铷原子频标远程在线校频方案设计

杜 燕,刘阳琦,潘红芳,赵景斐

(北京环球信息应用开发中心,北京 100094)

铷原子频标远程在线校频方案设计

杜 燕,刘阳琦,潘红芳,赵景斐

(北京环球信息应用开发中心,北京 100094)

依据铷频标检定规程和卫星导航定位系统地面监测站技术指标要求,设计了一套铷原子频率标准在线校频方案,解决了监测站铷原子频率标准每年到计量单位检定的问题,从而确保各监测站铷频标长期正常工作。该方案对于铷原子频率标准校频具有通用性,可以推广使用。

卫星导航定位系统;地面监测站;铷原子频率标准;校频;定时接收机

卫星导航定位系统监测站一般采用铷原子频率标准(以下简称铷频标),铷频标为监测设备提供标准频率信号。铷频标是一种被动型原子频标,系二级标准频率源,需定期检定[1]。传统方法是将铷频标送到计量单位进行检定。一个导航定位系统有近百台铷频标,如果采用传统方法,不仅周期长、费用高,而且影响系统的正常工作。本文依据铷频标检定规程,充分利用卫星导航系统的高精度授时功能[2-3],将主站的高精度频率标准传递到监测站,对铷频标进行在线检定,及时修正铷频标频率偏差,保证监测站的数据质量。

1 系统要求

要实现对在线铷频标的频率校准,首先应对在线铷频标进行精确测量。监测站铷频标准确度指标要求为优于5×10-11,要完成对其频率校准,参考标准准确度应比被测铷频标高一个数量级;为减少环境温度对测量精度的影响,对测试环境也有一定要求。

1.1 测试环境要求

(1)温度范围:18℃～25℃范围内任一点,测试过程中最大允许变化范围±3℃。

(2)相对湿度:不大于80%。

(3)供电电源:电压220±22 V,频率50±1 Hz。

(4)负载:在测试过程中,负载应固定不变。

1.2 测试设备要求

校准所用仪器设备应经过计量技术机构检定(或校准),满足校准使用要求,并在有效期内。

(1)定时接收机要求:校频频率5 MHz、10 MHz,校频准确度1×10-12/day。

(2)时间间隔计数器要求:测量范围10 Hz～100 MHz,有外接频标功能,有串口接口;测量准确度±1 ns。

(3)计算机要求:CPU主频2 GHz,内存1G,硬盘160 G,两个RS-232接口。

2 测试校准方案

2.1 基本原理

采用接收比对方法,对铷频标准确度进行测量,根据测量结果对铷频标准确度进行校准。定时接收机跟踪锁定相应卫星,接收时频信息,输出标准1 PPS秒信号,作为参考标准。铷频标输出1 PPS秒信号,该信号为被测信号。时间间隔计数器测量被测信号与参考信号的时差值,利用时差在时间间隔内的变化量,计算出被测铷频标的准确度,根据对准确度指标要求,对铷频标进行频率调整。原理框图如图1所示。

图1 铷频标校频设备连接图Fig.1 Rb frequency calibration equipment connection diagram

2.2 软件设计

该软件为数据采集与处理软件。采集被测铷频标与参考频标的时差比对数据,完成数据的采集、预处理、发送及工况监视等任务,并实时计算被测频标的各项性能指标,将计算结果存储至本地数据库。

该软件具备如下功能:

(1)实时采集被测频标与参考频标的时差比对数据;

(2)对时差数据的采集频度能够进行灵活控制;

(3)对原始测量数据进行粗差剔除、拟合等处理;

(4)实时计算显示被测铷频标的频率准确度;

(5)计算结果存储到本地数据库中,并提供事后查询功能;

(6)计算结果以WORD格式文件输出,并提供报表打印功能;

(7)实时监测测量设备的工作状态,对工作异常进行识别和报警。

2.2.1 设计说明

数据采集与处理软件模块结构如图2所示。

图2 数据采集与处理软件模块结构图Fig.2 Structure of data collection and processing software module

串口数据接收与发送主要完成从RS-232接口接收测量时差数据包,并发送至数据预处理模块进行解析;从数据预处理模块接收采集频度控制指令,并通过RS-232接口完成数据的写入。

数据计算处理是软件的主体部分,根据钟差测量结果,计算被测钟的频率准确度,准确度计算公式如下:

式中,x(t)为被测铷频标与参考频标的时差测量数据。

软件执行流程如图3所示。

图3 数据采集与处理软件执行流程Fig.3 Processing flowchart of data collection and processing software

2.2.2 运行环境

数据采集与处理软件运行在数据处理计算机上,存在形式是“.exe”应用程序,计算机要求为有串行接口。操作系统为Windows XP,开发软件为Visual C++6.0,数据库Micsoft Access 2007。

