CN101562451A - 二级频标的精密驯服保持方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面上以及卫星上的二级频标的准确度的校正，具体涉及一种二级频标在失锁状态下保持原锁定时的准确度的二级频标的精密驯服保持方法。在锁定过程中，得到对本地频标的控制修正电压，把上述控制修正电压随着时间以及温度的变化进行分解，二级频标进入驯服保持状态，将锁定过程中建立的温度数据和老化数据，合成计算出对二级频标的不同时刻不同温度下的补偿电压。本发明利用卫星定位定时系统远程传输的时间频率信号来锁定二级频标，能输出高精度的频率信号，其短期稳定度能保持本地振荡器的水平，并能在本地被控频标上有效地复现接收标准时间频率信号的长期稳定度和准确度。

Description

二级频标的精密驯服保持方法

技术领域

本发明涉及地面上以及卫星上的二级频标的准确度的校正技术领域，具体涉及一种二级频标在失锁状态下保持原锁定时的准确度的二级频标的精密驯服保持方法。

背景技术

卫星定位定时系统能够提供远距离传输的高精度标准时间信号，具有高精度定时、定位和测速能力，在军用和民用部门得到了广泛的应用。在标准时间尺度的建立，高精度的时间频率的比对、同步和统一中，往往要利用卫星定位系统信息中的标准时间信号。利用卫星定位定时系统远程传输的时间频率信号(如秒信号)来锁定二级频标(铷钟和晶体振荡器)，能输出高精度的频率信号，其短期稳定度能保持本地振荡器的水平，并能在本地被控频标上有效地复现接收标准时间频率信号的长期稳定度和准确度。这种高精度低成本的标准时间频率信号已被广泛应用在通讯、电网同步、卫星测控、大地测量和军事等方面。

目前锁定伺服的主要常用技术是利用卫星传输信号经过地面接收机处理后输出的秒信号来锁定本地的高稳定度的二级频标(包括铷原子频标和高稳定度晶体振荡器)，或通过地面基准站信号校准星载二级频标。目前我国进行地面二级频标锁定使用的卫星信号为GPS卫星(以后会更多地应用我国自己的北斗卫星系统)，如果由于不确定因素导致卫星信号丢失，如何保持原来锁定时的二级频标的准确度是关系到我国国防安全的一个不可忽视的问题。这个问题是针对地面频率源的。而另一个方面的问题是针对卫星上的频率源。我国正在建设的二代导航系统，目前卫星上使用的是铷原子频标，需要地面注入站对卫星的基准时间信号进行校准。如果发生突然情况，地面站在很长的一段时间内无法对卫星的时间基准信号进行校准，卫星上的铷原子频标是否能够保持原来的准确度，同样是一个十分重要的问题。这也需要通过一定的技术手段来尽量保持其在被锁定时候的准确度。

由于近年来，二级频标大范围使用，国内对于失去卫星和地面基准信号的情况下，为了节省成本达到高稳定度和准确度，怎样驯服保持二级频标还没有起步。在此研究领域，对于二级频标的驯服保持技术，由于技术不成熟，没有推广应用。因此对于二级频标的精密驯服保持技术目前国内基本都还处于空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二级频标的驯服保持方法，以解决上述问题。

本发明的技术解决方案是：二级频标的精密驯服保持方法，利用GPS接收机产生的1pps信号与二级频标分频后产生的1Hz信号进行比对，通过时间间隔测量仪，得到相位差值由计算机处理器计算出对本地频标的控制修正电压，这样，就实现了把本地频标的准确度锁定在GPS标准的准确度，在上述锁定过程中，将传感器组和辅助时钟检测到的时间和温度数据以及控制修正电压存储下来，把上述控制修正电压随着时间以及温度的变化进行分解，根据辅助时钟和温度传感器组的读数从控制修正电压的变化量中分解出老化漂移和温度因素的影响，分别建立温度和频率、频率漂移率和时间的函数关系，确定二级频标的老化特性以及温度等因素的变化率，一旦失去了来自GPS卫星的参考信号，即处于失锁状态时，二级频标进入驯服保持状态，在驯服保持阶段将锁定过程中建立的温度数据和老化数据，合成计算出对二级频标的不同时刻不同温度下的补偿电压。

所述的用于老化补偿的对应公式是下述线性公式

f(t)＝a+bt    (1)

式中f(t)为t时间的频率，t为时间，a为常数项，b为老化率系数；

补偿电压V(t)＝a′-b′t    (2)

