Квантовый стандарт частоты
Квантовый стандарт частоты предназначен для формирования высокостабильных сигналов с использованием спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS- GLONASS и может быть использован для работы в режиме слежения за навигационными космическими аппаратами, синхронизируя с большей точностью собственную шкалу времени с образцовым сигналом, формируемым по принимаемым сигналам СРНС. Квантовый стандарт частоты включает соединенные в кольцо квантовый дискриминатор 1, приемник 2, блок автоматической подстройки частоты (АПЧ) 3, подстраиваемый кварцевый генератор 4, формирователь опорных частот 5 и смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот 7, второй и третий выходы блока АПЧ 3 подключены ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора 1и ко входу модуляции синтезатора 7, процессор 8 и последовательно соединенные приемное устройство обработки сигналов СРНС 9, измеритель временных интервалов (ИВИ)10 и делитель частоты 11 с переменным коэффициентом деления, первый вход которого подключен ко второму выходу 100 МГц формирователя опорных частот 5, а второй вход через процессор 8 соединен с выходом ИВИ 10. Выход делителя частоты 11 является выходом формируемой по принимаемым сигналам СРНС шкалы времени 1 Гц.
Полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована в квантовых стандартах частоты типа для формирования высокостабильных сигналов с использованием спутниковой радионавигационной системы GPS- GLONASS при решении задач, связанных с синхронизацией собственной шкалы времени (ШВ) с ШВ UTC и проведением время-частотных измерений.
Известен водородный стандарт активного типа частоты по патенту РФ №19330, который обеспечивает автоматическое поддержание частоты настройки сверхвысокочастотного резонатора квантового водородного генератора на вершину водородной линии с одновременной калибровкой частоты выходного сигнала по эталонным сигналам времени спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS- GLONASS.
Известен стандарт частоты и времени водородный пассивного типа по патенту РФ №25801, 22.10.2001 г., МПК G 04 G 3/00, принятый в качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения, включающий последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор, приемник (преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор), процессорный блок автоматической подстройки частоты (АПЧ), подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь опорных частот и смеситель, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого
синтезатора частот, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора.
В основе принципа действия стандарта лежит автоподстройка частоты кварцевого генератора к частоте линии излучения атомов водорода в дискриминаторе. Сигнал возбуждения дискриминатора, сформированный суммированием гармоники частоты кварцевого генератора и сигнала перестраиваемого синтезатора, взаимодействует со спектральной линией излучения атомов водорода в дискриминаторе и создает на выходе амплитудного детектора сигнал ошибки, используемый процессором АПЧ для подстройки частоты кварцевого генератора на вершину спектральной линии. Изменение кода частоты перестраиваемого синтезатора обеспечивает шаговую установку частоты кварцевого генератора (номинальной выходной частоты стандарта) с точностью до единицы пятнадцатого знака (1×10-15). Такие устройства используются в качестве генераторов высокоточных, высокостабильных сигналов.
В последнее время появилась необходимость работы квантовых стандартов частоты не только в режиме хранения (частота и шкала времени воспроизводятся автономно), но и в режиме слежения за навигационными космическими аппаратами (НКА)GPS/GLONASS (частота и шкала времени квантового стандарта синхронизируется по сигналам GPS/GLONASS).
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей квантового стандарта частоты за счет обеспечения возможности его работы в режиме слежения за навигационными космическими аппаратами, синхронизируя с большей точностью собственную шкалу времени с образцовым сигналом, формируемым по принимаемым сигналам спутниковых радионавигационных систем GPS/GLONASS.
Сущность технического решения задачи заключается в том, что в квантовый стандарт частоты, включающий последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор, приемник (преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор), процессорный блок автоматической подстройки частоты, подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь опорных частот и смеситель, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора, введены процессор и последовательно соединенные приемное устройство обработки сигналов спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, измеритель временных интервалов и делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый вход которого подключен ко второму выходу 100 МГц формирователя опорных частот, а второй вход через процессор соединен с выходом измерителя временных интервалов, при
этом выход делителя частоты является выходом основной (формируемой) шкалы времени 1 Гц.
