CN105049040A - 一种利用gnss校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，包括：依据GNSS输入的1PPS信号在一个周期T内生成n个时间间隔信号；利用时间间隔信号测量CPT原子钟输出信号的频率，一个时间间隔信号测量记录一个CPT原子钟输出信号；在一个周期T内获得多个测量值，将多个测量值的平均值进行卡尔曼滤波处理后作为CPT原子钟在该周期内的实际输出频率；并将实际输出频率与预设频率的差值作为CPT原子钟的频率偏差；根据频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。本发明可以抑制CPT原子钟的频率漂移、改善CPT原子钟准确度和长期稳定度；提供的测频方法在略微增加校正时间间隔的前提下大幅度提高测频精度。

Description

一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法

技术领域

本发明属于原子钟领域，具体涉及一种利用全球卫星导航系统(GNSS，GlobalNavigationSatelliteSystem)接收机输出的秒脉冲(1PPS，1pulsepersecond)校正被动型相干布居囚禁(CPT，CoherentPopulationTrapping)原子钟输出频率的方法，通过该方法实现的CPT原子钟能够获得较高的频率稳定度和准确度，可以抑制频率漂移。

背景技术

CPT原子钟是一种新型原子钟，它具有体积小、功耗低、启动速度快等特点，可广泛应用于定位、导航、通信基站和精密定时等领域。

CPT原子钟利用微波对垂直腔表面发射激光器(VCSEL，VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)进行调制，产生调频多色光，由相干多色光的正负一级边带组成的双色光与原子相互作用，当微波频率合适时可制备出CPT态原子，由此可以观测到CPT现象。扫描耦合在激光器上的微波频率，得到呈洛伦兹线型的CPT信号，将CPT信号峰值对应的微波频率称为CPT信号的中心频率。CPT原子钟的微波频率由压控晶振输出的频率倍频得到，将微波频率锁定在CPT信号的中心频率，得到高稳定度输出频率的原子钟。CPT信号的中心频率会因为环境温度变化、激光光强变化等因素的影响而发生变化，导致原子钟的输出频率偏离标准输出频率。如果知道CPT原子钟输出信号的频率偏离标准输出频率的大小，就可以通过一些手段，例如通过调节原子钟电路控制系统的微波倍频链的倍频系数、物理系统的磁场强度等，可以将输出频率校正到预设标准输出频率，提高原子钟输出频率的精度。

GNSS(如GPS、GALILEO、GLONASS和BDS等)每颗卫星上由于装载有较高频率稳定度和准确度的原子钟，通常为铷钟、铯钟和被动型氢钟，因此能够在覆盖范围内提供高精度时间。通过GNSS接收机获得的GNSS卫星输出的1PPS可以作为高精度的时间源，利用CPT原子钟输出信号测量获得的时间间隔，将时间间隔作为已知量从而反推出CPT原子钟输出信号的频率。

由于信号从卫星传播到接收机过程以及接收机本身引入了噪声，使得通过GNSS接收机获得的1PPS信号时钟序列相对于国际标准时间对应的序列存在抖动，普通接收机输出的1PPS的抖动高达10—100ns，如果直接利用1PPS作为标准时间源测量CPT原子钟输出信号的频率会带来较大的测频误差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，其目的在于抑制CPT原子钟的频率漂移，提高CPT原子钟输出信号频率的精度。

本发明提供了一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，包括下述步骤：

S1：利用1PPS信号测量CPT原子钟的频率，频率测量值与预设频率的差值作为频率偏差；

S2：根据所述频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。其中，该预设频率是已知值，一般为10M。

更进一步地，步骤S1具体为：

S11：生成周期为T的校正控制信号；

S12：依据GNSS输入的1PPS信号在一个周期T内生成n个时间间隔信号；

S13：利用时间间隔信号测量CPT原子钟输出信号的频率，一个时间间隔信号测量记录一个CPT原子钟输出信号的频率；

S14：在所述校正控制信号的一个周期内获得多个测量值，将多个测量值的平均值进行卡尔曼滤波处理后作为CPT原子钟在该周期内的实际输出频率；并将所述实际输出频率与预设频率的差值作为CPT原子钟的频率偏差。

