CN107526288A - 一种基于gps的时差修正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPS的时差修正装置和方法，系统包括温控模块、VCXO模块、量子系统、压控修正模块、伺服模块、DDS分频单元、相位累积模块和GPS信号接收模块。本发明通过GPS同步校准的推广，将原子钟的长期运行指标跟GPS同步，而短期指标保留现有技术，这样就可以避免由于系统内部原因造成的整机漂移带来的输出信号频率变化。

Description

一种基于GPS的时差修正装置及方法

技术领域

本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种基于GPS的时差修正装置及方法。

背景技术

被动型铷授时设备中，量子系统是整个授时设备的核心部件，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线。经综合调制后，电子线路产生的源于压控石英晶体振荡器（VCXO）的带调制的微波探询信号作用于量子系统，经量子鉴频后，通过伺服电路对量子鉴频信息的处理，最终将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0－0跃迁中心频率上。

现有大多数伺服电路根据综合提供的同步鉴相信号对量子鉴频信号进行同步鉴相，并根据鉴相结果信息采用独立的D/A压控本振的方式来实现整机的闭环锁定，最终通过本振输出稳定度较高的频率信号。

但是现有技术方案中，容易出现长期漂移，该问题需要解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于GPS信号进行修正以克服长期漂移的时差修正装置及方法。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案（一）是：一种基于GPS的时差修正装置，包括温控模块、VCXO模块、量子系统、压控修正模块、伺服模块、DDS分频单元、相位累积模块和GPS信号接收模块；

所述温控模块适于对VCXO模块的工作温度进行监测；

所述VCXO模块的一路信号输出至所述量子系统，另一路分频信号输出至所述DDS分频单元；

所述DDS分频单元适于将VCXO模块的一路分频信号经其处理后送至所述相位累积模块；

所述GPS信号接收模块适于在接收GPS信号后将其转换成秒脉冲信号并基于所述秒脉冲信号产生一路1KHz的同步参考信号，所述秒脉冲信号和同步参考信号一起被送至相位累积模块；

所述相位累积模块适于对所述同步参考信号和分频信号相位差累积计算并将所得的相位差值发送到伺服模块；

所述伺服模块适于对所述量子系统输出的量子鉴频信号进行同步鉴相，还适于将所述相位差值转换成频率差值再将所述频率差值转换成直流纠偏电压值，将所述直流纠偏电压值发送到压控修正模块；

所述压控修正模块根据所述直流纠偏电压值对所述VCXO进行调控。

进一步的，所述DDS分频单元包括隔离放大器、DDS模块、走时计数器、锁存器、单片机和滤波模块；

所述隔离放大器的输入端为被测信号输入端，所述隔离放大器的第一输出端连接到所述走时计数器，所述走时计数器和所述锁存器以及单片机依次耦合；

所述隔离放大器的第二输出端连接到所述DDS模块的外部时钟输入端，所述DDS模块的输出端连接到所述滤波模块；

所述单片机的控制端连接到所述DDS模块的受控端。

进一步的，所述温控模块包括第一测温桥路和运算放大器，所述第一测温桥路是由是由两个阻值相同的电阻、一个具有预设温度值的热敏电阻传感器及测温热敏电阻构成，所述运算放大器的信号读取端分别连接到所述第一测温桥路的两端。

进一步的，还包括增益控制模块，所述增益控制模块包括第二测温桥路、第一电压跟随器、第二电压跟随器、差分放大模块和增益线性调节电路，所述第二测温桥路的两端分别连接到所述第一电压跟随器和第二电压跟随器，所述第一电压跟随器和第二电压跟随器的输出端分别连接到差分放大模块，所述差分放大模块的输出端连接到所述增益线性调节电路。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案（二）是：一种基于GPS的时差修正方法，包括以下步骤：

