CN112612042B

CN112612042B - 一种星载时间系统

Info

Publication number: CN112612042B
Application number: CN202011643074.9A
Authority: CN
Inventors: 雷海东; 詹志明; 朱小龙; 涂娟
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112612042A

Abstract

本发明实施例中公开了一种星载时间系统，该星载时间系统包括温控模块、伺服模块、频移修正模块、同步输出模块以及工作指示模块，其中：温控模块包括惠斯通电桥、控温芯片、控温测温体、热敏电阻以及处理器，伺服模块包括信号源、压控晶体振荡器、综合模块以及伺服模块等，频移修正模块包括可控磁场模块、频移补偿模块、光检测模块、集成共振虑光泡系统等，同步输出模块包括DDS修正模块、定时计数器、第一星载原子钟、第二星载原子钟、混频模块、滤波模块等。本方案中的伺服模块可以缩小探测的范围，频移修正模块可以补偿因温度变化造成的共振吸收泡内频移效应等，故本发明提供的星载时间系统可以提高星载原子钟的探测精度。

Description

一种星载时间系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种星载时间系统。

背景技术

目前北斗星载已成为我国导航用时间频率传递的主要手段之一，由于多模导航系统研究的不断深入，我国北斗导航卫星网逐渐健全，多种全球导航卫星系统结合成为日后热点领域。GLONASS卫星发射的伪随机噪声码相同，不同卫星发射的频率不同，用以区分不同的卫星，即频分多址。原子钟(原子时间频率标准)是人类科学技术活动的基本条件。时间频率测量准确度和精确度的提高，将从根本上改变一系列重大自然科学和应用技术的面貌。在基础科学研究上，如广义相对论的验证、光速各向异性的测量、引力梯度测量、原子物理常数随时间变化的测量等，都需要精密的计时标准。

空间实验室和空间站建设是我国载人航天计划的重要部分，从载荷体积重量和空间站运行轨道来看，高精度空间冷原子钟适合作为空间站的一个有效载荷。作为精确定位技术的核心技术和关键内容，高精度原子钟的研究显得更加重要。空间冷原子钟项目的实施，将对时间频率基准研究打开新的方向，人类的计时精度将会进一步提高，高精度原子钟和时间频率传输技术将会更好地服务于将来的第三代定位导航系统。另外，新一代光钟可能达到10-17～10-18稳定度，对这样精度的原子钟来说，有必要借助空间微重力环境下原子钟来更加精确地测量原子钟的引力频移，提高微重力环境下原子钟(星载原子钟)的探测精度变得尤为重要。

发明内容

本发明实施例中提供一种星载时间系统，能够提高星载原子钟的探测精度。

本发明提供一种星载时间系统，所述星载时间系统应用星载原子钟系统上，所述星载时间系统包括温控模块、伺服模块、频移修正模块、同步输出模块以及工作指示模块，其中：

所述温控模块包括惠斯通电桥、控温芯片、控温测温体、热敏电阻以及处理器，所述惠斯通电桥、所述控温芯片、所述控温测温体、所述热敏电阻、所述处理器以及所述惠斯通电桥依次连通；

所述伺服模块包括信号源、压控晶体振荡器、综合模块、微波倍频混频模块、原子共振跃迁模块、光源、光电池以及伺服模块，所述信号源、所述压控晶体振荡器、所述伺服模块、所述光电池、所述原子共振跃迁模块、所述微波倍频混频模块、所述综合模块以及所述信号源依次连通，所述伺服模块还分别与所述信号源及所述综合模块连通，所述微波倍频混频模块与所述压控晶体振荡器连通，所述光源与所述原子共振跃迁模块连通；

所述频移修正模块包括可控磁场模块、频移补偿模块、处理器、光检测模块、集成共振虑光泡系统以及共振激励微波源，其中，所述可控磁场模块、所述频移补偿模块、所述处理器、所述光检测模块、所述集成共振虑光泡系统以及所述共振激励微波源依次连通，所述频移补偿模块还分别与所述处理器、所述可控磁场模块以及所述集成共振虑光泡系统连通，所述集成共振虑光泡系统还与所述可控磁场模块连通；

所述同步输出模块包括DDS修正模块、定时计数器、第一星载原子钟、第二星载原子钟、混频模块、滤波模块，所述第二星载原子钟、所述定时计数器、所述第一星载原子钟、所述混频模块以及所述滤波模块依次连通，所述DDS修正模块分别与所述第二星载原子钟、所述混频模块以及所述定时计数器连通；

