馬煦，孔維，孫海燕

基于GPS馴服銣鐘的頻率校準系統(tǒng)設(shè)計?

馬煦，孔維，孫海燕

（北京市5136信箱，北京100094）

定期對GNSS接收機的外部頻率源進行校準是保證定位精度的重要措施。介紹了GPS馴服銣鐘頻率校準系統(tǒng)的工作原理和硬件組成，通過頻率校準實驗驗證了該系統(tǒng)達到了較好的長期頻率準確度和短期頻率準確度指標要求，保證了被校準頻率源的精確度。

GNS接收機；頻率校準；GPS馴服銣鐘；時差測量

1 引言

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

2 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計

GPS馴服銣鐘頻率校準系統(tǒng)將GPS馴服銣原子頻率標準、高穩(wěn)石英晶振、頻率分析模塊和專用測試軟件集成在機箱內(nèi)，組成一個具有高精度參考源的頻率校準系統(tǒng)。系統(tǒng)利用GPS提供的精確1 PPS信號對銣原子頻率標準進行馴服來獲取頻率準確度，并利用銣原子頻率鎖定高穩(wěn)石英晶體振蕩器，因此同時提高了系統(tǒng)頻率長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度兩個指標，再利用頻率測試模塊獲取準確可靠的測量數(shù)據(jù)，并對測試和校準數(shù)據(jù)進行采集、存儲和顯示。

系統(tǒng)由頻率參考源分系統(tǒng)、頻率測量分系統(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接收機模塊和銣原子頻率標準模塊同時與時差測量模塊連接，銣原子頻率標準模塊與高穩(wěn)晶體振蕩器模塊連接，時差測量模塊同時測量GPS接收機模塊和銣原子頻率標準模塊分別輸出的1 PPS秒信號，得到的時差值通過數(shù)字鎖相電路和D／A轉(zhuǎn)換及濾波電路產(chǎn)生控制信號，控制銣原子頻率標準模塊，銣原子頻率標準模塊產(chǎn)生的標準頻率信號控制高穩(wěn)晶體振蕩器模塊，輸出高準確度和高穩(wěn)定度的標準頻率和脈沖信號。頻率參考源分系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。

GPS信號馴服銣鐘工作原理如下：GPS接收機通過GPS天線接收GPS信號，產(chǎn)生GPS時間信息和1 PPS信號，時間信息為系統(tǒng)提供精確的時間信息；1 PPS信號用于馴服銣原子振蕩器。將GPS接收機產(chǎn)生的1 PPS信號與銣原子頻率標準產(chǎn)生的1 PPS信號同時輸入時差測量模塊，并將時差測量模塊輸出信號輸入FPGA數(shù)字鎖相電路，產(chǎn)生對銣原子振蕩器的馴服信號，并通過D／A轉(zhuǎn)換及濾波電路輸入至銣原子頻率標準模塊，完成對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的準確度，將銣原子頻率標準馴服在GPS信號的精度上。并且，由于銣原子振蕩器具有很小的漂移率，因此當GPS信號丟失時，利用銣原子頻率標準的低漂移特性使輸出頻率在一定的時間范圍內(nèi)保持很高的精度。GPS信號馴服銣原子振蕩器需要克服GPS秒信號的抖動提高短期穩(wěn)定度，采用多次平均和標準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的隨機抖動（100 ns的抖動）。馴服銣鐘采用頻率控制相位的原理，即射頻和秒信號的相位相參。通過高精度的秒信號時差測量，獲得銣鐘輸出頻率的準確度值，根據(jù)其數(shù)值在單片機的控制下設(shè)置頻率微調(diào)量，當頻率準確度馴服到3×10-12范圍內(nèi)后，根據(jù)時差測量得相位偏移量，用超精細的頻率微調(diào)（1×10-12單步）控制相位同步精度。高精度時間間隔測試采用內(nèi)插脈沖測量技術(shù)（分辨率為0.5 ns）可以獲得很高的相位測量精度。

銣鐘鎖定高穩(wěn)定度晶振工作原理如下：銣原子頻率標準產(chǎn)生的標準頻率信號和高穩(wěn)晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率信號輸入鑒相器，產(chǎn)生鎖定信號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)定度的標準頻率信號。銣原子振蕩器鎖定高穩(wěn)定度晶振提高了輸出標準頻率信號的短期穩(wěn)定度，使其既具備高準確度又具備高穩(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。