更进一步地，步骤S11具体为：

通过对CPT原子钟输出信号的频率进行周期计数，获得周期性的校正控制信号；其中，一个周期为T的校正控制信号由一个高电平和一个低电平组成，高电平的持续时间为(T-t₀)，低电平的持续时间为t₀，t₀的取值范围为1us-1ms。

更进一步地，在所述校正控制信号的所述高电平持续时间内获得CPT原子钟频率偏差，在所述低电平持续时间内根据频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。

更进一步地，步骤S12具体为：

通过对CPT原子钟输出信号的频率进行周期计数，获得周期性的多脉冲闸门信号；

根据所述多脉冲闸门信号获得H组两脉冲闸门信号；

每个两脉冲闸门信号通过捕获1PPS的上升沿获得一个时间间隔信号，共得到n个时间间隔信号；其中H的取值与n值相等。

更进一步地，获得H组两脉冲闸门信号具体为：

在所述多脉冲闸门信号的一个周期T内有2n个脉冲高电平，每个脉冲高电平持续时间大于1s小于2s，前n个脉冲上升沿的间距为ks，后n个脉冲上升沿的间距也为ks；第1个脉冲高电平的上升沿和第n+1个脉冲高电平的上升沿之间的间距为T'，第1个脉冲与第n+1个脉冲为第一组，第2个脉冲与第n+2个脉冲为第二组，……第n个脉冲与第2n个脉冲为第H组，依次类推获得H组脉冲，每组脉冲包括高电平和低电平，每组脉冲构成一个两脉冲闸门信号，两脉冲闸门信号的两个脉冲的上升沿间距为T'，共获得H组两脉冲闸门信号；两脉冲闸门信号的周期为T；其中，k为大于1的整数。

更进一步地，获得一个时间间隔信号具体为：校正控制信号的一个周期T内，两脉冲闸门信号有两个脉冲高电平，第一个脉冲高电平持续时间探测1PPS的上升沿，当1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置高电平；在第二个脉冲高电平持续时间探测GPS的1PPS的上升沿，当GPS的1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置低电平，从而生成一个时间间隔信号，时间间隔信号提供时间间隔，用于测量CPT原子钟输出频率。

更进一步地，在步骤S13中，所述CPT原子钟输出信号的频率为其中，T'＝NT_c+τ₁-τ₂，T_c＝1/f_c，N为在时间间隔信号的高电平持续时间内测量的CPT原子钟输出信号上升沿的个数；τ₁、τ₂为直接计数法带来的误差，T'为时间间隔信号一个周期内高电平持续时间，T_c为CPT原子钟输出信号的周期。

更进一步地，在步骤S2中，当CPT原子钟输出信号的频率与预设频率之间的差值大于设定的阈值时，采用粗调将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设的频率；

当CPT原子钟输出信号的频率与预设的频率之间的差值小于设定的阈值时，采用细调将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。

其中，粗调通过改变电路控制系统的微波倍频链的倍频系数实现，细调通过改变CPT原子钟物理系统中磁场线圈的电流实现。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明提出了一种测频方法，该方法通过平均滤波器和卡尔曼滤波器抑制1PPS的白噪声，提高了测频精度。

(2)在一个校正周期内，利用GNSS的1PPS获得n个时间间隔信号，n个时间间隔信号的高电平持续时间呈正态分布，利用呈正态分布的时间作为基准测量CPT原子钟输出信号的频率得到n个测量值，这些测量值误差同样满足正态分布，将这些测量值平均后作为一个校正周期内CPT原子钟的实际输出频率，增加了测频精度。应用本方法可以在略微增加校正时间间隔的前提下大幅度提高测频精度，进一步提高CPT原子钟输出信号频率的精度。

(3)实现本发明的装置结构简单，信号处理方案可以采用全数字方法实现，相对于传统的CPT原子钟仅仅增加了一个时间数字转换器(TDC，TimetoDigitalConvert)。

附图说明

图1为校正控制信号的一个周期T内生成H个两脉冲闸门信号方法示意图，通过图1的方法可以在一个校正周期内生成H个两脉冲闸门信号，每个两脉冲闸门信号通过捕获1PPS的上升沿获得一个时间间隔信号，H个两脉冲闸门信号得到n个时间间隔信号，H和n的值相同。

