CN117590734A - 一种舰载时统系统原位计量校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于时间频率计量校准技术领域，公开了一种舰载时统系统原位计量校准装置，包括程控开关模块、北斗及晶振驯服模块、频标比对测量模块、B码同频精度测试模块、脉宽和时延测试模块和平台处理器等。本发明装置功能齐全、性能稳定，操作和携带方便，能够实现北斗接收机1pps信号对铷钟信号的驯服锁定，完成相对频率偏差、频率稳定度、开机特性、复现性和日频率漂移等参数的自动计量测量，用作海军舰载或者海军靶场时统系统的计量保障设备。
Description
技术领域
本发明涉及舰载时统技术领域，具体涉及一种舰载时统系统原位计量校准装置。
背景技术
舰载时统系统作为全军时频体系的组成部分，为舰艇平台内各作战单元提供统一的时间标准，由于核心器件频标的固有老化漂移特性，需要对时统系统进行定期的计量校准。舰载时统系统中，时间精确有效的前提是频率的准确可靠，频率源是时统系统的重要指标。舰载时统系统的核心部件是频率源，由于物理机理决定，频率源存在长期的老化漂移，在连续工作情况下，频率源输出指标会超差，所以频率源必须进行定期的校准计量，修正由漂移引起的频率偏差。
目前频率源传统的校准方法是在同一实验室内，被校源与参考源直接进行比对，此方法可得到较小的测量结果不确定度，不能校准频率源的所有计量特性。但在对于舰载和车载的时统设备，需要长期不间断运行，不能实现拆卸后送检，且检验周期较长，需要测试设备较多。所以对于时统系统中的频率源迫切具备进行原位校准的方法和手段。此外，在影响舰载时统系统的使用性能的因素中：时间同步、信号处理、授时输出等重要环节均没有测量标准，缺少对非故障类的指标超差造成的时间同步无法满足要求的检测解决手段。
发明内容
技术目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种舰载时统系统原位计量校准装置，其以北斗驯服高精度低老化原子钟为基准频标比对测量采用全数字化测量原理，内置标准源，具有B码测试功能、时差测试功能、秒脉冲宽度测试功能、频率稳定度测试功能等，能够保证舰载或车载的时统系统的精准可靠的时间频率体系。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种舰载时统系统原位计量校准装置，包括：
程控开关模块，设有多个通道，用于接收多路外部输入的被测信号；
北斗及晶振驯服模块，采用北斗超稳低相噪晶振驯服铷原子钟的方式，接收北斗系统远程传输的北斗秒脉冲信号，生成铷钟信号；
频标比对测量模块，采用全数字算法，将所述多路被测信号与北斗及晶振驯服模块生成的铷钟信号做比对，获得比对测量结果；
B码同频精度测试模块，用于接收B码并进行解码、同步精度和脉冲延迟时间测试；
脉宽及时延测试模块，用于接收北斗秒脉冲信号，测量时间间隔；
平台处理器，接收频标比对测量模块的比对结果，以及B码同频精度测试模块、脉宽及时延测试模块发送的参考信息。
作为优选，所述北斗及晶振驯服模块包括北斗接收机、Kalman滤波器、鉴相器、数字环路滤波器、A/D采样器、中央处理模块、高精度抗震铷钟、晶振、锁相环模块、频率综合器、隔离分配放大器、分频器和时间隔离模块；
所述北斗接收机用于接收北斗系统远程传输的北斗秒脉冲信号，北斗接收机的输出端连接Kalman滤波器；
所述高精度抗震铷钟用于产生铷钟震荡信号，晶振用于产生时钟信号，锁相环模块用于接收铷钟震荡信号和时钟信号，锁相环模块、频率综合器、隔离分配放大器和分频器顺序连接，分频器用于输出两路铷钟分频秒脉冲信号，一路铷钟分频秒脉冲信号经隔离分配放大器后输入中央处理模块，另一路铷钟分频秒脉冲信号输入鉴相器；
所述鉴相器用于同时接收滤波后的北斗秒脉冲信号和一路铷钟分频秒脉冲信号并进行鉴相处理，鉴相器的输出端依次连接数字环路滤波器和A/D采样器，用于对输出信号进行频率调节和相位误差控制，得到测量信号并输入中央处理模块；
所述中央处理模块用于根据测量信号和铷钟分频秒脉冲信号，计算纠偏值并输入频率综合器；
所述隔离分配放大器设有多个铷钟信号的输出端。
作为优选，所述频标比对测量模块多通道双混频时差测量模块，包括四路测试通道、信号生成模块、参考信号通道和相位差测量模块，信号生成模块用于生成输入各路测试通道的第一信号、输入参考信号通道的第二信号、输入相位差测量模块的第三信号；
