一种利用gnss校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于原子钟领域，具体涉及一种利用全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System)接收机输出的秒脉冲（1PPS，lpulse per second)校正被 动型相干布居囚禁（CPT，Coherent Population Trapping)原子钟输出频率的方法，通过该 方法实现的CPT原子钟能够获得较高的频率稳定度和准确度，可以抑制频率漂移。
【背景技术】
[0002] CPT原子钟是一种新型原子钟，它具有体积小、功耗低、启动速度快等特点，可广泛 应用于定位、导航、通信基站和精密定时等领域。
[0003] CPT原子钟利用微波对垂直腔表面发射激光器（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)进行调制，产生调频多色光，由相干多色光的正负一级边带组成的双色光 与原子相互作用，当微波频率合适时可制备出CPT态原子，由此可以观测到CPT现象。扫描 耦合在激光器上的微波频率，得到呈洛伦兹线型的CPT信号，将CPT信号峰值对应的微波频 率称为CPT信号的中心频率。CPT原子钟的微波频率由压控晶振输出的频率倍频得到，将微 波频率锁定在CPT信号的中心频率，得到高稳定度输出频率的原子钟。CPT信号的中心频率 会因为环境温度变化、激光光强变化等因素的影响而发生变化，导致原子钟的输出频率偏 离标准输出频率。如果知道CPT原子钟输出信号的频率偏离标准输出频率的大小，就可以 通过一些手段，例如通过调节原子钟电路控制系统的微波倍频链的倍频系数、物理系统的 磁场强度等，可以将输出频率校正到预设标准输出频率，提高原子钟输出频率的精度。
[0004] GNSS (如GPS、GALILE0、GL0NASS和BDS等）每颗卫星上由于装载有较高频率稳定 度和准确度的原子钟，通常为铷钟、铯钟和被动型氢钟，因此能够在覆盖范围内提供高精度 时间。通过GNSS接收机获得的GNSS卫星输出的IPPS可以作为高精度的时间源，利用CPT 原子钟输出信号测量获得的时间间隔，将时间间隔作为已知量从而反推出CPT原子钟输出 信号的频率。
[0005] 由于信号从卫星传播到接收机过程以及接收机本身引入了噪声，使得通过GNSS 接收机获得的IPPS信号时钟序列相对于国际标准时间对应的序列存在抖动，普通接收机 输出的IPPS的抖动高达10 - 100ns，如果直接利用IPPS作为标准时间源测量CPT原子钟 输出信号的频率会带来较大的测频误差。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输 出频率的方法，其目的在于抑制CPT原子钟的频率漂移，提高CPT原子钟输出信号频率的精 度。
[0007] 本发明提供了一种利用GNSS校正相干布居囚禁原子钟输出频率的方法，包括下 述步骤：
[0008] Sl :利用IPPS信号测量CPT原子钟的频率，频率测量值与预设频率的差值作为频 率偏差；
[0009] S2 :根据所述频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。其中，该预 设频率是已知值，一般为10M。
[0010] 更进一步地，步骤Sl具体为：
[0011] Sll :生成周期为T的校正控制信号；
[0012] S12 :依据GNSS输入的IPPS信号在一个周期T内生成η个时间间隔信号；
[0013] S13 :利用时间间隔信号测量CPT原子钟输出信号的频率，一个时间间隔信号测 量记录一个CPT原子钟输出信号的频率；
[0014] S14:在所述校正控制信号的一个周期内获得多个测量值，将多个测量值的平均值 进行卡尔曼滤波处理后作为CPT原子钟在该周期内的实际输出频率；并将所述实际输出频 率与预设频率的差值作为CPT原子钟的频率偏差。
[0015] 更进一步地，步骤Sll具体为：
[0016] 通过对CPT原子钟输出信号的频率进行周期计数，获得周期性的校正控制信号； 其中，一个周期为T的校正控制信号由一个高电平和一个低电平组成，高电平的持续时间 为（T-t。)，低电平的持续时间为t。，t。的取值范围为lus-lms。
[0017] 更进一步地，在所述校正控制信号的所述高电平持续时间内获得CPT原子钟频率 偏差，在所述低电平持续时间内根据频率偏差将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频 率。
[0018] 更进一步地，步骤S12具体为：
[0019] 通过对CPT原子钟输出信号的频率进行周期计数，获得周期性的多脉冲闸门信 号；
[0020] 根据所述多脉冲闸门信号获得H组两脉冲闸门信号；
[0021] 每个两脉冲闸门信号通过捕获IPPS的上升沿获得一个时间间隔信号，共得到η个 时间间隔信号；其中H的取值与η值相等。
[0022] 更进一步地，获得H组两脉冲闸门信号具体为：
[0023] 在所述多脉冲闸门信号的一个周期T内有2η个脉冲高电平，每个脉冲高电平持续 时间大于Is小于2s，前η个脉冲上升沿的间距为ks，后η个脉冲上升沿的间距也为ks ;第 1个脉冲高电平的上升沿和第n+1个脉冲高电平的上升沿之间的间距为Τ'，第1个脉冲与 第η+1个脉冲为第一组，第2个脉冲与第η+2个脉冲为第二组，......第η个脉冲与第2η个 脉冲为第H组，依次类推获得H组脉冲，每组脉冲包括高电平和低电平，每组脉冲构成一个 两脉冲闸门信号，两脉冲闸门信号的两个脉冲的上升沿间距为Τ'，共获得H组两脉冲闸门 信号；两脉冲闸门信号的周期为T ;其中，k为大于1的整数。
[0024] 更进一步地，获得一个时间间隔信号具体为：校正控制信号的一个周期T内，两脉 冲闸门信号有两个脉冲高电平，第一个脉冲高电平持续时间探测IPPS的上升沿，当IPPS上 升沿到来时，时间间隔信号置高电平；在第二个脉冲高电平持续时间探测GPS的IPPS的上 升沿，当GPS的IPPS上升沿到来时，时间间隔信号置低电平，从而生成一个时间间隔信号， 时间间隔信号提供时间间隔，用于测量CPT原子钟输出频率。
[0025] 更进一步地，在步骤S13中，所述CPT原子钟输出信号的频率戈
其中，Τ' = NTc+ τ厂τ 2,Tc= l/fc，N为在时间间隔信号的高电平持续时间内测量的CPT原 子钟输出信号上升沿的个数；τ i、τ 2为直接计数法带来的误差，Τ'为时间间隔信号一个周 期内高电平持续时间，Τ。为CPT原子钟输出信号的周期。
[0026] 更进一步地，在步骤S2中，当CPT原子钟输出信号的频率与预设频率之间的差值 大于设定的阈值时，采用粗调将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设的频率；
[0027] 当CPT原子钟输出信号的频率与预设的频率之间的差值小于设定的阈值时，采用 细调将CPT原子钟输出信号的频率校正至预设频率。
[0028] 其中，粗调通过改变电路控制系统的微波倍频链的倍频系数实现，细调通过改变 CPT原子钟物理系统中磁场线圈的电流实现。
[0029] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0030] (1)本发明提出了一种测频方法，该方法通过平均滤波器和卡尔曼滤波器抑制 IPPS的白噪声，提高了测频精度。
[0031] (2)在一个校正周期内，利用GNSS的IPPS获得η个时间间隔信号，η个时间间隔 信号的高电平持续时间呈正态分布，利用呈正态分布的时间作为基准测量CPT原子钟输出 信号的频率得到η个测量值，这些测量值误差同样满足正态分布，将这些测量值平均后作 为一个校正周期内CPT原子钟的实际输出频率，