CN214954554U - 一种星载时钟系统 - Google Patents

Abstract

一种星载时钟系统，其特征在于，包括：高稳晶体振荡器、微波射频源、综合伺服模块、第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块、中央处理器和双泡式物理系统，其中，所述高稳晶体振荡器分别与所述微波射频源和所述综合伺服模块连接，所述微波射频源分别与所述综合伺服模块和所述双泡式物理系统连接，所述综合伺服模块分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接，所述第一同步鉴相模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接，所述第二同步鉴相模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接。本申请提供的一种星载时钟系统精度高。

Description

一种星载时钟系统

技术领域

本实用新型属于北斗星载技术领域，具体涉及一种星载时钟系统。

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。基于国际空间站空间冷原子钟的研究，除了欧洲航天局ACES(Atomic Clock Ensemble in Space)项目计划2013年发射之外，美国曾经有PARCS(PrimaryAtomic Reference Clock in Space)、RACE(RubidiumAtomic Clock Experiment)等项目，但是由于美国航天策略变化，这些项目目前被暂停，但还有小量经费继续支持。我国也正在开展空间冷原子钟项目，这些项目的实施，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，潮汐等影响到引力势变化的因素对原子钟稳定度的影响已经变的不可忽视，借助空间微重力环境原子钟更加精确测量原子钟的引力频移将会非常必要。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种星载时钟系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种星载时钟系统，包括：高稳晶体振荡器、微波射频源、综合伺服模块、第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块、中央处理器和双泡式物理系统，其中，所述高稳晶体振荡器分别与所述微波射频源和所述综合伺服模块连接，所述微波射频源分别与所述综合伺服模块和所述双泡式物理系统连接，所述综合伺服模块分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接，所述第一同步鉴相模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接，所述第二同步鉴相模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接。

优选地，所述双泡式物理系统包括：磁屏、恒温层、微波腔、电场、金属屏蔽层、第一集成滤光共振泡、第二集成滤光共振泡、第一耦合环、第二耦合环、第一光电池、第二光电池、光谱灯和恒温器，其中，所述恒温层设置于所述磁屏内部，所述微波腔设置于所述恒温层内部，所述电场沿所述微波腔表面设置，所述金属屏蔽层设置于所述微波腔内部，并将其内部分隔为互相隔绝的第一腔和第二腔，所述第一集成滤光共振泡、所述第一耦合环和所述第一光电池设置于所述第一腔中，所述第二集成滤光共振泡、所述第二耦合环和所述第二光电池设置于所述第二腔中，所述恒温器设置于所述磁屏上方，且内部设置有所述光谱灯设，所述第一光电池分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接，所述第二光电池分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接。

优选地，所述星载时钟系统还包括：温控模块，所述温控模块与所述双泡式物理系统连接。

优选地，所述温控模块包括：数字电位计Ro、第一电阻R1、第二电阻R2、第一热敏电阻Rk、第二热敏电阻Rz、温控芯片和处理器，其中，所述数字电位计Ro的第一固定端接地而第二固定端分别连接所述第一电阻R1的第一端和所述温控芯片的第一端，所述数字电位计Ro的滑动端连接所述处理器，所述第一电阻R1的第二端连接Ucc 信号端，所述第二电阻R2的第一端连接所述Ucc信号端而第二端连接所述温控芯片的第二端，所述第一热敏电阻Rk的第一端接地而第二端连接所述温控芯片的第二端，所述第二热敏电阻Rz与所述处理器连接，所述第一热敏电阻Rk、所述第二热敏电阻Rz和所述温控芯片均设置于所述控/测温体上。

优选地，所述星载时钟系统还包括：状态指示模块，所述状态指示模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接，所述中央处理器还与所述微波射频源连接。

优选地，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的高稳晶体振荡器连接。

优选地，所述状态指示模块还与所述微波射频源连接。

优选地，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的综合伺服模块连接。

优选地，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的第一同步鉴相模块连接。

优选地，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的第二同步鉴相模块连接。

本实用新型实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种星载时钟系统精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种北斗卫星系统的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种星载时钟系统的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种双泡式物理系统的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种温控模块统的示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种星载时钟系统另一实施例的示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种星载时钟系统中状态指示模块的工作示意图；

图7是本实用新型实施例提供的一种星载时钟系统的信号时序图；

图8是本实用新型实施例提供的一种地面基站系统的示意图；

图9是本实用新型实施例提供的一种晶体振荡模块的示意图；

图10是本实用新型实施例提供的一种温度补偿模块的示意图；

图11是本实用新型实施例提供的一种地面基站系统另一实施例的示意图；

图12是本实用新型实施例提供的一种地面基站系统的时序图；

图13是本实用新型实施例提供的一种地面基站系统另一实施例的示意图；

图14是本实用新型实施例提供的一种延时阵列模块的示意图；

图15是本实用新型实施例提供的一种延时阵列模块的时序示意图；

图16是本实用新型实施例提供的一种延时阵列模块的测量示意图；

图17是本实用新型实施例提供的一种非门阵列的示意图；

图18是本实用新型实施例提供的一种地面基站系统另一实施例的示意图；

图19是本实用新型实施例提供的一种相位累积模块的示意图；

图20是本实用新型实施例提供的一种相位累积模块的时序示意图；

图21是本实用新型实施例提供的一种温度控制模块的示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本实用新型，本实用新型的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1，在本申请实施例中，本申请提供了一种北斗卫星系统，包括：