其中，参考信号通道和各路测试通道均包括顺序连接的隔离模块、混频器、混频滤波模块、带通滤波模块、拍频放大模块和过零检测模块，用于对接收的信号依次经隔离、混频、滤波、放大和过零检测处理后输入相位差测量模块。
作为优选，所述信号生成模块包括控制电路、频率选择模块、晶振模块、倍频模块和隔离放大模块，晶振模块设有连接频率选择模块的输出端，产生的时钟信号由频率选择模块处理后，得到第一信号或第二信号，分别经隔离放大模块输入参考信号通道或测试通道；晶振模块还设有连接倍频模块的输出端，产生的时钟信号由倍频模块处理后，得到第三信号。
作为优选，所述平台处理器设有显示器、键盘和鼠标，平台处理器连接局域网。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明装置可以在不拆卸舰载时统系统的情况下，方便、有效的对时统系统频率源进行测试校准，并对系统多项重要输出进行计量测试，以解决频率源测试校准不便的难题，并及时发现时统各输出非故障类指标超差，保障时统系统的可靠稳定运行。
附图说明
图1为本发明提出的一种舰载时统系统原位计量校准装置的结构框图；
图2为北斗及晶振驯服模块的结构框图；
图3为双混频时差测量原理图；
图4为双混频时差法测量电路的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。
本发明提出了一种舰载时统系统原位计量校准装置，由北斗超稳低相噪晶振驯服铷原子钟锁相基准模块(北斗及晶振驯服模块)、频标比对测量模块、B码同步精度测试模块、1pps脉宽/时延测试模块、高隔离射频开关模块、上位机自动测试系统软件、电源模块等组成，支持外接参考源输入，系统整机框图如图1所示。
本发明采用的锁相环将超稳低相噪晶振的短期频率稳定度锁定到铷钟模块输出，频标比对模块满足比对纸标要求，A/D变换器可完成实时采样变换，滤波器满足信号要求的纯净度。频标比对测量模块采用全数字算法，将外部被测信号经4通道的射频开关和内部高精度铷钟做比对，测量结果可以通过显示屏或者程控软件显示打印证书，测量方便，操作简单。
1、北斗及晶振驯服模块
如图2所示，北斗及晶振驯服模块包括：北斗接收机、Kalman滤波器、鉴相器、数字环路滤波器、A/D采样器、中央处理器、高精度抗震铷钟、晶振、锁相环模块、频率综合器、隔离分配放大器、分频器和时间隔离模块，中央处理模块用于根据测量信号和铷钟分频秒脉冲信号，计算纠偏值并输入频率综合器；隔离分配放大器用于输出多路铷钟信号。
北斗及晶振驯服模块实现铷钟驯服单元，其原理是利用BDS接收机产生的1pps对本地频率标准进行频率校准。由于BDS接收机产生的1pps具有一定的抖动，但其长期稳定度较好；本地铷钟标准短期稳定度较好，但存在频率漂移，因此利用1pps来校正本地频率基准，结合了两者的优点，既具有BDS接收机长期稳定度好的优点，又具有本地铷钟短期稳定度好的特点。
BDS接收机由于信号传输距离长，易受干扰等特点，其输出的1pps信号具有一定的抖动。1pps包含多种误差成分：卫星时钟误差、星历误差、电离层附加延时误差、对流层附加延时误差、多路径误差以及接收机本身的误差。由于1pps信号的抖动，需要采取措施对1pps的抖动进行处理。BDS接收机输出1pps信号的抖动大多属于随机误差。由于这些随机误差的存在，造成BDS秒脉冲信号前沿存在着抖动量，最大可达100ns，因此造成鉴相误差也存在随机跳变。该模块采用Kalman滤波算法滤除鉴相误差中的干扰和噪声，提取出需要的信息。
BDS驯服铷钟的过程如下：
a)频率校准：在这个阶段，铷钟经分频得到的1pps信号开始跟踪BDS的1pps，此时由于存在一定的相位差，且铷钟的调节控制电压尚未建立，铷钟的频率还存在一定的偏差，在这个阶段，主要进行频率的校准，并逐步消除相位差。
b)频率锁定：在获得频率差后，根据铷频标的频率控制特性产生一个调节值，利用该调节值对本地频率源进行调整。根据本地频率源的特点，调节方式有多种，当本地铷钟为压控，或者可以用电压进行小范围调节，则输出调节量为电压；通常采用D/A转换模块实现控制电压，由于对D/A转换速率要求不高，一般采用串行D/A芯片即可满足要求。为降低成本，有文献提出通过控制RC充电时间获得控制电压。当本地频率源为DDS输出时，则根据调节值调节频率控制字。
