一种铷钟温度特性标定方法及标定补偿装置与流程

本发明涉及铷钟标定技术领域，特别是指一种铷钟温度特性标定方法及标定补偿装置，可用于内含铷钟的各类授时、守时终端。

背景技术：

目前，铷钟因其体积小、功耗低、价格低、频率准确度及稳定度高、寿命长、温度适应性强等特点，广泛应用于各类地面固定、车载、舰载授时及守时终端中。

目前，铷钟守时主要采用外部输入参考信号进行时钟驯服的方式进行铷钟频率准确度校准，参考源失效或关闭后，依据铷钟进行高精度守时，持续输出准确、稳定的时间频率信号。因受限于铷钟物理特性，其输出频率准确度对于温度较为敏感，而内置铷钟的授时、守时终端应用温度范围较宽，大多不具备外部恒温、保温措施，在外界温度变化时，对于铷钟频率准确度影响较大，将直接降低授时、守时终端的守时精度指标。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种铷钟温度特性标定方法及标定补偿装置，其能够优化铷钟的温度特性标定过程，提高铷钟守时精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铷钟温度特性标定方法，用于对待处理铷钟进行温度特性标定，包括以下步骤：

（1）通过授时模块解调外部参考信号，生成参考秒信号；

（2）通过时差测量芯片测量铷钟的秒信号与参考秒信号的时间差；

（3）通过温度传感器实时采集铷钟的温度值；

（4）通过单片机采集时差测量芯片测得的时间差以及温度传感器输出的温度值，并计算参考秒信号与铷钟间的频率偏差，通过控制接口控制铷钟频率，以实现铷钟驯服；

（5）执行温度标定流程，通过温控系统将铷钟的温度由室温降至10℃，保持至少4小时；然后在1小时内升温至20℃，保持至少4小时；然后在1小时内升温至30℃，保持至少4小时；然后在1小时内升温至40℃，保持至少4小时；然后在1小时内降温至30℃，保持至少4小时；然后在1小时内降温至20℃，保持至少4小时；然后在1小时内降温至10℃，保持至少4小时；

（6）在步骤（5）的每个温度阶段中，依据时差测量芯片测得的时间差，通过pid调节算法，通过调整铷钟频率以实现铷钟秒信号对外部参考秒信号的跟踪，同时记录铷钟频率调整量，在每个阶段的温度稳定后的时间内，计算平均铷钟调整量，并记录该阶段温度值及对应的铷钟频率调整量，共得到7组温度-频率调整量数据；

（7）对7组温度-频率调整量数据进行最小二乘法线性拟合，以其斜率为铷钟温度系数，存储后作为该铷钟温度系数，完成铷钟温度特性标定。

此外，本发明还提供一种铷钟温度特性标定及补偿装置，用于对待处理的铷钟进行温度特性标定和补偿，包括授时模块、时差测量芯片、单片机、温度传感器以及具有温控系统的恒温箱；其中，

所述授时模块用于解调外部参考信号，生成参考秒信号；

所述时差测量芯片用于测量铷钟秒信号与参考秒信号的时间差；

所述温控系统用于控制恒温箱内铷钟的温度；

所述温度传感器用于实时采集铷钟的温度值；

所述单片机用于采集时差测量芯片测得的时间差以及温度传感器输出的温度值，并计算参考秒信号与铷钟间的频率偏差，通过控制接口控制铷钟频率，以实现铷钟驯服；铷钟驯服后，所述单片机执行如下温度标定程序：

（a01）通过温控系统将铷钟的温度由室温降至10℃，保持至少4小时；然后在1小时内升温至20℃，保持至少4小时；然后在1小时内升温至30℃，保持至少4小时；然后在1小时内升温至40℃，保持至少4小时；然后在1小时内降温至30℃，保持至少4小时；然后在1小时内降温至20℃，保持至少4小时；然后在1小时内降温至10℃，保持至少4小时；

（a02）温度标定过程的每个温度阶段中，依据时差测量芯片测得的时间差，通过pid调节算法，通过调整铷钟频率以实现铷钟秒信号对外部参考秒信号的跟踪，同时记录铷钟频率调整量，在每个阶段的温度稳定后的时间内，计算平均铷钟调整量，并记录该阶段温度值及对应的铷钟频率调整量，共得到7组温度-频率调整量数据；

