GNSS系統(tǒng)馴服銣鐘基準(zhǔn)研究

趙學(xué)軍

（中國人民解放軍92678 部隊(duì)，天津 300220）

0 引言

眾所周知，銫原子鐘是重要的戰(zhàn)略資源，美國政府對我國實(shí)行禁運(yùn)和限購政策。國產(chǎn)銫鐘研制起步較晚，雖有個別產(chǎn)品型號，但離規(guī)模商品化應(yīng)用還有一段距離[1]。加之銫鐘價格昂貴，因此如何利用GNSS 系統(tǒng)馴服銣鐘，滿足時統(tǒng)系統(tǒng)高精度時頻需求，或者應(yīng)急備份需求，成為當(dāng)前有意義的研究課題[2]。

1 衛(wèi)星馴服銣鐘原理

銣鐘工作時，頻率不穩(wěn)，容易向某一方向漂移。馴服銣鐘時，就是利用與衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出的秒信號進(jìn)行比較，計(jì)算兩者頻率偏差，然后對銣鐘頻率進(jìn)行修正，使銣原子鐘的頻率準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定度得到一定的控制和提升[3]。原理框圖如圖1所示。

圖1 GPS 馴服銣鐘原理框圖

2 衛(wèi)星馴服銣鐘試驗(yàn)

2.1 銣原子鐘性能選擇

通過對多款銣原子鐘的性能指標(biāo)進(jìn)行測試，其銣原子鐘的阿倫方差如圖2所示。由圖可見HP5065A 銣原子鐘阿倫方差指標(biāo)最好，PRS10 次之。

圖2 銣原子鐘的阿倫方差

多款銣原子鐘的相位噪聲指標(biāo)測試如圖3所示。由圖可見HP5065A 銣原子鐘相位噪聲指標(biāo)最好，PRS10 次之。

圖3 銣原子鐘的相位噪聲

由于HP5065銣鐘價格較貴，市場應(yīng)用也較少，PRS10銣鐘相對價格便宜，市場應(yīng)用較多，故選擇PRS10銣鐘試驗(yàn)。

2.2 GPS 馴服銣鐘試驗(yàn)單元組成

GPS 馴服銣鐘試驗(yàn)主要采用U-BLOX M8T GPS接收機(jī)對PRS10型銣原子鐘進(jìn)行馴服試驗(yàn)，試驗(yàn)框圖如圖4所示。

由圖4可見，主要測試設(shè)備包括：U-BLOX GPS接收機(jī)、馴服控制電路、PRS10 銣原子鐘、TSC5120A 時間頻率綜合分析儀、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和5071A 銫原子鐘。

圖4 GPS 馴服PRS10 銣鐘試驗(yàn)框圖

2.3 GPS 馴服銣鐘試驗(yàn)結(jié)果

利用U-BLOX M8T GPS接收機(jī)對PRS10型銣原子鐘進(jìn)行馴服24 h后，得到了測試結(jié)果。

2.3.1 頻率穩(wěn)定度（阿倫方差）測試

馴服PRS10 銣原子鐘頻率穩(wěn)定度（阿倫方差）曲線如圖5所示。

圖5 馴服PRS10 銣原子鐘頻率穩(wěn)定度（阿倫方差）曲線

2.3.2 相位噪聲測試

馴服PRS10 銣原子鐘相位噪聲如圖6所示。

圖6 馴服PRS10 相位噪聲

經(jīng)過試驗(yàn)，PRS10銣鐘的長期頻率穩(wěn)定度曲線拐頭向下向好，克服了向上漂移的現(xiàn)象，達(dá)到了馴服效果。為進(jìn)一步提高馴服銣鐘性能，如提高馴服銣鐘的短期穩(wěn)定度和遠(yuǎn)端相位噪聲等指標(biāo)，可以進(jìn)一步做性能提高試驗(yàn)。

2.4 GPS 馴服銣鐘性能提高試驗(yàn)

為了提升馴服銣鐘的短期穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo)，采用馴服銣鐘鎖高穩(wěn)低相噪晶振的方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)框圖如圖7所示。

由圖7可見，主要測試設(shè)備包括：U-BLOX GPS接收機(jī)、馴服控制電路、PRS10 銣原子鐘、高穩(wěn)低噪晶振，TSC5120A 時間頻率綜合分析儀、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和5071A 銫原子鐘。

圖7 衛(wèi)星馴服銣鐘鎖高穩(wěn)低相噪晶振框圖

經(jīng)過數(shù)天的連續(xù)測試，得到了馴服銣鐘鎖高穩(wěn)低相噪晶振的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲測試結(jié)果。

2.4.1 頻率穩(wěn)定度（阿倫方差）測試

馴服PRS10 銣原子鐘鎖高穩(wěn)低相噪石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度（阿倫方差）曲線如圖8所示。

圖8 馴服PRS10 鎖高穩(wěn)低相噪晶振頻率穩(wěn)定度（阿倫方差）曲線

2.4.2 相位噪聲測試

馴服PRS10 銣原子鐘鎖高穩(wěn)低相噪晶振相位噪聲如圖9所示。

圖9 馴服PRS10 銣原子鐘鎖高穩(wěn)低相噪晶振相位噪聲

經(jīng)過試驗(yàn)，改進(jìn)前與改進(jìn)后對比，PRS10銣鐘的長期頻率穩(wěn)定度曲線更加平滑，短期頻率穩(wěn)定度曲線拉低向好，遠(yuǎn)端相位噪聲抑制了近30 dBc/Hz以上，達(dá)到了試驗(yàn)的預(yù)期效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果評價與分析

衛(wèi)星馴服銣原子鐘與銫原子鐘阿倫方差如表1所示，SBB 相位噪聲如表2所示。

表1 衛(wèi)星馴服銣原子鐘與銫原子鐘阿倫方差

表2 衛(wèi)星馴服銣原子鐘與銫原子鐘SSB 相位噪聲

通過對試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理，并與銫原子鐘技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比對，改進(jìn)型的GPS馴服銣鐘性能接近銫原子鐘指標(biāo)。但還存在一些問題，如GPS馴服銣原子鐘鎖高穩(wěn)低相噪石英晶振在1 Hz以下相噪較差，其主要原因是采用的高穩(wěn)低相噪石英晶振的1 Hz以下相噪較差，如果選用OSA8607高穩(wěn)低相噪石英晶振或RAKON公司 HSO13、HSO14，其1 Hz以下相噪將會得到巨大的提升。同時科學(xué)構(gòu)建馴服控制算法，例如Kalman算法和Hondak算法，可實(shí)現(xiàn)既兼顧短穩(wěn)，又兼顧長穩(wěn)和相噪。再參照國際上相關(guān)時間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室如美國NIST、法國OP等實(shí)驗(yàn)室所做的工作，在實(shí)現(xiàn)可靠溯源的情況下，馴服銣鐘的頻率準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定度將會更好。