主动型氢原子钟数字电路控制系统研究

胡旺旺，王瑞，帅涛，陈鹏飞，裴雨贤，赵阳，潘晓燕，徐昊天，杨士涛

主动型氢原子钟数字电路控制系统研究

胡旺旺1,2，王瑞1，帅涛2，陈鹏飞2，裴雨贤2，赵阳2，潘晓燕2，徐昊天2，杨士涛3

（1. 上海大学，上海 200444；2. 中国科学院 上海天文台，上海 200030；3.中国科学院 微小卫星创新研究院，上海 200120）

主动型氢钟在频率稳定度和漂移率等方面优于目前在轨的星载被动型氢钟，但是存在体积重量较大的缺点。为进一步降低电路部分重量，本文提出一种基于数字电路的系统控制方法。该方法通过分析影响主动型氢原子钟频率稳定度的因素，使用数字检波、数字下变频、数字锁相环等数字化方式进行腔自动调谐和晶振锁相，提高了电路系统集成度和灵活度，降低了电路体积和重量。实验结果显示，设计的数字电路控制系统实现了恒温晶振频率的锁定和谐振腔谐振频率的锁定，其秒频率稳定度为2.6×10-13，较模拟电路控制系统提升了30%，万秒频率稳定度指标接近，具有一定的工程实用价值。该方案可用于下一代北斗导航卫星星载氢钟设计，也可用于深空探测和脉冲星计时等应用场景。

主动型氢原子钟；数字电路；腔自动调谐；频率稳定度

0 引言

星载原子钟是现代导航卫星的核心单机，决定了导航卫星信号播发性能和导航系统的定位精度[1]。在卫星上常用的原子钟有铷钟、铯钟和氢钟，其中氢钟的漂移较小，稳定度最好。超过一半以上的北斗三号导航卫星采用被动型氢钟作为主钟，从地面和在轨测试数据上看，氢原子钟的高稳定特性有效支撑了高精度星历预报和数天量级守时功能[2]。

氢原子钟短期稳定度优异，但由于频率漂移的影响，长期稳定度不如毫秒脉冲星信号。因此，通过脉冲星信号对氢原子钟的检测、校准和驾驭，能将两者优势互补，建立一种既能保持原子钟短期稳定度优势，又具有脉冲星长期稳定度优势的时间尺度[3]，为卫星长时间自主运行提供技术支撑，提高卫星的空间守时性能，可用于下一代导航卫星及PNT（positioning，navigation，and timing）技术相关的卫星。脉冲星信号驾驭原子钟的一种可实现的流程如下：利用高灵敏度的接收机接收脉冲星信号，信号接收处理设备以原子钟为参考记录观测时间，将一段时间内的数据通过消色散与周期折叠等处理，得到积分脉冲轮廓；将平滑降噪后的积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓互相关，得到脉冲到达接收机处的时间（time of arrival，TOA）；将到达接收机处的TOA转换至脉冲到达太阳系质心（solar system barycenter，SSB）处的TOA；将SSB处测量的TOA与脉冲星模型预报的TOA比较，得到计时残差[4-5]；信号接收处理设备根据计时残差输出频率/相位调整信息至原子钟，原子钟根据反馈量进行相应调整，并对外输出高稳定度、高精度的频率信号。

由于被动型氢钟相对于地面守时型氢钟在稳定度和漂移率等方面存在一定差距，目前难以支撑卫星数十天量级的高精度守时性能，因此开展性能指标更高的主动型星载氢原子钟研究工作很有必要。地面主动型氢钟由于其体积、重量较大，目前难以适应以导航卫星为代表的大部分卫星平台，需要进行轻量化改进[6]。氢钟电路是氢原子钟的重要部分，实现了微波谐振腔和晶振的锁定以及高稳定度频率信号的输出。电路系统数字化、集成化是航天产品设计的发展趋势。上海天文台前期研制的地面型主动型氢钟谐振腔和晶振控制电路为模拟电路形式，模拟电路体积大，调试较为繁琐，不易在轨监测和重构，使用数字电路控制能避免上述问题。

1 频率稳定度

频率稳定度是衡量氢原子钟性能的一个重要指标，主动型氢原子钟10 s内的稳定度受电路噪声影响，其中电路热噪声功率可用式（1）表示：

氢钟10 s以上的频率稳定度在时域上的表征可简单表示为式（2）：

为了改善氢钟的频率稳定度，氢钟物理部分通过采用多层高性能磁屏蔽系统保证静态磁场的稳定[11]；氢钟电路部分通过腔自动调谐系统将微波腔的谐振频率锁定至氢原子跃迁频率上抑制腔牵引效应，通过恒温控制系统维持谐振腔温度稳定从而降低二阶多普勒效应的影响，通过锁相系统将晶振频率锁定保证了短期频率稳定度。

