RU62467U1

RU62467U1 - QUANTUM FREQUENCY STANDARD

Info

Publication number: RU62467U1
Application number: RU2006140615/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Юрьевич Медведев; Борис Александрович Сахаров; Павел Николаевич Смирнов
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Время-Ч"
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2007-04-10

Abstract

Квантовый стандарт частоты предназначен для формирования высокостабильных сигналов с использованием спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS- GLONASS и может быть использован для работы в режиме слежения за навигационными космическими аппаратами, синхронизируя с большей точностью собственную шкалу времени с образцовым сигналом, формируемым по принимаемым сигналам СРНС. Квантовый стандарт частоты включает соединенные в кольцо квантовый дискриминатор 1, приемник 2, блок автоматической подстройки частоты (АПЧ) 3, подстраиваемый кварцевый генератор 4, формирователь опорных частот 5 и смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот 7, второй и третий выходы блока АПЧ 3 подключены ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора 1и ко входу модуляции синтезатора 7, процессор 8 и последовательно соединенные приемное устройство обработки сигналов СРНС 9, измеритель временных интервалов (ИВИ)10 и делитель частоты 11 с переменным коэффициентом деления, первый вход которого подключен ко второму выходу 100 МГц формирователя опорных частот 5, а второй вход через процессор 8 соединен с выходом ИВИ 10. Выход делителя частоты 11 является выходом формируемой по принимаемым сигналам СРНС шкалы времени 1 Гц.The quantum frequency standard is intended for the formation of highly stable signals using the GPS-GLONASS satellite radio navigation system (SRNS) and can be used to work in the tracking mode for navigation spacecraft, synchronizing with greater accuracy its own time scale with the model signal generated from the received SRNS signals. The quantum frequency standard includes a quantum discriminator 1 connected in a ring, a receiver 2, an automatic frequency control unit (AFC) 3, a tunable crystal oscillator 4, a reference driver 5 and a mixer 6, the second input of which is connected to the output of the tunable frequency synthesizer 7, the second and third the outputs of the AFC unit 3 are connected to the frequency control of the resonator of the quantum discriminator 1 and to the modulation input of the synthesizer 7, the processor 8 and the receiver signal processing device SRNS 9 connected in series, and a time interval meter (IVI) 10 and a frequency divider 11 with a variable division coefficient, the first input of which is connected to the second 100 MHz output of the reference frequency driver 5, and the second input through the processor 8 is connected to the output of the IVI 10. The output of the frequency divider 11 is the output generated by received signals SRNS time scale 1 Hz.

Description

Полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована в квантовых стандартах частоты типа для формирования высокостабильных сигналов с использованием спутниковой радионавигационной системы GPS- GLONASS при решении задач, связанных с синхронизацией собственной шкалы времени (ШВ) с ШВ UTC и проведением время-частотных измерений.The utility model relates to radio measurement technology and can be used in quantum frequency standards of the type for the formation of highly stable signals using the GPS-GLONASS satellite radio navigation system for solving problems associated with synchronizing your own time scale (BW) with UTC and time-frequency measurements.

Известен водородный стандарт активного типа частоты по патенту РФ №19330, который обеспечивает автоматическое поддержание частоты настройки сверхвысокочастотного резонатора квантового водородного генератора на вершину водородной линии с одновременной калибровкой частоты выходного сигнала по эталонным сигналам времени спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS- GLONASS.The known hydrogen standard of the active type of frequency according to RF patent No. 19330, which provides automatic maintenance of the tuning frequency of the microwave resonator of a quantum hydrogen generator to the top of the hydrogen line while calibrating the frequency of the output signal using the GPS-GLONASS satellite radio navigation system (SRNS) reference signals.