将GPS信号转换成秒脉冲信号，并基于所述秒脉冲信号产生1KHz的同步参考信号；

将VCXO模块的一路分频信号处理成与所述同步参考信号频率一致的1KHz；

计算所述同步参考信号与分频信号的相位差值；

根据所述相位差值转换成频率差值进而将所述频率差值转换成直流纠偏电压值；

根据所述直流纠偏电压值对VCXO模块进行压控修正。

本发明的有益效果是：

本发明通过GPS同步校准的推广，将原子钟的长期运行指标跟GPS同步，而短期指标保留现有技术，这样就可以避免由于系统内部原因造成的整机漂移带来的输出信号频率变化。

附图说明

下面结合附图对本发明的基于GPS的时差修正装置作进一步说明。

图1是本发明中基于GPS的时差修正装置的结构框图；

图2是DDS分频单元的结构框图；

图3是相位累积示意图；

图4是压控修正示意图；

图5是温控模块的电路图；

图6是增益调节模块的电路图。

具体实施方式

根据图1所示，本发明中的基于GPS的时差修正装置，包括温控模块、VCXO模块、量子系统、压控修正模块、伺服模块、DDS分频单元、相位累积模块和GPS信号接收模块。

其中，所述VCXO模块的一路信号输出至所述量子系统，另一路分频信号输出至所述DDS分频单元。

所述GPS信号接收模块适于在接收GPS信号后将其转换成秒脉冲信号并基于所述秒脉冲信号产生一路1KHz的同步参考信号，所述秒脉冲信号和同步参考信号一起被送至相位累积模块。具体的GPS信号接收模块获得GPS卫星发送的信号，经转换处理后获得秒脉冲信号f0送至相位累积模块中，并且基于GPS秒脉冲信号产生1KHz的同步参考信号f1亦送至相位累积模块中。

所述DDS分频单元适于将VCXO模块的一路分频信号经其处理后送至所述相位累积模块。具体的VCXO的输出信号经DDS分频单元后得到f2送至相位累积模块中。在这里我们设置了DDS的分频比，最终的目标是要使分频后的信号频率与同步参考信号f1频率一致，即f2=1KHz。要注意的是我们专利中要涉及到f1与f2的相位检测，我们希望在理论上f1=f2，这样就能实现同频不同相位的检测，以提高本专利的检测精度。但在实际上不可能使这两者完全相同，例如f1=1.0012KHz，f2=1.0023KHz，为解决这一问题，我们在相位累积模块中设置了图2所示的DDS分频电路结构来使f1与f2的数值尽可能接近，因此可以作为优选的是：如图2所示，所述DDS分频单元包括隔离放大器、DDS模块、走时计数器、锁存器、单片机和滤波模块。所述隔离放大器的输入端为被测信号输入端，所述隔离放大器的第一输出端连接到所述走时计数器，所述走时计数器和所述锁存器以及单片机依次耦合。所述隔离放大器的第二输出端连接到所述DDS模块的外部时钟输入端，所述DDS模块的输出端连接到所述滤波模块。所述单片机的控制端连接到所述DDS模块的受控端。

被测频率信号f_x（f1或f2）经过隔离放大器后分别送至走时计数器和DDS模块。送至走时计数器进行粗频率测量，单片机读取锁存器对走时计数器取样的数值后，记录下此时的频率数值，便可得到被测信号的粗频率值F。另一路经过隔离放大器的被测信号被送至DDS模块的外部时钟输入端，作为DDS工作时的参考时钟。同时DDS模块的外部通讯端口连接至单片机，单片机根据式现有DDS处理技术计算得到与DDS模块通讯用的分频数值（这里我们采用的DDS模块是AD9852，它有48位频率控字寄存器）：，其中F为通过走时计数器计数、单片机运算得到的被测信号的粗频率值，f取1KHz，并通过串行通讯时序将所得的具体分频数值写入DDS缓存区，经DDS后得到1KHz的频率信号，将所得的频率信号再送至低通滤波模块后得到最终的1KHz频率信号输出。

经过DDS模块的处理后，我们使理论上f1=f2=1KHz。所述相位累积模块适于对所述同步参考信号和分频信号相位差累积计算并将所得的相位差值发送到伺服模块。相位累积模块具体的处理方法相应的时序如图3所示：

