基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制方法及系统与流程

1.本发明涉及信号频率控制技术领域，尤其涉及基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制方法及系统。


背景技术：

2.目前的空间原子钟以铷钟和铯钟为主。铷钟在价格、寿命、功耗、体积以及可靠性等方面较铯钟具有更大的优势，因而在航空航天、导航定位、重力波探测、通讯网同步、仪器仪表、天文观测、大地测量、电网调节、高速交管以及通信和雷达等高科技领域具有广泛应用。
3.频率准确度是衡量空间原子钟尤其是北斗导航原子钟性能优劣的重要指标，也是现代战争中精确打击或定点清除发挥巡航导弹最大杀伤力的核心指标。传统铷钟的频率准确度是5e
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10量级，在复杂空间环境下，除老化、冲击、振动、气压及磁场变化等因素外，影响铷钟频率准确度最大的因素是环境温度的变化（通常空间环境较地面环境气候复杂、温差较大），环境温度的变化引起铷钟信号的频率漂移即温漂，严重时频率漂移率可达到5e
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11hz/℃。由于铷钟频率准确度随温度的变化是非线性的（即钟差，m,n,k是很小的常数，t是时间），很难用模拟的方法对温度的变化进行补偿以达到控制或稳定铷钟信号频率的目的，最终使铷钟的长期频率准确度下降。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制方法及系统，采用高分辨率dds数字频率控制技术，能够在宽温度范围内大幅度提高铷原子频标的频率准确度，加强北斗空间铷原子钟系统的稳定性和可靠性。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制方法，包括以下步骤：步骤1：利用环境温度探测模块对空间铷原子钟内部的板卡进行温度数据采集，并将环境温度探测模块获得的数字化温度测量信号以单总线通信方式送入fpga；步骤2：构建fpga可编程模块与dds频率合成模块之间的通信协议，使dds频率合成模块能够识别来自fpga可编程模块的基本信息；步骤3：利用fpga可编程模块内部的mcu对来自环境温度探测模块的数字化温度测量信号依据铷原子钟的温度
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频率关系模型实时计算出空间铷原子钟的实际输出频率，并通过dds频率合成模块“频率字”转换算法，将空间铷原子钟的实际输出频率转换为相应的“频率字”，“频率字”产生后被保存在fpga可编程模块内部的存储器中；步骤4：利用fpga可编程模块根据空间铷原子钟的实际输出频率和标准频率计算出频差即频率偏差值或频率漂移大小，获得频率漂移信号并送入铷原子钟物理模块；步骤5：将空间铷原子钟的标准频率倍频后与dds频率合成模块的输出频率进行混频，获得空间铷原子钟的激励信号，将激励信号和频率漂移信号送入铷原子钟物理模块进
行放大；步骤6：将铷原子钟物理模块放大后的激励信号和频率漂移信号送入异频相位处理模块产生误差电压信号，即压控晶体振荡器模块的输出频率控制信号，压控晶体振荡器模块的输出频率即空间铷原子钟的信号频率。
6.一种基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制系统，包括环境温度探测模块、fpga可编程模块、dds频率合成模块、铷原子钟物理模块、异频相位处理模块、压控晶体振荡器模块、显示模块和电源模块；所述的环境温度探测模块、fpga可编程模块、铷原子钟物理模块、异频相位处理模块、压控晶体振荡器模块和显示模块依次连接，所述的dds频率合成模块与fpga可编程模块通信连接；所述的电源模块用于为所述的环境温度探测模块、fpga可编程模块、dds频率合成模块、铷原子钟物理模块、异频相位处理模块、压控晶体振荡器模块和显示模块供电；所述的环境温度探测模块用于采集空间铷原子钟内部的板卡温度数据，并将采集到的数字化温度测量信号以单总线通信方式送入fpga可编程模块；所述的fpga可编程模块用于利用fpga内部的mcu对来自所述的环境温度探测模块的数字化温度测量信号依据铷原子钟的温度
