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通过FS740利用GPS/北斗驯服铷钟
发布时间:2019-08-28   点击次数:560次

铷钟又被称为铷原子钟,是由铷原子部分和压控晶体振荡器组成。铷频标是一种被动型原子频率,利用的是基态超精细能级之间的跃迁,跃迁频率为6.834,682,612 GHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号,通过锁相环路伺服晶振的频率,使激励信号频率锁定到原子跃迁频率,实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。

美国SRS公司铷钟PRS10的10MHz输出来自第三倍频,应力补偿(SC-cut)晶体振荡器工作在一个恒温室中,双回路RF合成器(晶体频率22.482MHz)产生359.72MHz,并让6.834 GHz频率通过阶跃恢复二极管。这样的设计可以使相位噪声非常低(< −130 dBc/Hz at 10 Hz),即便在没有锁定铷原子的情况下,其输出表现也很良好(老化率:<5 × 1E10 /day),与传统铷钟相比相位噪声降低42dB(如下图),并使用侧臂装有1毫克铷的灯。消除了铷耗尽作为一种失效机制,并提供了更好的温度控制,而没有多余的闪烁噪声。

PRS10铷钟主要性能:
· 输出频率:10MHz
· 相位噪声:< −130 dBc/Hz (10 Hz)
· 准确性:±5 × 10E−11
· 老化率:<5 × 1E−11 (monthly)
· 稳定性:<2 × 10E−12 (100 s)
· 体积:2.00" × 3.00" × 4.00" (HWD)

铷原子钟具有体积小、功耗低、环境适应能力强、价格便宜等特点,并拥有较好的中短期频率稳定度。但由于量子结构的频率漂移、相检及运放的漂移等因素,会产生频率漂移,从而导致时差漂移。为保证频率源的可靠性,铷频标需要定期送厂进行频率校准。
 

下面向大家简单介绍下通过美国SRS公司的FS740 GPS Time and Frequency System来驯服铷钟,此设备同样适用于GLONASS和我国的北斗系统。

FS740提供10MHz的频率基准,服从GPS、北斗等规范,长期稳定性优于1×10E–13。该仪器还可以对与UTC或GPS有关的外部事件进行时间标记,并测量用户输入的频率。具有DDS合成频率输出、可调速率(和宽度)脉冲输出和AUX输出,用于包括IRIGB时间码输出在内的任意波形。
 
GPS由星载高性能铷钟或铯钟产生,其相位受地面站控制,因此其长期特性非常稳定,高于普通的铷钟、铯钟或氢钟。从而可利用其长期稳定特性对晶振、如中等频标进行校准。(以下驯服原理示意图来源于网络)

在FS740系统中对于输出的1pps由内置的晶振或者铷钟产生,若铷钟或晶振独立产生秒脉冲,其相位会随其老化特性而逐渐漂移。而FS740中存在一个反馈,通过每秒或更高速率将1pps脉冲与GPS进行实时对比,计算出1pps脉冲与GPS的相位差,并利用FS740内部DDS进行相位调整。终输出的1pps即利用调整后的10MHz产生。由于存在相位调整,故1pps的长期相位特性与内置的晶振的长期漂移不再相关,而与GPS/北斗卫星时间直接相关。因此,可利用其长期稳定的特性对铷钟进行驯服。
两图是典型的对比:

FS740的操作步骤:

1、安装天线,放置于空旷处或楼顶、以获取可靠的信号,增加长期稳定性。

 

2、将电缆从天线连接到标有“GPS ANT”的FS740的后面板输入端。

 

3、开机。FS740将自动搜索GPS卫星,需要1个小时来保证完全稳定。稳定后LED灯亮起。

用户可以通过计算和输入天线延迟来改善FS740的UTC值以获得校准。
 
4、测量天线到FS740设备的电缆长度。
 
5、按下面板GPS按钮以激活GPS屏幕显示。

6、导航到GPS>配置>天线更正

7、用天线的长度乘以1.5417ns/ft,并将数值输入。

8、熟悉FS740的各种功能和查看屏幕的状态显示。

9、也可以远程通过GnssDO Application程序控制并调用

10、通过FS740设备后面板的PULSE OUT于铷钟的1PPS in连接,即可实现对铷钟的长期校准,以使其获得更长期的稳定行。


相关性设备:

参照文献:

陈智勇,韩蒂,庆毅,董柯,汤超,盛荣武. 面向时间应用的可驯服铷钟.2013.2
迟华山,张磊,迟文波,强成虎.基于GPS/北斗共视技术的铷钟驯服方法. 2017.25
中国卫星海上测控部 吴 昊. 测量船自适应驯服铷钟设计
 
资料源自:
美国Stanford Research Systems公司,

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