图2为单次频率测量方法示意图。包括一个时间间隔信号的产生方法以及利用时间间隔信号的高电平持续时间测量CPT原子钟输出信号频率的方法。其中t₁和t₂为闸门信号的高电平持续时间，用于捕获1PPS的上升沿。T'为时间间隔信号一个周期内高电平持续时间，T_c为CPT原子钟输出信号的周期，N为一个高电平持续时间内CPT原子钟输出信号的上升沿个数，τ₁和τ₂的值利用TDC测量。

图3为一个校正周期T内的频率测量示意图。其中T为校正控制信号的周期，校正间隔与校正周期的值相同，即每T时间根据CPT原子钟输出信号的频率值偏离预设标准输出频率的大小校正CPT原子钟输出信号的频率。在一个校正周期内生成n个时间间隔信号，每一个时间间隔信号测量记录一个频率测量值，将这些值的平均值作为T时间内CPT原子钟输出信号的频率值。

图4为一种利用1PPS校正CPT原子钟的装置示意图。

图5为相对于传统CPT原子钟本发明新增装置示意图。

图6为本发明实现的CPT原子钟与不加校正的CPT原子钟阿伦方差对比图。

图7利用本发明实现的CPT原子钟的准确度；所实现的原子钟准确度在短时间内进入E-12量级。

图8为卡尔曼滤波器流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种利用GNSS接收机输出的1PPS校正CPT原子钟输出频率的方法，将GNSS与CPT原子钟结合起来实现的具有校正功能的CPT原子钟可以获得较高精度。该方法能够利用GNSS接收机输出的1PPS测量CPT原子钟输出信号的频率，从而得到输出频率偏离预设标准输出频率的大小，同时利用平均滤波器和卡尔曼滤波器结合的方法抑制1PPS抖动引起的测频误差。本发明还提供了一种调节CPT原子钟输出信号频率的方法，将微波倍频链倍频系数的调节作为粗调，物理系统磁场场强的调节作为细调。粗调与细调相结合的方法不仅可以精确地调整CPT原子钟输出信号的频率同时可以确保物理系统磁场场强不发生大的变化从而影响CPT原子钟的稳定性。

本发明在已有的CPT原子钟技术基础上，对原子钟增加接收1PPS信号功能。每个时间T，利用1PPS信号测量CPT原子钟输出信号的频率，频率的测量值与预设标准输出频率的差值作为CPT原子钟的频率偏差，依据获得的频率偏差调节CPT原子钟电路控制系统的微波倍频链的倍频系数和物理系统的磁场场强，将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设标准频率。其中磁场场强的变化可以通过改变磁场线圈的电流实现；

本发明提供的一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，具体为：

A、采用本地CPT原子钟输出的频率信号作为计时时钟，通过对时钟计数生成周期为T的校正控制信号。如图1所示，一个周期的校正控制信号由一个高电平和一个低电平组成，高电平的持续时间为(T-t₀)，低电平的持续时间为t₀，t₀的取值范围为1us-1ms。在校正控制信号的高电平持续时间测量CPT原子钟输出信号的频率，频率的测量值与预设标准输出频率的差值作为输出频率偏差，在低电平持续时间依据频率偏差校正CPT原子钟输出信号的频率。

B、生成H个两脉冲闸门信号。具体方法是：如图1所示，通过对时钟计数，在校正控制信号的高电平持续时间内生成多个脉冲高电平，脉冲高电平之外为低电平，这样就获得了一个多脉冲闸门信号，周期也为T；在多脉冲闸门信号的一个周期T有2n个脉冲高电平，且每个脉冲高电平持续时间大于1s小于2s，2n个脉冲高电平中，前n个脉冲高电平中任意相邻两个脉冲的上升沿之间的间距为ks(即第1个脉冲高电平的上升沿与第2个脉冲高电平的上升沿之间的间距为k秒，第2个脉冲高电平的上升沿与第3个脉冲高电平的上升沿之间的间距为k秒，……第n-1个脉冲高电平的上升沿与第n个脉冲高电平的上升沿之间的间距为k秒)；后n个脉冲高电平中任意相邻两个脉冲的上升沿之间的间距也为ks(即第n+1个脉冲高电平的上升沿与第n+2个脉冲高电平的上升沿之间的间距为k秒，第n+2个脉冲高电平的上升沿与第n+3个脉冲高电平的上升沿之间的间距为k秒，……第2n-1个脉冲高电平的上升沿与第2n个脉冲高电平的上升沿之间的间距为k秒，)，k为大于1的整数。第1个脉冲高电平的上升沿和第n+1个脉冲高电平的上升沿之间的间距为T'(即第n个脉冲高电平的上升沿与第n+1个脉冲高电平的上升沿之间的间距为T'-(n-1)k秒)。

