小型化星载被动型氢原子钟研制* .txt

摘要：被动型氢原子钟在具有较好中长期频率稳定度和频率漂移率的同时,体积和重量较小,可作为高精度频率标准应用于卫星导航、频率计量等领域。下一代卫星导航系统的重要特点是高密度高集成度,对包含被动型氢原子钟在内的卫星负载载荷提出了更高要求。为此,降低体积重量的同时进一步提高性能指标是被动型氢原子钟的重要发展方向。经过长期理论探索和实验验证,在小型化星载氢原子钟研制方面取得了较好进展。通过小型化腔泡系统、小型化吸附泵、高均匀度C场和高性能磁屏蔽系统的设计,以及电路部分的紧凑优化,研制了小型化星载被动型氢原子钟工程样机。在压缩重量至135 kg以内的同时,频率稳定度提升至8×10-13 t-1/2的水平,可满足当前卫星导航系统的时频信号需求,也可更好地服务下一代北斗卫星导航系统。 .txt     

伽利略星载被动型氢原子钟性能评估

伽利略卫星导航系统(GNSS)提供高精度的定位导航授时服务已经一年有余,很有必要对这个阶段的星载钟性能进行评估,相关方法能够为我国北斗三代星载氢原子钟的评估提供参考。基于此目的,从多个角度分析了伽利略卫星导航系统正式运行期间所有可用星载氢原子钟的性能。表明哈德玛方差为适用于星载氢原子钟的时域频率稳定度统计方法;将采样间隔为5 min的钟差序列重采样为低频序列时,对于星载钟稳定度几乎没有影响;缺失数据天数越多,对星载钟稳定度影响越大,还表明星载钟的噪声类型和星载钟稳定度关系密切。     

氢原子钟的设计改进与性能

氢原子钟是至今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准,由于环境温度的变化及谐振腔老化而引起谐振腔频率的变化,导致氢原子钟长期性能降低.为了减小这些影响需借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上,改善氢原子钟的长期性能,日稳定度可达到1.0×10-14.这篇文章描述了上海天文台研制的氢原子钟的技术改造与性能.     

频率源稳定度的测量方法

随着卫星导航系统的广泛应用,利用卫星导航系统确定位置和时间的用途越加广泛。本文首先介绍了频率源稳定度在利用卫星确定位置和时间原理中的重要性,然后介绍了频率标准的稳定度,最后对两种频率源稳定度的测量方法进行了说明。     

基于北斗的时间传递方法及其精度分析

GNSS时间传递技术是卫星导航技术在时间频率领域的重要应用,也是时间传递的主要技术手段之一。随着我国北斗卫星导航系统的不断建设,北斗系统在时间频率领域应用的研究也逐步深入。主要基于北斗卫星导航系统特有的IGSO、MEO、GEO卫星星座,开展了基于北斗共视和载波相位时间传递算法研究,研制了北斗时间传递软件包(PPTSlo),并对其时间传递链路精度、稳定度进行了定性、定量分析,实验结果表明北斗共视时间传递精度优于6 ns,北斗载波相位时间传递精度能达到亚纳秒-纳秒精度。     

长期稳定度 2. 6×10 -16 的工程化高可靠铷原子喷泉钟

随着喷泉钟运行可靠性的提升和激光技术的日趋成熟,喷泉钟不仅可以作为基准钟驾驭原子时标,提升原子时标的长 期稳定度和准确度指标,还可以紧驾驭氢钟作为复合守时钟使用。 铷原子的基态超精细能级跃迁作为次级秒定义,具有碰撞截 面小,冷却激光运行可靠性高的优势,更加适合工程化。 中国计量科学研究院研制的工程化铷原子喷泉钟采用双金属微波真空 一体腔提升系统温度适应性,采用小型化光学系统和笼式结构探测光系统提升了运行可靠性,实现了铷喷泉钟长期准连续运 行,年运行率达到 97. 5% 。 通过 1 年的比对测试,铷喷泉钟与 NIM5 铯喷泉钟频率比对的长期稳定度优于 3. 7×10 -16 ,单台喷泉 钟的长期频率稳定度优于 2. 6×10 -16 。     