式中V(t)为t时间补偿电压，t为时间，a′为初始补偿项，b′为对老化的补偿系数。

所述的二级频标恒温晶体振荡器模型表示的在第i时间环境温度x_i和校正电压y_i关系的方程如下：

y_i＝a₂x_i+a₁    (3)

式中，a₁代表了常数项，a₂代表了一次多项式的一次项系数。

本发明包括了对于铷原子频标和高稳定度晶体振荡器二级频标的校准、锁定和性能的准确测定，以及在失去主频率源的联系时对自身的变化进行修正和自动调整。对二级频标的驯服技术是以它的漂移老化特性、温度变化特性影响因素为基础，通过相应的辅助时钟计数器、传感器组得到的频标运行时间、温度等信息以及频标本身的电压控制灵敏度，对频标的频率值进行相应的自动补偿调整。这比仅仅靠频标本身的稳定度和老化等指标来保证准确度的情况得到了明显的改善，一般可以到一个数量级以上。尤其作为卫星上的星载钟，长期工作在校准-自由运行的状态。如果我们把它改进成校准-驯服-保持状态，效果会更好。本发明在失去卫星或地面站信号联系即失锁的情况下，根据有时间基准信号时建立的温度和频率漂移对频标准确度的影响，确定频标的老化率漂移，以及根据环境温度因素，来计算失去基准信号时作为参考依据来自动驯服保持二级频标，使二级频标在很长的一段没有锁定条件的情况下仍保持很高的准确度和稳定度。

本发明与现有技术的区别特点如下：

1、传统方法是利用GPS等卫星或者地基标准发射台提供的高准确度的标准信号对二级频标进行校准，本发明则是在由于不确定因素导致卫星信号丢失时，频标在非校准状态下，对频标的频率值进行相应的自动补偿调整。这比仅仅靠频标自身的稳定性来保证准确度的情况有了明显的改善。校准锁定和驯服保持是互逆过程，前者对锁定信号进行分解，后者按照不同的传感信息进行控制信号的合成。

2、通过我们长期对各种不同稳定度的二级频标的研究，建立起相应的数据系统，在此基础上完成特定的软件算法分离出根据使用时间的推延二级频标的温度影响和老化影响数据，这种驯服保持技术可以比传统技术精度提高至少一个数量级。

3、在控制过程中尤其要注意的是控制电压对频率源稳定度会有影响。因为控制信号是基于数字量产生的。在驯服保持过程中温度传感器的分辨率常常会影响到单片机产生的控制电压的量化间隔，除了提高温度传感器的分辨率外，对控制电压的产生采取基于趋势和历史的处理方法。因为温度变化有一定的滞后效应，可以根据温度的变化率、方向等在一个温度传感值下分时给出相对更连续的不同控制电压。这对于应用广泛的传感器应用技术有明显的价值。

4、对于连续工作的二级频标，老化率的变化是随着时间的延伸而逐渐减小的。采用线性的补偿方法，需要在伺服锁定状态下不断测量频标的老化率，来更新驯服保持状态下的数据。对于温度驯服保持和处理也考虑到了随着器件的老化和磨损，温度特性不可能不发生变化，因此不断地通过测量来更新驯服保持补偿数据是很有必要的。

本发明利用卫星定位定时系统远程传输的时间频率信号(如秒信号)来锁定二级频标(铷钟和晶体振荡器)，能输出高精度的频率信号，其短期稳定度能保持本地振荡器的水平，并能在本地被控频标上有效地复现接收标准时间频率信号的长期稳定度和准确度。这种高精度低成本的标准时间频率信号已被广泛应用在通讯、电网同步、卫星测控、大地测量和军事等方面。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图。

具体实施方式

本发明的具体实现方案如下：

传统方法是利用GPS等卫星或者地基标准发射台提供的高准确度的标准信号对二级频标进行校准，我们考虑的则是如果由于不确定因素导致卫星信号丢失，频标在非校准状态下，对频标的频率值进行相应的自动补偿调整。