当频率校准阶段完成后，铷钟的频率基本得到校准，与BDS的1pps信号相差维持在一个较小的范围内，此时进入频率锁定阶段；在这个阶段，主要克服电路不稳引起控制电压上偏差和铷钟自身频率的漂移。在这个阶段，由于铷钟的频率已得到校准，其输出的分频1pps信号稳定度较高，而BDS的1pps信号具有一定的抖动，因此需要降低BDS的1pps抖动带来的影响。
在频率锁定阶段，对频率的调整在一个小范围内进行，为避免相位的突变，频率的调整应缓慢进行，此时BDS的1pps信号的控制应减弱，可通过调整相应的控制参数实现如PI反馈控制中的比例、积分参数。当频率校准阶段完成后，铷钟的控制电压值保持稳定，此时如改变比例积分系数，会导致控制电压变化；为防止控制电压值的突变，系数的改变应逐步进行。因此在频率校准和频率锁定阶段之间，还有一个参数调整阶段。
北斗驯服铷原子频标后保持了铷钟的短期稳定度和北斗系统的相对频率偏差，驯服相对频率偏差优于1×10-12(稳定情况下可达到5×10-13)。
2、频标比对测量模块
频率测量最基本的原理是将被测信号与已知的标准信号即参考信号进行比较，从而得到被测信号的频率。由于各种频率标准的频率准确度越来越高，对测量系统的分辨力的要求也越来越高。
如图3所示，本发明采用了双混频时差法，通过引入一个媒介频标(或称公共频标)，作为公共源，被测频标、参考频标分别与媒介频标混频变换为两个差拍信号，再经低通滤波器，经过零检波器后，馈送到时间间隔计数器测量两个信号的时间相位差。
如图4所示，本发明设计了一种多通道双混频时差测量模块，包括四路测试通道、信号生成模块、参考信号通道和相位差测量模块，信号生成模块用于生成输入各路测试通道的第一信号、输入参考信号通道的第二信号、输入相位差测量模块的第三信号；
其中，参考信号通道和各路测试通道均包括顺序连接的隔离模块、混频器、混频滤波模块、带通滤波模块、拍频放大模块和过零检测模块，用于对接收的信号依次经隔离、混频、滤波、放大和过零检测处理后输入相位差测量模块。
信号生成模块包括控制电路、频率选择模块、晶振模块、倍频模块和隔离放大模块，晶振模块设有连接频率选择模块的输出端，产生的时钟信号由频率选择模块处理后，得到第一信号或第二信号，分别经隔离放大模块输入参考信号通道或测试通道；晶振模块还设有连接倍频模块的输出端，产生的时钟信号由倍频模块处理后，得到第三信号。
本发明的频标比对测量模块，实现了对4路5MHz、10MHz频标的测量，不但可以满足舰载时统系统测试，也可实现对一般频率标准的检定和校准。通过选择一个高稳晶振作为多通道双混频时差测量系统的公共源振荡器，根据被测量信号的频率是10MHz还是5MHz，分别选择公共源频率为9.999990MHz或者4.999995MHz，产生的差拍信号频率为10Hz或5Hz，则无论被测频率为10MHz还是5MHz均保证频差放大倍数为106。
差拍信号频率为10Hz或5Hz，对于10MHz测量信号而言采样时间为100ms的整数倍；对于5MHz信号采样时间为200ms的整数倍。
此外测量带宽选择的依据是：带宽≥5/τ，τ为要求的取样时间，如最小取样时间为1s，则带宽应≥5Hz，本发明中，测量带宽设定为10Hz，保证了取样时间≥1s时测量结果的有效性。对于4个测量通道，分别记录参考信号和被测信号在过零点时刻的相位差，由于存在频率偏差，参考和被测过零点个数不相同，通过控制电路可解决周期模糊现象，保证了对频率标准的长时间准确的比对测量。
本发明频标比对测量模块频率变换电路可将标准频标5MHz或10MHz的频率信号变换成1MHz的参考频率信号，保证了整系统的稳定性。采用数字比对技术，其混频鉴相功能，使用IQ解调的方式来实现，工作频率范围宽，不受温度的影响。一致性高。带通滤波器采用窄带滤波器，通过DSP来实现，由于DSP实现滤波器的灵活性高，可以自动切换环路滤波器的带宽，通过希尔伯特变换，将参考信号移相90度，形成I、Q信号，将被测输出信号进行正交解调，就可以得到参考信号和被测信号的频率差和相位差，做为鉴相器模块的输出，从而计算稳定度。倍频电路是利用高次倍频的特性将被测频标信号的频率和参考(标准)频标的频率分别倍增N和N-1倍，经混频器进行混频。要求倍频电路具有高稳定性、低噪声的特性。
