一种优化的频率驾驭算法研究

为满足各应用领域对高精度时间性能不断提升的需求,该文设计实现了一种迭代的优化频率驾驭算法,主要分为纸面时间计算和实际物理信号实现两个部分。其中纸面时间计算采用ALGOS算法,利用实时原子钟数据和Circular T公报数据计算获得准确可靠的时间尺度,保障了驾驭参考的准确性和实时性。实时物理信号实现采用最优二次型高斯控制算法与Kalman算法综合,通过实时调整参数,计算出最优的频率驾驭量,将该驾驭量输送至频率调整设备,最终实现高精度时间信号的输出,整个驾驭系统是闭环的。该文基于我国时间基准保持系统和原子钟组,搭建试验平台,采用该算法对一台氢钟进行为期140天的频率驾驭,最终对输出的物理信号进行性能评估。试验结果表明,该算法有效提高了驾驭后物理信号的准确度和稳定度,驾驭后信号与国际标准时间协调世界时(UTC)相比,相位偏差保持在±3 ns以内,且30天稳定度优于5×10–16。     

原子钟两级驾驭算法及在建立GNSS时间基准中的应用

本文提出了一种原子钟驾驭算法,方法是使用等价于Kalman滤波器加延迟器的数字锁相环（DPLL）。本文完整地推导了DPLL的闭环系统传递函数和闭环误差传递函数,给出了其实现结构,和每次的对于被驾驭原子钟的调整量,并给出了使DPLL输出信号的频率稳定度最优的参数选取方法。在此基础上,提出了使用两个这样的DPLL级联起来的二级驾驭算法。理论分析和仿真实验都表明：该算法相比传统原子钟驾驭算法,参数选取更容易,可以保证输出信号的频率稳定度最优;并保证输出信号与第一级的参考输入保持时间同步。该两级驾驭算法可以应用于设计锁相振荡器,即先用铯钟驾驭氢钟,然后再驾驭数控振荡器（NCO）;也可以应用于建立 GNSS 时间基准,即先用 UTC （BSNC）驾驭产生BDT,然后再用BDT驾驭主控站主钟来产生BDT（MC）。     

综合原子时软件中联合守时方法的探究

<正>综合原子时软件采用加权平均算法，以各钟频率稳定度作为取权依据，根据原始钟差测量数据和利用原子钟模型预报的钟差改正数据计算产生综合原子时，再经过频率驾驭实现向外部标准时间溯源。同时，通过计算各原子钟的频率稳定度、频率偏差、频率漂移、数据质量、预报质量等指标对原子钟性能进行评估^[1]。     

GPS驯服CPT原子钟方法研究

本文针对全球定位系统（GPS,Global Position System）接收机输出秒脉冲（1PPS,1 Pulse Per Second）信号的特点,以及相干布居囚禁（CPT,Coherent Population Trapping）原子钟输出频率信号的特性,设计并实现了GPS驯服CPT原子钟方案.我们建立了适合抑制1PPS信号抖动的卡尔曼滤波模型,通过理论推导和计算获得了相应噪声参数,并采用卡尔曼滤波器与平均滤波器相结合,对CPT原子钟输出频率实施滤波处理,并用GPS接收机输出的1PPS信号实施频率校准,所实现GPS驯服的CPT原子钟输出频率的中短期频率误差降低半个量级,天频率稳定度提高一个量级.     

基于TDC的GPS驯服恒温晶振系统设计

为满足测控系统对高精度时间频率的要求,设计了一种基于时间数字转换器(TDC)的驯服恒温晶振系统.使用GPS对恒温晶振进行实时校准,获得了高精度的频率信号.通过TDC测量时差数据计算得到恒温晶振的频率准确度,其时差测量精度达到250 ps.采用优化的递推平均滤波算法对时差数据进行滤波处理,消除了GPS秒信号抖动引入的干扰...     

卫星导航系统星载钟时域频率稳定度探讨

介绍了四大卫星导航系统采用的时间系统，分析了频率标准的时域频率稳定度研究内容、研究方法，推导了其实用计算方法和公式，主要对近十年以来研究 GNSS 星载原子钟频率稳定度的测算数据进行了梳理和归纳总结，对比分析了各个导航系统星载原子钟的频率稳定度， 综合数据表明大部分星载钟天稳均可达到 10-14量级，其中 GPS 星载铷钟和 Galileo 星载 PHM 钟稳定性最好。     

氢钟频移校准与相位无损切换

为满足VLBI等高精度空间测量技术对时间频率稳定度和准确度提出的更高要求,深空测控系统都配置了高性能的氢原子钟。但由于部件老化、环境变化等影响,氢原子钟输出频率会发生漂移变化,需要对此频移进行校准;同时备份原子钟需要追踪并保持与主钟的输出相位一致,必须进行相位的无损切换才能保障时频信号的连续性。分析了氢原子钟的工作原理和调频移相技术,设计了一种氢钟追踪外部授时系统进行频率漂移校准、主备钟相位无损切换的工程实施方法。应用结果表明,72 h测试时间内,与GPS相比,氢钟的稳定度由原来1.1×10-13提高到3.2×10-14,主备氢钟相位差由原来1.03o减小至0.08o,满足了VLBI长时间高精度测量的精度需求。     

275km京沪光纤干线高精度时频传递研究

为实现准国土范围内高精度授时和守时,利用光纤传递铯钟、氢钟等高精度原子钟的时频信号,在实际光纤链路上验证其长距离传递性能。采用波分复用和双向双波长的传输方法,介绍了在275km京沪干线上实现高精度时频传递的相关工作。针对长距离光纤链路的特点,探讨了链路损耗与散射、色散与频率噪声、补偿系统动态范围和反馈带宽等对时频传递性能的影响。实验获得了频率信号的秒稳定度达5×10-14和天稳定度达7×10-18的传递性能,同时,千秒尺度下的时间方差可达2.4ps。     