基于非球面的大相对孔径微型星敏感器镜头设计

星敏感器是卫星上精度最高的姿态测量仪器,其通过对恒星成像与识别来确定卫星的三轴姿态,主要由光学系统、电子学系统和信息处理系统组成。传统卫星上高精度星敏感器的体积重量较大,难以满足蓬勃发展的微纳卫星的任务需求,成为限制微纳卫星定位精度的主要障碍。相对于电子学微型化、集成化和信息处理技术的飞速发展,光学系统成为星敏感器小型化的瓶颈。提出一种基于非球面大相对孔径微小型光学系统设计方法,仅用5片镜片,即可实现焦距25 mm,相对孔径1/1. 3,17°全视场角,在奈奎斯特频率处MTF优于0. 5,采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法,有效校正了500～880 nm宽光谱色差,并实现了全视场畸变≤0. 013%。引用此技术设计纳型星敏感器镜头焦距25 mm,重量仅为15 g,降低到国内纳型星敏感器镜头的1/5。结果表明,光学系统经测试畸变等指标,满足角秒级星点中心确定的要求,为高精度纳型星敏感器提供了核心保障。     

北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析

北斗三号全球系统已开始为全球用户提供稳定可靠的高精度定位、导航与授时服务。 本文基于我国国家标准时间频率 UTC(NTSC)系统,开展北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析,通过实测数据开展研究并试验了北斗三号非差组合载 波相位时间比对在零基线与长基线时间比对方面的性能,并在此基础上开展北斗三号与 GPS 融合载波相位时间比对试验。 结 果表明,零基线比对中,两接收机共钟比对钟差的标准偏差优于 0. 3 ns;长基线比对中,利用北斗三号非差组合载波相位时间比 对以及融合载波相位时间比对获得的亚欧两守时实验室之间的比对钟差与国际权度局基于 GPS 时间比对链路获得的钟差具 有较好的一致性,钟差的频率稳定度和时间稳定度与国际权度局发布的结果基本一致,且残差的均方根均优于 0. 25 ns,试验结 果满足亚纳秒量级的时间比对应用需求。     

基于方向回溯天线的姿态不稳定小卫星通信

由于小卫星对空间重量要求越来越敏感,传统小卫星包含姿态控制系统,占了很大一部分重量和体积,增加了项目复杂度和研发周期,所以小卫星趋向于小型化、轻量化是未来研究的方向。为进一步减小卫星重量和体积,提出一种在轨运行的无姿态控制小卫星通信方案。当小卫星处于缓慢的不确定运动状态时,通过射频开关选通六面体小卫星一个面的射频通路,结合该面上的方向回溯天线,应用软件无线电技术,给出了姿态不稳定的小卫星和地面之间的通信链路难以维持的解决方案。实验结果验证了射频开关选通射频发射通道满足系统要求和小卫星通信板的接收功能正常,说明了星端通信中继器的射频部分、基带传输部分以及嵌入式软件部分设计的正确性。     

一种新的“北斗二代”的选星方法

北斗二代"卫星导航定位系统是我国自主研制的新一代卫星导航系统。本文通过STK分析北斗二代"卫星导航系统的现有星座的覆盖范围,得出特定地区在不同时刻对所有卫星的可见性报告,综合可见星的情况和对现有选星方法的分析提出合理快速的选星方法,使用新提出的算法确定定位星座;通过仿真新算法的实现过程及所确定的星座的几何精度因子表明算法的合理性,之后采用该星座进行定位。仿真定位精度表明该算法的正确性,说明该选星方法简洁快速,有效降低了导航定位算法的复杂性,是一种合理的选星方法。     

基于 PPP 和共视技术的改进 PPP 时间频率传递方法

PPP 时间频率传递技术是高精度 GNSS 时间频率传递技术之一,且具有精度高、范围广、低成本等特点,而共视时间频 率传递的站间差分能够消除卫星钟差和削弱电离层、对流层等路径误差,本研究结合两种方法的优点实现了一种改进 PPP 时 间传递方法。 实验选取了 5 个连接 UTC(k)和 1 个外接高精度氢原子钟的 IGS 测站,建立了零基线、短基线和长基线链路评估 该方法的时频传递性能,实验结果表明,以 IGS 最终钟差产品为时间参考,改进 PPP 时间传递精度相比 PPP 提高了 2. 55% ~ 17. 78% 。 零基线链路频率稳定度达到 2. 0×10 -17 / 600 000 s,且不切换共视星时,其短期频率稳定度优于 PPP,长期频率稳定度 与 PPP 相当;非零基线链路中各链路的改进 PPP 在时间间隔 10 000 s 以后的频率稳定度相对于 IGS 最终产品和 BIPM PPP 有 10% 左右的提升。     