星载时钟系统100，用于提供精准时间功能；

地面基站系统200，用于为地面终端提供时间校准功能；

地空授时系统300，用于所述星载时钟系统100和所述地面基站系统200之间的通信；所述地空授时系统300分别与所述星载时钟系统100和所述地空授时系统300通信连接。

在本申请实施例中，具体地，星载时钟系统100运行于太空中，太空中具有微重力环境，星载时钟系统100在微重力环境中几乎不会受外界干扰，从而可以提供精准的时间功能。地面基站系统200设置在地面上，可以为地面终端提供时间校准功能。地空授时系统300设置于二者之间(比如设置于绕地卫星轨道上)，且分别与星载时钟系统100和地面基站系统200通信，地面基站系统200通过地空授时系统300向星载时钟系统100发送时间校准命令，星载时钟系统100将精准时间通过地空授时系统300提供给地面基站系统200，从而可以对地面基站系统200进行时间校准，进而为地面终端提供精准的时间校准服务。

如图2，在本申请实施例中，所述星载时钟系统100包括：高稳晶体振荡器101、微波射频源102、综合伺服模块103、第一同步鉴相模块104、第二同步鉴相模块105、中央处理器106和双泡式物理系统107，其中，所述高稳晶体振荡器101分别与所述微波射频源102 和所述综合伺服模块103连接，所述微波射频源102分别与所述综合伺服模块103和所述双泡式物理系统107连接，所述综合伺服模块 103分别与所述第一同步鉴相模块104和所述第二同步鉴相模块105 连接，所述第一同步鉴相模块104分别与所述中央处理器106和所述双泡式物理系统107连接，所述第二同步鉴相模块105分别与所述中央处理器106和所述双泡式物理系统107连接。

如图3，在本申请实施例中，所述双泡式物理系统107包括：磁屏11、恒温层12、微波腔13、电场14、金属屏蔽层15、第一集成滤光共振泡16、第二集成滤光共振泡17、第一耦合环18、第二耦合环19、第一光电池111、第二光电池112、光谱灯113和恒温器114，其中，所述恒温层12设置于所述磁屏11内部，所述微波腔13设置于所述恒温层12内部，所述电场14沿所述微波腔13表面设置，所述金属屏蔽层15设置于所述微波腔13内部，并将其内部分隔为互相隔绝的第一腔和第二腔，所述第一集成滤光共振泡16、所述第一耦合环18和所述第一光电池111设置于所述第一腔中，所述第二集成滤光共振泡17、所述第二耦合环19和所述第二光电池112设置于所述第二腔中，所述恒温器114设置于所述磁屏11上方，且内部设置有所述光谱灯113设，所述第一光电池分别与所述第一同步鉴相模块 104和所述第二同步鉴相模块105连接，所述第二光电池分别与所述第一同步鉴相模块104和所述第二同步鉴相模块105连接。

在本申请实施例中，综合伺服模块103产生的调制信号与第一同步鉴相模块104、第二同步鉴相模块105信号是相干的三路信号，即频率与相位均相同。

具体地，前3-5年星载时钟系统100的工作模示如下：

(1)星载时钟系统100首先分别启动第一同步鉴相模块104和第二同步鉴相模块105，按照传统伺服原理完成图3的整个双泡式物理系统107中原子吸收谱线的扫频，并同时获得相应的频率f1、f2 处对应的电压值V1、V2，对于第一同步鉴相模块104而言记为V11、V12，而对于第二同步鉴相模块105而言记为V21、V22，并同时存储于中央处理器106中。

(2)然后，星载时钟系统100进入闭环工作时，以第一同步鉴相模块104模块作为传统的同步鉴相主模块，而第二同步鉴相模块 105模块用于辅助判断。按照传统的方案，ΔV1＝V11-V12将作为整个双泡式物理系统107是否闭环锁定的判断依据，这个依据已经由中央处理器106存储并由它来判断，即现在假如不使能第二同步鉴相模块 105工作，双泡式物理系统107将以第一同步鉴相模块104工作在某一时刻，获得的同步鉴相误差信号ΔW1传递至中央处理器106，中央处理器106将做如下运算：ΔW1-ΔV1，如果差值为负数，中央处理器106将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳晶体振荡器101，使其输出频率值上升；同样，如果差值为正数，中央处理器106将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳晶体振荡器101，使其输出频率值下降。最终动态的使ΔW1-ΔV1＝0。

跟传统技术相比，本申请引入了第二同步鉴相模块105作为辅助模块。由于进入第一同步鉴相模块104、第二同步鉴相模块105的量子鉴频信号均是来自于图3中双泡式物理系统107中的左边的第一集成滤光共振泡16中的第一光电池111。在这里希望获得的两路量子鉴频信号能够反映一致的信息，故对于用TE111形式的谐振腔而言，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，故将第一光电池111与第二光电池112对称地安装在中心轴线(也即金属屏蔽层15)的两侧，这样它们获得的信号最强并且能够一致的反映双泡式物理系统107 的量频情况。

