，能夠提供銫鐘量級(jí)的高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，隨著具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，基于北斗共視方法的馴服銣鐘的性能還將有更大的提升空間。

[1]周 渭,偶曉娟,周 暉.時(shí)頻測控技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:7-20.

[2]童寶潤.時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003:97-103.

[3]單慶曉,楊 俊. 衛(wèi)星馴服時(shí)鐘系統(tǒng)的新進(jìn)展[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào), 2009,23(5):396-401.

[4]楊旭海,翟惠生.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), 2005,26(1):41-44.

Approach to GPS/BDS Disciplined Rubidium Clock Based on Common View Technology

Chi Huashan1,2, Zhang Lei2, Chi Wenbo2, Qiang Chenghu2

(1.Postdoctoral Working Station, Naval Academy of Armament, Beijing 100073,China;2.Information Engineering Technology Institute, Naval Academy of Armament, Beijing 102249,China)

To improve the accuracy of the rubidium clock frequency to provide the atom frequency standard with high accuracy, after analyzing the existing approaches to disciplined rubidium clock, an approach based on GPS/BDS common view technology is put forward in which the output frequency of rubidium clock is disciplined to UTC(NIM) and the existing problem of low accuracy of the old method in which the rubidium frequency is directly disciplined to the satellite carried atom clock is overcome. In addition, to expend the applied range of the BDS and maintain our independent position in time frequency metrology, BDS and GPS patterns are compatible in the system design. The experiments show that the approach based on the common view technology can realize the disciplined rubidium clock effectively, and the rubidium clock frequency accuracy, 5e-11, is improved to 1.62133e-14 and 1.36395e-14 by three orders of magnitude with GPS and BDS patterns respectively and the caesium clock level is reached.

common view technology; rubidium clock; discipline

2017-05-01；

2017-05-05。

遲華山(1978-)，男，山東棲霞人，博士，工程師，主要從事時(shí)間頻率的計(jì)量和航空電子技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0306-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.076

TB939

A