（a03）对7组温度-频率调整量数据进行最小二乘法线性拟合，以其斜率为铷钟温度系数，存储该铷钟温度系数，完成铷钟温度特性标定；

温度标定结束后，所述单片机执行如下温度补偿程序：

（b01）铷钟跟踪外部参考信号并锁定超过24小时后，切断外部参考信号，进入守时模式；

（b02）记录进入守时模式时刻的铷钟温度值；

（b03）通过温度传感器实时测量铷钟温度，每小时记录一次铷钟的平均温度值，并计算相对于上一小时的温度变化量，将温度变化量乘以标定获得的铷钟温度系数，计算得出铷钟频率补偿量；

（b04）将铷钟频率补偿量发送至待处理的铷钟，完成温度补偿。

本发明技术方案具有如下有益效果：

1、本发明可实现铷钟温度特性的自动补偿，极大地提高铷钟在温度变化环境中的频率准确度和守时精度。

2、本发明可实现铷钟温度特性的自动标定，针对每只铷钟专门标定，避免铷钟个体差异造成的影响，提高标定精度，同时标定过程无需人为干预，减少人力成本，适合批量设备生产标定。

3、本发明的铷钟温度特性标定过程可适应铷钟稳定特性及工作温度范围，可满足通用守时设备温度范围要求。

附图说明

图1为本发明实施例中铷钟温度特性标定及补偿装置的原理示意图。

图2为本发明实施例中铷钟温度特性标定过程中的温度变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

图1所示为一种铷钟温度特性标定及补偿装置，其用于对待处理的铷钟3（包含于某一设备内）进行温度标定和补偿，包括单片机1、温度传感器2、时差测量芯片4、授时模块5、电源6。其中，

铷钟3产生10mhz内部基准信号及1pps秒信号，送至时差测量芯片4作为参考频率及秒信号；同时，授时模块5解调外部参考信号，并输出参考秒信号送至时差测量芯片4，进行铷钟秒信号及参考秒信号间时差测量；单片机1采集时差测量芯片4的时差测试值及温度传感器2输出的铷钟温度值，并计算参考信号与铷钟间频率偏差，通过控制接口控制铷钟3频率，以实现铷钟驯服功能。

使用该装置时，将待进行铷钟温度特性标定的设备置于具有温控系统的恒温箱中，然后装置开机，恒温箱预热，在判定铷钟锁定、外参考信号有效后，即可进入时钟驯服状态。

铷钟温度特性标定的流程如下：

（a01）依据图2所示的温度-时间曲线进行温度控制。

具体来说，温度的控制方式为：由室温降至10℃，并保持至少4小时后，在1小时内升温至20℃，并保持至少4小时后，在1小时内升温至30℃，并保持至少4小时后，升温至40℃，并保持至少4小时后，在1小时内降温至30℃，并保持4小时后，在1小时后降温至20℃，并保持至少4小时后，在1小时内降温至10℃，并保持至少4小时后，结束。

（a02）依据时差测量芯片测试外部参考与铷钟秒信号时间差，并通过pid调节算法，通过调整铷钟频率以实现铷钟秒信号对外部参考信号的跟踪，同时记录铷钟频率调整量，在每个阶段温度稳定后的时间内，计算平均铷钟调整量，并记录温度值及对应频率调整量，共获得7组温度-频率调整量数据。

（a03）针对7组温度-频率调整量，进行最小二乘法线性拟合，以其斜率为铷钟温度系数，存储该铷钟温度系数，完成一次铷钟温度特性标定。

如有需要，可以周期性地自动循环执行上述标定程序。

铷钟温度特性补偿的流程如下：

（b01）铷钟跟踪外部参考源并锁定超过至少24小时后，切断外部参考源，进入守时模式。

（b02）记录进入守时模式时刻时，铷钟的温度值。

（b03）实时测量铷钟的温度值，每小时记录一次铷钟的平均温度值，并计算相对于上一小时的温度变化量，将温度变化量乘以标定获得的铷钟温度系数，即可计算出铷钟频率补偿量。

（b04）将铷钟频率补偿量发送至铷钟，完成一次温度补偿。

其中，步骤（b03）和（b04）可以循环重复进行，即可实现对铷钟温度特性的连续自动补偿。