2.3 校频操作步骤

2.3.1 测试步骤

将在线工作铷钟输出信号按连接图接入测试系统。对需加电开机的铷钟应加电预热一天进行测试。

将定时接收机(“北斗”定时接收机/GPS定时接收机)加电,按照定时接收机说明书的要求完成定时接收机设置,跟踪锁定相应卫星。接收机处于位置保持状态,输出有效的参考时间。

设置时间间隔计数器。将计数器A、B通道负载设置为50 Ψ,直流耦合,触发电平设置为0.7 V。

将采集处理计算机串口连接时间间隔计数器,并启动数据采集处理软件。

按图1连接设备,被测铷频标输出1 PPS信号作为时间间隔计数器开门信号,定时接收机输出的1 PPS信号作为时间间隔计数器关门信号。每秒测试一次,测出两个1 PPS信号的时差。

采集处理计算机采集时间间隔计数器数据,并实时计算出铷频标准确度,测试完成后,生成测试报告。

2.3.2 校准步骤

当被测铷频标准确度低于技术指标要求时,应对其进行校频。测量时观察计数器时差值,每次调频幅度不可太大,调整过程中可以参考1 h准确度进行微调,记录调整过程,调到准确度指标要求后,稳定运行一天,再次测试铷频标准确度,满足要求后,记录铷频标校频结果。

铷频标校频流程如图4所示。

图4 铷频标校频流程图Fig.4 Rb frequency calibration flowchart

3 校准结果的处理和复校时间间隔

测试或调整后的频率准确度满足技术指标要求,记录下本次校频结果,出具测试报告。

依据铷频标检定规程,频率准确度复校时间定为1年。

4 结束语

利用卫星导航定位系统自身的授时功能进行远程在线铷频标校频,具有校频精度高、设备量少、效率高、节约经费的优点,经过实际使用,满足导航系统监测站对铷频标的精度要求。下一步监测站装备升级时,可与该校准系统一体化设计,实现自动化校准,效能将得到更好的发挥。

该方法对于铷原子频率标准校频具有通用性,可以推广使用。

[1]JJG 292-1996,铷原子频率标准检定规程[S].JJG 292-1996,Rb Atomic Frequency Standards Verification Regulation[S].(in Chinese)

[2]郭信平.卫星导航系统应用大全[M].北京:电子工业出版社,2011.

GUO Xin-ping.FullApplication of SatellitesNavigation System[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011.(in Chinese)

[3]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京:国防工业出版社,2007.

TAN Shu-sen.Engineering of satellites Navigation-positioning System[M].Beijing:National Defense Industry Press,2007.(in Chinese)

DU Yan was born in Shangqiu,Henan Province,in 1964.She is now a senior engineer.Her research concerns satellite navigation and time frequency.

Email:luckyzhaowenjun@163.com

刘阳琦(1979— ),男,江西九江人,工程师,主要研究方向为卫星导航和时间频率技术;

LIU Yang-qi was born in Jiujiang,Jiangxi Province,in 1979.He isnow anengineer.His research concerns satellite navigation and time frequency.

潘红芳(1982— ),女,山东诸城人,助理工程师,主要研究方向为卫星导航和时间频率技术;

PAN Hong-fang was born inZhucheng,Shandong Province,in 1982.She is now an assistent engineer.Her research concerns satellite navigation and time frequency.

赵景斐(1979—),男,黑龙江哈尔滨人,工程师,主要研究方向为卫星导航和时间频率技术。

ZHAO Jing-fei was born in Harbin,Heilongjiang Province,in 1979.He is now an engineer.Hisresearch concerns satellite navigation and time frequency.

Design of Remote Online Frequency Calibration for Rb Frequency Standards

DU Yan,LIU Yang-qi,PAN Hong-fang,ZHAO Jing-fei
(Beijing Global Information Center of Application and Exploitation,Beijing 100094,China)

According to the Rb frequency standard verification regulations and technical specification requirements for satellite navigation and positioning system ground stations,a set of solution to Rb atomic frequency standards online frequency calibration is designed and described in this paper.The set of solution can solve the problem of going to metrology branches to monitor Rb atomic frequency standard every year and ensure that Rb frequency standard can work normally long-term in all the monitoring stations.The solution can be widely applied in Rb frequency calibration.

satellite navigation and positioning system;ground monitoring station;Rb atomic frequency standards;frequency calibration;timing receiver

TN965;TM935

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.046

1001-893X(2012)06-1051-03

2012-05-09;

2012-06-08

杜 燕(1964—),女,河南商丘人,高级工程师,主要研究方向为卫星导航和时间频率技术;