所述工作指示模块包括VCXO部件、电子线路部件、物理系统部件、处理器以及故障指示模块，所述处理器分别与所述VCXO部件、所述电子线路部件、所述物理系统部件以及所述故障指示模块连通，所述电子线路部件分别与所述VCXO部件及所述物理系统部件连通。

在一些实施例中，所述集成共振虑光泡系统包括谐振腔以及共振吸收泡，所述共振吸收泡放置于所述谐振腔的腔体内，所述谐振腔包括温控电阻、调谐件、光电池、耦合环、腔体壁、磁场线圈以及内涂层，所述内涂层设置在泡内壁。

在一些实施例中，所述耦合环一头与固定良好的同轴电缆芯线焊接，一头通过固定螺钉固定于腔盖中心轴线上。

在一些实施例中，所述磁场线圈采用横向的方式密绕在所述腔体壁上。

在一些实施例中，所述共振吸收泡由透明玻璃材料制成，所述共振吸收泡中的工作物质由天然铷87Rb和85Rb组成。

在一些实施例中，所述铷87Rb和85Rb各占工作物质的27.8％和72.2％。

在一些实施例中，所述光电池包括第一光电池以及第二光电池，所述第一光电池以及所述第二光电池对称地安装再所述谐振腔的中心轴线两侧。

在一些实施例中，所述DDS修正模块包括处理器以及DDS芯片。

在一些实施例中，所述故障指示模块包括VCXO部件故障指示模块、电子线路故障指示模块、光谱灯故障指示模块、物理系统故障指示模块以及整机故障指示模块。

在一些实施例中，所述VCXO部件故障指示模块、所述电子线路故障指示模块、所述光谱灯故障指示模块、所述物理系统故障指示模块以及所述整机故障指示模块均分别包括正常指示灯及故障指示灯。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明提供的星载时间系统，其温控模块可以控制原子钟的温度，伺服模块可以缩小探测的范围，频移修正模块可以补偿因温度变化造成的共振吸收泡内频移效应等，故本发明提供的星载时间系统可以提高星载原子钟的探测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的星载时间系统的一个实施例原理示意图；

图2是本发明实施例提供的温控模块的一个原理示意图；

图3是本发明实施例提供的伺服模块的一个原理示意图；

图4是本发明实施例提供的微波探询信号范围曲线图；

图5是本发明实施例提供的频移修正模块中关于解决泡壁频移的一个原理示意图；

图6是本发明实施例提供的频移修正模块的一个原理示意图；

图7是本发明实施例提供的集成共振虑光泡系统的一个结构示意图；

图8是本发明实施例提供的同步输出模块的一个原理示意图；

图9是本发明实施例提供的DDS修正模块的一个原理示意图；

图10是本发明实施例提供的工作指示模块的一个原理示意图；

图11是本发明实施例提供的故障指示模块的一个结构示意图

图12是本发明实施例提供的锁定信号的一个方波示意图。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本发明实施例中，所提及的处理器可采用TI公司的MSP430型号的处理器，DDS芯片可采用ADI公司的AD9852型号的芯片。

如图1所示，本发明实施例提供一种星载时间系统，星载时间系统包括温控模块10、伺服模块20、频移修正模块30、同步输出模块40以及工作指示模块50。以下分别进行详细说明。

(1)、温控模块10：

如图2所示，温控模块10包括惠斯通电桥、控温芯片、控温测温体、热敏电阻以及处理器，惠斯通电桥、控温芯片、控温测温体、热敏电阻、处理器以及惠斯通电桥依次连通；

其中，如图2所示，本实施例中的惠斯通电桥由两个对称电阻R及Ro、Rk构成。其中对称电阻R的选型应满足同一厂商同一批次，应保证两个对称电阻R尽可能一致，尤其是温度系数，此外还应保证R与Ro、Rk阻值接近。Ro是一个数字电位计，处理器可以通过命令字对Ro进行赋值，Ro的具体阻值反映了控/测温体预设定的工作温度t。Rk为一个热敏电阻，它贴于控/测温体的表面，用以测量控/测温体的实际工作温度t’。当Ro≠Rk时，在桥两端A、B处会形成电动势梯度U_AB。U_AB可以为正，也可以为负，当Ro＝Rk时，U_AB＝0。

温控芯片贴于控/测温体(控温测温体)外表面，用以对控/测温体实施加热，其加热机制由U_AB决定，U_AB为正或负，温控芯片则实施加热或制冷，一直持续到U_AB＝0，此时控/测温体的实际工作温度已经在处理器设定的Ro值工作点，此时Rk＝Ro。

