吳智斌，趙 軍，李 冰，劉 安，劉 波

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043; 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

時(shí)鐘的質(zhì)量依賴于它的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[1]。航天測(cè)控時(shí)頻系統(tǒng)都配置了高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的銣原子鐘為所有信號(hào)提供標(biāo)準(zhǔn)的頻率源，確保各設(shè)備工作時(shí)序一致[2]。隨著我國(guó)月球、火星等深空探測(cè)項(xiàng)目的持續(xù)開展，甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)(VLBI)、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)等高精度的空間測(cè)量技術(shù)在航天測(cè)控工程中應(yīng)用，對(duì)測(cè)控設(shè)備時(shí)間頻率的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度提出了更高要求，頻率準(zhǔn)確度由10-11提高到10-13量級(jí)以上，穩(wěn)定度也提高了2～3個(gè)量級(jí)，由1 s≤10-11、24 h≤10-12分別提高為1 s≤10-13、24 h≤10-15。為了滿足深空任務(wù)對(duì)本地時(shí)鐘參考源的高穩(wěn)定度需求，深空測(cè)控時(shí)頻系統(tǒng)的頻率信號(hào)源配置了高性能的氫原子鐘。可以說(shuō)，應(yīng)用高穩(wěn)定度的氫原子鐘是VLBI等技術(shù)成功工程實(shí)施的關(guān)鍵[3]。

所謂原子鐘，就是利用氫、銣、銫等原子的能態(tài)遷移輸出穩(wěn)定振蕩頻率制成的極精密的計(jì)時(shí)器。氫原子鐘即是利用氫原子從高能級(jí)態(tài)躍遷到低能級(jí)態(tài)時(shí)輻射的電磁波，將其作為頻率標(biāo)準(zhǔn)去控制校準(zhǔn)石英晶體[4]。氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在104～105s的時(shí)間間隔能提供10-15頻率穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)[5]。

氫原子鐘的短、中期穩(wěn)定度都相對(duì)較好，但對(duì)溫控和磁場(chǎng)穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)格[6]。在工程應(yīng)用中，一方面，環(huán)境溫度變化及微波諧振腔老化等會(huì)引起原子鐘輸出頻率的漂移變化，從而導(dǎo)致氫原子鐘長(zhǎng)期性能變差[7]，長(zhǎng)期工作需依照外部標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行校頻[8]；另一方面，主備2臺(tái)氫原子鐘在線熱備份模式工作，當(dāng)主備2臺(tái)氫鐘相位不一致時(shí)，時(shí)鐘切換產(chǎn)生階躍沖擊，對(duì)后續(xù)的信道和終端設(shè)備工作會(huì)引入干擾沖激，這就需要進(jìn)行主備氫鐘相位的無(wú)損切換，從而確保切換后的頻標(biāo)或時(shí)間信號(hào)的連續(xù)性，最大程度的降低或者消除氫鐘切換對(duì)后端設(shè)備產(chǎn)生的不利影響。

本文通過(guò)分析氫鐘的工作原理及調(diào)頻移相技術(shù)，設(shè)計(jì)了在工程實(shí)踐中利用GPS信號(hào)進(jìn)行氫鐘頻率線性漂移修正、備鐘通過(guò)相位差測(cè)量追蹤主鐘保持相位同步的原理及實(shí)施過(guò)程，以期為日常更好地維護(hù)和使用氫鐘，保持時(shí)間頻率穩(wěn)定度，保證時(shí)頻信號(hào)的連續(xù)性，降低時(shí)頻信號(hào)對(duì)后端設(shè)備的不利影響。

1 氫鐘調(diào)頻移相控制原理

1.1 氫鐘的基本原理

文獻(xiàn)[9-10]闡述了氫鐘的基本原理，現(xiàn)用的氫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)多是主動(dòng)型氫激射器，是利用氫原子的2個(gè)超精細(xì)磁能級(jí)F=1，mF=0～F=0，mF=0之間的躍遷來(lái)工作的時(shí)頻基準(zhǔn)，其相應(yīng)躍遷頻率為：

fH=f0+2 750H02

式中，f0=1 420 405 752 Hz；H0為工作磁場(chǎng)強(qiáng)度。其物理部分如圖1所示，輸出信號(hào)由原子與頻率為1 420 MHz的微波腔共振產(chǎn)生，其中原子束源、選態(tài)磁鐵以及儲(chǔ)存泡、諧振腔位于10-4Pa的高真空室內(nèi)。氫原子鐘通常利用鎖相環(huán)修正石英體晶振的頻率漂移[11]，即將量子部分輸出的脈澤信號(hào)的優(yōu)秀長(zhǎng)期穩(wěn)定度傳遞到晶振，同時(shí)保持晶振的優(yōu)良短穩(wěn)[12]。