我们提出了使用卫星的秒信号来驯服保持二级频标的方法。在原理上需要强调的是，虽然常常可以使用预先实验的方法确定二级频标的相关数据，但是在频标的长期使用过程中其老化等数据也是一直在变化的。在二级频标运行的不长时间里，其温度的影响大于老化的影响，随着时间的延伸，老化的影响会逐渐累加增大。因此，在一段时间以后，老化对二级频标的影响会与温度对频率的影响叠加在一起，即不同时间的同一温度下，二级频标的频率漂移的影响是不相同的，这就是我们分离两者的根据。因此需要通过驯服保持不断更新。关于频标的温度特性也只有通过不断处理和更新才能保证高精度的驯服保持。在二级频标的锁定伺服状态下，我们得到的是一个在各种因素影响下的压控电压或者其他控制信号。其中主要包括的老化(漂移)和温度等影响混在了一起，需要按照温度传感数值和辅助时钟的时间数据把它们的影响区分开来，这样才能在锁定信号去掉时进入驯服保持状态，再根据传感等信号的状况分别计算并且合成给出对频标的控制信号。我们分离温度和老化数据的依据是：在二级频标运行的不长时间里，其温度的影响大于老化的影响，随着时间的延伸，老化的影响会逐渐累加增大。由于二级频标的老化特性以及温度特性等都是属于系统误差，因此在掌握其数值的情况下是能够通过一定手段加以修正控制的。也就是随着时间以及温度的推移和变化，根据其老化特性、温度频率特性对频标的频率值进行反向修正控制，就可以大大减小不受修正时的该频率源的误差影响。所以采用驯服保持技术能很大地提高二级频标的准确度，这比二级频标仅靠自身稳定性来保证准确度的情况有了明显的改善。

老化特性则可以线性化后以老化率系数的方式表示，对于老化非线性特性特别明显的频率源可以用多项式表示老化特性。也就是采用驯服保持补偿时，对于老化问题的处理，可以根据本地频率源的工作时间(通过设定的辅助时钟计数器)按照老化率线性化地改变施加给频率源压控端的老化补偿电压达到补偿老化影响的效果。考虑到频率源实际的老化漂移指标也会随着时间的变化而改变，因此根据不同的时间段代入不同的老化率数值用折线法效果会更好一些。而对于温度问题的处理，由于其关系复杂采用了多个多项式表示的方法。根据装置中的温度传感器输出的温度数据代入对应的多项式计算出施加给频率源压控端的温度变化修正电压。这里的老化系数以及对温度补偿的多项式储存在驯服保持系统的单片机存储器中。前期的实验或者在接收标准信号时需要做的是形成本地频率源的老化特性数据以及频率-温度特性的变化数据。根据我们多年来对各种晶体振荡器和铷原子频标的研究和开发，按照频率源的特性，温度特性可以用一个或多个多项式来表示。也是由于精密频率源的温度等特性具有明显的离散性，不同的频率源的温度等特性几乎是完全不一样的。需要通过针对性的测量、驯服来保持。

在锁定阶段需要通过相应的算法分离各种因素的影响分别形成控制数据。进入驯服保持工作时，再根据相应的数据合成控制信号实现控制。校准锁定和驯服保持是互逆过程，前者对锁定信号进行分解，后者按照不同的传感信息进行控制信号的合成。通过锁定过程中获得的信息，根据现时的运行时间以及外界温度等合成出频标的控制信号。

对于连续工作的二级频标，老化率的变化是随着时间的延伸而逐渐减小的。采用线性的补偿方法，需要在伺服锁定状态下不断测量频标的老化率，来更新驯服保持状态下的数据。对于温度的驯服保持和处理也考虑到了随着器件的老化和磨损，温度特性不可能不发生变化，因此不断地通过测量来更新驯服保持补偿数据是很有必要的。对控制电压的产生采取基于趋势和历史的处理方法。因为温度变化有一定的滞后效应，可以根据温度的变化率、方向等在一个温度传感值下分时给出相对更连续的不同控制电压。

如图所示，利用GPS接收机，可以收到并产生准确的1pps信号。在此基础上，利用时间间隔测量技术，将它与本地二级频标的分频信号进行比对，按照相位差的变化速率计算出相对频差并和本地频标的压控灵敏度综合考虑，产生出对本地频标的控制修正电压。这样就实现了把本地频标的准确度锁定在GPS标准的准确度上。在锁定的过程中，将传感器组检测到的控制数据存储下来。一旦失去了来自GPS卫星的参考信号，即处于失锁状态时，二级频标进入驯服保持状态。利用有标准信号情况下形成的本地频率源的老化特性数据以及频率-温度特性数据，合成计算出驯服保持状态时需要的补偿电压。