令第1个脉冲与第n+1个脉冲为第一组，第2个脉冲与第n+2个脉冲为第二组，……第n个脉冲与第2n个脉冲为第H组，依次类推获得H组脉冲，每组脉冲构成一个两脉冲闸门信号，两脉冲闸门信号除两个脉冲之外为低电平，两脉冲闸门信号的两个脉冲的上升沿间距为T'，共获得H组两脉冲闸门信号；两脉冲闸门信号的周期也为T；其中H为两脉冲闸门信号的总数，其取值与n的取值相同。

C、通过两脉冲闸门信号控制触发电路工作，在两脉冲闸门信号中高电平持续时间段触发电路工作，当1PPS信号的上升沿到来时，所述触发电路的输出发生该变，当1PPS信号的上升沿没有到来时，所述触发电路的输出不发生该变；在两脉冲闸门信号中低电平持续时间段触发电路不工作；

每个两脉冲闸门信号通过捕获时间源1PPS的上升沿可以获得一个时间间隔信号。如图2所示，在两脉冲闸门信号的一个周期T内，第一个高电平持续时间内通过触发电路探测1PPS的上升沿，当1PPS上升沿到来时，触发电路输出的时间间隔信号置高电平。同理在第二个高电平持续时间探测1PPS的上升沿，当1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置低电平。这样就生成了时间间隔信号的一个周期，一个周期T内高电平持续时间为T'。T'的精度由1PPS的精度决定，利用1PPS提供的具有较高精度的时间测量CPT原子钟输出信号的频率。

具体测量方法如图2所示，在时间间隔信号的高电平持续时间，测量CPT原子钟输出信号上升沿的个数N。通过TDC测量图2中τ₁、τ₂的值，可以得到：T'＝NT_c+τ₁-τ₂(1)；其中T_c为CPT原子钟输出信号的周期。由上式可得CPT原子钟输出信号的频率为：实际上时间间隔信号一个周期T内的高电平持续时间并不为T'，而是存在误差，这种误差主要来源于1PPS抖动引起的白噪声，将误差记为△T。于是由此带来的相对测频误差为

D、在目前的GNSS接收机中，GNSS接收机输出的1PPS时钟序列与国际标准时间对应的序列存在一定误差ε。一般地，ε服从正态分布ε～N(0,σ²)(5)；GNSS接收机输出的1PPS上升沿对应国际标准时间可记为：ε₀,1+ε₁,2+ε₂,3+ε₃,...,x+ε_x,...(6)。

如图2所示，在时间间隔信号的一个周期内有一个脉冲高电平，如果脉冲高电平上升沿对应的国际标准时间为ε₀，那么下降沿对应的国际标准时间为T'+ε_T'，获得的高电平持续时间相对于标准时间的偏差ΔT为ε_T'-ε₁，ε为服从正态分布的独立随机平稳过程。(ε_T',ε₁是ε的子集)普通接收机输出的1PPS的抖动ε的标准差σ为10—100ns，如果直接采用C中的方法测量CPT原子钟输出信号的频率，其测频精度不高。我们发现如果把ε_T'-ε₁作为变量ξ_x＝ε_x+T'-ε_x(7)；ξ同样服从正态分布ξ～N(0,2σ²)(8)。ΔT与ξ等价。