热敏电阻Rz贴于控/测温体表面，用以测量控/测温体实际工作温度t’，并将测量信息反馈给处理器。

(2)、伺服模块20：

如图3所示，本实施例提供的伺服模块20包括信号源、压控晶体振荡器、综合模块、微波倍频混频模块、原子共振跃迁模块、光源、光电池以及伺服模块，其中，信号源、压控晶体振荡器、伺服模块、光电池、原子共振跃迁模块、微波倍频混频模块、综合模块以及信号源依次连通，伺服模块还分别与信号源及综合模块连通，微波倍频混频模块与压控晶体振荡器连通，光源与原子共振跃迁模块连通；

具体地，本实施例提供的伺服模块在传统技术基础上进行了改进，本实施例在压控晶体振荡器与综合模块之间增加了信号源模块，并且伺服模块进行了两路信号输出：即一路给压控晶体振荡器；另一路给信号源。

压控晶体振荡器频率为w(如10MHz)。综合模块内含有DDS芯片(如AD9854)，经压控晶体振荡器输出的10MHz频率信号作参考，其输出信号频率为5.3125MHz，其频率转换系数B＝5.3125/10≈0.5，其具体大小受中央处理器控制(处理器)。微波倍频混频模块在频率补偿模块不起作用下，把压控晶体振荡器输出的10MHz频率经过射频倍频及微波倍频获得6840MHz信号，其频率转换系数A＝6840/10＝684。再与综合输出的5.3125MHz信号进行混频，获得6834.6875MHz微波探询信号F，其大小与图3中共振跃迁模块中的原子基态超精细结构0-0跃迁的中心频率fo对应。

上述关系对应的计算公式为：F＝ω*A-ω*B(式中单位为MHz)，在现有的技术中，一旦图3装置设计完成后，其A、B的值是不会发生变化的，这样的话，要实现图3的原子能级跃迁频率fo的动态探测，需要将F作用于集成共振滤光泡系统后，经光电池获得相应的量子鉴频光电信号传送至伺服模块，再在综合模块输出的参考信号作用下，在伺服中完成同步鉴相，再获得相应的量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器，再使其输出的频率ω发生变化，以进一步使F发生变化，最终使F＝fo动态平衡。在这里，我们注意到：由于A＝640、B＝0.5，所以当整个装置系统进入动态工作后，导致压控晶体振荡器输出频率ω发生变化，这样在公式F＝ω*A-ω*B中，起主导作用的是微波倍频混频模块，而且会将ω的变化放大A＝640倍后再作用于集成共振滤光泡系统，这无疑给整个探测精确大打折扣，其微波探询信号范围如图4中的ΔFA所示。

本实施例采用的方案如下：

1、首先控制伺服模块输出基准电压信号给压控晶体振荡器，使其输出10MHz的固定频率信号ω1。这里的压控晶体振荡器在伺服模块基准电压作用下输出的频率是不变的。

2、压控晶体振荡器输出的ω1＝10MHz的固定频率信号一路输送至信号源模块，用以作信号源的外部时钟基准，固信号源在以压控晶体振荡器输出的10MHz的固定频率信号参考前提下，输出ω2频率信号至综合完成ω2*B的生成，ω2的初始值与压控晶体振荡器输出的信号频率一致，即ω2＝10MHz，因为是压控晶体振荡器作外部时基参考，故ω2拥有和压控晶体振荡器输出的ω1＝10MHz频率一样的频率特性(如稳定性)。

3、伺服模块输出纠偏电压控制信号源输出信号频率。参照传统闭环锁定工作原理，为实现原子能级的动态探测，在本实施例中信号源输出信号频率w2的大小受伺服输出纠偏电压控制。

4、压控晶体振荡器输出的ω1＝10MHz的固定频率信号另一路输送至微波倍频混频模块。按照传统技术完成ω1*A的倍频率，再与综合模块送来ω2*B信号进行混频，最终获得探测用的微波信号F＝ω1*A-ω2*B。

由上面的4点，可以注意到，最终的微波探询信号F＝ω1*A-ω2*B由ω1、ω2、A、B组成，由于系统设计是，A、B是固定的，且按照本专利的方案ω1亦是固定的，变化的只有ω2，由F＝ω1*A-ω2*B式子，我们可以看出变化的项是ω2*B，而B的以值为0.5，很明显相对于传统技术方案：F的变化控制主要由ω*A(A＝640)，在ω2和ω能够在同一量级控制精度下，本实施例中的方案对F的变化控制将缩小1000倍。这样就能减小F＝ω*A-ω*B中A的贡献，理想状态下，可以实现整个微波探询信号F的精度由综合模块中的频率转换系数B决定，这样就可以大大缩小原子能级跃迁动态探测的频率范围，如图4中ΔF_B所示，从而达到缩小探测范围以提高探测精度的目的。

