CN107608200A

CN107608200A - 一种空间用弹射式原子钟装置

Info

Publication number: CN107608200A
Application number: CN201710874534.0A
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107608200B

Abstract

本发明涉及一种空间用弹射式原子钟装置，包括原子钟本体、弹射装置、弹射控制模块和原子钟外围控制模块；所述原子钟本体具有至少一个用于供充气的充气腔，所述充气腔上连接有延伸出所述原子钟本体底部以外的充气管；所述弹射装置包括支撑盒和支立在所述支撑盒顶面的一组伸缩式原子钟固定架，所述伸缩式原子钟固定架的顶端连接到所述原子钟本体，所述支撑盒的顶面中部设有一充气阀，所述充气阀的充气口与所述充气管之间通过卡合机构形成可脱落式连接；所述弹射控制模块用于控制所述卡合机构的释放。本发明中的空间用弹射式原子钟装置启动方便，无需外界辅助装置，并且弹射成功率高，效果好。

Description

一种空间用弹射式原子钟装置

技术领域

本发明涉及一种原子钟装置，具体涉及一种空间用弹射式原子钟装置。

背景技术

原子钟做为一种高精度的时间基准设备已经广泛的应用于时间频率领域，在我国拟搭建的北斗系导航卫星框架中，对空间用原子钟提出了更加严苛的要求，诸如：可靠性、重复性、简易性、可替换性等。目前原子钟一般都在地面阶段处于停机保护状态，一旦卫星发射到空间成功后，设法使能原子钟运动连接到目标接口或装置上开始工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种通过简易的弹射的方式使原子钟能运动连接并启动工作。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种空间用弹射式原子钟装置，包括原子钟本体、弹射装置、弹射控制模块和原子钟外围控制模块；

所述原子钟本体具有至少一个用于供充气的充气腔，所述充气腔上连接有延伸出所述原子钟本体底部以外的充气管；

所述弹射装置包括支撑盒和支立在所述支撑盒顶面的一组伸缩式原子钟固定架，所述伸缩式原子钟固定架的顶端连接到所述原子钟本体，所述支撑盒的顶面中部设有一充气阀，所述充气阀的充气口与所述充气管之间通过卡合机构形成可脱落式连接；

所述弹射控制模块用于控制所述卡合机构的释放。

进一步的，所述充气管的外壁周向上凹设有一圈环形凹槽，所述卡合机构为至少一对的固定销，所述固定销位于所述充气口中且其前端用于插置在所述环形凹槽中，在所述充气管与所述充气口之间的间隙中设有密封橡皮筋，还包括用于从所述固定销后端进行牵拉的固定销牵引机构，所述弹射控制模块的控制端连接到所述固定销牵引机构的受控端。

进一步的，所述原子钟本体为被动型铷原子钟，所述原子钟外围控制模块包括VCXO模块、压电晶体驱动器、频率合成模块、低频调制器、同步检测模块和温度补偿模块；

所述VCXO模块用于获得初始源频率信号；

所述低频调制器用于产生的调制边带信号，还向所述同步检测模块发送同步信号；

所述频率合成模块用于将所述初始源频率信号和调制边带信号进行合成并形成相干脉冲信号并送至所述原子钟本体；

温度补偿模块用于为压电晶体驱动器提供恒温工作环境并且将所述工作环境温度参数信号提供给所述压电晶体驱动器，所述压电晶体驱动器根据所述工作环境温度参数信号进行补偿控制；

所述同步检测模块用于将所述相干脉冲信号经由原子钟本体发生共振吸收后所获得相应的光检信号在以所述同步参考信号为参考下形成误差信号，并将所述误差信号发送至所述压电晶体驱动器以供压电晶体驱动器改变输出频率。

进一步的，所述低频调制器包括微处理器和DDS模块。所述微处理器将频率信号5.3125MHz和0Hz的值通过控制字命令写入DDS模块的F0和F1寄存器中，同时通过键控调频FSK给DDS模块的FSELECT引脚施加占空比为1：1的方波信号，以控制DDS模块以FSELECT引脚键控调频FSK方波信号的周期切换内部寄存器的F0、F1频率信号输出至频率合成模块，并且保持着相位无变化，微处理器将产生一路与键控调频FSK方波信号同频同相的控制时序以备用；

当键控调频FSK方波信号为高电平1时，DDS模块取寄存器F1中的5.3125MHz频率输出，同时，控制工作时序为1使所述频率合成模块工作；当键控调频FSK方波信号为低电平0时，DDS取寄存器F0中的0Hz频率输出，控制时序为0禁止频率合成模块工作。