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频率关系模型实时计算出空间铷原子钟的实际输出频率；并将所述的dds频率合成模块依据空间铷原子钟的实际输出频率转换出的相应的“频率字”，保存在fpga内部的存储器中；并根据空间铷原子钟的实际输出频率和标准频率计算出频差即频率偏差值或频率漂移大小，将获得频率漂移信号并送入所述的铷原子钟物理模块；并将空间铷原子钟的标准频率倍频后与所述的dds频率合成模块的输出频率进行混频，获得空间铷原子钟的激励信号，将激励信号和频率漂移信号送入所述的铷原子钟物理模块进行放大；所述的dds频率合成模块用于将空间铷原子钟的实际输出频率转换为相应的“频率字”，并根据相应的“频率字”输出dds频率合成模块的输出频率，并将dds频率合成模块的输出频率送入所述的fpga可编程模块与倍频后的空间铷原子钟的标准频率进行混频；所述的铷原子钟物理模块用于将所述的激励信号和频率漂移信号进行放大；所述的异频相位处理模块用于根据所述的铷原子钟物理模块放大后的激励信号和频率漂移信号产生误差电压信号即所述的压控晶体振荡器模块的输出频率控制信号；所述的压控晶体振荡器模块用于在所述的误差电压信号的控制下，将由温度引起的频率漂移实时补偿，并获得空间铷原子钟的信号频率；所述的显示模块用于显示空间铷原子钟的信号频率。
7.所述的环境温度探测模块采用设置在空间铷原子钟内部的板卡的dbs1820型多温度传感器组，所述的dbs1820型多温度传感器组包括主多温度传感器组和备份多温度传感器组。
8.所述的fpga可编程模块和dds频率合成模块分别采用cyclone iv ep4ce75芯片和dds ad9858芯片。
9.所述的铷原子钟物理模块由铷气泡组成。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明不同于传统的空间原子钟频率控制方法，以fpga技术为基础，借助高分辨率的dds数字频率控制方法和异频群相位量子化处理技术，从根本上突破传统空间铷原子
钟频率稳定中模拟温度补偿的限制及数字化温度补偿的高分辨率局限，在宽温度范围内大幅度提高铷原子频标的频率准确度，任意时刻空间铷原子钟的10mhz频率调节分辨率为
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0.1mhz，本发明系统电路结构简单，成本低廉，相位噪声低，实现了北斗空间原子钟系统的高稳定性和高可靠性。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
12.图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
13.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做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。
14.本发明所述的一种基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制方法，包括以下步骤：步骤1：利用环境温度探测模块对空间铷原子钟内部的板卡进行温度数据采集，并将环境温度探测模块获得的数字化温度测量信号以单总线通信方式送入fpga；所述的环境温度探测模块采用带有备份的dbs1820型多温度传感器组，所述的dbs1820型多温度传感器组包括主多温度传感器组和备份多温度传感器组；工作时，利用主多温度传感器组对空间铷原子钟内部的板卡进行无死点温度数据采集和实时连续测量，获得的数字化温度测量信号，并以单总线通信方式送入fpga，备份多温度传感器组在主多温度传感器组因故障因素失去作用（包括部分或全部温度传感器）后无缝替换主多温度传感器组，确保空间铷原子钟内部的板卡的温度数据采集的实时性和连续性；步骤2：构建fpga可编程模块与dds频率合成模块之间的通信协议，使dds频率合成模块能够识别来自fpga可编程模块的基本信息；所述的fpga可编程模块和dds频率合成模块分别采用cyclone iv ep4ce75芯片和dds ad9858芯片，其中，所述的dds ad9858芯片的时钟频率的秒级频率稳定度为10
‑7量级；步骤3：利用fpga可编程模块内部的mcu对来自环境温度探测模块的数字化温度测量信号依据铷原子钟的温度
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频率关系模型实时计算出空间铷原子钟的实际输出频率，并通过dds频率合成模块“频率字”转换算法，将空间铷原子钟的实际输出频率转换为相应的“频率字”，“频率字”产生后被保存在fpga可编程模块内部的存储器中；步骤4：利用fpga可编程模块根据空间铷原子钟的实际输出频率和标准频率计算出频差即频率偏差值或频率漂移大小，获得频率漂移信号并送入铷原子钟物理模块；步骤5：将空间铷原子钟的标准频率倍频后与dds频率合成模块的输出频率进行混频，获得空间铷原子钟的激励信号，将激励信号和频率漂移信号送入铷原子钟物理模块进行放大；其中的混频和倍频功能在fpga可编程模块中进行，通过fpga硬件语言描述实现；