按照上述步骤(2)中方法，中央处理器106将分别判断(ΔW1-ΔV1) 和(ΔW2-ΔV2)的值，如果二者同时为正或负，说明星载时钟系统100 由于双泡式物理系统107的部分原因需要纠偏，那么中央处理器106 将按照上述步骤(2)的方式利用第一同步鉴相模块104完成整个闭环锁定。

如果中央处理器106分别判断(ΔW1-ΔV1)和(ΔW2-ΔV2)的值出现(正、负)或(负、正)，则说明星载时钟系统100可能是由于外围电路的干扰出现了不同的纠偏需求，此时，中央处理器106将不进行纠偏操作，即不改变高稳晶体振荡器101的频率。

如果中央处理器106分别判断(ΔW1-ΔV1)和(ΔW2-ΔV2)的值出现(0，正或负)，那么由于第一同步鉴相模块104为主同步鉴相模块，所以中央处理器106认为此时已锁定，将不进行纠偏操作，即不改变高稳晶体振荡器101的频率。

如果中央处理器106分别判断(ΔW1-ΔV1)和(ΔW2-ΔV2)的值出现(正或负，0)，那么由于第一同步鉴相模块104为主同步鉴相模块，所以中央处理器106认为此时并未锁定，将进行纠偏操作，即改变高稳晶体振荡器101的频率。

上述的四种情况，中央处理器106分别进行相应的操作，直至ΔW1-ΔV1＝0，此时可以实现整个星载时钟系统100的闭环锁定。

以上采用第一同步鉴相模块104和第二同步鉴相模块105同时工作模示，是为了进一步提高星载时钟系统100的短期稳定度及避免因外围干扰或内部工作造成的干扰而设置的。

具体地，3-5年过后，星载时钟系统100工作模示如下：

此时第一集成滤光共振泡16中的碱金属已经消耗殆尽，双泡式物理系统107切换右边的第二集成滤光共振泡17进入工作模式。综合伺服模块103产生的调制信号与第一同步鉴相模块104信号是相干的二路信号，即频率与相位均相同，但不再产生第二同步鉴相模块 105信号，因为此时，3-5年后系统已经进入非常稳定工作运行状态，不需要考虑星载时钟系统100的短稳，更多的是考虑星载时钟系统 100的寿命。所以此时关闭了作为辅助判断的第二同步鉴相模块105。

按照传统的方案，ΔV1＝V11-V12将作为整个双泡式物理系统107 是否闭环锁定的判断依据，这个依据已经由中央处理器106存储并由它来判断，星载时钟系统100将以第一同步鉴相模块104工作在某一时刻，获得的同步鉴相误差信号ΔW1传递至中央处理器106，中央处理器106将做如下运算：ΔW1-ΔV1，如果差值为负数，中央处理器106 将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳晶体振荡器101，使其输出频率值上升；同样，如果为正数，中央处理器106将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳晶体振荡器101，使其输出频率值下降，最终动态的使ΔW1-ΔV1＝0。

如图2，在本申请实施例中，在本申请实施例中，所述星载时钟系统100还包括：温控模块108，所述温控模块108与所述双泡式物理系统107连接。

如图4，在本申请实施例中，所述温控模块108包括：数字电位计Ro、第一电阻R1、第二电阻R2、第一热敏电阻Rk、第二热敏电阻 Rz、温控芯片和处理器，其中，所述数字电位计Ro的第一固定端接地而第二固定端分别连接所述第一电阻R1的第一端和所述温控芯片的第一端，所述数字电位计Ro的滑动端连接所述处理器，所述第一电阻R1的第二端连接Ucc信号端，所述第二电阻R2的第一端连接所述Ucc信号端而第二端连接所述温控芯片的第二端，所述第一热敏电阻Rk的第一端接地而第二端连接所述温控芯片的第二端，所述第二热敏电阻Rz与所述处理器连接，所述第一热敏电阻Rk、所述第二热敏电阻Rz和所述温控芯片均设置于所述控/测温体上。