(3)、频移修正模块30：

集成共振滤光泡系统频移会受温度影响，这不仅因为集成共振滤光泡系统中包含原子平均速度与温度明显有关外，而且原子单次与泡壁碰撞的平均相移也和温度有关。我们设定参数A为集成共振滤光泡系统的温度系数，在实验中我们发现：A是一个负值，即温度的升高(或降低)将对集成共振滤光泡系统产生减小(变大)的效果。

本实施例提供的集成共振滤光泡系统在上天之前，需要对该集成共振滤光泡系统进行泡壁频移处理(使整个泡壁频移量为零)，使得共振泡本身对温度不敏感，从而提高检测精度。

具体实现如下：

如图5所示，为了使得集成共振滤光泡系统实现泡壁频移，本实施提供了频移测量模块，处理器，温控模块、以及机械电机，具体如下：

在本实施例通过中央处理器作用于温控模块，从而改变整个贮存泡的工作环境温度T。

同时，集成共振滤光泡系统会受贮存泡的几何尺寸影响，这与贮存泡放置在谐振腔中的体积大小相关，所以在本实施例中，我们设定参数D来表示贮存泡在谐振腔中的直径，经过实验我们发现D值越大，引起的集成共振滤光泡系统越小。所以在本专利中我们设计了一个尺寸控制模块，即通过中央处理器控制内部的机械电机，从而改变贮存泡的几何尺寸。

集成共振滤光泡系统还直接与泡的涂料密切相关，泡内壁涂上化学材料，诸如聚四氟乙烯，可以避免原子发生自旋交换的问题，以减小集成共振滤光泡系统。在本专利模型中，我们设定参数C作为泡内壁的材料系数。值得一提的是：因为一旦整个贮存泡做好后，其内壁涂层已经固定，即C是个定值，在本专利模型中不需要进行修正。

在多次不同系统实验中获得的上述A和D值对系统的集成共振滤光泡系统贡献都不一致，但它们都呈现线性增长的相关性，所以在模型中我们引入另一个参数K，它表示整个系统的频移系数，于是我们有这样的公式模型：

式中，Δω为谐振频率变化量，K为集成共振滤光泡系统系数，A为集成共振滤光泡系统的温度系数，C为泡内壁涂层的材料系数，T为泡工作温度，T₀为参考温度。

贮存泡置于谐振腔体内，谐振腔为贮存泡内的原子共振吸收提供能量机制，并通过耦合环将谐振频率信号送至外部频率测量模块。

中央处理器使能温控模块改变整个谐振腔的工作环境温度；使能机械电机工作移动贮存泡上下移动，从而改变在谐振腔体内的体积；接受来自于频率测量模块送来珠频率测量值信号并储存在内部存储器中。

对于式(a)，我们通过中央处理器控制温控模块改变贮存泡的工作环境温度值T，例如T1、T2。同时通过中央处理器使能机械电机工作改变贮存泡在谐振腔体内的直径D，例如D1、D2。需要注意的是这里的T1、T2应该分别与D1、D2一一对应。同时频率测量模块将测量获得的此时刻谐振信号频率值Δω传递至中央处理器并存储，这样对于式(a)，将具体的T1和D1(T2和D2)，以及(Δω1，Δω2)代入，由于T₀和C为定值，所以可以相应的求得K，A。

特别注意：这里为了提高测量精确，我们需要按照上述的方法重复测量数次获得K，A。取其平均值作为最终的结果。

获得式(a)中的K，A值后，我们反过来代入式(a)，通过选择相应的贮存泡的工作环境温度T值和D值，使这样，对于具体系统，我们可以获得数组(D和T)使整个泡壁频移量为零，我们定义此参数点为：零集成共振滤光泡系统体积温度。

在微重力条件下，可使用极慢速度的原子(比原子传统技术中速度减慢10-100倍)。因而，可使谱线降至0.05-0.1Hz。慢原子还有利于进步减小很多引起频率移动的因素，如:剩余多普勒频移，谱线牵引频移，剩余二次塞曼效应，相对论效应和碰撞频移等。在微重力条件下原子处于自由悬浮状态，无须用非均匀磁场囚禁原子，有利于消除非均匀谱线展宽。同时，在远离地面的空间，将无震动引入的噪声干扰，电磁场干扰也比地面为小。所以，微重力环境是一个理想的进行精密物理测量的实验场地。

