通过FS740设备利用GPS/北斗驯服铷钟

铷钟又被称为铷原子钟，是由铷原子部分和压控晶体振荡器组成。铷频标是一种被动型原子频率，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，跃迁频率为6.834,682,612 GHz。原子迁跃对微波信号起鉴频作用而产生误差信号，通过锁相环路伺服晶振的频率，使激励信号频率锁定到原子跃迁频率，实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。

美国SRS公司铷钟PRS10的10MHz输出来自第三倍频，应力补偿（SC-cut）晶体振荡器工作在一个恒温室中，双回路RF合成器（晶体频率22.482MHz）产生359.72MHz，并让6.834 GHz频率通过阶跃恢复二极管。这样的设计可以使相位噪声非常低（< −130 dBc/Hz at 10 Hz），即便在没有锁定铷原子的情况下，其输出表现也很良好（老化率：<5 × 1E⁻¹⁰ /day），与传统铷钟相比相位噪声降低42dB（如下图），并使用侧臂装有1毫克铷的灯。消除了铷耗尽作为一种失效机制，并提供了更好的温度控制，而没有多余的闪烁噪声。

PRS10铷钟主要性能：
· 输出频率：10MHz
· 相位噪声：< −130 dBc/Hz (10 Hz)
· 准确性：±5 × 10E⁻¹¹
· 老化率：<5 × 1E⁻¹¹ (monthly)
· 稳定性：<2 × 10E⁻¹² (100 s)
· 体积：2.00" × 3.00" × 4.00" (HWD)

铷原子钟具有体积小、功耗低、环境适应能力强、价格便宜等特点，并拥有较好的中短期频率稳定度。但由于量子结构的频率漂移、相检及运放的漂移等因素,会产生频率漂移,从而导致时差漂移。为保证频率源的可靠性,铷频标需要定期送厂进行频率校准。
 

下面向大家简单介绍下通过美国SRS公司的FS740 GPS Time and Frequency System来驯服铷钟，此设备同样适用于GLONASS和我国的北斗系统。

FS740提供10MHz的频率基准，服从GPS、北斗等规范，长期稳定性优于1×10E–13。该仪器还可以对与UTC或GPS有关的外部事件进行时间标记，并测量用户输入的频率。具有DDS合成频率输出、可调速率（和宽度）脉冲输出和AUX输出，用于包括IRIGB时间码输出在内的任意波形。
 
GPS由星载高性能铷钟或铯钟产生，其相位受地面站精确控制，因此其长期特性非常稳定，高于普通的铷钟、铯钟或氢钟。从而可利用其长期稳定特性对晶振、如中等频标进行校准。（以下驯服原理示意图来源于网络）

在FS740系统中对于输出的1pps由内置的晶振或者铷钟产生，若铷钟或晶振独立产生秒脉冲，其相位会随其老化特性而逐渐漂移。而FS740中存在一个反馈，通过每秒或更高速率将1pps脉冲与GPS进行实时对比，计算出1pps脉冲与GPS的相位差，并利用FS740内部DDS进行相位调整。*终输出的1pps即利用调整后的10MHz产生。由于存在相位调整，故1pps的长期相位特性与内置的晶振的长期漂移不再相关，而与GPS/北斗卫星时间直接相关。因此，可利用其长期稳定的特性对铷钟进行驯服。
两图是典型的对比：

FS740的操作步骤:

1、安装天线，放置于空旷处或楼顶、以获取*可靠的信号，增加长期稳定性。

2、将电缆从天线连接到标有“GPS ANT”的FS740的后面板输入端。

3、开机。FS740将自动搜索GPS卫星，需要1个小时来保证完全稳定。稳定后LED灯亮起。

用户可以通过计算和输入天线延迟来改善FS740的UTC值以获得绝对校准。
 
4、测量天线到FS740设备的电缆长度。
 
5、按下面板GPS按钮以激活GPS屏幕显示。

6、导航到GPS>配置>天线更正

7、用天线的长度乘以1.5417ns/ft,并将数值输入。

8、熟悉FS740的各种功能和查看屏幕的状态显示。

9、也可以远程通过GnssDO Application程序控制并调用
 

10、通过FS740设备后面板的PULSE OUT于铷钟的1PPS in连接，即可实现对铷钟的长期校准，以使其获得更长期的稳定行。

相关性设备：

参照文献：

陈智勇，韩蒂，庆毅，董柯，汤超，盛荣武. 面向时间应用的可驯服铷钟.2013.2
迟华山，张磊，迟文波,强成虎.基于GPS/北斗共视技术的铷钟驯服方法. 2017.25
中国卫星海上测控部 吴 昊. 测量船自适应驯服铷钟设计
 
资料源自：
美国Stanford Research Systems公司，
详见网站：https://www.thinksrs.com/products/time.html