銣原子頻標遠程在線校頻方案設計

杜 燕,劉陽琦,潘紅芳,趙景斐

(北京環球信息應用開發中心,北京 100094)

銣原子頻標遠程在線校頻方案設計

杜 燕,劉陽琦,潘紅芳,趙景斐

(北京環球信息應用開發中心,北京 100094)

依據銣頻標檢定規程和衛星導航定位系統地面監測站技術指標要求,設計了一套銣原子頻率標準在線校頻方案,解決了監測站銣原子頻率標準每年到計量單位檢定的問題,從而確保各監測站銣頻標長期正常工作。該方案對于銣原子頻率標準校頻具有通用性,可以推廣使用。

衛星導航定位系統;地面監測站;銣原子頻率標準;校頻;定時接收機

衛星導航定位系統監測站一般采用銣原子頻率標準(以下簡稱銣頻標),銣頻標為監測設備提供標準頻率信號。銣頻標是一種被動型原子頻標,系二級標準頻率源,需定期檢定[1]。傳統方法是將銣頻標送到計量單位進行檢定。一個導航定位系統有近百臺銣頻標,如果采用傳統方法,不僅周期長、費用高,而且影響系統的正常工作。本文依據銣頻標檢定規程,充分利用衛星導航系統的高精度授時功能[2-3],將主站的高精度頻率標準傳遞到監測站,對銣頻標進行在線檢定,及時修正銣頻標頻率偏差,保證監測站的數據質量。

1 系統要求

要實現對在線銣頻標的頻率校準,首先應對在線銣頻標進行精確測量。監測站銣頻標準確度指標要求為優于5×10-11,要完成對其頻率校準,參考標準準確度應比被測銣頻標高一個數量級;為減少環境溫度對測量精度的影響,對測試環境也有一定要求。

1.1 測試環境要求

(1)溫度范圍:18℃～25℃范圍內任一點,測試過程中最大允許變化范圍±3℃。

(2)相對濕度:不大于80%。

(3)供電電源:電壓220±22 V,頻率50±1 Hz。

(4)負載:在測試過程中,負載應固定不變。

1.2 測試設備要求

校準所用儀器設備應經過計量技術機構檢定(或校準),滿足校準使用要求,并在有效期內。

(1)定時接收機要求:校頻頻率5 MHz、10 MHz,校頻準確度1×10-12/day。

(2)時間間隔計數器要求:測量范圍10 Hz～100 MHz,有外接頻標功能,有串口接口;測量準確度±1 ns。

(3)計算機要求:CPU主頻2 GHz,內存1G,硬盤160 G,兩個RS-232接口。

2 測試校準方案

2.1 基本原理

采用接收比對方法,對銣頻標準確度進行測量,根據測量結果對銣頻標準確度進行校準。定時接收機跟蹤鎖定相應衛星,接收時頻信息,輸出標準1 PPS秒信號,作為參考標準。銣頻標輸出1 PPS秒信號,該信號為被測信號。時間間隔計數器測量被測信號與參考信號的時差值,利用時差在時間間隔內的變化量,計算出被測銣頻標的準確度,根據對準確度指標要求,對銣頻標進行頻率調整。原理框圖如圖1所示。

圖1 銣頻標校頻設備連接圖Fig.1 Rb frequency calibration equipment connection diagram

2.2 軟件設計

該軟件為數據采集與處理軟件。采集被測銣頻標與參考頻標的時差比對數據,完成數據的采集、預處理、發送及工況監視等任務,并實時計算被測頻標的各項性能指標,將計算結果存儲至本地數據庫。

該軟件具備如下功能:

(1)實時采集被測頻標與參考頻標的時差比對數據;

(2)對時差數據的采集頻度能夠進行靈活控制;

(3)對原始測量數據進行粗差剔除、擬合等處理;

(4)實時計算顯示被測銣頻標的頻率準確度;

(5)計算結果存儲到本地數據庫中,并提供事后查詢功能;

(6)計算結果以WORD格式文件輸出,并提供報表打印功能;