(1)锁定工作：在有卫星或地面站信号的情况下，处理器中用kalman滤波算法对1pps信号输入与二级频标分频得到的秒信号进行比相法方式的时间间隔测量。对于由于频率的微小差异造成的时间不同步而变化的时间间隔测量值进行滤波，得到的滤波值用公式 $\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}$ 算出频率偏移量，结合二级频标控制灵敏度系数计算出对二级频标的控制电压，进而通过高精度的D/A输出该控制电压，达到控制二级频标输出频率的目的，使二级频标锁定在卫星的星载钟或地面频标的准确度上。通常好的高稳定度晶体振荡器的日老化率指标能够达到10^-9到10^-11，在宽温度范围内的温度-频率影响则可能达到10^-8到10^-10，经过锁定后的准确度指标很容易达到10^-12量级。而作为二级频标的铷原子频标的漂移率(月)是10^-11，在宽温度范围内的温度-频率影响则可能达到10^-9到10^-11，锁定后的准确度指标很容易达到10^-12量级甚至更好。此时需要的是对锁定控制电压进行分解，根据辅助时钟和温度等传感器的读数从锁定电压的变化量中分解出老化漂移和温度等因素的影响。

(2)驯服保持工作：原理方框图如图1所示。锁定的同时，我们得到了二级频标的准确度校准。同时又根据锁定情况下锁定电压随着时间以及温度的变化，分别建立温度和频率漂移率对准确度的影响，确定晶体振荡器和铷原子频标的老化或漂移率。这项工作也可以事先通过专门的老化和温度实验进行，并得到对应结果。一旦被锁定的二级频标失去了原来的主频标对它们的控制，它们的准确度就不得不受到自身的老化率以及外界温度等因素的影响而逐渐偏离准确的值。这时就需要根据二级频标的老化-时间特性和频率-温度特性，向着与其相反的变化方向进行补偿式地频率控制。利用传感器组(温度传感器以及辅助时钟等)，在没有主控频标信号的情况下，可以通过计算，获得对二级频标的压控量。在失去卫星或地面站信号后，在一定时间内二级频标仍然能够保持一定的准确度和稳定度。为了实现这样的功能，在锁定阶段需要通过相应的算法分离各种因素的影响分别形成控制数据。进入驯服保持工作时，再根据相应的数据合成控制信号实现控制。这个过程也是原来锁定过程的逆过程。通过锁定过程中获得的信息，根据现时的运行时间以及外界温度等合成出频标的控制信号。

通过这样的驯服保持补偿控制，至少能够把二级频标的准确度指标提高到高于其自由振荡情况下可以保持的指标的一个数量级以上。

具体处理方法如下：

用于老化补偿的对应公式是线性公式

f(t)＝a+bt    (1)

其中a为常数项，b为老化率系数。

补偿电压V(t)＝a′-b′t    (2)

其中a′为初始补偿项，b′为对老化的补偿系数。

一方面，可以按照单一的老化率数值代入上式计算出对应的控制电压。当然，根据老化特性的实际情况尤其对于高稳定度晶体振荡器老化率会随着晶体工作时间延伸逐渐降低，所以从高精度补偿的角度应该根据不同的振荡器工作时间有可变的相应老化率数据。这样得到的补偿效果更好一些。

最小方差拟和应用于频率温度拟和：

高稳定度晶体振荡器的晶体的频率温度特性三次曲线特征很明显，但是通过恒温措施之后由于恒温槽内温度在外部影响下只是在小范围变化，所以基本保持了接近于线性的特征。

最小方差拟合应用于该方案来决定这个代表温度和补偿电压的直线方程的系数。恒温晶体振荡器模型表示环境温度和校正电压关系的方程如下：

y_i＝a₂x_i+a₁    (3)

恒温晶体振荡器的第i个时间频率温度稳定度表示为：

$y_i=\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}---\left(4\right)$

并且第i个时间温度传感器的读数为：

x_i＝Temp_i    (5)

最小方差拟合方程减小了剩余误差的总和。最小方差法剩余误差的总和表示成：

$s=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{r_i}{{\mathrm{\σ}}_i}\right)}^2---\left(6\right)$

σ_i代表第i个数据与平均数据之间的偏移，数学上表达为：

σ_i＝y-y_i    (7)

最小方差标准偏移减小了曲线拟合中在曲线外的数据的影响，因为曲线拟合将最大的剩余误差给除去了。从中可以发现数据的大小和持续校正信号误差变小了，原因是所有信号的误差平均了，这样就可以不失去测量精度，接着σ_i被归一化了。

将(3)式代入(6)式可以得到(8)式。S是以表达式中的a₁和a₂来表示的。

$S=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{(y_i-a_2{x}_i-a_1)}{{\mathrm{\σ}}_i}---\left(8\right)$