Известен стандарт частоты и времени водородный пассивного типа по патенту РФ №25801, 22.10.2001 г., МПК G 04 G 3/00, принятый в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения, включающий последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор, приемник (преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор), процессорный блок автоматической подстройки частоты (АПЧ), подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь опорных частот и смеситель, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого The known hydrogen frequency and time standard of the passive type according to the patent of the Russian Federation No. 25801, 10.22.2001, IPC G 04 G 3/00, adopted as the closest analogue of the proposed technical solution, including a quantum discriminator, a receiver (frequency converter, intermediate frequency amplifier, amplitude detector), processor unit for automatic frequency control (AFC), tunable crystal oscillator, driver of reference frequencies and a mixer, the second input of which is connected to the output of the tunable

синтезатора частот, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора.frequency synthesizer, while the second and third outputs of the automatic frequency control unit are connected respectively to the frequency control resonator input of the quantum discriminator and to the modulation input of the tunable synthesizer.

В основе принципа действия стандарта лежит автоподстройка частоты кварцевого генератора к частоте линии излучения атомов водорода в дискриминаторе. Сигнал возбуждения дискриминатора, сформированный суммированием гармоники частоты кварцевого генератора и сигнала перестраиваемого синтезатора, взаимодействует со спектральной линией излучения атомов водорода в дискриминаторе и создает на выходе амплитудного детектора сигнал ошибки, используемый процессором АПЧ для подстройки частоты кварцевого генератора на вершину спектральной линии. Изменение кода частоты перестраиваемого синтезатора обеспечивает шаговую установку частоты кварцевого генератора (номинальной выходной частоты стандарта) с точностью до единицы пятнадцатого знака (1×10^-15). Такие устройства используются в качестве генераторов высокоточных, высокостабильных сигналов.The principle of the standard’s operation is based on automatic tuning of the frequency of the crystal oscillator to the frequency of the emission line of hydrogen atoms in the discriminator. The discriminator excitation signal, formed by summing the harmonic frequency of the crystal oscillator and the tunable synthesizer signal, interacts with the spectral line of the emission of hydrogen atoms in the discriminator and generates an error signal at the output of the amplitude detector, which is used by the AFC to adjust the frequency of the crystal oscillator to the top of the spectral line. Changing the frequency code of the tunable synthesizer provides a step-by-step setting of the frequency of the crystal oscillator (nominal output frequency of the standard) with an accuracy of one fifteen (1 × 10 ^-15 ). Such devices are used as generators of high-precision, highly stable signals.

В последнее время появилась необходимость работы квантовых стандартов частоты не только в режиме хранения (частота и шкала времени воспроизводятся автономно), но и в режиме слежения за навигационными космическими аппаратами (НКА)GPS/GLONASS (частота и шкала времени квантового стандарта синхронизируется по сигналам GPS/GLONASS).Recently, there is a need for quantum frequency standards to work not only in storage mode (frequency and time scale are reproduced autonomously), but also in GPS / GLONASS tracking mode for navigation spacecraft (spacecraft) (the quantum standard frequency and time scale are synchronized by GPS / GLONASS).

Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей квантового стандарта частоты за счет обеспечения возможности его работы в режиме слежения за навигационными космическими аппаратами, синхронизируя с большей точностью собственную шкалу времени с образцовым сигналом, формируемым по принимаемым сигналам спутниковых радионавигационных систем GPS/GLONASS.The technical task of the utility model is to expand the functionality of the quantum frequency standard by providing the possibility of its operation in the tracking mode for navigation spacecraft, synchronizing with greater accuracy its own time scale with an exemplary signal generated from the received signals of GPS / GLONASS satellite radio navigation systems.

Сущность технического решения задачи заключается в том, что в квантовый стандарт частоты, включающий последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор, приемник (преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор), процессорный блок автоматической подстройки частоты, подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь опорных частот и смеситель, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора, введены процессор и последовательно соединенные приемное устройство обработки сигналов спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, измеритель временных интервалов и делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый вход которого подключен ко второму выходу 100 МГц формирователя опорных частот, а второй вход через процессор соединен с выходом измерителя временных интервалов, при The essence of the technical solution of the problem lies in the fact that in the quantum frequency standard, which includes a quantum discriminator in series, a receiver (a frequency converter, an intermediate frequency amplifier, an amplitude detector), an automatic frequency control processor unit, a tunable crystal oscillator, a reference frequency driver and a mixer , the second input of which is connected to the output of the tunable frequency synthesizer, while the second and third outputs of the automatic frequency control unit p are connected respectively to the frequency discriminator resonator frequency control input and to the tunable synthesizer modulation input, a processor and serially connected GLONASS or GPS satellite signal processing receiver, a time interval meter and a frequency divider with a variable division ratio, the first input of which is connected to the second output, are introduced 100 MHz of the reference frequency driver, and the second input through the processor is connected to the output of the time interval meter, at

