通過FS740利用GPS/北斗馴服銣鐘

銣鐘又被稱為銣原子鐘，是由銣原子部分和壓控晶體振蕩器組成。銣頻標是一種被動型原子頻率，利用的是基態超精細能級之間的躍遷，躍遷頻率為6.834,682,612 GHz。原子遷躍對微波信號起鑒頻作用而產生誤差信號，通過鎖相環路伺服晶振的頻率，使激勵信號頻率鎖定到原子躍遷頻率，實現晶振輸出頻率的高度穩定和準確。

銣原子鐘主要由單片機電路、伺服電路、微波倍頻電路、頻率調制、倍頻綜合電路幾個模塊組成。

美國SRS公司銣鐘PRS10的10MHz輸出來自第三倍頻，應力補償（SC-cut）晶體振蕩器工作在一個恒溫室中，雙回路RF合成器（晶體頻率22.482MHz）產生359.72MHz，并讓6.834 GHz頻率通過階躍恢復二極管。這樣的設計可以使相位噪聲非常低（< −130 dBc/Hz at 10 Hz），即便在沒有鎖定銣原子的情況下，其輸出表現也很良好（老化率：<5 × 1E⁻¹⁰ /day），與傳統銣鐘相比相位噪聲降低42dB（如下圖），并使用側臂裝有1毫克銣的燈。消除了銣耗盡作為一種失效機制，并提供了更好的溫度控制，而沒有多余的閃爍噪聲。

PRS10銣鐘主要性能：
· 輸出頻率：10MHz
· 相位噪聲：< −130 dBc/Hz (10 Hz)
· 準確性：±5 × 10E⁻¹¹
· 老化率：<5 × 1E⁻¹¹ (monthly)
· 穩定性：<2 × 10E⁻¹² (100 s)
· 體積：2.00" × 3.00" × 4.00" (HWD)

銣原子鐘具有體積小、功耗低、環境適應能力強、價格便宜等特點，并擁有較好的中短期頻率穩定度。但由于量子結構的頻率漂移、相檢及運放的漂移等因素,會產生頻率漂移,從而導致時差漂移。為保證頻率源的可靠性,銣頻標需要定期送廠進行頻率校準。
 

下面向大家簡單介紹下通過美國SRS公司的FS740 GPS Time and Frequency System來馴服銣鐘，此設備同樣適用于GLONASS和我國的北斗系統。

FS740提供10MHz的頻率基準，服從GPS、北斗等規范，長期穩定性優于1×10E–13。該儀器還可以對與UTC或GPS有關的外部事件進行時間標記，并測量用戶輸入的頻率。具有DDS合成頻率輸出、可調速率（和寬度）脈沖輸出和AUX輸出，用于包括IRIGB時間碼輸出在內的任意波形。
 
GPS由星載高性能銣鐘或銫鐘產生，其相位受地面站控制，因此其長期特性非常穩定，高于普通的銣鐘、銫鐘或氫鐘。從而可利用其長期穩定特性對晶振、如中等頻標進行校準。（以下馴服原理示意圖來源于網絡）

在FS740系統中對于輸出的1pps由內置的晶振或者銣鐘產生，若銣鐘或晶振獨立產生秒脈沖，其相位會隨其老化特性而逐漸漂移。而FS740中存在一個反饋，通過每秒或更高速率將1pps脈沖與GPS進行實時對比，計算出1pps脈沖與GPS的相位差，并利用FS740內部DDS進行相位調整。終輸出的1pps即利用調整后的10MHz產生。由于存在相位調整，故1pps的長期相位特性與內置的晶振的長期漂移不再相關，而與GPS/北斗衛星時間直接相關。因此，可利用其長期穩定的特性對銣鐘進行馴服。
兩圖是典型的對比：

FS740的操作步驟:

1、安裝天線，放置于空曠處或樓頂、以獲取可靠的信號，增加長期穩定性。

2、將電纜從天線連接到標有“GPS ANT”的FS740的后面板輸入端。

3、開機。FS740將自動搜索GPS衛星，需要1個小時來保證*穩定。穩定后LED燈亮起。

用戶可以通過計算和輸入天線延遲來改善FS740的UTC值以獲得校準。
 
4、測量天線到FS740設備的電纜長度。
 
5、按下面板GPS按鈕以激活GPS屏幕顯示。

6、導航到GPS>配置>天線更正

7、用天線的長度乘以1.5417ns/ft,并將數值輸入。

8、熟悉FS740的各種功能和查看屏幕的狀態顯示。

9、也可以遠程通過GnssDO Application程序控制并調用

10、通過FS740設備后面板的PULSE OUT于銣鐘的1PPS in連接，即可實現對銣鐘的長期校準，以使其獲得更長期的穩定行。

相關性設備：

參照文獻：

陳智勇，韓蒂，慶毅，董柯，湯超，盛榮武. 面向時間應用的可馴服銣鐘.2013.2
遲華山，張磊，遲文波,強成虎.基于GPS/北斗共視技術的銣鐘馴服方法. 2017.25
中國衛星海上測控部 吳 昊. 測量船自適應馴服銣鐘設計
 
資料源自：
美國Stanford Research Systems公司，