光纤时间传递溯源钟差粗差探测算法

卫星导航系统时间对溯源链路的可靠性和同步精度提出要求。采用光纤时间传递技术实现的溯源链路可获得高精度的溯源钟差,提高卫星导航系统时间同步精度。但由于光纤传输链路、光纤设备和基准输入信号等中断或干扰降低溯源链路可靠性并导致溯源钟差存在粗差影响溯源模型精度,因此需要对溯源链路状态实时监测,并在估计溯源模型参数前对溯源钟差数据进行粗差探测。对此,通过引入最小二乘推估理论,推导基于光纤时间传递的溯源钟差拟合残差统计特性,提出针对光纤时间传递溯源钟差的滑动窗口粗差实时探测方法。实验以某卫星导航试验系统长度为56 km、时间传递不确定度优于100 ps的光纤溯源链路实测钟差数据为例,验证了所提方法的可行性与有效性。     

锶原子光钟闭环控制系统的设计与实现

为了实现~(87)Sr原子光钟的闭环运行,根据将超稳激光频率锁定在钟跃迁超精细能级自旋极化谱双峰中间的锁频原理,设计和实现了锶原子光钟闭环控制系统。首先,详细分析了~(87)Sr原子光钟闭环运行的具体需求,包括冷原子制备及钟跃迁探测、闭环锁定等阶段中所需要的控制信号及其时序;然后,根据该需求设计了时序控制和频率控制的物理系统;最后,利用LabVIEW虚拟仪器开发平台和NI硬件系统设计了~(87)Sr原子光钟的闭环运行的自动化控制程序。实验结果显示,采样时间为3 000 s的光钟频率稳定度为5.7×10~(-17),拟合得到的环内稳定度为5×10~(-15)/τ~(1/2),表明该控制系统的精度符合锶原子光钟的闭环运行要求。     

GNSS多系统PPP融合时间比对方法研究

随着全球导航卫星系统(GNSS)的建设和完善,多系统融合时间比对成为未来发展的趋势。基于中国科学院国家授时中心、捷克无线电工程和电子学院以及瑞典国家计量研究院3个国际重要守时实验室的时间基准系统中四系统GNSS接收机伪距与载波相位观数据,以及国际GNSS服务中心发布的多系统精密轨道和钟差等数据,开展GNSS多系统PPP融合时间比对方法研究。试验结果表明,GNSS多系统PPP融合可以有效增加可用卫星的数目,相对于单系统卫星观测数量提高了2倍以上,减少了多径误差以及观测高度角较低所带来的观测噪声等影响,改善观测站的卫星分布对于接收机钟差参数的影响,提高时间比对的稳定性和可靠性。在长基线时间比对的稳定度方面,GNSS多系统PPP融合技术解算的两地钟差的稳定度方面要优于单系统,对基于北斗、格洛纳斯以及伽利略系统的单系统PPP比对有较明显的提高,且提高在5%以上。     

北斗测距信号评估与精密单点定位应用研究

随着全球导航系统的建设和发展应用,我国北斗导航系统也开始逐步向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。基于我国时间基准UTC(NTSC)系统,开展北斗导航系统测距信号评估与精密单点定位(PPP)应用研究。通过实测数据首先分析北斗测距B1、B2频点的信噪比以及周围观测环境所引起的多路径影响。同时,讨论了北斗精密单点算法,并利用实测数据以及GNSS服务中心IGS国际多模GNSS实验工程(MGEX)提供的精密轨道和钟差产品进行精密定位解算。结果表明,B2频点信号的接收性能优于B1频点,北斗精密单点定位计算的结果在X、Y、Z 3个方向上的误差基本保持在cm级,解算的本地时相对于IGST偏差的频率稳定度短稳达到了10~(-14)量级,与全球定位系统(GPS)精密单点定位性能基本相当,表明我国北斗系统可用于ns级高精度时间传递。     

