原子频率标准的在线校准装置及校准方法
【专利摘要】本发明提出一种原子频率标准的在线校准装置及校准方法，旨在提供一种简单、易实施，能对各种原子频率标准进行在线校准的装置及校准方法。本发明通过下述技术方案予以实现：采用三个相同串联在功分器和数据采集与处理器之间的频差增倍与比相器模块构成三通道超底噪声频标比对器，其中，通道CH1功分器的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，通道CH2的功分器一输出端并联于通道CH1频差增倍与比相器的输入端，通道CH3的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，三个比相器的输出输入到数据采集与处理器进行数据处理。采用本发明可以解决目前商用原子频率标准校准项目不全，校准不实时，校准难度大的问题。
【专利说明】原子频率标准的在线校准装置及校准方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在航天测控领域中，地面测控站中原子频率标准的频率准确度和短期频率稳定度的在线校准装置及校准方法。
【背景技术】
[0002]在航天测控系统中，为了对航天器进行精确的测距、测角和测速，在地面测控站中基本上都用原子频率标准作为时间频率标准。根据测控精度的不同，以采用主动型氢原子频率标准为代表的高性能原子频率标准和铷原子频率标准为代表的较低性能的原子频率标准为最多。在测控系统中，最关注的是原子频率标准的频率准确度和短期频率稳定度。目前，地面测控站中的原子频率标准的校准一般采用搬回实验室进行校准、自校准或卫星双向比对或GPS共视等方法进行。上述现有技术存在以下缺点:一是搬运回实验室进行校准只适合于小型的、便于搬运的、技术指标相对较低的原子频率标准(如铷原子频率标准)，不适合体积大的、运行条件苛刻的、技术指标高的原子频率标准(如主动型氢原子频率标准)。即使能搬运，校准难度也比较大。不仅费时、费力，还影响系统运行的稳定性，也不能及时反映原子频率标准在运行过程中的状况；二是自校准只适用于自身带GPS接收机，能根据GPS接收机接收信号自动对输出频率进行修正的原子频率标准，该方法只能对原子频率标准的输出频率准确度进行校准，不能对其短期频率稳定度进行校准。三是卫星双向比对或GPS共视法适合于技术指标高的原子频率标准的频率准确度的校准，也不能实现短期频率稳定度的校准，而且需要专用的比对接收机，比对的参考实验室，租用卫星等费用昂贵。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对上述现有技术存在的校准项目不全，校准不实时，校准难度大的问题，提供一种操作方便，实施容易，能对目前各种商用原子频率标准进行在线校准的校准装置及校准方法。
[0004]本发明的上述目的可以通过以下措施来达到:一种原子频率标准频率准确度的在线校准装置，包括比对不确定度优于5.0X 10_14(Is)，取样时间从0.1s到IOOs的频标比对器，其特征在于:频标比对器为三通道超底噪声频标比对器，该频率比对器由三个相同、性能一致、串联在功分器和数据采集与处理器之间的频差增倍与比相器模块构成，其中，通道CHl功分器的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，通道CH2的功分器一输出端并联于通道CHl频差增倍与比相器的输入端，通道CH3的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，三个比相器的输出输入到数据采集与处理器进行数据处理。
[0005]本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
利用本发明，可选用两只超高稳晶体振荡器作为短期频率稳定度测量的参考标准，该晶体振荡器的短期频率稳定度与目前商用原子频率标准中最高的短期频率稳定度指标相当，可以利用三源法或两源法对目前商用原子频率标准的短期频率稳定度进行校准。利用GPS驯服铷原子频率标准作为参考频标，在现场校准较低性能原子频率标准的频率准确度，校准高性能原子频率标准的频率漂移。