本发明装置研制完成后，通过铯原子频率标准装置测试考核，考核结果相对频率偏差达到5E-13(GNSS锁定)，3E-12(断开GNSS天线24小时内)；频率稳定度为3E-12/1s；2E-12/10s；1E-12/100s；1E-12/1d；频标比对模块比对不确定度为1.8E-13/1s；2.2E-14/10s；3.2E-15/100s。3E-12/1s；2E-12/10s；1E-12/100s。其次，以5585B铯钟为标准，以TR2001铷钟为被测，通过测试结果表明各项技术指标均能够满足铷钟的指标要求。本发明装置先后到舰艇部队、基地各站点、部队计量站等单位进行现场测试试用，实践证明，设备适用性好，测控能力强，工作稳定可靠，操作便捷，大大节省时间，提高了时统系统及频率标准的计量保障能力和保障水平。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种舰载时统系统原位计量校准装置，其特征在于，包括：
程控开关模块，设有多个通道，用于接收多路外部输入的被测信号；
北斗及晶振驯服模块，采用北斗超稳低相噪晶振驯服铷原子钟的方式，接收北斗系统远程传输的北斗秒脉冲信号，生成铷钟信号；
频标比对测量模块，采用全数字算法，将所述多路被测信号与北斗及晶振驯服模块生成的铷钟信号做比对，获得比对测量结果；
B码同频精度测试模块，用于接收B码并进行解码、同步精度和脉冲延迟时间测试；
脉宽及时延测试模块，用于接收北斗秒脉冲信号，测量时间间隔；
平台处理器，接收频标比对测量模块的比对结果，以及B码同频精度测试模块、脉宽及时延测试模块发送的参考信息。
2.根据权利要求1所述的一种舰载时统系统原位计量校准装置，其特征在于：所述北斗及晶振驯服模块包括北斗接收机、Kalman滤波器、鉴相器、数字环路滤波器、A/D采样器、中央处理模块、高精度抗震铷钟、晶振、锁相环模块、频率综合器、隔离分配放大器、分频器和时间隔离模块；
所述北斗接收机用于接收北斗系统远程传输的北斗秒脉冲信号，北斗接收机的输出端连接Kalman滤波器；
所述高精度抗震铷钟用于产生铷钟震荡信号，晶振用于产生时钟信号，锁相环模块用于接收铷钟震荡信号和时钟信号，锁相环模块、频率综合器、隔离分配放大器和分频器顺序连接，分频器用于输出两路铷钟分频秒脉冲信号，一路铷钟分频秒脉冲信号经隔离分配放大器后输入中央处理模块，另一路铷钟分频秒脉冲信号输入鉴相器；
所述鉴相器用于同时接收滤波后的北斗秒脉冲信号和一路铷钟分频秒脉冲信号并进行鉴相处理，鉴相器的输出端依次连接数字环路滤波器和A/D采样器，用于对输出信号进行频率调节和相位误差控制，得到测量信号并输入中央处理模块；
所述中央处理模块用于根据测量信号和铷钟分频秒脉冲信号，计算纠偏值并输入频率综合器；
所述隔离分配放大器设有多个铷钟信号的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种舰载时统系统原位计量校准装置，其特征在于：所述频标比对测量模块多通道双混频时差测量模块，包括四路测试通道、信号生成模块、参考信号通道和相位差测量模块，信号生成模块用于生成输入各路测试通道的第一信号、输入参考信号通道的第二信号、输入相位差测量模块的第三信号；
其中，参考信号通道和各路测试通道均包括顺序连接的隔离模块、混频器、混频滤波模块、带通滤波模块、拍频放大模块和过零检测模块，用于对接收的信号依次经隔离、混频、滤波、放大和过零检测处理后输入相位差测量模块。
4.根据权利要求3所述的一种舰载时统系统原位计量校准装置，其特征在于：所述信号生成模块包括控制电路、频率选择模块、晶振模块、倍频模块和隔离放大模块，晶振模块设有连接频率选择模块的输出端，产生的时钟信号由频率选择模块处理后，得到第一信号或第二信号，分别经隔离放大模块输入参考信号通道或测试通道；晶振模块还设有连接倍频模块的输出端，产生的时钟信号由倍频模块处理后，得到第三信号。
5.根据权利要求1所述的一种舰载时统系统原位计量校准装置，其特征在于：所述平台处理器设有显示器、键盘和鼠标，平台处理器连接局域网。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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