[发明专利]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

说明书

本发明提供了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，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；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。

技术领域

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

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。

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-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-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。

发明内容

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。

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-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。