让(8)式对a₁和a₂的微分方程等于零：

$\frac{\∂S}{\∂a_1}=0=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}-2\left(\frac{y_i-(a_1+a_2{x}_i)}{{\mathrm{\σ}}_i}\right)---\left(9\right)$

$\frac{\∂S}{\∂a_2}=0=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}-2x_i\left(\frac{y_i-(a_1+a_2{x}_i)}{{\mathrm{\σ}}_i}\right)---\left(10\right)$

令

$S_1=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_i}\right)}^2---\left(11\right)$

$S_x=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(12\right)$

$S_y=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{y_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(13\right)$

$S_{\mathrm{xx}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_i^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(14\right)$

$S_{\mathrm{xy}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_i{y}_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}---\left(15\right)$

Δ＝S₁S_xx-S_x ²    (16)

展式(9)和式(10)可以得到式(17)和式(18)：

$-2\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{y_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}+2a_1\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_i^2}+2a_2\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}=0---\left(17\right)$

$-2\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{{x_{i}y}_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}+2a_1\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_i}{{\mathrm{\σ}}_i^2}+2a_2\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{x_i^2}{{\mathrm{\σ}}_i^2}=0---\left(18\right)$

把(11)到(16)代替(17)到(18)中的相应式子，可以得到a₁和a₂的表达式：

a₁＝(S_yS_xx-S_xS_xy)/Δ    (19)

a₂＝(S₁S_xy-S_xS_y)/Δ    (20)

式中，a₁代表了常数项，a₂代表了一次多项式的一次项。

拟和所得一次方程系数存储于单片机中，然后在驯服模式中根据温度传感器所测得的温度值来计算该补偿电压，控制D/A转换器实现电压补偿温度变化造成频率改变。

部分实验数据如下(以10MHz晶振为例)：

温度数据：

温度T        补偿电压(mV)

-40℃        2.80

-20℃        3.01

0℃          3.20

20℃         3.41

40℃         3.60

60℃         3.81

80℃         4.03

老化数据：

时间t(日)    补偿电压(mV)

1            2.68

2            2.44

3            2.23

4            2.03

5            1.78

6            1.46

7            1.22

通过曲线拟合处理这些在锁定过程中分离出来的数据，可得到温度特性补偿电压和老化特性补偿电压表达式的相应系数。如上例中可求得y_i＝a₂x_i+a₁＝0.0102x_i+3.2054

V(t)＝a′-b′t＝2.9471-0.2425t

从而在驯服保持过程中可以合成计算出对二级频标的不同时刻不同温度下的补偿电压。

Claims (3)

1、二级频标的精密驯服保持方法，利用GPS接收机产生的1pps信号与二级频标分频后产生的1Hz信号进行比对，通过时间间隔测量仪，得到相位差值由计算机处理器计算出对本地频标的控制修正电压，这样，就实现了把本地二级频标的准确度锁定在GPS标准的准确度，其特征在于：在上述锁定过程中，将传感器组和辅助时钟检测到的时间和温度数据以及控制修正电压存储下来，把上述控制修正电压随着时间以及温度的变化进行分解，根据辅助时钟和温度传感器组的读数从控制修正电压的变化量中分解出老化漂移和温度因素的影响，分别建立温度和频率、频率漂移率和时间的函数关系，确定二级频标的老化特性以及温度等因素的变化率，一旦失去了来自GPS卫星的参考信号，即处于失锁状态时，二级频标进入驯服保持状态，在驯服保持阶段将锁定过程中建立的温度数据和老化数据，合成计算出对二级频标的不同时刻不同温度下的补偿电压。

2、如权利要求1所述的二级频标的精密驯服保持方法，其特征在于：所述的用于老化补偿的对应公式是下述线性公式

f(t)＝a+bt                (1)

式中f(t)为t时间的频率，t为时间，a为常数项，b为老化率系数；

补偿电压V(t)＝a′-b′t                (2)

式中V(t)为t时间补偿电压，t为时间，a′为初始补偿项，b′为对老化的补偿系数。

3、如权利要求1所述的二级频标的精密驯服保持方法，其特征在于：所述的二级频标恒温晶体振荡器模型表示的在第i时间环境温度x_i和校正电压y_i关系的方程如下：

y_i＝a₂x_i+a₁               (3)

式中，a₁代表了常数项，a₂代表了一次多项式的一次项系数。

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