基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 mW,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。     

机动时频系统时间保持技术研究

机动时频系统具有设备高度集成、方便灵活转移等特点,但机动平台的震动、方舱内温湿度条件以及电源稳定性等因素均可导致原子钟噪声增大,从而使时间和频率信号的准确性和稳定度下降。针对机动时频系统的特点,本文着重研究了机动时频系统时间保持策略,包括机动式原子钟的类型和数量配置分析,机动后时频信号的恢复和监测方法等,研究结果可作为发展机动时频系统的参考。     

基于BP神经网络的高精度本地多基准时钟合成算法研究

解决基于单个原子钟的系统频率准确度难以突破10^-12量级,基于多基准时钟合成算法的系统无法同时显著改善时钟的长期稳定性和短期稳定性,难以满足未来诸多领域超高精度时钟同步需求的问题,本文将多基准时钟合成算法和神经网络算法相结合,提出一种基于误差逆传播算法神经网络（BP神经网络）的本地多基准时钟合成算法,可以同时改善时钟源的短期和长期稳定性.     

卡尔曼滤波在原子钟驯服中的应用

利用授时型接收机的秒信号驯服原子钟,可以提高原子钟的长期稳定度。由于接收机受各种噪声的影响将导致得到的铷钟相对于星钟频差数据不精确。本文设计了一种应用于校频系统的卡尔曼滤波算法,卡尔曼并采用FPGA内嵌ARM处理器对算法进行了验证,多次采样的数据滤波处理得到了满足要求的频差数据,为校准铷原子钟创造了条件提供依据。     

建立GNSS时间基准的构想和思考

本文论述了作者对建立全球导航卫星系统（GNSS,Gloal Navigation Satellite system）的系统时间GNSST,守时实验室的时间基准TA（k）和UTC（k）（k为实验室代号）的整体构想和一些思考,并论述了时间尺度算法,驾驭算法,钟差预测算法是如何在其中发挥作用的.以北斗系统为例,提出了使用两级驾驭算法建立北斗系统时间BDT（Beidou System Time）的方法.以国家授时中心（NTSC,National Time Service Center）为例,详细描述了建立TA（NTSC）和UTC（NTSC）的整体构想,方法,原理和理论依据.分析了TA（NTSC）对UTC（NTSC）的性能影响;以及假如用UTC（NTSC）驾驭产生BDT时,UTC（NTSC）对BDT时间同步精度和频率稳定度性能的影响;最后给出了同时使用UTC（NTSC）和UTC（BSNC）来驾驭产生BDT的设想,从理论上分析了采用该方案对BDT性能提升的影响.     

CPT铷原子钟锁相环频率合成器设计和分析

基于CPT(相干布局囚禁)87铷原子钟设计出输出频率为3417 MHz的锁相环频率合成器,通过ADIsimPLL仿真出最佳环路带宽,环路滤波器参数以及相位噪声等,并通过STM32对锁相环芯片进行控制。对频率合成器进行了测试,电路尺寸为40 mm×40 mm,输出信号功率范围为-4 dBm^+5 dBm可调,输出信号噪声满足要求-88.65 dBc/Hz@1 kHz,-92.31 dBc/Hz@10 kHz,-104.63 dBc/Hz@100 kHz,杂散和谐波得到抑制,设计的频率合成器能很好的应用于原子钟的射频信号源。     

垂直腔面发射激光器的内调制特性

面向芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)通过微波调制产生具有特定光频差的相干激光,与原子作用后的跃迁谱线频率作为参考标准,最终可获取高精度的频率信号。因此,垂直腔面发射激光器在芯片原子钟系统中至关重要。介绍了VCSEL激光器的内调制原理,搭建了其内调制特性实验测试平台,开展了激光器对射频调制响应特性研究,记录了激光器边带信号随着注入电流和射频输出功率的变化情况,并分析了射频调制对激光器边带信号的影响特性以及Bogatov现象引起的边带不对称现象。实验结果显示:当射频信号频率为3.41734 GHz,注入电流为1.2 mA,射频输出功率为3.5 dBm时,可获得优化的高频调制光谱,为芯片原子钟提供优质的光源。     

GPS驯服中无偏滑动平均滤波算法的研究

 分析已有GPS驯服中滤波算法的特点,提出了基于GPS的实时频率误差处理及状态估计的无偏滑动平均滤波算法.该方法继承了普通滑动滤波算法低噪声特点,且用线性回归估计补偿了普通滑动滤波算法的偏差,利用该方法滤除频率测量误差中的频率偏差和多通道GPS接收机秒信号(GPS1PPS)的锯齿误差,并预报晶振状态.MATLAB仿真和实际测试结果都证明了无偏滑动滤波算法比普通滑动滤波有效,提高了晶振频率的长期稳定度和准确度,实际系统中恒温晶振OXCO-131的长期频率稳定度的Allan方差提高了约三个数量级,达到3.5E-12/d.     

时间尺度的多分辨率综合

本文根据小波分析的基本原理,对原子钟信号进行多分辨分解,将分解后的小波变换系数进行加权平均,得到不同小波尺度综合原子时的加权平均小波变换系数,然后由小波变换的重构条件,反演综合时间尺度,由于对原子钟信号进行小波分解,利用不同尺度的小波变换系数的小波方差进行加权平均,这样既要考虑不同原子钟在稳定性方面的差异,又顾及同一台原子在钟在不同小波尺度的变化特性,最后根据陕西天文台国家授时中心的实测数据对这种