在基于上述方案获得的集成共振滤光泡系统，提供了一个频移修正模块。

如图6所示，本实施例中的频移修正模块包括可控磁场模块、频移补偿模块、处理器、光检测模块、集成共振虑光泡系统以及共振激励微波源，其中，可控磁场模块、频移补偿模块、处理器、光检测模块、集成共振虑光泡系统以及共振激励微波源依次连通，频移补偿模块还分别与处理器、可控磁场模块以及集成共振虑光泡系统连通，集成共振虑光泡系统还与可控磁场模块连通；

集成共振滤光泡系统：里面含有一个充有与光源一样元素(例如：Rb⁸⁷)以及该元素的同元素物质(例如：Rb⁸⁵)组成的滤光共振泡。以及用于原子共振用的谐振腔。完成量子跃迁过程。

光检测模块：完成对光源经集成共振滤光泡系统处理后的光检信号检测系统，并把检测结果送至中央处理器。

共振激励微波源：为集成共振滤光泡系统量子跃迁提供能量。微波源受中央处理器控制改变其频率输出，其输出频率在原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近，以完成整个原子谱线的扫频。

可控磁场模块：完成集成共振滤光泡系统中的原子分裂及量子化轴所需要的磁场，其大小受处理器(中央处理器)控制。

频移补偿模块：探测集成共振滤光泡系统的工作环境温度后，传送到中央处理器，中央处理器根据内部存储的参数数据，对可控磁场进行修正，达到补偿因为温度的变化引起的频移。

请参阅图7，图7为本发明实施例提供的集成共振虑光泡系统的一个结构示意图，集成共振虑光泡系统包括谐振腔以及共振吸收泡，共振吸收泡放置于谐振腔的腔体内，谐振腔包括温控电阻、调谐件、光电池、耦合环、腔体壁、磁场线圈以及内涂层，内涂层设置在泡内壁。

具体地，谐振腔是一种微波谐振器件，它的主要作用是为原子基态精细结构的微波跃迁提供合适的微波场，其共振频率与选择在原子基态精细结构0-0跃迁中心频率上。同时它也起着为共振吸收泡提供热环境的作用。谐振腔主要由圆柱腔体、耦合环、调谐件、磁场线圈构成，共振吸收泡放置于腔体内。使用TE111模式的微波谐振腔。微波谐振腔采取的耦合方式是环耦合(即磁耦合)方式，为了提高耦合度，耦合环一头与固定良好的同轴电缆芯线焊接，一头通过固定螺钉，固定于腔盖中心轴线上。由于机械加工误差，实际腔频与计算结果有一定差异，我们通过改变调谐件螺钉在腔中的长度来对腔频进行微调(微调范围大概有50MHz左右)。位于谐振腔上方的温控电阻用于监控腔体的工作环境温度。而磁场线圈采用横向的方式密绕在圆柱形腔体壁上，通过图6中的中央处理器对可控磁场模块的电流调整作用于图7的磁场线圈上，使圆柱形腔体产生不同强度的磁场，使位于共振吸收泡中的原子基态发生分裂与量子化轴。微波磁场的纵向分量的强度在耦合环两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迁信号最强的地方在腔体两边，故将光电池对称地安装在中心轴线的两侧。

共振吸收泡是整个系统的核心，由透明玻璃材料制成。共振吸收泡中的原子的基态超精细0-0跃迁频率即是原子谱线检测的中心参考频率。共振吸收泡中的工作物质由某元素及其同位素组成，例如：天然铷⁸⁷Rb和⁸⁵Rb各占27.8％和72.2％。图6中，光源发出的光传送到集成共振滤光泡系统即图7中的结构时，假如从下往上通过，那么共振吸收泡的前半部分主要起滤光作用，后半部分主要起共振作用。考虑到本专利应用于微重力环境，在共振吸收泡中并没有充制为了减小线宽、提高光抽运(“荧光焠灭”和“激发能级混杂”)效率用的惰性气体。因为在微重力条件下原子处于自由悬浮状态，由于没有惰性气体的存在，每个原子运动速度都是一样的，而且很慢，故每个原子经受的平均磁场就是一样的，这样就会减小因为磁场不均匀带来的诸如微波功率频移的影响。但正因为没有充制惰性气体，会造成原子与共振吸收泡内壁碰撞的机率增加，会增大频移效应，故在共振吸收泡内壁，涂上了石蜡。