[0006]本发明以GPS驯服铷原子频率标准为参考，三通道超低噪声频标比对器作为频标比对器，利用GPS驯服铷原子频率标准日平均频率准确度优于5.0X 10_13，且稳定的特点，采用两源互比的方法，通过频标比对器连续的比对测量，实现较低性能原子频率标准(如铷原子频率标准)的频率准确度，或高性能原子频率标准(如主动型氢原子频率标准)频率准确度的相对漂移进行在线校准，实现了原子频率标准运行过程中的实时在线监测。
[0007]本发明以两只超高稳晶体振荡器作为参考，三通道超低噪声频标比对器作为频标比对器，采用两源互比的方法实现较低性能的原子频率标准(如铷原子频率标准)的短期频率稳定度的校准，采用三源互比的方法实现高性能原子频率标准(如主动型氢原子频率标准)的短期频率稳定度的校准，可以在不影响被校准原子频率标准正常工作的情况下，实现在线校准。
[0008]本发明采用一台三通道超低噪声频标比对器作为频标比对设备，采用一只GPS驯服铷原子频率标准作为参考标准，实现对原子频率标准的频率准确度或相对漂移的在线校准；采用两只超高稳的精密晶体振荡器作为短期频率稳定度测量的参考标准，利用三通道超低噪声频标比对器，采用三源互比的方法实现高性能原子频率标准(如主动型氢原子频率标准)短期频率稳定度的校准，采用两源互比的方法实现较低性能的原子频率标准(如铷原子频率标准)短期频率稳定度的校准，实现了原子频率标准的频率准确度和短期频率稳定度的实时在线校准，适合于目前所有商用原子频率标准的校准，解决了现有地面测控站中原子频率标准校准困难，校准项目不全，校准不实时的问题。
[0009]本发明操作方便，实施容易，能对目前各种商用原子频率标准进行在线校准，解决现有技术校准项目不全，校准不实时，校准难度大的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面结合附图和实施例对本方法进一步说明。
[0011]图1本发明原子频率标准频率准确度的在线校准装置的构造示意图。
[0012]图2是图1本发明对原子频率标准的频率准确度进行的在线校准的实施例示意图。
[0013]图3是本发明两源法校准原子频率标准短期频率稳定度的在线校准的实施例示意图。
[0014]图4是本发明三源法校准原子频率标准短期频率稳定度的在线校准的实施例示意图。
【具体实施方式】
[0015]参阅图1。在图1描述的实施例中，原子频率标准频率准确度的在线校准装置主要包括比对不确定度优于5.0X 10_14(Is)，取样时间从0.1s到IOOs的频标比对器，频标比对器为三通道超底噪声频标比对器，是一台既能实现基于三源互比的高性能原子频率标准在线校准，又能实现基于两源互比的较低性能原子频率标准在线校准，能实现三个通道两两间同时进行互比，自动进行数据处理与实时显示的比对设备。该频率比对器可以由三个相同、性能一致、串联在功分器和数据采集与处理器之间的频差增倍与比相器模块构成，其中，通道CHl功分器的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，通道CH2的功分器一输出端并联于通道CHl频差增倍与比相器的输入端，通道CH3的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，三个比相器的输出信号输入到数据采集与处理器进行数据处理。该频标比对器能同时实现通道CHl与通道CH2、通道CH2与通道CH3、通道CHl与通道CH3输入信号之间的两两互比，并进行数据处理，实时显示三通道三个互比源各自频率准确度和短期频率稳定度。
[0016]参阅图2。在图2描述的用GPS驯服铷原子频率标准作参考校准原子频率标准频率准确度的实施例中，GPS驯服铷原子频率标准输出的标准频率输入频标比对器的通道CH1，被校准原子频率标准频率输出的标准频率输入频标比对器通道CH3。校准时，作为参考的GPS驯服铷原子频率标准通过GPS天线接收GPS信号，在稳定锁定12小时以上后，利用频标比对器的数据采集与处理功能，连续采集频标比对器输出的24小时累积相位差，利用下式计算得到被校原子频率标准的日平均频率准确度
【权利要求】
