原子鐘在線監測評估方法設計

鄧小波，趙 斌，王 錚

(1.蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000；2.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

原子鐘在線監測評估方法設計

鄧小波1,2，趙 斌2，王 錚3

(1.蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000；2.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

大型通信、測量電子系統一般配備2臺或2臺以上原子鐘作為系統的時間、頻率基準，互為備份構建主、備時頻信號基準，以提高系統時頻信號可靠性，保障系統連續運行。主備原子鐘間雖然可通過相位比對、數據分析檢測到原子鐘工作狀態異常狀況，但是由于缺乏參考，難以通過時頻系統本身區分故障來源，存在故障定位難的技術難點。針對這一問題，提出了一種基于中間振蕩器的主、備用原子鐘頻率跳變檢測、短期穩定度分析評估方法，為時頻系統主、備用原子鐘故障定位提供技術手段，提高時頻系統故障判斷準確性，并縮減系統故障定位、故障恢復時間。使用3臺銣原子鐘進行了測試驗證，實驗結果表明，該方法可實現時鐘穩定度的評估，并可實現時鐘頻率跳變的故障定位。

原子鐘評估；穩定度評估；頻率跳變檢測

0 引言

在通信、測量電子系統中，時間頻率系統作為通信、測量系統的時頻基準，為其他功能子系統提供穩定、準確度時頻信號，而原子鐘作為時頻子系統的頻率信號根源，其工作狀態將直接影響工作性能。原子鐘的主要性能指標包括頻率準確度、頻率漂移率和頻率穩定度指標，通過以往的工程經驗，原子鐘的故障主要是其物理器件故障，如真空度下降、銣泡故障等原因導致原子鐘失鎖，輸出頻率發生跳變，直接影響輸出信號的準確度與穩定度[1]。

在系統運行過程中，為保證系統運行的穩定性、可靠性，在時頻系統設計時，多采用雙機熱備的雙原子鐘設計方案，并通過相位比對設備檢測主用、備用原子鐘間相位差值，當相位差值發生跳變時，可判斷原子鐘出現故障。然而對于故障的定位，由于缺乏參考輸入，無法直接判斷故障發生位置為主用原子鐘或備用原子鐘，往往需要通過系統運行功能、性能狀態來判斷主用或備用原子鐘故障，具有較大的滯后性，無法在原子鐘故障初期本文發現并定位故障[2-3]。雖然配備雙熱備原子鐘，卻無法保障時頻子系統服務的連續性高質量服務，因此提出了增加一個中間振蕩器作為參考頻率源，通過主、備用原子鐘與中間振蕩器的相位差值，采用三角帽法計算時鐘頻率穩定度，采用最小二乘法進行頻率跳變監測與故障源定位，在系統設計成本增加不大的前提下為原子鐘性能評估、原子鐘故障定位提供數據支持與技術手段。

1 系統總體設計

在主用原子鐘A、備用原子鐘B間引入中間振蕩器C，使用相位比對設備對原子鐘A、B及中間振蕩器C輸出頻率信號進行相位比對，依據相位比對數據對3路時頻信號進行頻率穩定度評估、頻率跳變檢測，保障時頻系統的高可靠性運行[4]。其中，中間振蕩器可依據系統監測性能、成本需求靈活選用銣原子鐘或恒溫晶振。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 基于中間振蕩器的時頻在線監測系統

2 基于三角帽法頻率穩定度評估

頻率穩定度表征頻率源輸出頻率信號準確度的變化程度，一般采用方差表征數據集合的穩定度，原子鐘頻率穩定度評估一般采用阿倫方差對原子鐘相位信號進行采集計算，測量方法為使用高于被測頻率信號穩定度1個數量級的頻率信號作為參考[5]。

Allan方差公式為：

式中，x(t)為時鐘在t時刻的相位值；τ為取樣間隔；〈 〉代表求平均值。

在實際系統運行過程中，不具備更高穩定度級別的參考時鐘信號，無法針對時鐘頻率穩定度進行直接測量，為實現針對主、備用原子鐘的頻率穩定度評估，引入中間振蕩器，采用三角帽法進行主、備用原子鐘及中間振蕩器的頻率穩定度評估[6]。

通過測量時鐘a和b間相位差值，可計算a和b時鐘的相對頻率穩定度ADEVabτ。

由于a和b時鐘為獨立運行時鐘，因此可得

由此可得，

式中，ADEVabτ、ADEVbcτ和ADEVcaτ可通過時差測量運算直接獲得，通過解算可以獲得：

因此通過實時在線測量主/備用原子鐘、恒溫晶振的相差信息，可通過三角帽法解算時鐘的頻率穩定度指標，當任意時鐘穩定度惡化時，可快速定位故障時鐘源，并依據系統需求進行主、備原子鐘切換，保證后端設備使用。