如图3所示，利用步骤B中生成的H个两脉冲闸门信号使用步骤C中的方法，可以获得n个时间间隔信号，进而可以测量记录n个CPT原子钟输出信号的频率。由于CPT原子钟输出信号的频率比较稳定，根据公式(4)可以得到n个频率测量值近似服从正态分布一个校正周期T内得到的多个测量值的平均值 相较于f₀的误差为将作为时间T内CPT原子钟实际输出频率，相对测频精度为如果在相同的时间T只生成一个时间间隔信号测量CPT原子钟输出信号的频率，相对测频精度为其中T略大于T'，在相同的校正时间间隔下，测频精度大约提高了倍。在利用GNSS的1PPS校正CPT原子钟输出信号的频率方案中，测频精度越高越好。根据公式(4)，通过减小ΔT或者增加T'可以提高测频精度。ΔT由GNSS系统精度以及接收机性能决定，T'由我们人为设定，但是增加T'意味着校正时间间隔变长，当校正时间间隔过长时将导致CPT原子钟出现偏差时不能及时校正，降低CPT原子钟输出信号的精度。本发明通过在一个校正周期内获得多个频率测量值然后平均的方法，可以在较短的校正间隔内获得较高的测频精度，从而在确保测频精度的前提下缩短了校正间隔，提高了CPT原子钟输出信号频率的精度。我们将上述方法称为平均滤波器。

E、将步骤C中得到的频率输出值经过卡尔曼滤波处理，计算滤波所获结果与预设标准输出频率的差值，用所获差值调整CPT原子钟输出信号的频率。本发明中调整CPT原子钟的方法分为粗调和细调。粗调通过改变CPT原子钟电路控制系统的微波倍频链的倍频系数实现，细调通过改变CPT原子钟物理系统中的磁场线圈的电流实现。当CPT原子钟输出信号的频率偏离预设标准频率的大小大于设定的阈值A时，采用粗调节；当CPT原子钟输出信号的频率偏离预设标准频率的大小小于阈值A时，采用细调节。

本申请利用1PPS信号的特点，提出了一种CPT原子钟输出信号频率的测量方法，该方法可以大幅度提高测量精度，在满足测频精度的条件下缩短校正间隔，进一步抑制CPT原子钟频率漂移，提高CPT原子钟准确度和稳定度。还提出了一种CPT原子钟输出频率调节方法，粗调与细调的结合可以精确调节CPT原子钟频率的同时不影响原子钟的稳定性。

下面结合附图，对本发明做进一步说明，其中CPT原子钟预设标准频率为10MHz，GNSS的1PPS来自于全球定位系统(GPS，globalpositionsystem)。

一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，其具体步骤是：

步骤1：启动CPT原子钟。

步骤2：将CPT原子钟输出信号的频率作为计时时钟，如图3所示，通过对CPT原子钟输出信号的上升沿计数可以得到较准确的校正控制信号，在校正控制信号的一个周期T内获得n个时间间隔信号，然后以获得的时间间隔信号的高电平持续时间为基准测量记录CPT原子钟的输出值，n个时间间隔信号得到n个频率测量值，将这些频率测量值平均后作为校正控制信号的一个周期T内CPT原子钟输出信号的频率。

下面具体说明一个周期T内测量CPT原子钟输出信号频率的方法。将校正控制信号的周期设为420s，n为10，t₁和t₂为1.5s，k为2s，时间间隔信号一个周期内的高电平持续时间T'为400s，时间数字转换器采用TDC_GP21。首先，将CPT原子钟输出的10MHz信号分频为1KHz。然后对1KHz信号计数，第一个上升沿计数为0，每当1KHz信号上升沿到来时计数值依次增加1。当计数值为420000时，1KHz信号的下一个上升沿到来时，计数值重置0，按上述方法周期循环。如图1所示，在计数值0-1499，2000-3499，4000-5499，6000-7499，8000-9499，10000-11499，12000-13499，14000-15499，16000-17499，18000-19499，400000-401499，402000-403499，404000-405499，406000-407499，408000-409499，410000-411499，412000-413499，414000-415499，416000-417499，418000-419499时多脉冲闸门信号为高电平，计数值为其他值时，多脉冲闸门信号为低电平。通过上述方法生成一个多脉冲闸门信号，周期为420s，一个周期内有20个脉冲高电平。令第1个脉冲与第11个脉冲为1组，第2个脉冲与第12个脉冲为一组，依次类推。这样就得到了10组脉冲，每组脉冲构成一个两脉冲闸门信号。两脉冲闸门信号的两个脉冲上升沿的间距为400s。一个两脉冲闸门信号通过捕获1PPS上升沿获得一个时间间隔信号，利用图2中的方法，在两脉冲闸门信号第一个高电平持续时间内探测GPS的1PPS的上升沿，当GPS的1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置高电平。同理在第二个高电平持续时间内探测GPS的1PPS的上升沿，当GPS的1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置低电平。这样就生成了一个时间间隔信号，10个闸门信号可以生成10个时间间隔信号。每一个时间间隔信号测量记录一个CPT原子钟输出信号的频率。具体方法如下：在时间间隔信号高电平持续时间，对CPT原子钟输出信号的上升沿计数，可以得到计数个数为N，图2中的τ₁和τ₂用时间数字转换器TDC_GP21测量，可以得到如下测量值T'＝NT_c+τ₁-τ₂(12)；TDC_GP21利用CPT原子钟输出信号作为时钟源则有τ₁-τ₂＝(d₁-d₂)×T_c(13)；其中d₁和d₂由TDC_GP21得到，T_c为CPT原子钟输出信号的周期；T_c＝1/f_c(14)将(13)(14)代入(12)可得这样就利用1个时间间隔信号测量出了CPT原子钟输出信号的频率。10个时间间隔信号可以得到10个频率测量值，将这些频率测量值平均后作为一个校正周期420s内的实际输出频率。