1.一种原子频率标准的在线校准装置，包括比对不确定度优于5.0X 10_14(ls)，取样时间从0.1s到IOOs的频标比对器，其特征在于:频标比对器为三通道超底噪声频标比对器，该频率比对器由三个相同、性能一致、串联在功分器和数据采集与处理器之间的频差增倍与比相器模块构成，其中，通道CHl功分器的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，通道CH2的功分器一输出端并联于通道CHl频差增倍与比相器的输入端，通道CH3的一输出端并联于通道CH3频差增倍与比相器的输入端，三个比相器的输出输入到数据采集与处理器进行数据处理。
2.如权利要求1所述的地面测控站中原子频率标准的在线校准方法，其特征在于:所述频标比对器能同时实现通道CHl与通道CH2、通道CH2与通道CH3、通道CHl与通道CH3输入标准频率之间的两两互比，并进行数据处理，实时显示三通道三个互比源各自频率准确度和短期频率稳定度。
3.一种使用权利要求1所述原子频率标准在线校准装置的在线校准方法，其特征在于包括如下步骤:用一只GPS驯服铷原子频率标准作为原子频率标准频率准确度校准的参考频率标准、一台三通道超低噪声频标比对器作为频标比对器，然后通过频标比对器连续的对GPS驯如铷原子频率标准和被测原子频率标准的比对测量，校准原子频率标准的频率准确度或相对漂移；再采用两只超高短期频率稳定度的晶体振荡器作为原子频率标准短期频率稳定度校准的参考频率标准，用一台三通道超低噪声频标比对器作为频标比对器，用三源互比方法对高性能原子频率标准的短期频率稳定度进行校准，或用两源互比方法对较低性能的原子频率标准的短期频率稳定度进行校准。
4.如权利要求3所述的在线校准原子频率标准的方法，其特征在于:采用两源法校准时，被校原子频率标准输出的标准频率输入到频标比对器的通道CH3，晶体振荡器I输出的标准频率输入到频标比对器的通道CHl，通过频标比对器连续测量通道CHl和CH3之间的相对频率差100个值以 上，用阿伦方差计算得到被校原子频率标准的短期频率稳定度。
5.如权利要求3所述的在线校准原子频率标准的方法，其特征在于:采用三源法校准时，被校原子频率标准输出的标准频率输入到频标比对器的通道CH3，晶体振荡器I输出的标准频率输入到频标比对器的通道CH1，晶体振荡器2输出的标准频率输入到频标比对器的通道CH2，通过频标比对器同时连续测量通道CHl和CH2，CH2和CH3，CHl和CH3两两之间的相对频率偏差100个值以上，用阿伦方差计算得到两两互比时的短期频率稳定度，再利用三源互比的计算公式计算得到被校原子频率标准的短期频率稳定度。
6.如权利要求3所述的在线校准原子频率标准的方法，其特征在于:校准时，作为参考的GPS驯服铷原子频率标准通过GPS天线接收GPS信号，在稳定锁定12小时以上后，GPS驯服铷原子频率标准的输出标准频率输入频标比对器的通道CH1，被校原子频率标准的输出标准频率输入频标比对器的通道CH3，利用频标比对器的数据采集与处理功能，连续采集频标比对器输出的24小时累积相位差，利用下式计算得到被校原子频率标准的日平均频率准确度.
7.如权利要求3所述的在线校准原子频率标准的方法，其特征在于:校准时，晶体振荡器输出的标准频率输入频标比对器的通道CH1，被校原子频率标准的输出的标准频率输入频标比对器的通道CH3，利用频标比对器的数据采集与处理功能，连续采集频标比对器输出的瞬时频率准确度100组以上，利用下式计算得到被校原子频率标准的短期频率稳定度，即阿伦方差
8.如权利要求3所述的在线校准原子频率标准的方法，其特征在于:校准时，晶体振荡器I的输出的标准频率输入频标比对器的通道CHl，超高稳晶体振荡器2的输出的标准频率接入频标比对器的通道CH2，被校原子频率标准的标准输出的标准频率输入频标比对器的通道CH3，利用频标比对器的数据采集与处理功能，同时连续采集频标比对器三个通道输出的瞬时频率准确度各100组以上，利用阿伦方差分别计算得到两两互比之间的阿伦方差，记为σ 12、σ 23和σ 13，再利用下式计算得到被校原子频率标准的短期频率稳定度，即阿伦方差
【文档编号】G04F5/14GK103809425SQ201410040180
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】沈世科, 黄坤超, 梁桂海, 胡丹丹, 刘维倩, 周烨 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所