3 基于最小二乘法的頻率跳變檢測

頻率準確度是指被測信號實測頻率fx與其標稱頻率f0間的頻率偏差程度，頻率準確度公式為：

由于系統運行過程中缺乏高準確度的測量參考時鐘，無法直接計算評估時鐘頻率準確度，只可計算時鐘間相對頻率準確度，通過實時測量主、備原子鐘間相對頻差、主/備用原子鐘與中間振蕩器間相對頻差，利用最小二乘法對主/備用原子鐘與中間振蕩器間相位差值進行最小二乘法頻率計算[9]，并實時比對實時測量值與最小二乘法預測值間的頻率差值，當頻率測量值超限時，針對超限情況進行判斷，即可判定頻率跳變來源。

基于最小二乘法的頻率跳變檢測原理如圖2所示。

圖2 基于最小二乘法的頻率跳變檢測原理

通過比較ΔΦ與預設門限值，即可監測時鐘跳變情況，當發生預測值殘差超限時，可依據三角閉合法進行判斷跳變來源，若ΔΦab、ΔΦac發生超限，而ΔΦbc未發生超限，則可判斷時鐘a發生頻率跳變。

4 時鐘在線評估系統實驗驗證

在實際項目應用中使用3臺銣原子鐘進行時鐘的在線監測評估，使用多通道比相儀進行時鐘a、b和c間的相位比對，使用三角帽法、最小二乘法頻率跳變監測算法進行相差數據處理[5]，為體現評估與跳變監測系統能力，其中a、c原子鐘正常運行，b原子鐘在數據采集開始時進行了開關機，相位數據處理結果如圖3和圖4所示[11-12]。

通過數據分析，可發現時鐘a、c穩定度指標相對較高，同時通過最小二乘法時鐘相位預測殘差示意圖(如圖5所示)也可分析，時鐘b在150 s、550 s位置發生2次殘差值跳動，依據前面所述的故障定位方法，發現時鐘ab與時鐘bc間相位預計殘差跳動，因此定位故障為b原子鐘發生了頻率跳變，傳統主、備相位比對圖5中時鐘ab相位預測殘差，發現時鐘ab間相位預測殘差發生跳變，無法依據測量值定位故障源，僅可依靠后續用時設備指標變化反推時鐘跳變源為主、備原子鐘，而采用中間振蕩器的原子鐘在線監測與評估方法則可迅速定位故障為時鐘b發生頻率跳變，導致其穩定度下降，完成了b時鐘失鎖的故障檢測[13-14]。

圖3 時鐘相對頻率穩定度示意

圖4 時鐘穩定度示意

圖5 最小二乘法時鐘相差預測殘差示意

5 結束語

本文針對時間頻率系統原子鐘在線評估，介紹了相關原子鐘性能指標評估的模型與算法，并基于三角帽法穩定度評估、最小二乘法時鐘頻率跳變檢測進行了實驗驗證。實驗驗證結果表明，采用增加中間振蕩器的時頻系統在線評估構架可有效針對原子鐘穩定度、原子鐘頻率跳變進行在線評估、監測，并可為故障定位提供數據手段，增加時間頻率系統工作可靠性，降低故障定位和故障恢復時間。

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DesignofOnlineMonitorandEvaluationMethodforAtomicClock

DENG Xiaobo1,2,ZHAO Bin2,WANG Zheng3

(1.CollegeofEarthEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.Unit61711,PLA,Kashi844000,China;3.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

Large-scale communication and measurement systems normally have two or more atomic clocks to form a master-slave time and frequency reference,which increases the system reliability and ensures continuous operation.Although the abnormal state of master and slave clocks can be detected by measuring their phase difference,but it’s hard to identify the source of fault due to the lack of external reference.In order to solve this problem,the paper proposes a master-slave clock frequency jump detection and stability evaluation method based on middle oscillator.This method can improve the fault detection accuracy of time frequency system and reduce the fault location and recovery time.Three Rb clocks are used in experiment to verify this method,and the result shows that the method can successfully evaluate the clock stability and identify the fault source.

atomic clock evaluation；stability evaluation；frequency jump detection

2017-09-15

中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室基金資助項目(EX156290055)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.10

鄧小波，趙斌，王錚.原子鐘在線監測評估方法設計[J].無線電工程,2018,48(1):46-49.[DENG Xiaobo,ZHAO Bin,WANG Zheng.Design of Online Monitor and Evaluation Method for Atomic Clock[J].Radio Engineering,2018,48(1):46-49.]

TN967

A

1003-3106(2018)01-0046-04

鄧小波男，(1983—)，畢業于新疆大學電氣工程及其自動化專業，工程師。主要研究方向：衛星導航。

趙斌男，(1982—)，工程師。主要研究方向：衛星導航。

王錚男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛星導航。

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