GPS秒脉冲闸门信号f0（宽度为T=1秒）在高电平时，经t1时间后，VCXO的分频信号f2（1KHz）第一个脉冲的上升沿，使相位累积有效，开始参考信号f1与VCXO分频信号的相位差累积计算。当T秒后，GPS秒脉冲闸门高电平再次到来时，经过t2时间后，等到随后而至的VCXO频率信号的上升沿到来时，即时刻参考信号f1与VCXO分频信号的相位差累积计算过程一直持续，并且图1中的伺服模块一直记录着参考信号f1与VCXO分频信号f2的相位差的具体数值，我们只是在这一时刻由伺服模块判断的信息。这里使能信号（实际闸门信号）的时间宽度，恰好等于VCXO频率信号的完整周期数（N）。

图3中GPS秒脉冲f0的频率为1Hz，即T=1秒，从上述原理可以看出：我们只按照每一个T=1秒的间隔进行一次f1与f2相差值。当经过M次T=1秒的采样后，此时时，那么伺服模块将M*T时间内获得的相差数据按照传统“相位差-频差”转换理论获得对应的f1和f2信号的频差值,伺服模块将按照图1中的VCXO“压控斜率”关系将转化成为（直流纠偏电压值）使能压控修正模块工作作用于VCXO。再将所述相位差值转换成频率差值并将所述频率差值发送到伺服模块。

所述伺服模块适于对所述量子系统输出的量子鉴频信号进行同步鉴相，还适于将所述相位差值转换成频率差值再将所述频率差值转换成直流纠偏电压值，将所述直流纠偏电压值发送到压控修正模块。

具体在实施时可以选择相应的VCXO的压控斜率值，如选择1E-7/V，选择老化漂移率较小的VCXO，例如：-1E-6/年，按一年365天换算得到:-2.7E-9/天。如图4所示，其中曲线部分（原子钟输出）表达的是传统原子钟技术获得的一台成型原子钟的频率采样曲线。由图4曲线部分可以看出，在整个采样过程中，原子钟输出会较大的波动点：频率波动上限、频率波动下限。这对于一些对频率绝对值要求苛刻的场合，例如导弹精确制导、GPS精确导航等是极其不利的。

在利用本专利的方法按照图1装置获得的新原子钟后，在传统原子钟基础上将原子钟输出频率压制在图4的预期值方框范围内。具体的实施方案如下：

1、内部记录了VCXO的压控斜率数据，并建立起“电压—频率”的关系，即想要实现图4中的预期值范围，伺服记录相应的电压值V1、V2。按照现有原子钟闭环锁定伺服技术，结合图1，假定在某一时刻伺服输送至压控修正模块的电压值为Vo，按现有原子钟技术，在量子系统处获得量子纠偏电压，此时，伺服判断相应的值是否位于V1、V2范围内，（1）、如果不在此范围内（V>V1或V<V2），则此时伺服保持电压值Vo至压控修正模块；（2）若有（V2<V<V1），则此时伺服将电压V值输至压控修正模块。这里实现了原子钟输出频率控制在小范围内，即实现图4所示的预期值方框内。

2、结合选用的VCXO老化漂移数据：-2.7E-9/天、以及VCXO的压控斜率值：1E-7/V，伺服模块按照每天对纠偏电压V进行相应的主调整，即每天使纠偏电压V在上述1技术基础之上，加上一个固定的修正值，如：27mV，则相应的引起VCXO输出频率增加1E-7/V×27mV=+-2.7E-9，这样可以补偿支VCXO因为老化漂移引起的频率变化影响。这里的方案将使上述1获得更好的实施效果。

其中，所述温控模块适于对VCXO模块的工作温度进行监测。可以作为优选的是：所述温控模块包括第一测温桥路和运算放大器，所述第一测温桥路是由是由两个阻值相同的电阻、一个具有预设温度值的热敏电阻传感器及测温热敏电阻构成，所述运算放大器的信号读取端分别连接到所述第一测温桥路的两端。由于整个温度控制模块置于VCXO中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图5所示，其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度T。故当工作环境温度T无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度T发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

