GNSS系统驯服铷钟基准研究

赵学军

（中国人民解放军92678 部队，天津 300220）

0 引言

众所周知，铯原子钟是重要的战略资源，美国政府对我国实行禁运和限购政策。国产铯钟研制起步较晚，虽有个别产品型号，但离规模商品化应用还有一段距离[1]。加之铯钟价格昂贵，因此如何利用GNSS 系统驯服铷钟，满足时统系统高精度时频需求，或者应急备份需求，成为当前有意义的研究课题[2]。

1 卫星驯服铷钟原理

铷钟工作时，频率不稳，容易向某一方向漂移。驯服铷钟时，就是利用与卫星导航接收机输出的秒信号进行比较，计算两者频率偏差，然后对铷钟频率进行修正，使铷原子钟的频率准确度和长期稳定度得到一定的控制和提升[3]。原理框图如图1所示。

图1 GPS 驯服铷钟原理框图

2 卫星驯服铷钟试验

2.1 铷原子钟性能选择

通过对多款铷原子钟的性能指标进行测试，其铷原子钟的阿伦方差如图2所示。由图可见HP5065A 铷原子钟阿伦方差指标最好，PRS10 次之。

图2 铷原子钟的阿伦方差

多款铷原子钟的相位噪声指标测试如图3所示。由图可见HP5065A 铷原子钟相位噪声指标最好，PRS10 次之。

图3 铷原子钟的相位噪声

由于HP5065铷钟价格较贵，市场应用也较少，PRS10铷钟相对价格便宜，市场应用较多，故选择PRS10铷钟试验。

2.2 GPS 驯服铷钟试验单元组成

GPS 驯服铷钟试验主要采用U-BLOX M8T GPS接收机对PRS10型铷原子钟进行驯服试验，试验框图如图4所示。

由图4可见，主要测试设备包括：U-BLOX GPS接收机、驯服控制电路、PRS10 铷原子钟、TSC5120A 时间频率综合分析仪、计算机数据采集系统和5071A 铯原子钟。

图4 GPS 驯服PRS10 铷钟试验框图

2.3 GPS 驯服铷钟试验结果

利用U-BLOX M8T GPS接收机对PRS10型铷原子钟进行驯服24 h后，得到了测试结果。

2.3.1 频率稳定度（阿伦方差）测试

驯服PRS10 铷原子钟频率稳定度（阿伦方差）曲线如图5所示。

图5 驯服PRS10 铷原子钟频率稳定度（阿伦方差）曲线

2.3.2 相位噪声测试

驯服PRS10 铷原子钟相位噪声如图6所示。

图6 驯服PRS10 相位噪声

经过试验，PRS10铷钟的长期频率稳定度曲线拐头向下向好，克服了向上漂移的现象，达到了驯服效果。为进一步提高驯服铷钟性能，如提高驯服铷钟的短期稳定度和远端相位噪声等指标，可以进一步做性能提高试验。

2.4 GPS 驯服铷钟性能提高试验

为了提升驯服铷钟的短期稳定度和相位噪声指标，采用驯服铷钟锁高稳低相噪晶振的方法进行试验，试验框图如图7所示。

由图7可见，主要测试设备包括：U-BLOX GPS接收机、驯服控制电路、PRS10 铷原子钟、高稳低噪晶振，TSC5120A 时间频率综合分析仪、计算机数据采集系统和5071A 铯原子钟。

图7 卫星驯服铷钟锁高稳低相噪晶振框图

经过数天的连续测试，得到了驯服铷钟锁高稳低相噪晶振的频率稳定度、相位噪声测试结果。

2.4.1 频率稳定度（阿伦方差）测试

驯服PRS10 铷原子钟锁高稳低相噪石英晶体振荡器频率稳定度（阿伦方差）曲线如图8所示。

图8 驯服PRS10 锁高稳低相噪晶振频率稳定度（阿伦方差）曲线

2.4.2 相位噪声测试

驯服PRS10 铷原子钟锁高稳低相噪晶振相位噪声如图9所示。

图9 驯服PRS10 铷原子钟锁高稳低相噪晶振相位噪声

经过试验，改进前与改进后对比，PRS10铷钟的长期频率稳定度曲线更加平滑，短期频率稳定度曲线拉低向好，远端相位噪声抑制了近30 dBc/Hz以上，达到了试验的预期效果。

3 试验结果评价与分析

卫星驯服铷原子钟与铯原子钟阿伦方差如表1所示，SBB 相位噪声如表2所示。

表1 卫星驯服铷原子钟与铯原子钟阿伦方差

表2 卫星驯服铷原子钟与铯原子钟SSB 相位噪声

通过对试验结果的统计处理，并与铯原子钟技术指标进行比对，改进型的GPS驯服铷钟性能接近铯原子钟指标。但还存在一些问题，如GPS驯服铷原子钟锁高稳低相噪石英晶振在1 Hz以下相噪较差，其主要原因是采用的高稳低相噪石英晶振的1 Hz以下相噪较差，如果选用OSA8607高稳低相噪石英晶振或RAKON公司 HSO13、HSO14，其1 Hz以下相噪将会得到巨大的提升。同时科学构建驯服控制算法，例如Kalman算法和Hondak算法，可实现既兼顾短稳，又兼顾长稳和相噪。再参照国际上相关时间频率基准实验室如美国NIST、法国OP等实验室所做的工作，在实现可靠溯源的情况下，驯服铷钟的频率准确度和长期稳定度将会更好。