этом выход делителя частоты является выходом основной (формируемой) шкалы времени 1 Гц.the output of the frequency divider is the output of the main (generated) time scale of 1 Hz.

На рисунке представлена структурная схема предлагаемого квантового стандарта частоты.The figure shows a block diagram of the proposed quantum frequency standard.

Стандарт частоты и времени включает последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор 1, приемник 2, процессорный блок автоматической подстройки частоты 3, подстраиваемый кварцевый генератор 4, формирователь опорных частот 5, смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот 7, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты 3 подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора 1 и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора 7, процессор 8 и последовательно соединенные приемное устройство 9 обработки сигналов спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, измеритель временных интервалов 10 и делитель частоты с переменным коэффициентом деления 11, первый вход которого подключен ко второму выходу 100 МГц формирователя опорных частот 5, а второй вход через процессор 8 соединен с выходом измерителя временных интервалов (ИВИ) 10. При этом выход делителя частоты 11 является выходом основной шкалы времени 1 Гц.The frequency and time standard includes a quantum discriminator 1, a receiver 2, a processor unit for automatically adjusting the frequency 3, a tunable crystal oscillator 4, a driver of reference frequencies 5, a mixer 6, the second input of which is connected to the output of the tunable frequency synthesizer 7, while the second and the third outputs of the automatic frequency control unit 3 are connected respectively to the frequency control cavity of the quantum discriminator 1 and to the modulation input of the tunable synthesis ator 7, processor 8 and serially connected receiving device 9 for processing signals from satellite navigation systems GLONASS or GPS, a time interval meter 10 and a frequency divider with a variable division coefficient 11, the first input of which is connected to the second 100 MHz output of the reference frequency driver 5, and the second input through the processor 8 is connected to the output of the time interval meter (IVI) 10. The output of the frequency divider 11 is the output of the main time scale 1 Hz.

Блоки 1-7 могут быть выполнены аналогично прототипу. Процессор 8 выполнен на основе микроконтроллера АТ89С51RD2 или ЦHS 320С5402.Blocks 1-7 can be performed similarly to the prototype. The processor 8 is based on an AT89C51RD2 or TsHS 320C5402 microcontroller.

Блок 9 может быть выполнен в виде устройства обработки спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, например типа "Palisade" фирмы "Trimble" США (интеллектуальная антенна GPS) или типа СН-3834 московского конструкторского бюро "Навис". В России успешно функционирует СРНС "ГЛОНАСС".Block 9 can be made in the form of a processing device for satellite navigation systems GLONASS or GPS, for example, the Palisade type of the Trimble company of the USA (smart GPS antenna) or the CH-3834 type of the Moscow Navis design bureau. GLONASS SRNS is successfully operating in Russia.