(7)實時監測測量設備的工作狀態,對工作異常進行識別和報警。

2.2.1 設計說明

數據采集與處理軟件模塊結構如圖2所示。

圖2 數據采集與處理軟件模塊結構圖Fig.2 Structure of data collection and processing software module

串口數據接收與發送主要完成從RS-232接口接收測量時差數據包,并發送至數據預處理模塊進行解析;從數據預處理模塊接收采集頻度控制指令,并通過RS-232接口完成數據的寫入。

數據計算處理是軟件的主體部分,根據鐘差測量結果,計算被測鐘的頻率準確度,準確度計算公式如下:

式中,x(t)為被測銣頻標與參考頻標的時差測量數據。

軟件執行流程如圖3所示。

圖3 數據采集與處理軟件執行流程Fig.3 Processing flowchart of data collection and processing software

2.2.2 運行環境

數據采集與處理軟件運行在數據處理計算機上,存在形式是“.exe”應用程序,計算機要求為有串行接口。操作系統為Windows XP,開發軟件為Visual C++6.0,數據庫Micsoft Access 2007。

2.3 校頻操作步驟

2.3.1 測試步驟

將在線工作銣鐘輸出信號按連接圖接入測試系統。對需加電開機的銣鐘應加電預熱一天進行測試。

將定時接收機(“北斗”定時接收機/GPS定時接收機)加電,按照定時接收機說明書的要求完成定時接收機設置,跟蹤鎖定相應衛星。接收機處于位置保持狀態,輸出有效的參考時間。

設置時間間隔計數器。將計數器A、B通道負載設置為50 Ψ,直流耦合,觸發電平設置為0.7 V。

將采集處理計算機串口連接時間間隔計數器,并啟動數據采集處理軟件。

按圖1連接設備,被測銣頻標輸出1 PPS信號作為時間間隔計數器開門信號,定時接收機輸出的1 PPS信號作為時間間隔計數器關門信號。每秒測試一次,測出兩個1 PPS信號的時差。

采集處理計算機采集時間間隔計數器數據,并實時計算出銣頻標準確度,測試完成后,生成測試報告。

2.3.2 校準步驟

當被測銣頻標準確度低于技術指標要求時,應對其進行校頻。測量時觀察計數器時差值,每次調頻幅度不可太大,調整過程中可以參考1 h準確度進行微調,記錄調整過程,調到準確度指標要求后,穩定運行一天,再次測試銣頻標準確度,滿足要求后,記錄銣頻標校頻結果。

銣頻標校頻流程如圖4所示。

圖4 銣頻標校頻流程圖Fig.4 Rb frequency calibration flowchart

3 校準結果的處理和復校時間間隔

測試或調整后的頻率準確度滿足技術指標要求,記錄下本次校頻結果,出具測試報告。

依據銣頻標檢定規程,頻率準確度復校時間定為1年。

4 結束語

利用衛星導航定位系統自身的授時功能進行遠程在線銣頻標校頻,具有校頻精度高、設備量少、效率高、節約經費的優點,經過實際使用,滿足導航系統監測站對銣頻標的精度要求。下一步監測站裝備升級時,可與該校準系統一體化設計,實現自動化校準,效能將得到更好的發揮。

該方法對于銣原子頻率標準校頻具有通用性,可以推廣使用。

[1]JJG 292-1996,銣原子頻率標準檢定規程[S].JJG 292-1996,Rb Atomic Frequency Standards Verification Regulation[S].(in Chinese)

[2]郭信平.衛星導航系統應用大全[M].北京:電子工業出版社,2011.

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

[3]譚述森.衛星導航定位工程[M].北京:國防工業出版社,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

劉陽琦(1979— ),男,江西九江人,工程師,主要研究方向為衛星導航和時間頻率技術;

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

潘紅芳(1982— ),女,山東諸城人,助理工程師,主要研究方向為衛星導航和時間頻率技術;

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

趙景斐(1979—),男,黑龍江哈爾濱人,工程師,主要研究方向為衛星導航和時間頻率技術。

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,高級工程師,主要研究方向為衛星導航和時間頻率技術;