CN103185889A - 高稳定时间与频率生成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高稳定时间与频率生成系统，包括：两台铷钟与一台被动型氢钟组成的原子钟组、两台卫星钟生成及管理器、一台原子钟信号分配器与一台卫星钟信本号分配器。原子钟组提供高稳定度的10MHz信号输出，卫星钟生成及管理器将这个信号变换成10.23MHz频率输出。原子钟信号分配器对原子钟组的输出信号进行分路、放大以及矩阵切换，卫星钟信号分配器对卫星钟生成及管理器输出的信号进行切换、功分以及放大。本发明由两台甚高精度铷钟与一台被动型氢钟作为基准源，较之以往采用四台铷钟的原子钟组作为基准源的系统，稳定度更高，漂移率更小，具有180天无须校准的能力。

Description

高稳定时间与频率生成系统
技术领域
本发明涉及卫星总体技术领域，具体涉及一种用于导航卫星、侦察卫星、通信卫星等卫星或星座的高稳定时间与频率生成系统。
背景技术
本发明是卫星的核心频率源系统。它可以为导航卫星、侦察卫星与通信卫星等有效载荷系统提供高稳定的时间与频率信号。对导航卫星来说，卫星钟时频信号的稳定度特性直接影响卫星导航定位精度。目前，北斗二代导航卫星的时频子系统使用四台一般精度的星载铷钟作为基准参考源。一般精度的星载铷钟的长期稳定度为8E-14/天，漂移率为5E-12/天；甚高精度星载铷钟的长期稳定度为3E-14/天，漂移率为1E-12/天；被动型氢钟的长期稳定度为7E-15/天，漂移率为1E-14/天。星载被动型氢钟比甚高精度星载铷钟的长期稳定度还要高半个数量级，漂移率低两个数量级。采用甚高精度星载铷钟和被动型氢钟作为基准参考源不仅可以显著提高导航卫星的导航精度，并且具备180天自主运行无需地面运控系统干预的能力。一般精度的星载铷钟长期稳定度不高，漂移率比较大，并且体积与功耗都比较大。在轨长时间运行不仅影响卫星的导航精度，而且不能满足180天自主导航的频率稳定度要求。伽利略导航卫星采用两台高精度星载铷钟与两台星载被动型氢钟作为基准频率源，虽然具有较高的长期频率稳定度与较低的漂移率，但是星载被动型氢钟的体积与重量都比较大，多台冗余占用了很大的卫星载荷系统资源。GPS导航卫星采用两台铷钟与一台铯钟的组合作为基准参考源，虽然体积与重量较小，但是铯钟的长期稳定度特性低于被动型氢钟，对导航精度的恶化高于被动型氢钟。
发明内容
被发明所要解决的问题是满足导航卫星的应用需求，提高时间系统的长期稳定度特性、核心频率源系统可靠性高、频率与时间切换间隙小。本发明提出一种高稳定时间与频率生成系统，该系统包括：由三台原子钟组成的原子钟组；原子钟组的输出连接至原子钟信号分配器；一台原子钟信号分配器，对输入信号分别进行功率分配、放大以及矩阵切换；原子钟信号分配器的两组输出信号分别连接至两台卫星钟生成及管理器；两台卫星钟生成及管理器，一台热机工作，一台为冷机备份；两台卫星钟生成及管理器的输出都连接到卫星钟信号分配器；一台卫星钟信号分配器，对输入信号进行开关切换、功率分配以及功率放大。
为解决其技术问题，本发明还有：原子钟组由两台甚高精度星载铷钟与一台星载被动型氢钟组成；星载被动型氢钟开机工作，作为主钟；一台甚高精度星载铷钟也开机工作，作为热备份；另一台甚高精度星载铷钟为不开机工作，作为冷备份。原子钟信号分配器将每路输入信号功分成两路，然后提取出一路连接至3×2矩阵开关，三路信号形成一组，共两组，每组信号再进行三选二输出。卫星钟生成及管理器输入信号为10MHz的正弦波信号；输出信号有10.23MHz正弦波、10.23MHz方波、5.115MHz方波、5Kpps（脉冲每秒）、500pps、50pps和1pps信号。卫星钟信号分配器从两台卫星钟信号生成及管理器的输出信号组中用单刀双掷开关选择一组输出，并将其中的10.23MHz正弦波信号进行功率放大以及功率分配成多路输出。
本发明采用两台甚高精度星载铷钟与一台被动型氢钟的组合作为基准源，氢钟具有很高的长期稳定度特性与很低的漂移率，不仅对提高导航卫星定位精度有较大贡献，而且使得卫星具有180自主导航无需地面运控系统干预的能力。两台铷钟的体积与功耗都较小，可以大大节省卫星载荷系统资源。该系统的核心单机均设计为冷热备份工作，具有较高的可靠度。有效的应用于导航卫星、侦察卫星、通信卫星等卫星或星座。
附图说明
图1是本发明一种高稳定度时间与频率生成系统原理框图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的优选实施例。
导航卫星是利用到达时间测距的原理以确定用户的位置。这种定位方式需要测量信号卫星的无线电信号发出至用户所经历的时间，然后乘以无线电信号的速度得到辐射源到用户方的距离。导航卫星要实现高精度、全天候、全球范围的定位，不仅对时间系统的长期稳定度特性有很高的要求，而且要求核心频率源系统可靠性高、频率与时间切换间隙小。为了达到上述发明目的，本发明为所采用的技术方案是如图1所示是本发明一种高稳定度时间与频率生成系统原理结构示意图，图中显示由两台甚高精度星载铷钟与一台星载被动型氢钟组成原子钟组；原子钟组的输出连接至原子钟信号分配器；一台原子钟信号分配器，对输入信号分别进行功率分配、放大以及矩阵切换；原子钟信号分配器的两组输出信号分别连接至两台卫星钟生成及管理器；两台卫星钟生成及管理器，一台热机工作，一台为冷机备份；两台卫星钟生成及管理器的输出都连接到卫星钟信号分配器；一台卫星钟信号分配器，对输入信号进行开关切换、功率分配以及功率放大。原子钟组由两台甚高精度星载铷钟与一台星载被动型氢钟组成；星载被动型氢钟开机工作，作为主钟；一台甚高精度星载铷钟也开机工作，作为热备份；另一台甚高精度星载铷钟为不开机工作，作为冷备份。原子钟信号分配器将每路输入信号功分成两路，然后提取出一路连接至3×2矩阵开关，三路信号形成一组，共两组，每组信号再进行三选二输出。卫星钟生成及管理器输入信号为10MHz的正弦波信号；输出信号有10.23MHz正弦波、10.23MHz方波、5.115MHz方波、5Kpps（脉冲每秒）、500pps、50pps和1pps信号。卫星钟信号分配器从两台卫星钟信号生成及管理器的输出信号组中用单刀双掷开关选择一组输出，并将其中的10.23MHz正弦波信号进行功率放大以及功率分配成多路输出。
该系统的工作原理描述如下：
主钟（被动型氢钟）的10MHz信号输出经过放大与功分后由矩阵选择输出给卫星钟生成及管理器。卫星钟生成及管理器将该10MHz信号变换为10.23MHz的信号以及由10.23MHz分频得到的多路时间脉冲信号输出。当主钟的信号发生异常或者不能工作时，由热备钟信号输出工作，并同时打开冷备钟进入热备状态。卫星钟生成及管理器内部为双冗余设计，若两个通道都发生故障，系统迅速切换打开冷备份单机，将冷备份单机锁定在原先热机输出的10.23MHz信号上，再切换输出信号。