圖1 氫鐘物理部分工作原理

1.2 氫鐘調(diào)頻移相原理

氫原子能量躍遷自然振蕩頻率為1 420.405 7 MHz，氫原子經(jīng)過(guò)選態(tài)磁鐵，在諧振腔中消除其它雜散頻率成分后，激發(fā)諧振腔內(nèi)2個(gè)相互關(guān)聯(lián)的晶體振蕩器，最終輸出頻率Fout。氫鐘諧振腔脈澤輸出頻率Fout=1 420.405 MHz，通過(guò)一系列的變頻、放大和檢相反饋處理后鎖定壓控晶體振蕩器(VCXO)，使其輸出穩(wěn)定的5 MHz、10 MHz、100 MHz和1 pps信號(hào)，如圖2所示。

圖2 氫原子鐘頻率綜合框圖

如圖2中，在鎖相環(huán)鎖定的條件下，同步頻率Vsynth可表示為：

Vsynth=Fout-284×VOCXO。

脈澤輸出頻率與5 MHz振蕩器之間的關(guān)系為：

但是受內(nèi)部磁場(chǎng)、場(chǎng)梯度、壁移、碰撞頻率偏移、環(huán)境變化(包括室溫、磁場(chǎng)、濕度、大氣壓、震動(dòng)、重力和時(shí)間)和機(jī)械或電子部件老化等影響，該頻率會(huì)偏離理論值[13]。

氫鐘輸出頻率偏差Δy0可以通過(guò)數(shù)控振蕩器產(chǎn)生頻率和相位可控的正弦波對(duì)Δvsynth來(lái)步進(jìn)調(diào)整補(bǔ)償，步進(jìn)補(bǔ)償通過(guò)DDS(Direct Digital Synthese)輸出可變頻率和相位的波形，對(duì)氫鐘輸出頻率的尾數(shù)進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)。氫原子鐘輸出射頻頻率為Fout，5 MHz壓控振蕩器輸出頻率真值為X，DDS分頻比為n，則

可見，氫鐘最終輸出的頻標(biāo)信號(hào)完全決定于其射頻輸出相位，改變DDS分頻比，可以調(diào)整輸出頻標(biāo)的頻率真值對(duì)氫鐘輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。

1.3 控制字

dFmas=9.09×10-6Hz，

折算到氫鐘射頻頻率1 420.405 MHz上，最小控制步進(jìn)比率為6.4×10-15。

其調(diào)頻控制比率的最大范圍在±3×10-8以內(nèi)。調(diào)整后，DDS主用頻率控制字為FM，氫鐘頻率調(diào)整后輸出頻率Fmas。

Fmas= 1 420 405 751.0+(FM-FM0)×

9.094 95×10-6Hz，

式中，F(xiàn)M0為[63(H)，21(H)，37(H)，88(H)]。

2 頻移校準(zhǔn)

2.1 頻移校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

由于頻率偏差和時(shí)間偏差有負(fù)倒數(shù)關(guān)系，在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于時(shí)差測(cè)量比頻差測(cè)量要簡(jiǎn)單，通常通過(guò)測(cè)量時(shí)間偏差計(jì)算頻率偏差。

文獻(xiàn)[14-15]論述了測(cè)量時(shí)鐘長(zhǎng)時(shí)間漂移的方法，在VLBI觀測(cè)中，各觀測(cè)站點(diǎn)之間的基線距離長(zhǎng)，一般都以GPS或北斗等天基授時(shí)系統(tǒng)作為共同參考源，對(duì)接收的天基授時(shí)系統(tǒng)1 pps信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)處理后，將其長(zhǎng)期的高穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)與氫鐘輸出的1 pps信號(hào)進(jìn)行時(shí)間差測(cè)量比較，計(jì)算出二者之間的頻率漂移量?；谝陨戏治觯疚脑O(shè)計(jì)了一種用時(shí)差測(cè)量來(lái)計(jì)算氫鐘輸出頻率的長(zhǎng)期漂移變化趨勢(shì)，選取GPS的1 pps作為外部基準(zhǔn)，利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器對(duì)GPS接收的1 pps信號(hào)與主鐘輸出的1 pps脈沖信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間比對(duì)，通過(guò)二者之間的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)輸出控制指令調(diào)整主鐘頻率，補(bǔ)償氫鐘的頻率長(zhǎng)期漂移，其原理圖如圖3所示。

圖3 氫鐘頻移校準(zhǔn)原理

2.2 校準(zhǔn)實(shí)施過(guò)程

在某個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)內(nèi)，當(dāng)時(shí)頻系統(tǒng)與GPS時(shí)間校準(zhǔn)初始化后，時(shí)間應(yīng)按各自的原子鐘自由運(yùn)行，但由于氫鐘輸出頻率的漂移，隨時(shí)間推移會(huì)逐步偏離GPS時(shí)間基準(zhǔn)，需要定期對(duì)氫鐘輸出頻率和外部GPS時(shí)間頻率進(jìn)行比對(duì)調(diào)整，使得觀測(cè)站點(diǎn)氫鐘時(shí)間頻率始終與GPS時(shí)間保持在一定的誤差范圍內(nèi)。具體步驟如下：