频移补偿模块：对于具体的某一台图7中的装置，因为集成共振滤光泡系统，特别是模块中的共振吸收泡工作环境温度发生变化时，会造成比较严重的泡内部产生频移效应，故在设计本专利系统之前，我们通过人为的改变系统的工作环境温度，采用传统技术方案来测量获得原子谱线的中心频率值，从而获得相应的频移效应具体数据A，如1×10^-10/℃。然后通过人为改变可控磁场电流大小，达到改变集成共振滤光泡系统谐振腔外磁场大小的目的，来测量原子谱线中心频率值，从而获得相应的磁场(以电流大小表示)与原子谱线中心频率的关系B，如1×10^-11/mA。注意上述数据A、B有符号之分。中央处理器保存A、B数据，通过图7中的温控电阻获得共振吸收泡工作环境温度T，并传递至中央处理器，如果T与预定设置的工作温度(如700C)不一致，那么中央处理器会根据存储的A、B关系来设置相应的可控磁场的电流大小，以达到改变集成共振滤光泡系统外磁场强度的目的，从而补偿因温度变化造成的共振吸收泡内频移效应。

(4)、同步输出模块40:

请参阅图8，图8为本实施例提供的同步输出模块的一个原理示意图，其中，同步输出模块包括DDS修正模块、定时计数器、第一星载原子钟、第二星载原子钟、混频模块、滤波模块，第二星载原子钟、定时计数器、第一星载原子钟、混频模块以及滤波模块依次连通，DDS修正模块分别与第二星载原子钟、混频模块以及定时计数器连通；

具体地，星载原子钟1(第一星载原子钟)、星载原子钟2(第二星载原子钟)：按照上述原理方案技术打造，它们具有相同的温度系数(即外界工作环境温度的变化造成的整机输出信号频率变化值大小和方向均相同)。优选的，这里星载原子钟1的除温度影响外，其它性能优于星载原子钟2。

定时计数器：用星载原子钟1输出的频率信号作为其参考时钟，分别对星载原子钟1、星载原子钟2输出的信号频率进行计数，获得相应的频率值F1、F2。

DDS修正模块：用星载原子钟2输出的频率信号作为其内部DDS的参考时钟，通过对走时计数器的访问获得星载原子钟1、星载原子钟2的频率值F1、F2，并比较F1、F2的大小进而对星载原子钟2的输出频率值F2进行修正。

混频模块：对星载原子钟1、DDS修正模块的输出频率信号进行混频处理，获得相应的混频频率值F。

滤波模块：对混频模块输出的频率信号F进行滤波处理。

其中，本实施例中DDS修正模块的一个原理图如图9所示，关于DDS修正模块，首先，走时计数器在星载原子钟1的参考时钟下对星载原子钟1、星载原子钟2进行频率计数获得相应的F1、F2值并送至中央处理器进行存储，中央处理器根据F1、F2的具体频率值来决定修正值的大小并送至DDS芯片内部的频率寄存器。此时DDS芯片以星载原子钟2的输出信号F2作为时基参考，在中央处理器修正值作用下对内部频率寄存器值进行修改，输出合适的频率信号至混频。

例如：此时F1＝20.000000MHz，F2＝10.001000MHz(这里F1、F2的小数位要以DDS芯片位数有关，如AD9852其内部有48位频率寄存器，其频率分辨率可达2⁴⁸，对于10MHz的频率信号而言，可分辨为3.6×10^-8Hz)。我们设计时要求F1是F2的2倍，那么中央处理器在访问走时计数器获得F1、F2值的前提下，发送具体修正值至DDS芯片中，使其在星载原子钟2输出信号F2(10.001000MHz)参考下输出F2‘＝10.000000MHz的频率信号至混频率，以保证在混频模块处F1是F2‘的2倍。

在上述系统中，设

式中，F₁、F₂、F₃分别是星载原子钟1、星载原子钟2、混频输出的频率值；F₀₁、F₀₂、F₀₃分别是上电系统稳定后星载原子钟1、星载原子钟2、混频输出的频率初始值；v₁、v₂、v₃相对平均频率偏差。

由式(3)得：

这里，当星载原子钟的工作环境温度T发生变化时，将引起F₁＝F₀₁+ΔF₁，F₂＝F₀₂+ΔF₂，我们在设计是选择的具有相同温度系数的星载原子钟，故这里应有：ΔF₁＝ΔF₂，代入式(4)得：