時差測量模塊工作原理如下：采用了特殊的雙時差測量技術(shù)和內(nèi)插脈沖測量技術(shù)，很好地解決了信號抖動的確定度以及內(nèi)部處理過程中時延對測量絕對精度的影響?？梢栽谝淮螠y量中完成被測秒信號的多參數(shù)測量，對于高精度的時間測量非常有效。馴服銣鐘采用頻率控制相位的原理，即射頻和秒信號的相位相參。通過高精度的秒信號時差測量，獲得銣鐘輸出頻率的準確度值，根據(jù)其數(shù)值在單片機的控制下設(shè)置頻率微調(diào)量，當頻率準確度馴服到3×10-12范圍內(nèi)后，根據(jù)時差測量得相位偏移量，用超精細的頻率微調(diào)（1×10-12單步）控制相位同步精度。

2.2 頻率測試分系統(tǒng)

頻率測試分系統(tǒng)是系統(tǒng)獲得準確可靠測量數(shù)據(jù)的有效保證，其中誤差倍增模塊將外部輸入的被測頻率信號進行信號合成，并將其與頻率參考源分系統(tǒng)輸出的標準頻率信號的差值和放大倍數(shù)相乘，從而將差值信號的誤差放大，頻率測試模塊完成該差值信號的測量。頻率測試分系統(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)的測試精度，由于現(xiàn)用計數(shù)器的填充脈沖頻率為100 MHz左右，所以1 s閘門的測量精度只能為1×10-8。當被測頻率的準確度小于1×10-8時，測試值的末尾只能顯示0或者1，而不能準確地反映被測頻率的準確值，因此需要將此信號的誤差放大。通過乘法器電路的性質(zhì)得知：如果被測頻率和標準頻率能差出一個1 kHz+ΔF（ΔF為被測信號與標準信號的差值，如果計數(shù)器的位數(shù)不夠，就不能準確地反應被測信號的頻率準確度），就可以通過此測量值和放大倍數(shù)相乘得到被測信號的準確值，由此提高1 s的測試精度到1×10-12（誤差倍數(shù)x為10 000倍，填充脈沖為100 MHz）。

頻率測試模塊采用等精度測頻的方式，保證測試的頻率差和被測頻率保持高度的一致性。按測量原理可分為計數(shù)器法和相位測試法。在頻率測量時，如前所述，1s閘門的測量精度只能為1×10-8，當被測頻率的準確度小于1×10-8時，這個精度顯然不能滿足測量的需要。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單實用的方法，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量精度以及簡單實用和測量指標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量精度的頻率計。誤差倍增法的核心是采用頻率倍頻技術(shù)和混頻技術(shù)，使被測信號的頻率誤差倍增。

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)總線實現(xiàn)頻率參考源系統(tǒng)和頻率測量系統(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，頻率測量模塊的測量結(jié)果通過數(shù)據(jù)通信模塊輸入到數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理，得到對被測頻率信號的計算數(shù)據(jù)，并通過顯示模塊進行顯示，模塊組成如圖1所示。

3 頻率校準試驗

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

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

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了基于GPS馴服銣鐘的頻率校準系統(tǒng)研制工作原理和硬件設(shè)計，并根據(jù)頻率校準試驗結(jié)果驗證了校準系統(tǒng)的工作性能。經(jīng)過GPS馴服銣鐘和銣鐘鎖定高穩(wěn)晶振兩個重要技術(shù)手段同時提高了系統(tǒng)長期頻率穩(wěn)定度和短期頻率穩(wěn)定度指標，測試和校準結(jié)果表明該系統(tǒng)頻率長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標以及頻率準確度指標接近銫鐘水平，并具有體積小、重量輕、價格低的優(yōu)勢，能夠滿足GNSS基準站原子鐘以及多種時間頻率設(shè)備測試校準需要。

［1］蔡勇，林傳富，沈季良.高精度原子鐘頻率穩(wěn)定度測試儀的研制［J］.中國科學院上海天文臺年刊，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］.儀器儀表學報，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，趙振杰.自適應馴服銣鐘的實現(xiàn)［J］.飛行器測控學報，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，河南南陽人，碩士，工程師，主要從事衛(wèi)星導航定位及差分基準站研究方面的工作；

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，長期從事衛(wèi)星導航及時間頻率研究。

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，高級工程師，長期從事衛(wèi)星導航定位工作及差分基準站研究；

1001-893X（2011）10-0109-04

2011-04-11；

2011-09-22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目