Claims (5)

1.一种高稳定时间与频率生成系统，其特征在于，该系统包括：由三台原子钟组成的原子钟组；原子钟组的输出连接至原子钟信号分配器；一台原子钟信号分配器，对输入信号分别进行功率分配、放大以及矩阵切换；原子钟信号分配器的两组输出信号分别连接至两台卫星钟生成及管理器；两台卫星钟生成及管理器，一台热机工作，一台为冷机备份；两台卫星钟生成及管理器的输出都连接到卫星钟信号分配器；一台卫星钟信号分配器，对输入信号进行开关切换、功率分配以及功率放大。
2.根据权利要求 1 所述的高稳定时间与频率生成系统，其特征在于：原子钟组由两台甚高精度星载铷钟与一台星载被动型氢钟组成；星载被动型氢钟开机工作，作为主钟；一台甚高精度星载铷钟也开机工作，作为热备份；另一台甚高精度星载铷钟为不开机工作，作为冷备份。
3.根据权利要求 1 所述的高稳定时间与频率生成系统，其特征在于：原子钟信号分配器将每路输入信号功分成两路，然后提取出一路连接至3×2矩阵开关，三路信号形成一组，共两组，每组信号再进行三选二输出。
4.根据权利要求 1 所述的高稳定时间与频率生成系统，其特征在于：卫星钟生成及管理器输入信号为10MHz的正弦波信号；输出信号有10.23MHz正弦波、10.23MHz方波、5.115MHz方波、5Kpps（脉冲每秒）、500pps、50pps和1pps信号。
5.根据权利要求 1 所述的高稳定时间与频率生成系统，其特征在于：卫星钟信号分配器从两台卫星钟信号生成及管理器的输出信号组中用单刀双掷开关选择一组输出，并将其中的10.23MHz正弦波信号进行功率放大以及功率分配成多路输出。
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