На рисунке представлена структурная схема предлагаемого квантового стандарта частоты.
Стандарт частоты и времени включает последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор 1, приемник 2, процессорный блок автоматической подстройки частоты 3, подстраиваемый кварцевый генератор 4, формирователь опорных частот 5, смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот 7, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты 3 подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора 1 и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора 7, процессор 8 и последовательно соединенные приемное устройство 9 обработки сигналов спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, измеритель временных интервалов 10 и делитель частоты с переменным коэффициентом деления 11, первый вход которого подключен ко второму выходу 100 МГц формирователя опорных частот 5, а второй вход через процессор 8 соединен с выходом измерителя временных интервалов (ИВИ) 10. При этом выход делителя частоты 11 является выходом основной шкалы времени 1 Гц.
Блоки 1-7 могут быть выполнены аналогично прототипу. Процессор 8 выполнен на основе микроконтроллера АТ89С51RD2 или ЦHS 320С5402.
Блок 9 может быть выполнен в виде устройства обработки спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, например типа "Palisade" фирмы "Trimble" США (интеллектуальная антенна GPS) или типа СН-3834 московского конструкторского бюро "Навис". В России успешно функционирует СРНС "ГЛОНАСС".
Блок 10 может быть выполнен на основе ИВИ типа Ч3-38 или Ч3-64 с разрешением измерения 10 нс. Делитель частоты 11 с переменным коэффициентом деления может быть выполнен на основе программируемого счетчика с входом для переключения коэффициента деления, например микросхема К155ИЕ8.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал опорной частоты 100 МГц от блока формирования опорных частот 5 поступает на счетный (первый) вход делителя частоты 11, на вход установки коэффициента деления частоты (второй вход) которого установлен код деления 108, при этом на выходе делителя частоты 11 вырабатывается сигнал с частотой 1 Гц (ШВ стандарта), поступающий на вход «старт» ИВИ 10. На вход «стоп» ИВИ 10 поступает сигнал ШВ СРНС GLONASS или GPS. Так как каждый импульс ШВ СРНС имеет случайное отклонение от истинного момента формирования ШВ UTC, то ИВИ 10 измеряет каждую секунду за выбранный интервал, который формируется процессором 8, временные расхождения 
tl между импульсами от ШВ стандарта и ШВ СРНС с учетом задержки распространения сигналов. Измеренные временные расхождения tl принимаются процессором 8, который усредняет
эти отсчеты и по достижению заданного интервала вычисляет необходимую поправку (для сдвига импульса от делителя частоты 11 и совмещения ШВ стандарта и ШВ СРНС) и вводит ее в делитель частоты 11. Затем цикл измерения и синхронизации ШВ при необходимости повторяется.
За счет высокой стабильности сигнала квантового стандарта частоты и математического усреднения интервалов времени между ШВ СРНС и ШВ стандарта производится «сглаживание» ШВ СРНС, что позволяет обеспечить привязку ШВ стандарта к ШВ UTC с точностью около 20 наносекунд, что на порядок лучше точности ШВ приемника СРНС.
Таким образом, предлагаемый квантовый стандарт частоты воспроизводит метку времени по сигналам спутниковой радионавигационной системы с большей точностью, так как формирование основной ШВ осуществляется с усреднением отклонений, обусловленных искажениями (шумовыми, приема, распространения и пр.) при приеме сигналов СРНС.
Квантовый стандарт частоты, включающий последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор, приемник, блок автоматической подстройки частоты, подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь опорных частот и смеситель, второй вход которого соединен с выходом перестраиваемого синтезатора частот, при этом второй и третий выходы блока автоматической подстройки частоты подключены соответственно ко входу управления частотой резонатора квантового дискриминатора и ко входу модуляции перестраиваемого синтезатора, отличающийся тем, что в него введены процессор и последовательно соединенные приемное устройство обработки сигналов спутниковых навигационных систем GLONASS или GPS, измеритель временных интервалов и делитель частоты с переменным коэффициентом деления, первый вход которого подключен ко второму выходу формирователя опорных частот, а второй вход через процессор соединен с выходом измерителя временных интервалов, при этом выход делителя частоты является выходом основной шкалы времени.