可以作为优选的是：还包括增益控制模块，如图6所示，所述增益控制模块包括第二测温桥路、第一电压跟随器、第二电压跟随器、差分放大模块和增益线性调节电路，所述第二测温桥路的两端分别连接到所述第一电压跟随器和第二电压跟随器，所述第一电压跟随器和第二电压跟随器的输出端分别连接到差分放大模块，所述差分放大模块的输出端连接到所述增益线性调节电路。图6中的第二测温桥路与上述所说的第一测温桥路原理一致。第二测温桥路中的桥路测温主要由两个阻值相同的R，一个预设温度值热敏电阻传感器Ro（它决定了VCXO的工作环境温度）及测温热敏电阻Rk组成。当VCXO工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rk测量值与预设值Ro相等，此时电阻桥路A、B端输出电压差将为0，整个压控模块输出端Uout输出为0。当VCXO工作环境温度发生改变时，则桥路的A、B端形成一定的电压差，通过电压跟随器A1及A2的传递送至A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路A4。得到的压控模块电压差Uout与压控修正模块产生的压控电压求和后，送至VCXO模块。

在本发明中，上述装置实现了以下基于GPS的时差修正方法，包括以下步骤：

将GPS信号转换成秒脉冲信号，并基于所述秒脉冲信号产生1KHz的同步参考信号。

将VCXO模块的一路分频信号处理成与所述同步参考信号频率一致的1KHz。

计算所述同步参考信号与分频信号的相位差值。

根据所述相位差值转换成频率差值进而将所述频率差值转换成直流纠偏电压值；

根据所述直流纠偏电压值对VCXO模块进行压控修正。

本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于GPS的时差修正装置，其特征在于：包括温控模块、VCXO模块、量子系统、压控修正模块、伺服模块、DDS分频单元、相位累积模块和GPS信号接收模块；

所述温控模块适于对VCXO模块的工作温度进行监测；

所述VCXO模块的一路信号输出至所述量子系统，另一路分频信号输出至所述DDS分频单元；

所述DDS分频单元适于将VCXO模块的一路分频信号经其处理后送至所述相位累积模块；

所述GPS信号接收模块适于在接收GPS信号后将其转换成秒脉冲信号并基于所述秒脉冲信号产生一路1KHz的同步参考信号，所述秒脉冲信号和同步参考信号一起被送至相位累积模块；

所述相位累积模块适于对所述同步参考信号和分频信号相位差累积计算并将所得的相位差值发送到伺服模块；

所述伺服模块适于对所述量子系统输出的量子鉴频信号进行同步鉴相，还适于将所述相位差值转换成频率差值再将所述频率差值转换成直流纠偏电压值，将所述直流纠偏电压值发送到压控修正模块；

所述压控修正模块根据所述直流纠偏电压值对所述VCXO进行调控。

2.根据权利要求1所述基于GPS的时差修正装置，其特征在于：所述DDS分频单元包括隔离放大器、DDS模块、走时计数器、锁存器、单片机和滤波模块；

所述隔离放大器的输入端为被测信号输入端，所述隔离放大器的第一输出端连接到所述走时计数器，所述走时计数器和所述锁存器以及单片机依次耦合；

所述隔离放大器的第二输出端连接到所述DDS模块的外部时钟输入端，所述DDS模块的输出端连接到所述滤波模块；

所述单片机的控制端连接到所述DDS模块的受控端。

3.根据权利要求1所述基于GPS的时差修正装置，其特征在于：所述温控模块包括第一测温桥路和运算放大器，所述第一测温桥路是由是由两个阻值相同的电阻、一个具有预设温度值的热敏电阻传感器及测温热敏电阻构成，所述运算放大器的信号读取端分别连接到所述第一测温桥路的两端。

4.根据权利要求3所述基于GPS的时差修正装置，其特征在于：还包括增益控制模块，所述增益控制模块包括第二测温桥路、第一电压跟随器、第二电压跟随器、差分放大模块和增益线性调节电路，所述第二测温桥路的两端分别连接到所述第一电压跟随器和第二电压跟随器，所述第一电压跟随器和第二电压跟随器的输出端分别连接到差分放大模块，所述差分放大模块的输出端连接到所述增益线性调节电路。

5.一种基于GPS的时差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

将GPS信号转换成秒脉冲信号，并基于所述秒脉冲信号产生1KHz的同步参考信号；

将VCXO模块的一路分频信号处理成与所述同步参考信号频率一致的1KHz；

计算所述同步参考信号与分频信号的相位差值；

根据所述相位差值转换成频率差值进而将所述频率差值转换成直流纠偏电压值；

根据所述直流纠偏电压值对VCXO模块进行压控修正。