卫星导航系统监测站铷原子钟频率校准方法分析

孔 维，李保东，陶春燕，张向征

(北京卫星导航中心，北京 100094)

1 引言

原子钟作为精确时间基准，在科学、技术、军事和商业中具有重要地位，早已应用到测控、导航、通信、监视、能源利用、电网调节、海上勘探等各个方面，尤其在卫星导航定位系统中，其性能直接影响用户的导航定位精度。铷原子钟(以下简称铷钟)相对铯钟和氢钟，具有体积小、功耗低、便于制作等优势，被广泛应用于卫星导航定位系统地面监测站，为接收机数据采集与信号处理提供高精度时间基准和频率基准，其工作性能对接收机的工作状态以及定位性能有着重要影响。

按频率准确度等级，铷钟属于需要定期校准的二级标准频率源，其频漂的固有特性随时间变化会导致接收机时钟频率发生漂移，因此需要定期校准，以保障监测站提供的原始观测伪距和载波相位数据的稳定性和准确性。目前应用于工程实践的铷钟频率校准方法主要有传统实验室校准、小型校准测试仪校准和远程在线校准三种形式，随着测量技术和网络通信技术的发展以及计量校准服务高精度、低成本的需求，校准技术会朝着更加合理、高效、自动化的趋势发展。

2 铷钟时频特性分析

2.1 基本概念

衡量原子钟时频特性的主要指标包括：频率准确度、频率稳定度、频率偏差和频率漂移率等。频率准确度是用来描述频标的实际输出频率相对于其标称频率的偏差，频率稳定度是用来描述原子频标输出频率受噪声影响而产生的随机起伏情况，频率偏差是指两台频标输出频率的相对偏差，频率漂移率是指频标随运行时间单调变化的速率。频漂是原子频标的固有特性，是无法改变的，即原子频标频率随着时间推移变得越来越不准，最终导致监测站接收机的钟差越来越大，因此必须定期校准原子频标的输出频率值。

频率准确度可定义为

(1)

式中，A为频率准确度，f为被测频标的实际频率，f0为标称频率。

实际应用中以参考频标的实际频率作为标准来测量被测频标的实际频率，要求参考频标的准确度比被测频标的准确度至少高一个数量级以上。

2.2 频率准确度对数据的影响

一个性能好的频标，其输出频率应该又准又稳，输出信号可以表示为

V(t)=[V0+ε(t)]sin[2πf0t+φ(t)]

(2)

式中，V0为标称振幅，ε(t)为振幅的起伏，f0为标称频率或长期平均频率，φ(t)为相位偏差。

信号的瞬时相位为

(3)

而瞬时角频率是相位的时间导数，即

(4)

则瞬时频率为

(5)

瞬时相对频率偏差为

(6)

定义瞬时相对相位偏差为

(7)

将式(7)代入式(6)，可得

(8)

由式(8)可知，瞬时相对相位偏差x(t)在物理上表现为时间偏差，也称为相位时间，在监测站数据处理上体现为接收机钟差，而瞬时相对频率偏差y(t)也可以理解为时间偏差的变化率，即接收机钟速。

根据实际观测数据统计结果，93%的铷钟在使用1 a以上，频率准确度漂移至1×10-10量级以上，7%的铷钟频率准确度漂移至1×10-9量级以上，由此引发的系统影响是接收机钟差越来越大，观测数据质量不断下降。依据接收机综合观测数据统计出铷钟性能偏离指标最严重的监测站，可以及时进行铷钟校准。

3 校准方法

3.1 传统实验室校准

实验室校准是将计量设备定期送到具有资质的计量机构进行检定，检验人员依据国家计量检定系统和计量检定规程进行计量器具检定，铷钟的检定周期一般为1 a。按照检定规程对铷钟进行检定，若各项检定项目全部达到技术要求者，出具检定证书；若检定不合格，出具检定结果通知书，并注明不合格的项目。

3.1.1 检定条件

实验室校准必须具备以下条件：

(1)环境条件

温度在(15～18)℃范围内、湿度小于80%、电压为220(1±5%)V，50(1±5%)Hz，负载应固定不变；

(2)标准频率

频率漂移率和频率准确度指标应优于被检铷频标的漂移率和频率准确度一个数量级；频率稳定度指标应优于被检铷频标的频率稳定度的3倍，一般采用氢钟或铯钟作为可靠的标准频率参考源。