Блок 10 может быть выполнен на основе ИВИ типа Ч3-38 или Ч3-64 с разрешением измерения 10 нс. Делитель частоты 11 с переменным коэффициентом деления может быть выполнен на основе программируемого счетчика с входом для переключения коэффициента деления, например микросхема К155ИЕ8.Block 10 can be made on the basis of IVI type Ch3-38 or Ch3-64 with a measurement resolution of 10 ns. The frequency divider 11 with a variable division ratio can be performed on the basis of a programmable counter with an input for switching the division ratio, for example, K155IE8 chip.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Сигнал опорной частоты 100 МГц от блока формирования опорных частот 5 поступает на счетный (первый) вход делителя частоты 11, на вход установки коэффициента деления частоты (второй вход) которого установлен код деления 10⁸, при этом на выходе делителя частоты 11 вырабатывается сигнал с частотой 1 Гц (ШВ стандарта), поступающий на вход «старт» ИВИ 10. На вход «стоп» ИВИ 10 поступает сигнал ШВ СРНС GLONASS или GPS. Так как каждый импульс ШВ СРНС имеет случайное отклонение от истинного момента формирования ШВ UTC, то ИВИ 10 измеряет каждую секунду за выбранный интервал, который формируется процессором 8, временные расхождения Δt_l между импульсами от ШВ стандарта и ШВ СРНС с учетом задержки распространения сигналов. Измеренные временные расхождения Δt_l принимаются процессором 8, который усредняет The signal of the reference frequency 100 MHz from the block forming the reference frequencies 5 is supplied to the counting (first) input of the frequency divider 11, to the input of the setting of the frequency division coefficient (second input) of which the division code 10 ^{8 is set} , while a signal with a frequency is generated at the output of the frequency divider 11 1 Hz (ШВ standard), which is input to the “start” input of the IVI 10. The “stop” input of the IVI 10 receives the ШВ СРНС GLONASS or GPS signal. Since each impulse of the SHW SRNS has a random deviation from the true moment of the ShV UTC formation, IVI 10 measures every second for the selected interval, which is formed by the processor 8, the time differences Δt _l between the pulses from the ShV standard and the SHV SRNS taking into account the propagation delay of signals. The measured time differences Δt _l are received by the processor 8, which averages

эти отсчеты и по достижению заданного интервала вычисляет необходимую поправку (для сдвига импульса от делителя частоты 11 и совмещения ШВ стандарта и ШВ СРНС) и вводит ее в делитель частоты 11. Затем цикл измерения и синхронизации ШВ при необходимости повторяется.these samples, and upon reaching the specified interval, calculates the necessary correction (for shifting the pulse from the frequency divider 11 and combining the ШВ standard and ШВ SRNS) and enters it into the frequency divider 11. Then the cycle of measuring and synchronizing the ШВ is repeated if necessary.

За счет высокой стабильности сигнала квантового стандарта частоты и математического усреднения интервалов времени между ШВ СРНС и ШВ стандарта производится «сглаживание» ШВ СРНС, что позволяет обеспечить привязку ШВ стандарта к ШВ UTC с точностью около 20 наносекунд, что на порядок лучше точности ШВ приемника СРНС.Due to the high stability of the signal of the quantum frequency standard and the mathematical averaging of time intervals between the SRNS SHW and the SHW standard, the SHRNS SHW is “smoothed”, which allows the SHW standard to be linked to the UTC SHW with an accuracy of about 20 nanoseconds, which is an order of magnitude better than the accuracy of the SHRNS SHW receiver.

Таким образом, предлагаемый квантовый стандарт частоты воспроизводит метку времени по сигналам спутниковой радионавигационной системы с большей точностью, так как формирование основной ШВ осуществляется с усреднением отклонений, обусловленных искажениями (шумовыми, приема, распространения и пр.) при приеме сигналов СРНС.Thus, the proposed quantum frequency standard reproduces the time stamp on the signals of the satellite radio navigation system with greater accuracy, since the formation of the main NW is carried out with the averaging of deviations due to distortions (noise, reception, propagation, etc.) when receiving SRNS signals.

Claims

A quantum frequency standard, including a quantum discriminator, a receiver, an automatic frequency control unit, a tunable crystal oscillator, a reference frequency driver and a mixer, the second input of which is connected to the output of the tunable frequency synthesizer, while the second and third outputs of the automatic frequency control unit are connected respectively, to the resonator frequency control input of the quantum discriminator and to the modulation input of the tunable synthesizer, the fact that a processor and serially connected receiver of signal processing of satellite navigation systems GLONASS or GPS, a time meter and a frequency divider with a variable division coefficient are introduced into it, the first input of which is connected to the second output of the reference frequency driver, and the second input is connected to the processor through the output of the time interval meter, while the output of the frequency divider is the output of the main time scale.