在本申请实施例中，数字电位计Ro、第一电阻R1、第二电阻R2 和第一热敏电阻Rk共同组成一个惠斯通电桥，第一电阻R1、第二电阻R2互为对称电阻，二者选型应满足同一厂商同一批次，应保证两个对称电阻尽可能一致，尤其是温度系数，此外还应保证第一电阻R1、第二电阻R2与数字电位计Ro、第一热敏电阻Rk的阻值接近。处理器可以通过命令字对数字电位计Ro进行赋值，数字电位计Ro的具体阻值反映了控/测温体(比如双泡式物理系统107)预设定的工作温度t。第一热敏电阻Rk贴于控/测温体的内表面，用以测量控/ 测温体的实际工作温度t’。当数字电位计Ro阻值不等于第一热敏电阻Rk阻值时，在惠斯通电桥桥两端A、B处会形成电动势梯度UAB， UAB可以为正，也可以为负，当数字电位计Ro阻值等于第一热敏电阻Rk阻值时，UAB＝0。温控芯片贴于控/测温体内表面，用以对控/ 测温体实施加热，其加热机制由UAB数值决定，UAB为正或负时，温控芯片则实施加热或制冷，一直持续到UAB＝0，此时控/测温体的实际工作温度已经在处理器设定的数字电位计Ro值工作点，此时第一热敏电阻Rk阻值等于数字电位计Ro阻值。第二热敏电阻Rz贴于控/ 测温体内表面，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。处理器通过设定控/测温体中的数字电位计Ro的阻值来间接设定控/测温体工作温度t1。在惠斯通电桥作用下，一旦数字电位计Ro阻值不等于第一热敏电阻Rk阻值，则恒温芯片工作，直致控/测温体工作温度恒定在预置的温度点，此时第二热敏电阻Rz的阻值应和数字电位计Ro阻值、第一热敏电阻Rk阻值接近，并将此测量信息传递至处理器。这样最终实施的效果是保持整个控/测温体的整体温度适宜。

如图5，在本申请实施例中，所述星载时钟系统100还包括：状态指示模块109，所述状态指示模块109分别与所述中央处理器106 和所述双泡式物理系统107连接，所述中央处理器106还与所述微波射频源102连接。

如图6为状态指示模块109的工作示意图，具体地，状态指示模块109为指示灯，VCXO部件、电子线路部件和物理系统部件均对应设置有一个状态指示模块109，也即对应设置有一个正常指示灯和故障指示灯，当零件正常工作时正常指示灯点亮，当零件故障时故障指示灯点亮；整机对应设置的状态指示模块109为工作指示灯，当整机工作时工作指示灯点亮。具体地，VCXO部件包括高稳晶体振荡器101，电子线路部件包括微波射频源102、综合伺服模块103、第一同步鉴相模块104和第二同步鉴相模块105，物理系统部件包括磁屏11、恒温层12、微波腔13、电场14、金属屏蔽层15、第一集成滤光共振泡 16、第二集成滤光共振泡17、第一耦合环18、第二耦合环19、第一光电池111、第二光电池112、光谱灯113和恒温器114。

具体地，中央处理器106内部程序中预置了一个定时器，按照每秒输出相应的方波电平至各零件上，用于检测各零件的工作状态，当检测零件工作正常时，中央处理器106控制状态指示模块109发出第一颜色的光；当检测零件工作不正常时，中央处理器106控制状态指示模块109发出第二颜色的光。下面以具体实施例对状态指示模块 109的工作原理进行阐述。

中央处理器106包含有一个走时计数器，可用于对高稳晶体振荡器101输出频率进行预测量。在上电之前中央处理器106内部存储器记录了具体的高稳晶体振荡器101型号及相应压控斜率值数据，在上电时或出现故障时，按照传统原子钟技术方案，中央处理器106使高稳晶体振荡器101工作在开环状态，此时中央处理器106大范围的改变输出至高稳晶体振荡器101的压控电压值，并通过内部走时计数器测量高稳晶体振荡器101相应的频率值，从而获得相应的高稳晶体振荡器101压控斜率数据，并与内部存储的相应型号的高稳晶体振荡器 101的压控斜率参数进行对比，若出现差别，则中央处理器106使能状态指示模块109的“故障”灯点亮，提醒用户更换高稳晶体振荡器 101，反之将使“正常”指示灯点亮。

在传统原子钟技术方案基础上，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106进行监测，那么整个星载时钟系统100 闭环锁定工作过程可能出现的锁定信号如图7所示。

如图7，采样时序由中央处理器106产生，其余四条曲线均为锁定信号，通过中央处理器106采集获得。具体地，判断双泡式物理系统107中的光谱灯113故障依据是：光谱灯113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。由于元素的损耗，所以图3中的锁定信号幅度会出现明显减小的变化；当具有特别故障时，光谱灯不工作(不亮)，锁定信号将急剧减小，此时中央处理器将使能状态指示模块中的故障”灯点亮，此时用户需要根据提示更换光谱灯，反之则使“正常”灯点亮。

具体地，判断双泡式物理系统107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。当故障出现时，可以看到如图7中的“脱锁信号”，此时中央处理器将使能状态指示模块中的“故障”灯点亮，反之则使“正常”灯点亮。当“故障”灯点亮时，用户首先需要重新上电双泡式物理系统，如果现象依旧，用户则需要更换集成滤光共振泡。

如图8，在本申请实施例中，所述地面基站系统200包括：晶体振荡模块201、温度补偿模块202、控制模块203、选频放大模块204、信号整形模块205、量子模块206、长稳模块207、短稳模块208、隔离放大器209、DDS分频模块210、鉴相器211、GPS接收机212、环路滤波模块213和GPS天线214，其中，所述晶体振荡模块201分别与所述温度补偿模块202、所述控制模块203和所述选频放大模块204 连接，所述温度补偿模块202与所述控制模块203连接，所述控制模块203与所述量子模块206连接，所述选频放大模块204与所述信号整形模块205零件，所述信号整形模块205与所述隔离放大器209连接，所述长稳模块207和所述短稳模块208分别与所述量子模块206 和所述隔离放大器209连接，所述DDS分频模块210分别与所述隔离放大器209和所述鉴相器211连接，所述鉴相器211分别与所述GPS 接收机212和所述环路滤波模块213连接，所述GPS接收机212与所述GPS天线214连接，所述环路滤波模块213与所述晶体振荡模块 201连接。

