基于铷原子钟的时差定位技术研究

针对当前时差定位系统中存在时间测量误差较大的问题,提出了基于高性能铷原子钟的时差定位技术,介绍了时差定位的模型、铷原子钟的工作原理和性能指标,并分别对传统时差定位系统和基于铷原子钟的时差定位系统的定位精度进行了仿真计算,结果显示基于铷原子钟的时差定位系统的定位精度较传统时差定位系统的定位精度提高了9倍多.     

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。     

铷原子钟微波谐振腔的发展与应用

随着现代通信技术以及市场需求的发展，铷原子钟产品不断更新迭代，正在向小型化、高性能的方向发展。微波谐振腔作为铷原子钟的核心部件，正在不断向小型化方向发展。本文阐述了铷原子钟工作原理以及微波谐振腔的谐振理论，分析了铷原子钟常用的谐振模式及其场分布，介绍了铷原子钟微波谐振腔的发展以及模式转变，由此发展了填充陶瓷介质的TE₁₁₁标准谐振腔以及模式类似TE₀₁₁的非标准谐振腔。铷原子钟微波谐振腔未来也将继续向着体积更小、性能更高的方向发展。     

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。     

原子钟在线监测评估方法设计

大型通信、测量电子系统一般配备2台或2台以上原子钟作为系统的时间、频率基准,互为备份构建主、备时频信号基准,以提高系统时频信号可靠性,保障系统连续运行。主备原子钟间虽然可通过相位比对、数据分析检测到原子钟工作状态异常状况,但是由于缺乏参考,难以通过时频系统本身区分故障来源,存在故障定位难的技术难点。针对这一问题,提出了一种基于中间振荡器的主、备用原子钟频率跳变检测、短期稳定度分析评估方法,为时频系统主、备用原子钟故障定位提供技术手段,提高时频系统故障判断准确性,并缩减系统故障定位、故障恢复时间。使用3台铷原子钟进行了测试验证,实验结果表明,该方法可实现时钟稳定度的评估,并可实现时钟频率跳变的故障定位。     

新型原子钟及其在我国的发展

简述了原子喷泉(铯和铷)钟、离子微波钟、原子(离子)光钟、相十布居陷俘(CPT)钟、脉冲激光抽运(POP)铷原子钟以及积分球冷原子钟等新犁原子钟的基本原理;概述了这些新型原子钟在我国的研制概况,包括主要方案、特点和进展情况;指出了这种采用激光冷却和陷俘以及新物理原理的新型原子钟具有很高的潜在稳定度和准确度.最后,表明这种新型原子钟,尤其是原子(离子)光钟在我国的发展尚处起步阶段,并对这种新型原子钟在我国的发展提出了建议和评述.     

《电讯技术》专题资料《时间频率技术》题要（十二）

低气压环境对铷原子钟频率准确度的影响及一种解决方案（杨林,林海涛,刘勇军） 分析了低气压对铷原子钟频率准确度影响的机理,在国内首次提出了一种用软件进行补偿的方案,从补偿前后得到的试验数据来看,该方案获得了令人满意的结果。     

GPS无线同步校时母钟系统设计思路

时间基准选择目前我们比较方便、便宜地获取时间基准的途径主要有互联网、电波钟模块、铷原子钟(二手的)、GPS模块等.根据价格、精度、编程是否容易、实现是否方便等方面所做的比较,我将它们的优缺点列于表1.     

GNSS星载原子钟性能评估与噪声分析模型算法研究

星载原子钟作为导航卫星的时间基准，其性能直接影响GNSS的导航、定位和授时服务。采用德国地学中心(GFZ)提供的多系统精密钟差产品，对GNSS卫星钟时域性能和中长期(τ=10 000 s)稳定性进行分析，并提出了基于重叠采样的自相关法对卫星钟噪声进行识别。结果表明，稳定性方面，BDS氢钟、Galileo氢钟和GPS III-A铷钟性能相当且优于其他类型的卫星钟，GLONASS卫星钟存在略微老化的现象，而BDS与Galileo在轨卫星钟进入稳定运行期。噪声特性方面，BDS与Galileo卫星钟主要受3种调频噪声的影响，GPS铷钟主要受调频白噪声、调相闪烁噪声和调相白噪声的影响，GPS IIF铯钟和GLONASS铯钟主要受调频白噪声的影响，提出的基于重叠采样的自相关法能准确识别受相对频率漂移影响较小的GPS和GLONASS卫星钟噪声。     

空间冷原子钟原理样机地面测试结果

介绍了空间激光冷却原子钟地面原理样机的实验进展。该样机是以在空间微重力条件下应用为目标而研制的超高精度激光冷却铷原子钟,主要由物理单元、光学单元、微波单元和控制单元四个部分组成。该原理样机已经成功研制了空间冷原子钟所需要的超高真空系统、激光冷却光学平台、高性能微波源以及微波环形腔,实现了全过程自动运行,并获得了在地面重力条件下标志原子钟信号精度的Ramsey条纹,确定了高精度空间冷原子钟的主要科学参数和技术指标,为进一步空间工程应用奠定了科学和技术基础。     

CPT铷原子钟微波信号源设计

CPT原子钟由于其体积小、重量轻、功耗低等优点,广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。设计基于数字锁相倍频技术,采用锁相环芯片ADF4350,根据CPT铷原子钟的需求实现了一种中心频率为3417MHz的微波信号源。经测试,信号源电路尺寸为30mm×30mm,功耗小于150mW,输出微波功率范围为(-20～-5)dBm,输出信号相位噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,可用于CPT铷原子钟。     