步骤3：利用卡尔曼滤波器对步骤2中得到的实际输出频率进一步处理，卡尔曼滤波器能滤除一部分白噪声。如图8所示，卡尔曼滤波器包含有五个基本方程，其中代表噪声参量的Q和R采用统计平均值，可以提前测量出。卡尔曼滤波器的输出与预设标准输出频率10MHz的差值作为CPT原子钟输出信号的频率偏差。

步骤4：以CPT原子钟输出信号的频率偏差值作为依据，校正CPT原子钟输出信号的频率。CPT原子钟输出信号的频率的调节方式有两种，分别为粗调和细调：粗调通过调节微波倍频链的倍频系数实现，细调通过调节物理系统中的磁场线圈电流实现。当上述差值的绝对值大于2E-2Hz时，对CPT原子钟输出信号的频率粗调，否则通过细调来调整输出频率。通过上述方法所实现的原子钟性能如图7、8所示。

本发明还提供了一种利用GNSS校正相干布局囚禁原子钟输出频率系统，具体结构如图4所示，包括电路控制系统和物理系统。其中电路控制系统包括控制器、数模转换器、电压/电流转换电路、偏置器(Bias-Tee)、压控晶振、锁相环、压控振荡器、电流/电压转换电路、模数转换器、时间数字转换器和GNSS接收机，压控晶振、锁相环、压控振荡器构成微波倍频链。物理系统包括激光产生器、磁场线圈、磁屏蔽、原子泡和光检测装置。电流/电压转换电路的输入端连接光检测装置的输出端，电流/电压转换电路的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接控制器中模数转换器接口的输入端，第一数模转换器的输入端连接控制器中第一数模转换器接口的输出端，第一数模转换器的输出端连接电压/电流转换电路a的输入端，电压/电流转换电路a的输出端连接Bias-Tee的直流输入端，第二数模转换器的输入端连接控制器中第二数模转换器接口的输出端，第二数模转换器的输出端连接压控晶振的压控输入端，锁相环的参考信号输入端连接压控晶振的输出端，锁相环配置接口输入端连接控制器中锁相环配置接口的输出端，锁相环的输出端连接压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端分成两路，一路连接Bias-Tee的微波输入端，另一路连接锁相环射频信号输入端，Bias-Tee的输出端连接物理系统中激光产生器的输入端，时间数字转换器的输入端连接控制器中时间数字转换器接口的输出端，时间数字转换器的输出端连接控制器中时间数字转换器接口的输入端，GNSS接收机的输出端连接控制器中1PPS信号的输入端，第三数模转换器的输入端连接控制器中第三数模转换器接口的输出端，第三数模转换器的输出端连接电压/电流转换电路b的输入端，电压/电流转换电路b的输出端连接磁场线圈的输入端。