2 腔自动调谐技术

微波谐振腔是氢原子钟的核心，为了标准10 MHz信号的输出不发生频偏，晶振和谐振腔谐振的频率都必须锁定准确[12]。目前主动型氢原子钟常使用外部探测信号注入和腔频切换这两种方式进行腔自动调谐，采用锁相系统对晶振进行锁相。

2.1 外部探测信号调谐

上海天文台的SOHM-4型主动型氢原子钟使用外部探测信号注入的方式进行腔自动调谐，混频后的探测信号可用式（3）表示：

图1 外部探测信号调谐原理图

2.2 腔频切换调谐

俄罗斯的VCH-2020型主动型氢原子钟和美国的MHM-2020型主动型氢原子钟都使用腔频切换的方式进行腔自动调谐，谐振腔的谐振频率可用式（4）表示：

图2 腔频切换调谐原理图

使用外部信号注入方式进行腔自动调谐的优点是左右探测信号的功率比脉泽信号功率高10 dB以上，调幅信号进行解调时信噪比高，其缺点是左右探测信号周期性变化会对脉泽信号产生扰动，影响晶振的锁定，对输出频率的短期频率稳定度不利；腔频切换方式调谐对输出频率的短期稳定度几乎没有影响，由于只使用变容二极管控制和切换腔频，不需要探测信号模块和上变频模块，简化了电路设计，电子学噪声相对更小，其缺点是变容二极管存在非线性，会对输出频率的长期稳定度产生影响[18-19]。

3 电路控制系统设计

氢原子钟电路控制系统的主要功能是实现微波腔和压控晶振的锁定以及高稳定度的10 MHz频率信号输出。通过对功能相近的模块整合，使用高性能数字芯片，电路进行集成化设计，主动型氢钟的数字电路原理样机如图3所示，其尺寸为50 cm×23 cm×6 cm，SOHM-4腔调谐模块和接收机模块的尺寸分别为40 cm×13 cm×12 cm，33 cm×21 cm×10 cm。由此可见，主动钟电路经过模块化数字化系统设计后，体积得到了明显降低。

图3 数字电路原理样机

3.1 数字电路调谐系统

使用外部探测信号方式进行腔自动调谐的系统方框图如图4所示，信号流程如下：数字电路通过直接数字频率合成器（direct digital synthesizer，DDS）产生20.405 MHz±25 kHz的中频信号，中频信号经过上变频模块后输出1420.405MHz±25 kHz的探测信号。氢钟输出的脉泽信号频率为1420.405 751MHz，为避免产生同频干扰，探测信号和脉泽信号经过下变频模块后输出19.595 MHz±25 kHz的中频信号，19.595 MHz±25 kHz的中频信号经AD（analog to digital）采样后进入FPGA处理平台；在FPGA（field programmable gate array）内进行数字下变频、数字滤波及同步检波后分为两路，腔体环路通过检测微波谐振腔探测后输出的幅度误差，经过谐振腔伺服模块输出DA（digital to analog）控制信号至氢钟物理部分的变容二极管实现对微波谐振腔频率的锁定。

图4 外部探测信号调谐系统框图

图5 腔频切换调谐系统框图

3.2 数字锁相系统

锁相环是一种闭环相位跟踪系统，其具有良好的窄带跟踪特性，能够在低信噪比的环境中提取出信号[20]。在晶振锁定环路中，使用数字锁相环将晶振输出信号的频率和相位与氢原子钟输入信号的频率和相位保持同步。

数字锁相环系统由鉴相器，低通滤波器和压控振荡器三部分组成。通过本地产生信号与输入信号相乘完成锁相环的鉴相功能。在FPGA中实现FIR（finite impulse response）数字低通滤波时由于大量使用乘法消耗资源多，而移动平均滤波器只使用加法运算简单，更有利于信号的处理[21]。点移动平均滤波器的传递函数可用式（5）表示：

频率响应如式（6）所示：

通过对物理部分谐振腔等系统进行改进，电路部分进行模块化数字化系统设计，新型主动型氢钟的体积和重量得到了明显降低，上海天文台的地面主动型氢钟和新型轻量化主动型氢钟对比如图7所示。

图7 主动型氢原子钟对比

4 实验分析

新型轻量化主动型氢钟使用外部信号探测和腔频开关切换两种方式进行腔自动调谐，通过数字锁相环进行锁相。将主动型氢钟锁定后输出的10 MHz标准信号引出作为被测信号，VCH-1003M型氢钟输出的信号作为参考信号，使用频率比较器VCH-314测量其频率稳定度。

主动型氢钟电路通过DAC（digital to analog convertor）芯片产生晶振和谐振腔的控制电压，使用线性稳压电源芯片降低电源纹波，选择低温漂、低噪声电子元器件，有效降低了数字噪声对氢钟频率稳定度的影响。在FPGA中固定DAC数字控制量，通过高精度数据采集仪采集输出的电压波动如图8所示。电路叠加噪声电压峰峰值为30 μV，此电压波动引起晶振频率稳定度变化2.35×10-13，引起谐振腔频率变化0.02 Hz，满足谐振腔变化小于0.05 Hz/d的要求。