进一步的，所述伸缩式原子钟固定架的顶部铰接有水平结合杆，所述水平结合杆用于与原子钟本体连接。

本发明的有益效果是：

本发明中的空间用弹射式原子钟装置启动方便，无需外界辅助装置，并且弹射成功率高，效果好。

附图说明

下面结合附图对本发明的空间用弹射式原子钟装置作进一步说明。

图1是伸缩装置及原子钟本体的结构示意图；

图2是充气阀与充气管之间的连接结构示意图；

图3是原子钟外围控制模块的结构框图；

图4是低频调制器的结构框图；

图5是微处理器控制调制电路原理框图；

图6是微处理器的控制信号波形示意图；

图7是光检信号强度统计图；

图8是温度补偿模块的电路图；

图9压电晶体驱动器的受控示意图。

具体实施方式

实施例

根据图1、图2和图3所示，本发明中的一种空间用弹射式原子钟装置，包括原子钟本体3、弹射装置、弹射控制模块和原子钟外围控制模块。

原子钟本体3具有至少一个用于供充气的充气腔，充气腔上连接有延伸出原子钟本体3底部以外的充气管5。弹射装置包括支撑盒1和支立在支撑盒1顶面的一组伸缩式原子钟固定架2，伸缩式原子钟固定架2的顶端连接到原子钟本体3，支撑盒1的顶面中部设有一充气阀4，充气阀4的充气口与充气管5之间通过卡合机构形成可脱落式连接。弹射控制模块用于控制卡合机构的释放。原子钟固定架2的作用是固定原子钟，通过四个方向的拉力，保证原子钟弹射前不晃动。可作为优选的是：伸缩式原子钟固定架2的顶部铰接有水平结合杆，水平结合杆用于与原子钟本体3连接。

支撑盒1用于支撑方形的原子钟主体，在支撑盒1的底部设置有至少四只支撑掌。可作为具体优选的是：充气管5的外壁周向上凹设有一圈环形凹槽6，卡合机构为至少一对的固定销7，固定销7位于充气口中且其前端用于插置在环形凹槽6中，在充气管5与充气口之间的间隙中设有密封橡皮筋8，还包括用于从固定销7后端进行牵拉的固定销牵引机构，弹射控制模块的控制端连接到固定销牵引机构的受控端。在原子钟安放稳定后，给原子钟充气，当固定销7瞬间释放时，让原子钟本体3在气体的反推力作用下弹射，装置简单，且易于实现同步

在本发明中，可以作为进一步优选的是：原子钟本体3为被动型铷原子钟，原子钟外围控制模块包括VCXO模块、压电晶体驱动器、频率合成模块、低频调制器、同步检测模块和温度补偿模块。

其中，VCXO模块用于获得初始源频率信号。

其中，低频调制器用于产生的调制边带信号，还向同步检测模块发送同步信号。

其中，频率合成模块用于将初始源频率信号和调制边带信号进行合成并形成相干脉冲信号并送至原子钟本体3。

其中，温度补偿模块用于为压电晶体驱动器提供恒温工作环境并且将工作环境温度参数信号提供给压电晶体驱动器，压电晶体驱动器根据工作环境温度参数信号进行补偿控制。

其中，同步检测模块用于将相干脉冲信号经由原子钟本体3发生共振吸收后所获得相应的光检信号在以同步参考信号为参考下形成误差信号，并将误差信号发送至压电晶体驱动器以供压电晶体驱动器改变输出频率。

如图4和图5所示，低频调制器包括微处理器和DDS模块，通过微控制器实现对整个频率信号产生与控制。其中，微处理器的外时钟端XTAL以及DDS的外时钟端Input均接入来自外部VCXO产生的时钟信号，目的是使DDS的IOUT引脚输出端频率信号的稳定度与VCXO一致。如输出信号频率为5.3125MHz,那么MCLK时钟端的信号频率应该大于20MHz，以期望得到更好的相位噪声，通过外部滤波电路后，可得到比较纯净的信号谱。FSELECT为键控调频信号输入端，也就是我们的调制方波信号输入端，我们使用的DDS内部有两个频率控制寄存器，通过编程的方式将预先设置好的频率值F0、F1保存在寄存器中，当FSELECT端有有方波信号输入时(即电平上升沿或下降沿转换)，DDS的IOUT端将会随之分别从频率控制寄存器中读出F1或F0的值作为输出，并且会保障频率信号在切换时相位无变化。

当开始时，微处理器将频率信号5.3125MHz和0Hz的值通过控制字命令写入DDS的F0和F1寄存器中，同时通过键控调频FSK给DDS的FSELECT引脚施加占空比为1：1的方波信号，以控制DDS以FSELECT引脚键控调频FSK方波信号的周期切换内部寄存器的F0、F1频率信号输出至频率合成模块，并且保持着相位无变化。同时，微处理器将产生一路与键控调频FSK方波信号同频同相的控制时序以备用。