在本申请实施例中，晶体振荡模块201产生振荡信号，振荡信号经过选频放大模块204和信号整形模块205后得到10MHz的频率信号，经隔离放大器209输出至量子模块206、DDS分频模块210及外用。GPS接收机212接收来自于GPS天线214的频率信号，得到10KHz 的频率信号，与来自于晶体振荡模块201中产生的10MHz频率信号共同经过DDS分频模块210的1/1000分频后得到10KHz频率信号，与 GPS接收机212产生的10KHz频率信号进行鉴相。鉴相器211比较GPS 接收机212接收到的输入信号和晶体振荡模块201输出信号之间的相位差，从而产生GPS纠偏信号，并可调整晶体振荡模块201的频率，使晶体振荡模块201的频率和相位均与GPS接收机212接收到的输入信号保持确定关系。当晶体振荡模块201(也即晶体振荡器)输出信号和GPS接收机212接收到的输入信号频率相等时，它们的瞬时相位差为一常量；反之，若它们瞬时相位差为一常量，则输入信号和输出信号频率相等。

在本申请实施例中，晶体振荡模块201的10MHz送至量子模块 206后，需要经过倍频、综合和微波混频后得到原子钟原子基态0－0 跃迁频率并作用于原子，经量子模块206鉴频作用后，得到一个量子纠集信号，用以判定此时刻微波频率是否对准原子基态0－0跃迁频率，并通过控制模块203控制压控电压来作用于晶体振荡模块201，产生量子纠偏。另一路温度补偿模块202主要是针对晶体振荡模块201的外围元器件的，通过桥式热敏电阻感知外围温度改变，当元器件的工作环境温度发生改变时，通过桥路产生的误差压控电压来补偿因温度影响对晶体振荡模块201产生的频率影响。温度补偿模块202 的具体工作原理在后续步骤进行详细描述。

如图9，在本申请实施例中，所述晶体振荡模块201包括：晶体振子、热敏电阻R3、变容二极管D1、变容二极管D2和变容二极管 D3，其中，所述起振器与所述热敏电阻R3连接，所述晶体振子分别与所述电阻R1、所述变容二极管D1的阴极、所述变容二极管D2的阴极和所述变容二极管D3的阴极连接。

在本申请实施例中，晶体振荡模块201由热敏电阻R3和变容二极管D1、D2、D3及晶体振子组成。当控制温度恒温变化时，热敏电阻R3的阻值和晶体振子的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GPS接收机212产生的信号与晶体振荡模块201产生的信号通过鉴相器211后得到GPS纠偏信号，即压控电压1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，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。

如图10为温度补偿模块202的电路示意图，温度补偿模块202 包括：电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、热敏电阻Rm、热敏电阻Rn、电压跟随器A1、电压跟随器A2和电压跟随器A3，其中，所述电阻R4的第一端连接Ucc 信号端而第二端连接所述电压跟随器A1的正输入端，所述电阻R5的第一端连接所述Ucc信号端而第二端连接所述电压跟随器A2的正输入端，所述热敏电阻Rm的第一端连接所述电压跟随器A1的正输入端而第二端接地，所述热敏电阻Rn的第一端连接所述电压跟随器A2的正输入端而第二端接地，所述电阻R6的第一端连接所述电压跟随器A1的输出端而第二端连接所述电压跟随器A3的负输入端，所述电压跟随器A1的负输入端连接自身的输出端，所述电阻R7的第一端连接所述电压跟随器A3的负输入端而第二端接地，所述电阻R8的第一端连接所述电压跟随器A2的输出端而第二端连接所述电压跟随器A3的正输入端，所述电压跟随器A2的负输入端连接自身的输出端，所述电压跟随器A3的输出端连接Uout信号端，所述电阻R9的第一端连接所述电压跟随器A3的正输入端而第二端连接所述电阻R11的第一端，所述电阻R11的第二端连接所述电阻R10的第一端，所述电阻 R10的第二端连接所述Uout信号端。

具体地，温度补偿模块202中的桥式压差信号反映了晶体振荡模块201外围元器件的工作环境温度信息，当桥式压差信号输送至控制模块203后，经控制模块203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，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。来自于量子模块206的量子纠偏信号经处理得到压控电压3作用于与晶体振子相串接的变容二极管 D3上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的输出10MHz 信号频率进行纠偏。

如图10，进一步地，温度补偿模块202还包括：电压跟随器A4，所述电压跟随器A4的正输入端接地而负输入端连接所述电阻R11的第二端，所述电压跟随器A4的输出端连接所述电阻R9的第二端。

具体地，温度补偿模块202中的桥路测温电路主要由两个阻值相同的电阻R4和电阻R5、一个预设温度值的热敏电阻Rm及测热敏电阻Rn组成。当半导体元器件工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rn测量值与预设温度值的热敏电阻传感器Rm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的传递送至电压跟随器A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在电压跟随器A3的输出端增加了一个电压跟随器A4，起到增益线性调节作用，得到的温度补偿电压差Uout送至控制模块203处理后，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，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。