图8 DAC噪声电压

使用Xilinx内部的逻辑分析仪ChipScope Pro对晶振和谐振腔锁定环路进行数据采集和软件调试。晶振环路的误差曲线如图9所示，氢原子钟的秒稳由晶振决定，因此需要晶振在秒量级内快速锁定。随着晶振环路和腔体环路的误差量逐渐减小到0，氢钟处于锁定状态，此时电路产生高稳定度和高准确度的10 MHz频率信号。

图9 晶振环路的误差曲线

使用不同的腔调谐方式和不同的频率调制深度进行腔自动调谐，采样间隔为1s，将采集到的数据在Stable32软件中进行处理，比较各模式下的频率稳定度。通过表1对比可知，使用25 kHz调制深度的外部探测信号调谐时，主动型氢原子钟输出的1 000 s频率稳定度较好。

表1 主动型氢原子钟中短期频率稳定度指标

SOHM-4地面主动型氢钟尺寸为110 cm×54 cm×73 cm，重量约为220 kg，功耗约为200 W[13]。与之相比，星载被动型氢钟最大外形尺寸仅为52 cm×24 cm×26 cm，重量为23 kg，稳态功耗约为60 W。新型轻量化主动型氢钟的体积功耗与23 kg被动型氢钟相差不大。在同样的实验环境下，利用VCH-314测量25 kHz调制深度的新型轻量化主动型氢钟（AHM）与23 kg被动型氢钟（PHM）的频率稳定度，两者的Allan方差曲线对比如图10所示。其中，被动型氢钟秒稳定度为9.4×10-13，万秒稳定度为1.0×10-14，主动型氢钟秒稳定度为2.6×10-13，万秒稳定度为2.6×10-15，新型轻量化主动型氢钟的频率稳定度指标均优于23 kg被动型氢钟。

图10 氢原子钟的Allan方差曲线

5 结论

本文使用数字电路形式对主动型氢原子钟电路系统进行了小型化和轻量化的改进，实现了两种方式的腔自动调谐和晶振锁相，完成了整机闭环。测试结果表明，使用数字电路进行腔自动调谐方式的氢钟秒稳定度为2.6×10-13，优于使用模拟电路的SOHM-4型氢原子钟的4.8×10-13；万秒稳定度为2.6×10-15，使用模拟电路的SOHM-4型氢原子钟的万秒稳定度为3.2×10-15，两者相差不大，初步验证了数字电路控制系统的可行性。此后将继续对外部信号探测方式的腔自动调谐程序进行参数调整优化，对微波腔频率开关调谐方式的腔自动调谐进行分析与改进，对数字电路进行长期稳定性测试，以更好适用于主动型氢原子钟。

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Research on digital circuit control system of active hydrogen maser

HU Wang-wang1,2, WANG Rui1, SHUAI Tao2, CHEN Peng-fei2, PEI Yu-xian2,ZHAO Yang2, PAN Xiao-yan2, XU Hao-tian2, YANG Shi-tao3

(1. Shanghai University, Shanghai 200444, China;2. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;3. Innovation Academy for Microsatellites of Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200120, China)

The active hydrogen maser is better than the current in orbit space passive hydrogen maser in terms of frequency stability and drift rate, but it has the disadvantage of big volume and large weight. In order to further reduce the weight of the circuit part, we propose a systematic control method based on digital circuits. By analyzing the factors that affect the frequency stability of the active hydrogen maser, this method uses digital methods such as digital demodulation, digital down-conversion, digital phase-lock loop to perform cavity auto-tuning and crystal oscillator phase-locking. It improves the integration and flexibility of the circuit system. It reduces circuit volume and weight. The experimental results show that the designed digital circuit control system has achieved the frequency locking of the constant temperature crystal oscillator and the resonant frequency locking of the cavity. Its frequency stability is 2.59×10-13at 1 second, which is 30% lower than that of the analog circuit control system. The frequency stability at 10 000 seconds is close to that of the analog circuit control system. It has certain practical engineering value. This scheme can be used in the design of hydrogen maser for next-generation Beidou navigation space satellites and can also be used in application scenarios such as deep space exploration and pulsar timing.

active hydrogen maser;digital circuit; cavity auto tuning; frequency stability

胡旺旺，王瑞，帅涛, 等. 主动型氢原子钟数字电路控制系统研究[J]. 时间频率学报, 2023, 46(3): 227-236.

10.13875/j.issn.1674-0637.2023-03-0227-10

2023-02-25；

2023-06-29

中国科学院青年创新促进会资助项目（2020264）