其中控制器中新增功能模块如图5所示，包括时间间隔信号产生模块、测频模块、卡尔曼滤波器、倍频系数调节模块和磁场线圈电流调节模块；其特征在于GNSS接收机的输出端连接时间间隔信号产生模块中1PPS信号的输入端，时间间隔信号产生模块的输出端连接测频模块时间间隔信号接口的输入端，时间数字转换器的输出端连接测频模块中时间数字转换器接口的输入端，测频模块中时间数字转换器接口的输出端连接时间数字转换器的输入端，测频模块的输出端连接卡尔曼滤波器的输入端，卡尔曼滤波器的输出端分成两路，一路连接倍频系数调节模块的输入端，另一路连接磁场线圈电流调节模块的输入端，CPT原子钟中晶振输出端分成三路，一路连接时间间隔信号产生模块时钟信号输入端，另一路连接测频模块时钟信号输入端，第三路连接时间数字转换器时钟信号输入端。上述功能模块可以通过编写代码在控制器中实现。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：利用1PPS信号测量CPT原子钟的频率，频率测量值与预设频率的差值作为频率偏差；

S2：根据所述频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体为：

S11：生成周期为T的校正控制信号；

S12：依据GNSS输入的1PPS信号在一个周期T内生成n个时间间隔信号；

S13：利用时间间隔信号测量CPT原子钟输出信号的频率，一个时间间隔信号测量记录一个CPT原子钟输出信号；

S14：在所述校正控制信号的一个周期内获得多个测量值，将多个测量值的平均值进行卡尔曼滤波处理后作为CPT原子钟在该周期内的实际输出频率；并将所述实际输出频率与预设的频率的差值作为CPT原子钟的频率偏差。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S11具体为：

通过对CPT原子钟输出信号的频率进行周期计数，获得周期性的校正控制信号；其中，一个周期为T的校正控制信号由一个高电平和一个低电平组成，高电平的持续时间为(T-t₀)，低电平的持续时间为t₀，t₀的取值范围为1us-1ms。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述校正控制信号的所述高电平持续时间内测量CPT原子钟频率偏差，在所述低电平持续时间内根据频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设的频率。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S12具体为：

通过对CPT原子钟输出信号的频率进行周期计数，获得周期性的多脉冲闸门信号；

根据所述多脉冲闸门信号获得H组两脉冲闸门信号；

每个两脉冲闸门信号通过捕获1PPS的上升沿获得一个时间间隔信号，共得到n个时间间隔信号；其中H的取值与n值相等。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，获得H组两脉冲闸门信号具体为：

在所述多脉冲闸门信号的一个周期T内有2n个脉冲高电平，每个脉冲高电平持续时间大于1s小于2s，前n个脉冲上升沿的间距为ks，后n个脉冲上升沿的间距也为ks；第1个脉冲高电平的上升沿和第n+1个脉冲高电平的上升沿之间的间距为T'，第1个脉冲与第n+1个脉冲为第一组，第2个脉冲与第n+2个脉冲为第二组，……第n个脉冲与第2n个脉冲为第H组，依次类推获得H组脉冲，每组脉冲包括高电平和低电平，每组脉冲构成一个两脉冲闸门信号，两脉冲闸门信号的两个脉冲的上升沿间距为T'，共获得H组两脉冲闸门信号；两脉冲闸门信号的周期为T；其中，k为大于1的整数。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，获得一个时间间隔信号具体为：校正控制信号的一个周期T内，两脉冲闸门信号有两个脉冲高电平，第一个脉冲高电平持续时间探测1PPS的上升沿，当1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置高电平；在第二个脉冲高电平持续时间探测GPS的1PPS的上升沿，当GPS的1PPS上升沿到来时，时间间隔信号置低电平，从而生成一个时间间隔信号。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S13中，所述CPT原子钟输出信号的频率为其中，T'＝NT_c+τ₁-τ₂，T_c＝1/f_c，N为在时间间隔信号的高电平持续时间内测量的CPT原子钟输出信号上升沿的个数；τ₁、τ₂为直接计数法带来的误差，T'为时间间隔信号一个周期内高电平持续时间，T_c为CPT原子钟输出信号的周期。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，当CPT原子钟输出信号的频率与预设的频率之间的差值大于设定的阈值时，采用粗调将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率；

当CPT原子钟输出信号的频率与预设的频率之间的差值小于设定的阈值时，采用细调将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。