在本申请实施例中，DDS分频模块210的参考频率信号可以采用晶体振荡模块本身产生的频率信号。鉴相器211选用飞利浦公司包含电流型鉴相器211的74HCT9046A IC，它的电路设计使鉴相器211的输入输出特性很难出现死区，可以构成高精度的PLL。GPS接收机212 选用NAVMAN公司高精度、低功耗的Jupiter 12系列TU35-D410-021 GPS模块作，它拥有集成LNA，支持有源和无源天线。该模块提供与 1PPS信号同步的10KHz频率输出，时间精度优于100ns。

如图11，所述地面基站系统200还包括：时间修正模块215、压控修正模块216和伺服模块217，其中，所述晶体振荡模块201分别与所述时间修正模块215和所述压控修正模块216连接，所述压控修正模块216和所述伺服模块217连接，所述伺服模块217分别与所述时间修正模块215和量子模块206连接，所述时间修正模块215与所述GPS接收机212连接。

具体地，GPS接收机212连获得GPS卫星发送的信号，经转换处理后获得秒脉冲信号送至时间修正模块215中，在秒脉冲的一个周期范围内对晶体振荡模块201输出的频率信号进行计数并获得相应的修正值送至伺服模块217，并通过压控修正模块216输出相应的直流纠集电压作用于晶体振荡模块201。相应的时序如图12所示(晶体振荡模块201也即图中的VCXO)。

如图12，GPS秒脉冲闸门信号(宽度为T)在高电平时，经t1 时间后，晶体振荡模块201频率信号第一个脉冲的上升沿使计数器使能端有效，晶体振荡模块201开始频率信号计数，当T秒后，GPS秒脉冲闸门低电平到来时，晶体振荡模块201没有停止计数，经过t2 时间后，等到随后而至的晶体振荡模块201频率信号的上升沿到来时计数器关闭。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度恰好等于晶体振荡模块201频率信号的完整周期数(N)。根据上述相关参数：T、 t1、t2、N，按照传统GPS时差比对技术，伺服模块217可以获得对应的晶体振荡模块201频率信号的修正值，并通过压控修正模块216 输出相应的直流纠集电压作用于晶体振荡模块201。

如图13，在本申请实施例中，所述地面基站系统200还包括：计时器218和延时阵列模块219，其中，所述计时器218与所述晶体振荡模块201和所述伺服模块217连接，所述延时阵列模块219分别与所述计时器218、所述DDS分频模块210和所述伺服模块217连接。

如图13，在本申请实施例中，还需要对原子钟的短期频率稳定度做改进，将晶体振荡模块201经DDS分频模块210分频后获得的信号、本地参考源、GPS秒脉冲均送至延时阵列模块219中。在这里本地参考源通常选择高稳H钟源，它的输出信号频率通常为10MHz，而本申请选择用的晶体振荡模块201的频率也是10MHz，经DDS分频模块210分频后获得1MHz的频率信号。

如图14，在本申请实施例中，所述延时阵列模块219包括：第一计数器2191、第二计数器2192和非门阵列2193，其中，所述第一计数器2191和所述第二计数器2192分别与所述伺服模块217和所述非门阵列2193连接。所述延时阵列模块219对应的时序如图15所示(晶体振荡模块201也即图中的VCXO)。

如图15，预置的GPS秒脉冲闸门信号(宽度为T＝1秒)在高电平到来时，晶体振荡模块201分频信号第一个脉冲的上升沿，使第一计数器2191、第二计数器2192使能端有效，并分别对晶体振荡模块 201分频信号和本地参考信号计数，当T秒后，预置的GPS秒脉冲闸门信号高电平再次到来时，此时第一计数器2191、第二计数器2192 并没有停止计数，一直等到随后而至的晶体振荡模块201分频信号的上升沿到来时两计数器同时关闭。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度，恰好等于晶体振荡模块201分频信号的完整周期数。

进一步地，设晶体振荡模块201分频信号的频率为Fx，本地参考源信号的频率为fo，在闸门时间T内，第一计数器2191、第二计数器2192对晶体振荡模块201分频信号及本地参考源信号的计数分别为N1，N2，则有：

由式(1)可知，晶体振荡模块201分频信号的频率fx与本地参考源频率fo及两计数器的计数值N1，N2有关。要注意到的是图15 中晶体振荡模块201分频信号和本地参考信号由于频率不相同，所以在A、B点处它们的相位不可能重叠相等，对图15中的A、B处进行放大可以获得图16(晶体振荡模块201也即图中的VCXO)的测量示意图。