(3)测量设备

频率准确度测量误差至少应比被检铷频标相应指标小一个数量；频率稳定度测量误差至少应小于被检铷频标频率稳定度的三分之一；相位噪声应比被检铷频标的相应指标至少低10 dB。

3.1.2 检定内容

实验室校准测量主要采用通用计数器、比相器、频差倍增器、频率合成器、倍频器、鉴相器、频谱仪等高精度仪器，利用频差倍增、混频等技术检验如下项目：

(1)开机特性：5×10-10～5×10-11；

(2)谐波及非谐波

谐波：≤-40 dBc；

非谐波：≤-80 dBc；

(3)频率稳定度：

(5×10-11～5×10-12)/1 s；

(2×10-11～8×10-13)/10 s；

(5×10-12～2×10-13)/100 s；

(2×10-12～8×10-14)/1 000 s；

(2×10-12～2×10-14)/100 s；

(5×10-12～2×10-14)/1 d；

(4)相位噪声：

(-70～-110)dBc/Hz(1 Hz)；

(-90～-140)dBc/Hz(10 Hz)；

(-110～-150)dBc/Hz(100 Hz)；

(-125～-160)dBc/Hz(1 kHz)；

(5)日频率漂移率：1×10-11～1×10-13；

(6)频率复现性：5×10-11～2×10-12；

(7)频率准确度：

2×10-10～5×10-11≤1×10-12τ=1 d

(8)频率调整范围：±2×10-9

3.2 小型校准测试仪

小型校准测试仪能够在不依赖实验室条件、不携带大量检测设备的情况下，对石英晶体、电子仪器内石英晶体振荡器、铷原子频率标准，或者其它频率源、时间源进行检测，与传统的实验室校准相比，具有操作简单、观察方便、仪器小型化的特点，同时缩短了频率测量周期，降低了测量成本。

3.2.1 工作原理

小型校准测试仪内部一般采用带有自适应能力的铷钟自动驯服系统，可用全球定位系统(global positioning system，GPS)或其它导航信号驯服内部铷原子频标的输出精度，得到精确的频率准确度和相位同步精度。一般驯服10 h后，频率准确度可达到3×10-12范围，此时校准测试仪已经具有较好的参考频率源，可以采用自动和手动两种方式来校准被测铷钟，工作模式如图1所示。

图1 小型校准测试仪校准铷钟工作模式

自动校准模式需要将校准测试仪输出的1 s脉冲(pulse per second，PPS)信号作为参考标准去同步铷钟，将铷钟的10 MHz信号输出作为被测信号接入小型校准测试仪实时读取频率值。采用频率控制相位原理驯服铷钟，即射频和秒信号的相位相参。通过高精度的秒信号时差测量获得铷钟输出频率准确度的相位偏移量，用超精细的频率微调(1×10-12单步)控制相位同步精度。

手动校准模式基于铷钟内部有一个高稳晶振的窄带锁相环，铷钟将准确度传递给晶振，晶振的输出与压控电压相关，因此通过压控电压即可改变晶振信号的输出。将铷钟的10 MHz信号输出作为被测信号接入小型校准测试仪实时读取频率值，通过调节铷钟前面板旋钮改变晶振压控电压，从而改变输出10 MHz信号的频率准确度。

3.2.2 技术特点

一台高效实用的小型校准测试仪应具有集成度高、操作简单、携带方便，将多种测试项目集于一体的特点，提供低相噪、高稳定度的10 MHz和1 PPS秒信号输出，能够在非实验室条件下对10 MHz频点的各项指标进行精密测量，可扩展多种同步信号，如GPS、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统、北斗卫星导航系统，其主要技术特点体现在以下4个方面。