如图6所示，当键控调频FSK方波信号为高电平1时，DDS取寄存器F1中的5.3125MHz频率输出，同时，控制工作时序为1使能图1中的频率合成模块工作；同样当键控调频FSK方波信号为低电平0时，DDS取寄存器F0中的0Hz频率输出。同时，控制时序为0禁止频率合成模块工作。这样获得的激励信号作用于原子钟主体。很明显，控制时序决定了频率合成模块何时工作，即什么时候有信号可以输入至原子钟主体。

作用于原子钟主体后，会得到一个光检信号输出，图1中的同步检测模块记录此时的信号强度，顺序改变图1相干脉冲信号获得途径中的DDS相应的频率值F0、F1，再重复上述步骤。如果以二维坐标记录，X轴代表DDS相应的频率值F0、F1（此时F0=F1）量化频率，Y轴代表同步检测模块记录的光检信号的强度，结果如图7所示。图7中fo就是图1中原子钟主体原子基态超精细结构0-0跃迁的标准频率，△f1为原子钟主体本身的自然线宽，而△f2为经过上述图2、3、4后获得的相干谱线线宽，显然△f2<△f1，由于压缩了线宽一方面可以提高系统的稳定度，另一方面，在原子中心频率fo及△f2之间的线型对称度要比图5高，更利于锁定原子基态超精细结构0-0跃迁的标准频率。根据图5我们可以得知压缩后的线宽△f2具体数值，即时我们选择△f3频率值，使△f3<△f2，将5.3125MHz+△f3和0Hz频率值，以及5.3125MHz-△f3和0Hz频率值通过微处理器控制字分别存储于DDS的内部寄存器中F1和F0中，使图6中的F1（1）=5.3125MHz△f3，F1（2）=5.3125MHz-△f3，F0=0Hz。并按照图6时序使图1装置按照现有同步检测技术闭环工作并获得相应的误差信号用于图1中的压电晶体驱动器，使输出频率发生变化，最终使VCXO输出频率发生变化。

如图8所示，温度补偿模块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（它决定了压电晶体驱动器的工作环境温度）及测温热敏电阻Rk组成。当半导体元器件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，整个温度补偿输出端Uout输出为0。当当半导体元器件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。得到的温度补偿电压差Uout送至微处理器处理后，送至的压电晶体驱动器。

如图9所示，压电晶体驱动器是由热敏电阻R1和变容二极管D1、D2、D3及基本起振振子电路组成。R1在振荡器中与晶体振子串联而成的。在恒温控制温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。

来自于第一路的压控电压1，它反映了频率合成模块输出频率经与原子钟主体作用后获得的短期稳定性纠偏信号的大小，作用于与晶体振子相串接的变容二极管D1上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的短期内频率稳定度进行补偿。

来自于温度补偿模块中的桥式压差信号2，其反映了晶体振荡模块外围元器件的工作环境温度信息，馈送至微处理器后，经处理得到压控电压2作用于与晶体振子相串接的变容二极管D2上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子因温度的变化带来的输出信号频率变化进行补偿。

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

1.一种空间用弹射式原子钟装置，其特征在于：包括原子钟本体、弹射装置、弹射控制模块和原子钟外围控制模块；

所述弹射控制模块用于控制所述卡合机构的释放。

2.根据权利要求1所述空间用弹射式原子钟装置，其特征在于：所述充气管的外壁周向上凹设有一圈环形凹槽，所述卡合机构为至少一对的固定销，所述固定销位于所述充气口中且其前端用于插置在所述环形凹槽中，在所述充气管与所述充气口之间的间隙中设有密封橡皮筋，还包括用于从所述固定销后端进行牵拉的固定销牵引机构，所述弹射控制模块的控制端连接到所述固定销牵引机构的受控端。

3.根据权利要求2所述空间用弹射式原子钟装置，其特征在于：所述原子钟本体为被动型铷原子钟，所述原子钟外围控制模块包括VCXO模块、压电晶体驱动器、频率合成模块、低频调制器、同步检测模块和温度补偿模块；

所述VCXO模块用于获得初始源频率信号；

4.根据权利要求3所述空间用弹射式原子钟装置，其特征在于：所述低频调制器包括微处理器和DDS模块，所述微处理器将频率信号5.3125MHz和0Hz的值通过控制字命令写入DDS模块的F0和F1寄存器中，同时通过键控调频FSK给DDS模块的FSELECT引脚施加占空比为1：1的方波信号，以控制DDS模块以FSELECT引脚键控调频FSK方波信号的周期切换内部寄存器的F0、F1频率信号输出至频率合成模块，并且保持着相位无变化，微处理器将产生一路与键控调频FSK方波信号同频同相的控制时序以备用；

5.根据权利要求4所述空间用弹射式原子钟装置，其特征在于：所述伸缩式原子钟固定架的顶部铰接有水平结合杆，所述水平结合杆用于与原子钟本体连接。