如图16，当GPS秒脉冲的闸门信号触发沿脉冲到来时，等待下一个本地参考信号的上升沿，此时刻使能相应计数器在A点和B点进行“开始计数”与“结束计数”操作。由,15可知，使能计数器时刻点A和B与本地参考信号信号的下一个沿脉冲到来存在着时间差△t1，△t2，其具体差值的大小取决于本地参考信号与本地参考信号在 A时刻或B时刻的相位差值，并且其大小也不是一个恒定的固定相位差关系，这就会导致在每次采样时存在着不同的误差，对于那些高稳定度、高频率的时钟频率源来说，需要更进一步的改进测量的方法来确定△t1，△t2值，以提高其测量精度。此时本申请采用了如下的解决方法：按照图14，晶体振荡模块201分频信号和本地参考信号还分别送至非门阵列2193，非门阵列2193中设置了N级(N为偶数) 非门和一个与门，要注意的是这些非门及与门是由内部的FPGA芯片模拟产生的，当图16中的A时刻到来时晶体振荡模块201分频信号将分别经过非门阵列2193的2个非门、4个非门、6个非门......N 个非门，然后再分别与本地参考源信号经过一个与门，具体如图17 所示(晶体振荡模块201也即图中的VCXO)。

参考图16和图17可以获知：当图16中的A时刻或B时刻到来时，图17中的与门只有等到本地参考信号的高电平到来才会被“与”运算后被状态1检测模块识别为“1”：例如图16中的A时刻到来时，由于晶体振荡模块201分频信号为高电平(即“1”状态)，当经过6 (N＝6)个图17中的逻辑“非”门延时后，本地参考源信号的高电平来临，使相应的“与”门运算为“1”，而之前的N＝2和N＝4中的“与”门运算均为“0”。这样，只要通过图17中的状态“1”检测模块检测相应的“与”门运算为1的N值即可求得图16中的△t的大小。同理亦可求得△t2的大小。

有了上述求得的△t1和△t2，再结合式(1)，按照现有技术，可以精确测量获得晶体振荡模块201分频信号的频率修正值，并通过图11中的压控修正模块216输出相应的直流纠集电压作用于晶体振荡模块201。

如图18，在本申请实施例中，所述地面基站系统200还包括：温度控制模块220和相位累积模块221，其中，所述晶体振荡模块201 分别与所述DDS分频模块210和所述温度控制模块220连接，所述相位累积模块221分别与所述DDS分频模块210、所述GPS接收机212 和所述伺服模块217连接。

按照图18，GPS接收机212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221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221中；同时晶体振荡模块201的输出信号经DDS分频模块210后得到f2并送至相位累积模块221中。在这里本申请设置了DDS分频模块210的分频比(具体的分频电路见图2)，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。

本申请希望在理论上f1＝f2，这样就能实现同频不同相位的检测，以提高本申请的检测精度。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，本申请在相位累积模块221中设置了图2所示的DDS分频电路来使f1与f2的数值尽可能接近：

如图19，在本申请实施例中，所述相位累积模块221包括：隔离放大单元2211、DDS处理模块2212、低通滤波模块2213、走时计数器2214、锁存器2215和单片机2216，其中，所述隔离放大单元 2211分别与所述DDS处理模块2212和所述走时计数器2214连接，所述单片机2216分别与所述锁存器2215和所述DDS处理模块2212 连接，所述DDS处理模块2212与所述低通滤波模块2213连接，所述走时计数器2214与所述锁存器2215连接。

在本申请实施例中，被测频率信号fx(f1或f2)经过隔离放大单元2211后分别送至走时计数器2214和DDS处理模块2212，其中，送至走时计数器2214进行粗频率测量，单片机2216读取锁存器2215 对走时计数器2214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单元2211的被测信号被送至DDS处理模块2212的外部时钟输入端，作为DDS处理模块2212 工作时的参考时钟。同时DDS处理模块2212的外部通讯端口连接至单片机2216，单片机2216根据现有DDS处理技术计算公式得到与DDS 处理模块2212通讯用的分频数值(这里采用的DDS处理模块2212的型号是AD9852，它有48位频率控字寄存器)：

其中，F为通过走时计数器2214计数、单片机2216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 处理模块2212的缓存区，经DDS处理后得到1KHz的频率信号，将所得的频率信号再送至低通滤波模块2213后得到最终的1KHz频率信号输出。经过图19的电路处理后，可以使理论上f1＝f2＝1KHz。

如图20是相位累积模块221的时序图。具体地，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，晶体振荡模块201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与晶体振荡模块201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，等到随后而至的晶体振荡模块201频率信号的上升沿到来时，即时刻参考信号f1与晶体振荡模块201分频信号的相位差累积计算过程一直持续，并且图18中的伺服模块217一直记录着参考信号f1与晶体振荡模块201分频信号f2的相位差的具体数值Δφ，只是在这一时刻由伺服模块217判断Δφ的信息。这里使能信号(实际闸门信号)的时间宽度，恰好等于晶体振荡模块201频率信号的完整周期数(N)。

图20中的GPS秒脉冲f0的频率为1Hz，即T＝1秒，从上述原理可以看出：只按照每一个T＝1秒的间隔进行一次f1与f2相差值Δφ。当经过M次T＝1秒的采样后，此时Δφ＝0时，那么伺服模块217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Δf,伺服模块217将按照图18中的晶体振荡模块201“压控斜率”关系将Δf转化成为ΔV(直流纠偏电压值) 使能压控修正模块216工作作用于晶体振荡模块201。