在设计时，由于是混频作用，有F₀₃=F₀₁-F₀₂，所以式(5)的相对平均频率偏差v₃＝0，这说明选用温度系数相同的两个星载原子钟，经混频作用后获得的频率信号当温度变化时，并不会影响整机的输出频率，达到了提高稳定性的目的。

另外的，当其它因素(除温度外)导致的星载原子钟1、星载原子钟2的输出频率变化时，由于我们优选了星载原子钟1的性能优于星载原子钟2，那么假设式(1)中的v₁相对于v₂来说，可以忽略，那么由式(4)可得：

这里，我们通过DDS修正模块获得F₀₁＝2F₀₂，从而F₀₃＝F₀₁-F₀₂＝F₀₂，所以式(6)变为

v₃＝-v₂ (7)

由式(7)可知通过混频处理后整个系统的相对平均频率偏差可以反映星载原子钟2的相对平均频率偏差，同时结合式(5)获得的结论，从式(7)我们获得克服了温度系数后整机的频率稳定性。

(5)、工作指示模块50:

请参阅图10，图10为本实施例提供的一个工作指示模块的一个原理示意图，如图10所示，工作指示模块包括VCXO部件、电子线路部件、物理系统部件、处理器以及故障指示模块，处理器分别与VCXO部件、电子线路部件、物理系统部件以及故障指示模块连通，电子线路部件分别与VCXO部件及物理系统部件连通。

其中物理系统按传统原子钟技术包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、光电探测器、C场、磁屏等；电子线路包括隔离放大、综合、射频倍频、微波倍频、伺服、C场恒流源、控温等。物理系统提供量子鉴频基准，电子线路提供微波探询信号和锁频功能，将压控晶体振荡器VCXO的输出频率锁定在物理系统的原子吸收峰上。整个系统的协调工作由中央处理器完成，同时它也担任系统故障指示输出的重任。

按照上述机理，本专利将物理系统中的光谱灯、集成滤光共振泡作为考核依据，同时按照传统的原子钟结构方案，光谱灯独立工作在本专利中作为一个可以替换的模块，集成滤光共振泡则与上述光电探测器、C场、磁屏等共同放置在微波腔内，此作为一个可以替换的模块。电子线路部件中包括隔离放大、综合、射频倍频、微波倍频、伺服、C场恒流源、控温等作为一个整体可替换模块。VCXO及中央处理器均作为独立的可替换部件。

请参阅图11，图11为本发明实施例提供的故障指示模块的一个结构示意图，故障指示模块包括VCXO部件故障指示模块01、电子线路故障指示模块02、光谱灯故障指示模块03、物理系统故障指示模块04以及整机故障指示模块05。

其中，VCXO部件故障指示模块、电子线路故障指示模块、光谱灯故障指示模块、物理系统故障指示模块以及整机故障指示模块均分别包括正常指示灯及故障指示灯。

其中，故障指示模块的原理如下：

1、中央处理器(处理器)内部程序中预置了一个定时器开关，按照每秒输出相应的方波电平，使图11中整机工作指示灯按照每秒进行亮灭闪烁。如果上电后，图11中工作指示不正常，说明需要更换图10中的中央处理器模块。

2、图10中的中央处理器部件包含有一个走时计数器用于对VCXO部件输出频率进行预测量。在上电之前中央处理器内部存储器记录了图10系统中的具体VCXO型号及相应压控斜率值数据，在上电时或图10系统出现本专利中涉及的故障时，按照传统原子钟技术方案，中央处理器使图10系统工作在开环状态，此时中央处理器大范围的改变输出至VCXO部件的压控电压值，并通过内部走时计数器测量相应的频率值，从而获得相应的VCXO压控斜率数据，并与内部存储的相应型号VCXO压控斜率参数进行对比，若出现差别，则中央处理器使能图11中的VCXO部件“故障”指示灯点亮，提醒用户更换VCXO部件，反之将使“正常”指示灯点亮。

在传统原子钟技术方案基础上，我们将原子钟判断是否闭环锁定用的锁定信号引回中央处理器进行监测，那么整个图10系统闭环锁定工作过程可能出现的锁定信号如图12所示。

如图12所示，其中采样时序由中央处理器产生，其余四条曲线均为锁定信号，通过中央处理器采集获得。

3、这里我们判断图10中物理系统部件中的光谱灯故障依据是：灯工作时由于原子与灯泡中的及泡壁上微量的杂质元素起化学和物理作用，可使灯泡中的原子数量逐渐减少，长期工作后，原子耗尽，这种情况一出现就意味着灯泡寿命到了，需要换一个灯泡才能继续工作，一般原子钟的灯泡寿命为10000-30000小时左右。第一点：由于元素的损耗，所以图12中的锁定信号幅度会出现明显减小的变化；第二点：特别故障时，光谱灯根据不工作(不亮)，锁定信号将急剧减小，此时中央处理器将使能图11中物理系统部件中的灯模块“故障”灯点亮，反之则使“正常”灯点亮。用户需要根据提示更换光谱灯。