GPS:高科技战争的起点

2010年5月28日,美国德尔他-4火箭成功发射首颗GPS-2F新型导航卫星,这标志着美国GPS现代化计划再次取得了重要进展。该卫星由波音公司建造,有了重大改进:使用了先进的原子钟(由1部铯钟和2部铷钟组成),使GPS-2F星钟系统的误差达到每天8纳秒;有效载荷功率是GPS-2R卫星的2倍,达2440kW;增加了一个抗干扰的军事信号,且导航信号功率可调,因而具有更强的抗干扰能力;采用星间链路和自主导航新技术,使GPS卫星能自主运行60～180天;设计寿命可达12年,长于之前的GPS卫星,所以可降低成本。美国空军拟在2011年6月23日用德尔他-4火箭发射第     

专辑序

量子频标(原子钟、原子频标)利用原子能级跃迁来实现高稳定度和高准确度的时间频率输出。得益于相对成熟的微波技术,氢、铷、铯这三种微波原子钟首先发展起来,在导航、通信、授时、基础研究等领域发挥了重大作用并广泛应用。近年来,光学原子钟的发展日新月异,精度已远超微波原子钟,有可能产生新的秒定义,但在众多工程应用领域,环境适应性更好、可靠性更高的微波原子钟依然不可替代。值得注意的是,相干布居囚禁技术的出现,使得微波原子钟的小型化和微型化成为可能,超低功耗的芯片尺度原子钟已经在PNT领域实现规模应用。     

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.     

薄铷汽室饱和吸收光谱的研究

高性能的频率基准在民用、军事领域得到广泛应用。饱和吸收光谱技术是减小多普勒加宽,获得高性能原子钟的有效手段。本文介绍了原子汽室饱和吸收研究的实验装置和实验结果,发现原子汽室必须在适当温度下才能获得明显的饱和吸收光谱。对300 μm厚度的铷汽室,50 ℃时其饱和吸收的相对强度最高,交叉共振峰的相对强度比50 mm厚铷汽室明显减小,分析并解释了减小的原因。实验结论对微型高性能原子钟的研究具有参考价值。     

铷87原子钟采用光泵浦

美国载人飞船中心信息系统分部实验室制造了一种原子钟,这种钟没有主发条或摆,它用铷87原子的特性共振频率产生基本计时脉冲。这种激励铷原子中电子的方法称为“光泵浦”。此时,电子被感应,以一种已知频率振荡,因而形成保持非常精确的时间的基础。     

激光冷却铷原子喷泉钟的微波谐振腔设计

对自行研制的激光冷却铷原子喷泉钟的微波谐振腔进行了分析和设计,确定了需要的微波谐振腔基本参数。对影响微波谐振腔共振频率的因素进行了分析和研究,得到了共振频率随环境因素的变化规律。这些对调节微波腔共振频率和提高原子钟的准确度有重要意义。还对研制的微波谐振腔进行了测试,结果表明微波谐振腔的性能满足激光冷却铷原子喷泉钟的要求。由测试结果进一步估算了微波谐振腔引起的横向腔相移。     

低老化漂移的铷原子频标

原子频标(又称原子钟)是提供准确、稳定的时间和频率的仪器。目前世界上常用的原子频标有铯、氢、铷三种,其中铷原子频标比起其它二种原子频标由于它易于制造、价格低、体积小,所以用途也最广。但是其性能也较差,主要缺点是输出频率存在老化漂移,其数量级约为1～5×10~(-12)/月。铷原子频标目前用量最大的领域是通信,它是用在数字通信系统的同步网中,世界上每年销售量估计在一万台左右。另外,它也用于国家二级计量站作为频率标准。由于它体积小、重量轻、寿命长,目前卫星上的原子频标大部分是铷原子频标。除此以外,它还广泛用于电网检测、地震测报、科学研究等领域。     

混合模型在短弧跟踪卫星钟差预报中的应用

当卫星在空间轨道飞行到地面监测站观测不到的弧段时,卫星钟与系统时间之间的同步只能由卫星钟自己维持,为了得到连续的卫星钟差结果,必须对卫星钟差进行预报。本文针对地面站频繁观测不到卫星导致的卫星钟差数据频繁中断这一特殊情况,提出多项式加AR混合模型,以GPS星载原子钟差时间序列为实例进行钟差预报分析,并与GPS常用的二阶多项式模型预报结果进行比较,结果表明:短弧跟踪条件下,多项式加AR混合模型对GPS星载原子钟进行8~20 h钟差预报时精度均优于1ns,明显高于二阶多项式模型预报精度,满足实际应用中短弧跟踪条件下的钟差预报精度要求。这一结论为短弧跟踪条件下的星载原子钟差预报做了理论上的铺垫。     

基于WUM精密钟差产品的BDS-3星载原子钟性能评估

导航卫星星载原子钟的在轨性能直接影响导航系统定位、导航与授时(Position, Navigation and Timing, PNT)服务的精度和稳定性。基于武汉大学MGEX分析中心发布的精密卫星钟差产品，对BDS-3卫星星载原子钟的频率稳定性、钟差预报精度和钟速变化特征开展了分析评估。对GPS III和Galileo FOC卫星的星载原子钟性能开展分析，并与BDS-3的星载原子钟性能进行了对比。结果表明，BDS-3 PHM的平均天稳定度为4.62×10^-15, 7 d钟差预报精度为2.3 ns, 10 d钟率变化为1.79×10^-14 s/s,其长期性能优于GPS III和Galileo FOC星载原子钟。值得指出的是，BDS-3 C19 RAFS的在轨性能远优于其他BDS-3 RAFS。