① 以GPS為基準(zhǔn)，將氫鐘與GPS的1 pps輸入時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間差測(cè)量，測(cè)量時(shí)間一般需在48 h以上，以減小GPS接收數(shù)據(jù)的異常跳變、抖動(dòng)和氫鐘相位抖動(dòng)帶來(lái)的影響。

② 使用最小二乘法對(duì)測(cè)量的時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行一次曲線Y=Ax+B擬合。其中A為氫鐘相對(duì)于GPS的長(zhǎng)期頻率漂移率。氫鐘頻率漂移調(diào)整的目的即將A調(diào)整為趨于零，A存在2種變化趨勢(shì)：一是當(dāng)A大于零時(shí)，給氫鐘置一負(fù)向、模為A的斜率值-A，即將氫鐘頻率尾數(shù)向低微調(diào)；二是當(dāng)A小于零時(shí)，給氫鐘置一正向、模為A的斜率值-A，即將氫鐘頻率尾數(shù)向低高微調(diào)。

③ 氫鐘頻率調(diào)整控制字。氫鐘最小控制步進(jìn)比率為6.4×10-15，則步進(jìn)n為：

調(diào)整控制字為：

④ 向氫鐘發(fā)送調(diào)整控制字進(jìn)行頻率微調(diào)。如某次氫鐘進(jìn)行頻率校準(zhǔn)，調(diào)整前頻率為：1 420 405 750.352 550 Hz，經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器72 h測(cè)量后得到氫鐘與GPS的1 pps時(shí)差序列，剔除野值后，經(jīng)過(guò)最小二乘法擬合。則有A=1.225 9×10-12。

步進(jìn)

向氫鐘發(fā)送的命令控制字為：

FM=FM0-19 145.789 7，

氫鐘頻率校準(zhǔn)后輸出頻率為：

1 420 405 750.526 680 Hz，

經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器72 h測(cè)量后得到氫鐘與GPS的變化率為：A=3.180 4×10-14，滿足10-13的指標(biāo)要求。

3 相位無(wú)損切換

3.1 主備鐘相位跟蹤

根據(jù)氫鐘指標(biāo)，頻率穩(wěn)定度的阿倫方差不大于1.5×10-13@1 s，則1 s后10 MHz輸出頻差Δf為1.5×10-6Hz，經(jīng)過(guò)133.3 s后，備鐘相對(duì)主鐘的時(shí)延為20 ps，相位漂移達(dá)到0.072o，1 851 s后主備氫鐘相位差超過(guò)1°。按照氫鐘技術(shù)指標(biāo)，在2臺(tái)氫鐘自由運(yùn)行30 min后必須對(duì)備鐘進(jìn)行相位校準(zhǔn)才能在線切換。

Δf=α×f0=1.5×10-6Hz，

Δt=α×t≈2×10-9s=20×10-10s，

時(shí)頻系統(tǒng)配置2臺(tái)高精度氫原子鐘，在線熱備份模式。不同源自由運(yùn)行的2臺(tái)氫鐘在切換時(shí)，輸出的頻標(biāo)信號(hào)相位不一致時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)階躍變化，從而對(duì)后續(xù)的信道和終端設(shè)備工作產(chǎn)生沖激，如果在任務(wù)過(guò)程中實(shí)施切換，將會(huì)對(duì)測(cè)量和控制過(guò)程產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成終端設(shè)備重捕，影響任務(wù)流程。系統(tǒng)要求主備氫鐘進(jìn)行在線切換時(shí)，后端信道和終端設(shè)備收到的時(shí)間和頻標(biāo)信號(hào)應(yīng)該是無(wú)損的，相位不連續(xù)性不大于1°。

對(duì)于相位測(cè)量采用將主鐘和備鐘輸出的10 MHz頻標(biāo)輸入至相位差測(cè)量單元，對(duì)2個(gè)信號(hào)的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量(如圖4所示)，以主鐘為基準(zhǔn)，對(duì)備鐘輸出的頻標(biāo)信號(hào)相位差進(jìn)行處理，形成備鐘調(diào)頻控制量，按照一定的時(shí)序?qū)溏娺M(jìn)行調(diào)頻，使其輸出的頻標(biāo)相位對(duì)主鐘進(jìn)行跟蹤同步后，再按照一定的時(shí)序?qū)溏娺M(jìn)行反向調(diào)頻，使之始終與主鐘保持同步，從而確保切換后的頻標(biāo)或時(shí)間信號(hào)的連續(xù)性，最大程度的降低或者消除氫鐘切換對(duì)后端設(shè)備的不利影響。

