[發明專利]基于北斗空間銣原子鐘的高精度信號頻率控制方法及系統

有效

• 申請號: 202110660234.9
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113341679B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 杜保強;田二林;耿鑫;張建偉;梁樹軍
• 申請（專利權）人: 鄭州輕大產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 王聚才

本發明提供了基于北斗空間銣原子鐘的高精度信號頻率控制方法及系統，括環境溫度探測模塊、FPGA可編程模塊、DDS頻率合成模塊、銣原子鐘物理模塊、異頻相位處理模塊、壓控晶體振蕩器模塊、顯示模塊和電源模塊；本發明不同于傳統的空間原子鐘頻率控制方法，以FPGA技術為基礎，借助高分辨率的DDS數字頻率控制方法和異頻群相位量子化處理技術，從根本上突破傳統空間銣原子鐘頻率穩定中模擬溫度補償的限制及數字化溫度補償的高分辨率局限，在寬溫度范圍內大幅度提高銣原子頻標的頻率準確度，任意時刻空間銣原子鐘的10MHz頻率調節分辨率為±0.1mHz，本發明系統電路結構簡單，成本低廉，相位噪聲低，實現了北斗空間原子鐘系統的高穩定性和高可靠性。

技術領域

本發明涉及信號頻率控制技術領域，尤其涉及基于北斗空間銣原子鐘的高精度信號頻率控制方法及系統。

背景技術

目前的空間原子鐘以銣鐘和銫鐘為主。銣鐘在價格、壽命、功耗、體積以及可靠性等方面較銫鐘具有更大的優勢，因而在航空航天、導航定位、重力波探測、通訊網同步、儀器儀表、天文觀測、大地測量、電網調節、高速交管以及通信和雷達等高科技領域具有廣泛應用。

頻率準確度是衡量空間原子鐘尤其是北斗導航原子鐘性能優劣的重要指標，也是現代戰爭中精確打擊或定點清除發揮巡航導彈最大殺傷力的核心指標。傳統銣鐘的頻率準確度是5E-10量級，在復雜空間環境下，除老化、沖擊、振動、氣壓及磁場變化等因素外，影響銣鐘頻率準確度最大的因素是環境溫度的變化（通常空間環境較地面環境氣候復雜、溫差較大），環境溫度的變化引起銣鐘信號的頻率漂移即溫漂，嚴重時頻率漂移率可達到5E-11Hz/℃。由于銣鐘頻率準確度隨溫度的變化是非線性的（即鐘差，m,n,k是很小的常數，t是時間），很難用模擬的方法對溫度的變化進行補償以達到控制或穩定銣鐘信號頻率的目的，最終使銣鐘的長期頻率準確度下降。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于北斗空間銣原子鐘的高精度信號頻率控制方法及系統，采用高分辨率DDS數字頻率控制技術，能夠在寬溫度范圍內大幅度提高銣原子頻標的頻率準確度，加強北斗空間銣原子鐘系統的穩定性和可靠性。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于北斗空間銣原子鐘的高精度信號頻率控制方法，包括以下步驟：

步驟1：利用環境溫度探測模塊對空間銣原子鐘內部的板卡進行溫度數據采集，并將環境溫度探測模塊獲得的數字化溫度測量信號以單總線通信方式送入FPGA；

步驟2：構建FPGA可編程模塊與DDS頻率合成模塊之間的通信協議，使DDS頻率合成模塊能夠識別來自FPGA可編程模塊的基本信息；

步驟3：利用FPGA可編程模塊內部的MCU對來自環境溫度探測模塊的數字化溫度測量信號依據銣原子鐘的溫度-頻率關系模型實時計算出空間銣原子鐘的實際輸出頻率，并通過DDS頻率合成模塊“頻率字”轉換算法，將空間銣原子鐘的實際輸出頻率轉換為相應的“頻率字”，“頻率字”產生后被保存在FPGA可編程模塊內部的存儲器中；

步驟4：利用FPGA可編程模塊根據空間銣原子鐘的實際輸出頻率和標準頻率計算出頻差即頻率偏差值或頻率漂移大小，獲得頻率漂移信號并送入銣原子鐘物理模塊；

步驟5：將空間銣原子鐘的標準頻率倍頻后與DDS頻率合成模塊的輸出頻率進行混頻，獲得空間銣原子鐘的激勵信號，將激勵信號和頻率漂移信號送入銣原子鐘物理模塊進行放大；

步驟6：將銣原子鐘物理模塊放大后的激勵信號和頻率漂移信號送入異頻相位處理模塊產生誤差電壓信號，即壓控晶體振蕩器模塊的輸出頻率控制信號，壓控晶體振蕩器模塊的輸出頻率即空間銣原子鐘的信號頻率。