一种卫星双向时频传递设备时延差的标定方法

利用卫星双向时间频率传递方法可以实现精度优于1 ns的远程时间同步。卫星双向设备时延差是影响双向比对结果的一项主要误差。目前,国际上通用的方法是利用一套可移动的双向校准设备实现对两套卫星双向设备时延差的校准。该方法存在设备成本高、占用通信卫星资源且对天气条件要求较高等问题。随着i GMAS站和其他监测站点的建设,越来越多站点的接收机监测数据资源可用。提出一种利用各站点监测数据实现对卫星双向设备时延差的校准方法。当卫星双向比对两地同时具有监测数据可用时,可以通过事后数据处理的方式校准两地卫星双向设备的时延差。校准的主要思路是利用精密星历、钟差和电离层产品,从每颗星的伪距测量值中扣除传播路径中的各项延迟,得到本地与导航系统时间的时差。通过对所有可见星的时差结果进行加权、滤波,并扣除接收机间的相对时延,得到比对两地的全视站间钟差。最后,通过与同时段的卫星双向结果进行比较,得到两地卫星双向设备的时延差,校准精度优于1 ns。虽然该方法无法实现亚纳秒量级的校准,但是可以较为简单地标定出两地卫星双向设备的时延差,可以满足纳秒级的时间同步应用需求。     

时钟频率系统常见故障及分析

高精度、高稳定度的时间基准是极轨气象卫星接收系统业务运行的根本保证。XLi时钟频率系统将长期稳定度好的GPS与短期稳定度好的铷钟相结合,为接收系统在网设备提供精确的时间。因此确保其全天候的正常工作成为了关键。本文介绍了XLi时钟频率系统的工作原理,同时结合实际应用情况,对其常见故障现象进行了描述及原因分析,并给出了其排查方法,为设备的故障定位与检修提供了重要依据。     

基于新校频算法的GPS可驯铷钟系统研究

在GPS可驯铷钟系统中,校频是驯频的前提.常用高精度校频算法的不足在于需要昂贵的高分辨时间间隔计数器.提出了一种新的校频算法.使用最小分辨率为0.1μs的低分辨时间间隔计数卡,测量铷钟和GPS定时接收机二者秒信号的时差,然后设计了卡尔曼滤波算法,并在单片机中实现,对时差数据进行平滑,克服由于GPS的秒信号、铷钟的秒信号的不稳定和测量噪声带来的影响,估计出高精度的时差数据,从而在较短时间内获得很高的校频精度.该方法将GPS作为频率基准,间接得到了铷钟相对于与GPS的频差,避免了使用昂贵的高分辨计数器.使用该校频算法,对PRS10铷钟进行驯频,研制了可驯铷钟系统.对系统的测量结果表明在不影响铷钟短期稳定度的情况下,频率准确度一般优于5×10-12.     

低功耗小型化时频模块的设计

随着科技的发展,高精度时间基准被广泛应用于通信、导航、电力、工业、商务以及国防建设等重要领域,精确的时间同步需求也越来越广泛,对时间和频率基准的精度提出了越来越高的要求,如何获得高精度时间同步是保障各系统正常可靠运行的关键。对于时间频率用户系统来说,在利用各种技术手段获得高精度、高可靠性的时间频率的同时,时统用户终端的体积、功耗等也成为更加关注的目标。研制低功耗、小型化的时间模块,可以有效解决时间频率用户系统性能指标与体积、功耗之间的矛盾,便于实现时间源的冗余备份,更大程度提高时统设备的可靠性。     

高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

介绍了一种新型的可搬运铯原子钟,采用非均匀磁场进行选态,采用与 4-5 循环跃迁线共振的激光进行检测。 介绍了 此方案的物理系统、光学系统和电路系统。 进一步展示了基于此方案原子钟的整机与指标,最佳整机体积 4U,稳定度达到 4×10 -13@ 100 s, 4. 5×10 -14@ 10 000 s, 2. 2×10 -14@ 1 d,优于可搬运铯钟典型产品 5071A 优质型。 将此方案与磁选态磁检测铯 原子钟和光抽运铯原子钟进行了对比,并给出了此方案的优点与待解决的问题。 最后介绍了两种针对磁选态光检测铯钟的可 行性改善,一种为采用 3-2 循环跃迁线检测的反选型原子钟,一种为采用光抽运-磁选态的混合选态型原子钟,有望进一步提升 稳定度指标至稳定度低于 3×10 -13@ 100 s。