4、这里我们判断图10中物理系统部件中的集成滤光共振泡故障依据是：按照传统原子钟技术，集成滤光共振泡中充的惰性气体碰撞产生频移来改变原子基态0-0跃迁中心频率，使它适合外围的电子线路。这就对充制的惰性气体气压数要求非常精确，而实际上气压数往往成为原子钟准确度的关键，一般情况下气压数不可能非常精确，传统技术中通过磁场来补偿，但是磁场只能对集成滤光共振泡系统增加其频率值，不能减小其频率值。这样，原子钟集成滤光共振泡内部长期工作于600C-700C恒温环境，抽运光通过时，内部原子不断发生着共振、碰撞等物理作用，这样长期工作后，有可能使集成滤光共振泡泡频发生变化，从而使原子钟无法实现正常闭环锁定。在本专利中由于将集成滤光共振泡则与上述光电探测器、磁场、磁屏等共同放置在微波腔内，此作为一个可以替换的模块，所以这里导致的无法闭环锁定应该包含集成滤光共振泡泡频变化、微波腔腔频变化、甚至磁场导致的原子不分裂的可能故障。故障出现时：就看到图12中的“脱锁信号”，此时中央处理器将使能图11中物理系统部件中的泡模块“故障”灯点亮，反之则使“正常”灯点亮。用户首先需要重新上电图10中的装置，如果现象依旧，用户则需要更换集成滤光共振泡模块。这里有一点需要注意：当图10系统上电时，有一段时间锁信号会处于图12中“脱锁时信号”状态，此时用户不要以为需要更换集成滤光共振泡部件。大约经过几分钟，系统就会慢慢进入图12中的未锁定状态，最终进入到闭环锁定状态。

本发明的有益效果是：本发明提供的星载时间系统，其温控模块可以控制原子钟的温度，伺服模块可以缩小探测的范围，频移修正模块可以补偿因温度变化造成的共振吸收泡内频移效应等，故本发明提供的星载时间系统可以提高星载原子钟的探测精度。

以上对本发明实施例所提供的一种星载时间系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种星载时间系统，所述星载时间系统应用星载原子钟系统上，其特征在于，所述星载时间系统包括温控模块、伺服模块、频移修正模块、同步输出模块以及工作指示模块，其中：

2.根据权利要求1所述的星载时间系统，其特征在于，所述集成共振虑光泡系统包括谐振腔以及共振吸收泡，所述共振吸收泡放置于所述谐振腔的腔体内，所述谐振腔包括温控电阻、调谐件、光电池、耦合环、腔体壁、磁场线圈以及内涂层，所述内涂层设置在泡内壁。

3.根据权利要求2所述的星载时间系统，其特征在于，所述耦合环一头与固定良好的同轴电缆芯线焊接，一头通过固定螺钉固定于腔盖中心轴线上。

4.根据权利要求3所述的星载时间系统，其特征在于，所述磁场线圈采用横向的方式密绕在所述腔体壁上。

5.根据权利要求4所述的星载时间系统，其特征在于，所述共振吸收泡由透明玻璃材料制成，所述共振吸收泡中的工作物质由天然铷⁸⁷Rb和⁸⁵Rb组成。

6.根据权利要求5所述的星载时间系统，其特征在于，所述铷⁸⁷Rb和⁸⁵Rb各占工作物质的27.8％和72.2％。

7.根据权利要求6所述的星载时间系统，其特征在于，所述光电池包括第一光电池以及第二光电池，所述第一光电池以及所述第二光电池对称地安装再所述谐振腔的中心轴线两侧。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的星载时间系统，其特征在于，所述DDS修正模块包括处理器以及DDS芯片。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的星载时间系统，其特征在于，所述故障指示模块包括VCXO部件故障指示模块、电子线路故障指示模块、光谱灯故障指示模块、物理系统故障指示模块以及整机故障指示模块。

10.根据权利要求9所述的星载时间系统，其特征在于，所述VCXO部件故障指示模块、所述电子线路故障指示模块、所述光谱灯故障指示模块、所述物理系统故障指示模块以及所述整机故障指示模块均分别包括正常指示灯及故障指示灯。