圖4 主備鐘相位無(wú)損跟蹤原理

3.2 相位無(wú)損切換過(guò)程

相差測(cè)量值由相差測(cè)量單元的主備氫鐘輸入信號(hào)決定，以主鐘10 MHz為基準(zhǔn)，進(jìn)行主備氫鐘相差計(jì)算，根據(jù)相差計(jì)算備鐘頻率調(diào)整量，經(jīng)過(guò)對(duì)備鐘頻率調(diào)整，則主、備鐘相位差理論值恒定在ΔP附近。設(shè)計(jì)相位無(wú)損切換如下：

① 用相位測(cè)量單元測(cè)量主備氫鐘10MHz信號(hào)的相位差ΔPi(1次/秒)，在2 min內(nèi)進(jìn)行平均，產(chǎn)生一個(gè)相差平均值avg，

avg=-(ΔP1+ΔP2+…… +ΔP120)/120。

如果avg≤-180，則avg=avg+360；否則如果avg≥180，則avg=avg-180。

② 相位差對(duì)應(yīng)的備鐘頻率調(diào)整控制量

式中，τ為氫鐘頻率調(diào)整時(shí)間。

③ 氫鐘調(diào)整控制指令的控制字

④ 在τs內(nèi)每秒向備用氫鐘發(fā)送調(diào)頻控制指令a，將備鐘頻率調(diào)整為f0+a×τ(備鐘調(diào)整前頻率為f0)，調(diào)整過(guò)程中，備鐘相位逐步向主鐘逼近。

⑤ 待時(shí)間τs時(shí)間后主備氫鐘相位一致，在τ～2τs內(nèi)每秒向備用氫鐘發(fā)送調(diào)頻控制指令-a，使備鐘頻率回到頻率f0。

如某次氫鐘主備相位差測(cè)量為：-93.25o，設(shè)置為5 min調(diào)整時(shí)間，則

fc=8.634 3×10-11。

氫鐘調(diào)整控制字

a=9.493 5×10-6+FM0。

在5 min內(nèi)每秒向備鐘發(fā)送a，主備氫鐘相位差為0.08o，滿足1o的指標(biāo)要求，再次向備鐘發(fā)送-a，使備鐘頻率恢復(fù)初始值。

無(wú)損切換調(diào)整結(jié)束后，主備氫鐘相位在可接受的誤差范圍內(nèi)，可保證主備鐘切換后的頻標(biāo)或時(shí)間信號(hào)的連續(xù)性，消除氫鐘切換對(duì)后端設(shè)備的不利影響。

3.3 結(jié)論

通過(guò)本文設(shè)計(jì)的頻率漂移校準(zhǔn)及相位無(wú)損切換的工程實(shí)施方法，對(duì)氫鐘進(jìn)行氫鐘頻率校準(zhǔn)后輸出頻率測(cè)量，氫鐘與GPS的相對(duì)穩(wěn)定度由原來(lái)72 h內(nèi)1.1×10-13提高到3.2×10-14，滿足10-13的指標(biāo)要求；主備氫鐘相位差由原來(lái)72 h的1.03o減小至0.08o，滿足1o的指標(biāo)要求。因此，此方法在工程實(shí)踐中切實(shí)可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

氫鐘的長(zhǎng)期頻率漂移與其所處的溫控和屏蔽環(huán)境相關(guān)，為了減少頻率漂移，氫鐘都安放在恒溫屏蔽空間，通常工作范圍在20～25 ℃內(nèi)，并且鐘房?jī)?nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.5高斯，波動(dòng)小于0.05高斯，同時(shí)系統(tǒng)配置專用的溫控、相位及頻率測(cè)量裝置。盡管如此設(shè)計(jì)，仍需要按照一定規(guī)則修正氫鐘隨溫度等波動(dòng)帶來(lái)的頻率漂移及主備鐘自由運(yùn)行的相位偏移。傳統(tǒng)校正方法中，通過(guò)對(duì)氫原子鐘進(jìn)行建模，在后續(xù)算法處理中加入時(shí)鐘模型估計(jì)，采用這種方法可以在一定程度上減小時(shí)鐘頻率漂移對(duì)后續(xù)信號(hào)處理影響。但是通常模型只能在一定程度上反映氫鐘頻率變化趨勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)氫鐘實(shí)際所處的環(huán)境條件以及工作參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，具有一定的應(yīng)用局限性。

本文設(shè)計(jì)的頻率漂移校準(zhǔn)及相位無(wú)損切換的工程實(shí)施方法，工程可實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)，保證了氫鐘的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，應(yīng)用結(jié)果表明，本文方法滿足了VLBI長(zhǎng)時(shí)間跟蹤對(duì)頻率和相位的需求。

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