如图21为温度控制模块220的电路图，温度控制模块220包括：电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻Rw、热敏电阻Ra、热敏电阻Rb、电压跟随器A、电压源和加热线圈环路，其中，所述电阻R12的第一端接地而第二端连接所述电阻R15的第一端，所述电阻R13的第一端接地而第二端连接所述电阻R14的第一端，所述电阻R14的第二端连接所述电压跟随器A的正输入端，所述电阻 R15的第二端连接所述电压跟随器A的负输入端，所述电阻R16的第一端连接所述电压跟随器A的正输入端而第二端接地，所述电阻Rw 的第一端连接所述电压跟随器A的负输入端而第二端连接所述电压跟随器A的输出端，所述电压跟随器A的输出端连接所述加热线圈环路的第一端，所述加热线圈环路的第二端连接所述电压源的第一端，所述热敏电阻Ra的第一端连接所述电压源的第二端而第二端连接所述电阻R15的第一端，所述热敏电阻Rb的第一端连接所述电压源的第二端而第二端连接所述电阻R14的第一端。

具体地，温度控制模块220受控制模块203控制可以设定晶体振荡模块201的温度值T，具体地，控制模块203可以设置晶体振荡模块201对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。电阻R12、电阻R13以及敏电阻Rb为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与热敏电阻Ra相当。这里电阻Rb的值反映了实际工作环境温度T。热敏电阻Ra贴于温控模块120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，图21中的电桥处于平衡，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Ra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A的负反馈电阻Rw调节，电阻Rw为一数字电位计，通过调节电阻Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

在本申请实施例中，地空授时系统300为现有技术，本申请不对其进行详细阐述，简而言之，地空授时系统300用于星载时钟系统 100和地面基站系统200之间的通信，比如，地空授时系统300可以为通信卫星或者卫星基站等。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

总之，以上所述仅为本实用新型技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星载时钟系统，其特征在于，包括：高稳晶体振荡器、微波射频源、综合伺服模块、第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块、中央处理器和双泡式物理系统，其中，所述高稳晶体振荡器分别与所述微波射频源和所述综合伺服模块连接，所述微波射频源分别与所述综合伺服模块和所述双泡式物理系统连接，所述综合伺服模块分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接，所述第一同步鉴相模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接，所述第二同步鉴相模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接。

2.根据权利要求1所述的星载时钟系统，其特征在于，所述双泡式物理系统包括：磁屏、恒温层、微波腔、电场、金属屏蔽层、第一集成滤光共振泡、第二集成滤光共振泡、第一耦合环、第二耦合环、第一光电池、第二光电池、光谱灯和恒温器，其中，所述恒温层设置于所述磁屏内部，所述微波腔设置于所述恒温层内部，所述电场沿所述微波腔表面设置，所述金属屏蔽层设置于所述微波腔内部，并将其内部分隔为互相隔绝的第一腔和第二腔，所述第一集成滤光共振泡、所述第一耦合环和所述第一光电池设置于所述第一腔中，所述第二集成滤光共振泡、所述第二耦合环和所述第二光电池设置于所述第二腔中，所述恒温器设置于所述磁屏上方，且内部设置有所述光谱灯设，所述第一光电池分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接，所述第二光电池分别与所述第一同步鉴相模块和所述第二同步鉴相模块连接。

3.根据权利要求1所述的星载时钟系统，其特征在于，所述星载时钟系统还包括：温控模块，所述温控模块与所述双泡式物理系统连接。

4.根据权利要求3所述的星载时钟系统，其特征在于，所述温控模块包括：数字电位计Ro、第一电阻R1、第二电阻R2、设置于控/测温体上的第一热敏电阻Rk、设置于控/测温体上的第二热敏电阻Rz、设置于控/测温体上的温控芯片和处理器，其中，所述数字电位计Ro的第一固定端接地而第二固定端分别连接所述第一电阻R1的第一端和所述温控芯片的第一端，所述数字电位计Ro的滑动端连接所述处理器，所述第一电阻R1的第二端连接Ucc信号端，所述第二电阻R2的第一端连接所述Ucc信号端而第二端连接所述温控芯片的第二端，所述第一热敏电阻Rk的第一端接地而第二端连接所述温控芯片的第二端，所述第二热敏电阻Rz与所述处理器连接。

5.根据权利要求1所述的星载时钟系统，其特征在于，所述星载时钟系统还包括：状态指示模块，所述状态指示模块分别与所述中央处理器和所述双泡式物理系统连接，所述中央处理器还与所述微波射频源连接。

6.根据权利要求5所述的星载时钟系统，其特征在于，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的高稳晶体振荡器连接。

7.根据权利要求5所述的星载时钟系统，其特征在于，所述状态指示模块还与所述微波射频源连接。

8.根据权利要求5所述的星载时钟系统，其特征在于，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的综合伺服模块连接。

9.根据权利要求5所述的星载时钟系统，其特征在于，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的第一同步鉴相模块连接。

10.根据权利要求5所述的星载时钟系统，其特征在于，所述状态指示模块还与所述星载时钟系统中的第二同步鉴相模块连接。

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