步骤6：将铷原子钟物理模块放大后的激励信号和频率漂移信号送入异频相位处理模块产生误差电压信号，即压控晶体振荡器模块的输出频率控制信号，压控晶体振荡器模块的输出频率即空间铷原子钟的信号频率；在误差电压信号的控制下，将由温度引起的频率漂移实时补偿，最终获得空间铷原子钟的高长期准确度信号频率。
15.上述过程中，需要注意的是：由于dds频率合成模块的输出频率与激励信号的频率成3倍量级关系，当dds频率合成模块的输出频率调节0.1mhz时，激励信号的频率将改变0.1hz，空间铷原子钟的信号频率相应变化0.1mhz，空间铷原子钟的频率控制的分辨率提高了3倍量级。
16.如图1所示：本发明所述的一种基于北斗空间铷原子钟的高精度信号频率控制系统，包括环境温度探测模块、fpga可编程模块、dds频率合成模块、铷原子钟物理模块、异频相位处理模块、压控晶体振荡器模块、显示模块和电源模块；所述的环境温度探测模块、fpga可编程模块、铷原子钟物理模块、异频相位处理模块、压控晶体振荡器模块和显示模块依次连接，所述的dds频率合成模块与fpga可编程模块通信连接；所述的电源模块用于为所述的环境温度探测模块、fpga可编程模块、dds频率合成模块、铷原子钟物理模块、异频相位处理模块、压控晶体振荡器模块和显示模块供电；所述的环境温度探测模块用于采集空间铷原子钟内部的板卡温度数据，并将采集到的数字化温度测量信号以单总线通信方式送入fpga可编程模块；所述的fpga可编程模块用于利用fpga内部的mcu对来自所述的环境温度探测模块的数字化温度测量信号依据铷原子钟的温度
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频率关系模型实时计算出空间铷原子钟的实际输出频率；并将所述的dds频率合成模块依据空间铷原子钟的实际输出频率转换出的相应的“频率字”，保存在fpga内部的存储器中；并根据空间铷原子钟的实际输出频率和标准频率计算出频差即频率偏差值或频率漂移大小，将获得频率漂移信号并送入所述的铷原子钟物理模块；并将空间铷原子钟的标准频率倍频后与所述的dds频率合成模块的输出频率进行混频，获得空间铷原子钟的激励信号，将激励信号和频率漂移信号送入所述的铷原子钟物理模块进行放大；所述的dds频率合成模块用于将空间铷原子钟的实际输出频率转换为相应的“频率字”，并根据相应的“频率字”输出dds频率合成模块的输出频率，并将dds频率合成模块的输出频率送入所述的fpga可编程模块与倍频后的空间铷原子钟的标准频率进行混频；所述的铷原子钟物理模块用于将所述的激励信号和频率漂移信号进行放大；所述的异频相位处理模块用于根据所述的铷原子钟物理模块放大后的激励信号和频率漂移信号产生误差电压信号即所述的压控晶体振荡器模块的输出频率控制信号；所述的压控晶体振荡器模块用于在所述的误差电压信号的控制下，将由温度引起的频率漂移实时补偿，并获得空间铷原子钟的信号频率；所述的显示模块用于显示空间铷原子钟的信号频率。
17.优选的：所述的环境温度探测模块采用设置在空间铷原子钟内部的板卡的dbs1820型多温度传感器组，所述的dbs1820型多温度传感器组包括主多温度传感器组和备份多温度传感器组；备份多温度传感器组在主多温度传感器组因故障因素失去作用（包括部分或全部温度传感器）后能够无缝替换主多温度传感器组，确保空间铷原子钟内部的板卡的温度数据采集的实时性和连续性。
18.优选的：所述的fpga可编程模块和dds频率合成模块分别采用cyclone iv ep4ce75芯片和dds ad9858芯片。
19.优选的：所述的铷原子钟物理模块由铷气泡组成。
20.综上所述，本发明不同于传统的空间原子钟频率控制方法，以fpga技术为基础，借助高分辨率的dds数字频率控制方法和异频群相位量子化处理技术，从根本上突破传统空间铷原子钟频率稳定中模拟温度补偿的限制及数字化温度补偿的高分辨率局限，在宽温度范围内大幅度提高铷原子频标的频率准确度，任意时刻空间铷原子钟的10mhz频率调节分辨率为
±
0.1mhz，本发明系统电路结构简单，成本低廉，相位噪声低，实现了北斗空间原子钟系统的高稳定性和高可靠性。
21.进一步的，本发明所述的基于北斗空间原子钟的高精度信号频率控制方法和控制系统，不仅在北斗星载原子钟、精密晶体振荡器方面具有广泛的应用前景，而且还为使用各种精密晶体振荡器和原子频标的航空航天、导航定位、重力波探测、通讯网同步、仪器仪表、天文观测、大地测量、电网调节、高速交管以及通信和雷达等高科技领域提供对其关键的频率稳定和同步检测方面的理论指导和技术支持。
22.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。