(1)高精度、高稳定度参考源

卫星导航信号接收机的定时脉冲具有很高的长期稳定性，利用精确1 PPS信号对铷原子频率标准进行驯服，可以获得频率准确度<3×10-12的频率精度；但是导航接收机输出的定时信号存在秒抖动，短期稳定度较差，可采用多次平均、标准偏差概率估算以及数字滤波等方式来平滑随机抖动。利用高稳石英晶体振荡器获得<1×10-12/s的短期稳定度，从而保证校准测试仪的短期和长期高精度、高稳定度。

(2)高精度频率测量

高精度频率测量是将外部输入的被测频率信号与参考频率源产生的标准频率信号进行比较测量，采用双时差测量技术和内插脉冲测量技术，解决信号抖动的确定度以及时延对测量绝对精度影响等问题；采用频率倍频技术和混频技术使被测信号的频率误差倍增，提高测量精度。

(3)高集成度

小型校准测试仪用卫星导航定时信号来驯服铷原子频标、将其与高稳石英晶体振荡器、频率测量模块和测试软件集成在机箱内，大量使用大规模集成电路和分层结构设计，组成一种方便、实用、便携式的频率综合测量系统。

(4)快速通信显示

数据通信完成外部数据交换，频率测量结果通过数据通信模块输入到数据处理模块进行数据处理，得到对被测频率信号的计算数据，计算数据应包括被测频率的开机特性、短期稳定度、老化率(漂移率)、准确度、复现性等指标，然后将计算数据进行显示。

3.3 远程在线校准

远程在线校准就是主控站对监测站铷钟实施远距离校准，被检铷钟无需送到计量技术机构去校准，尽量减少工作人员的上站操作，利用测定的被测铷钟与测量标准的差值通过指令形式控制铷钟校准的过程。对于自然环境复杂的偏远监测站，工作人员难以定期上站进行设备校准的情况，远程在线校准方式就显示出极大地优势。

3.3.1 工作原理

远程在线校准系统充分利用了地面网络传输数据与远程控制的功能，在各监测站配置定时接收机和高精度时差测量设备，实时完成定时接收机输出的标准1 PPS秒信号与被测铷钟1 PPS秒信号的时差测量，利用时差在时间间隔内的变化量拟合出被测铷钟的频率准确度，全部数据处理均由监测站完成。主控站人员可以远程控制监测站是否运行数据处理软件，如果计算数值超出指标范围，再控制是否调整被测铷钟。为了提高计算精度，采集到的测量数据应进行粗差剔除后再参与计算；所有计算结果和指令执行信息均存储在本地专用数据库中，便于事后查询分析。远程在线校准系统校准铷钟工作模式见图2。

图2 远程在线校准系统工作模式

3.3.2 技术特点

针对卫星导航系统监测站铷钟校准工作开发远

程在线校准系统，需具备以下技术特点：

(1)主控站与监测站之间能够保持良好的网络通信能力，便于远程操控监测站数据处理机。

(2)监测站上必须配置高精度定时接收机提供参考标准秒信号，配置时间间隔测量设备实现被测信号与参考信号的时差测量。

(3)监测站上需要研制数据采集与处理软件，完成测量数据的粗差剔除、拟合等处理，并将测量结果存储在本地数据库。

(4)监测站铷钟需具备接收控制指令自动调整频率的能力。

4 优缺点比较

实验室频率校准存在成本高、测试周期长、依赖于实验室、需要整站停机等缺点；小型测试校准仪较好的解决了监测站整站停机后影响系统连续入站的问题，具备集成度高、易于携带，测试周期短、测试校准精度高、可靠性好等特点；通过地面网远程校准铷钟的方法，能够实现在主控站对监测站铷钟进行校准，可节省人力资源、提高自动化程度。三种方法涉及的各项因素比较见表1。

5 结束语

监测站铷钟的频率准确度对观测数据质量有直接影响，校准铷钟时应尽量不采用中断监测站运行的铷钟送检方式；由于监测站处于无人值守工作状态，利用小型校准测试仪进行年度巡检维护工作，可以作为一种可靠、准确的校准方法；远程在线校准方法效率最高，尤其是对偏远地区的监测站铷钟校准具有明显优势，但其推广应用受限于频率参考源、测量仪器与监测站设备之间的一体化设计，校准操作依托于地面网络也需要进一步进行工程实践。

表1 三种方法涉及的各项因素比较

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