BDS-3卫星与其他GNSS系统卫星原子钟性能分析

星载原子钟是决定星上时间基准的基础。利用一年的事后精密钟差数据,对北斗三号(BDS-3)和其他全球卫星导航系统的准确度、漂移率和稳定度进行了分析,以评估全球卫星导航系统(GNSS)在轨原子钟性能。结果表明：BDS-3的铷原子钟准确度在2.62×10^-13～2.54×10^-11之间,氢原子钟在1.64×10^-14～6.77×10^-11之间;BDS-3氢原子钟的漂移率显著优于铷原子钟;BDS-3多数氢原子钟的稳定度可达到10^-15量级。BDS-3的稳定度表现最好,其次是全球定位系统(GPS)、北斗二号(BDS-2)、伽利略(Galileo)和格洛纳斯系统(GLONASS)。     

基于FPGA的北斗驯服铷原子频标装置的研制

为了提高铷原子钟频率的准确度和稳定度,设计了基于FPGA技术的多路输出北斗驯服铷原子频标装置。装置采用粗测和细测的时间间隔测量方法实现铷原子频率的驯服和时间跟踪与同步。采用模块化设计和编程,提高了装置的通用性和可移植性。以铯原子钟时间频率为参照,利用该装置对铷原子钟驯服前后的数据进行多次比对测试,结果表明其频率的相对准确度达到了1.5×10^-13,相对稳定度达到6.97×10^-13,与驯服之前相比,铷原子钟频率的准确度和稳定度均得到大幅提高和改善。     

GPS在轨卫星原子钟性能评估

卫星钟在轨性能评估对于卫星钟差预报与系统完好性监测具有重要作用。利用国际GNSS服务组织发布的事后GPS精密卫星钟差数据,基于频率准确度、漂移率、万秒稳定度及天稳定度对GPS Block IIR、IIR-M、IIF与IIIA 4类卫星的星载钟性能进行评估。结果表明:1) GPS卫星钟的频率准确度与天漂移率分别在10^-13～10^-12量级与10^-15～10^-14量级;2) 星载铷钟的万秒稳定度与天稳定度分别可达10^-14与10^-15量级,比星载铯钟的同类指标高近一个数量级;3) 新型Block IIIA卫星的星载钟的天稳定度比另外3种类型卫星的星载钟的天稳定度更高,达到(3～5)×10^-15的水平;4) 无论对于不同系列卫星还是同一系列卫星,各星载钟之间均存在一定的性能差异,这种差异与卫星钟在轨运行时间长短无显著关系。     

小型化铷原子频标数字锁频环路设计与实现

设计并实现了一种用于铷原子频标的小型化锁频环路。采用数字锁相倍频技术,实现了10MHz信号的45.5645833次倍频。再经过一级15次倍频后获得频率为6834.6875MHz的铷原子频标微波探寻信号。通过数字电路技术实现了455.645833MHz信号的小调频。测量并分析了455.645833MHz信号的相位噪声,结果表明电路系统对铷频标频率稳定度的贡献为3.2×10^-12τ^-1/2。测量了利用该电路得到的铷频标的短期频率稳定度,结果为5×10^-12τ^-1/2（1s≤τ≤100s）,明显高于一般商品小型化铷原子频标。     

一种由NIM5铯喷泉基准驾驭实现的独立时标TA（NIM）

原子时标TA（NIM）是一个独立时标,其频率由NIM5铯喷泉基准驾驭。产生时标的主钟是一台主动型氢原子钟,铯喷泉基准定期对其测量和校准。时标算法通过预估氢钟将来的频率,补偿过去预估频率与校准频率之差,并评估无校准数据期间的氢钟频率,最终尽可能实现TA（NIM）的频率与NIM5铯喷泉基准保持一致。2007年8月,TA（NIM）开始试运行,2008年6月正式运行。1年多来的数据分析表明,TA(NIM)运行连续可靠,与TAI间的时间稳定度(5天)达到1.2 ns,相对频差为2.0×10^-15。     

基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法研究

报道了一种基于光学锁相环的高稳定度激光稳频方法,用于提高可调谐外腔半导体激光器(TECDL)的频率稳定度和准确度。自行研制的光学锁相环电路采用数字鉴相与差分运算相结合的方式获得高灵敏度的鉴频鉴相误差信号,并通过高速模拟PID实现整个系统的闭环锁定。利用该光学锁相环系统进行了TECDL偏频锁定至光学频率梳(OFC)的实验,实验结果表明环路锁定后拍频频率波动在±0.3Hz范围内,偏置频率为50MHz时,光学锁相环系统在1s和1000s积分时间的相对阿伦方差分别为1.5×10^-9和8.5×10^-13。系统锁定后,拍频线宽由500kHz压缩至2kHz。该研究表明采用基于光学锁相环的激光稳频方法可以实现亚Hz级的激光频差控制,通过将TECDL偏频锁定至高稳定度的参考激光源可显著提高其频率稳定度,使其能够满足超精密测量、冷原子/离子干涉测量等领域对激光频率稳定度和准确度的要求。     

基于开槽管腔的高信噪比铷原子钟物理系统

物理系统提供的原子鉴频信号信噪比是决定铷原子钟频率稳定度的关键因素。借助高频结构仿真软件,设计了一款内径为20 mm的开槽管微波腔。分析和测试表明,该微波腔内微波场磁力线沿腔轴方向均匀密集分布,可激励高强度铷原子微波跃迁。基于这种微波腔,设计出分离滤光物理系统。借助F-P干涉仪光谱测量,优化了滤光效果。测试表明,这种物理系统具备高信噪比,可用于制造频率稳定度为5.0×10^-13t^-1/2的铷原子钟。     

一种高信噪比铷原子频标物理系统

物理系统是铷原子频标的核心部件,通过分析物理系统原子鉴频信号信噪比对频标频率稳定度的影响机理,对物理系统内部结构进行了改进。改进后的物理系统采用了优化的开槽管微波腔,用Xe气作为起辉气体的铷光谱灯,采用分离滤光的三泡设计方案。对改进后的系统进行了初步测试,秒稳定度约为8×10^-13。此结果表明铷原子频标的稳定度可以突破1×10^-12/τ^(1/2),铷原子频标的长期稳定度还有进一步提高的潜力。     

超导稳频振荡器的研究

基于理论分析和计算机仿真,得到了超导稳频振荡器的设计方案,主要包括高Q超导腔、低温环境及锁相环电路等组件的设计。通过实验验证,超导腔的Q值达到2×10⁹,低温环境温度达到1.8 K,温度的稳定度优于0.001K。根据实验结果优化设计后进行系统联调,得到了初步实验结果,超导稳频振荡器的1s频率稳定度达到10^-13量级     

环境温度对氢原子钟性能的影响

本文探讨了被动型氢原子钟在宽温度环境下的频率特性,为小型、易搬运、高可靠、环境适应性强、高性能氢原子钟的研制提供了参考.将被动性氢原子钟置于温箱,测量其在不同温度下的开机特性、频率稳定度、频率准确度等参量.本文在10℃~35℃的宽温度范围内进行测试分析,研究了环境温度对氢原子钟开机特性、频率准确度及频率稳定度的影响.对于被动型氢原子钟在恶劣环境下的研制和应用提供可靠的依据和参考,也可为研究其它类型原子钟受温度的影响提供借鉴.     

Hg+ trapped ion standard with the superconducting cavitymaser oscillator

The frequency stability of an atomic standard based on ¹⁹⁹ Hg⁺ ions confined in a hybrid RF/DC linear trap is described. The 40.5-GHz clock transition has been measured to be 17 mHz wide, representing a quality factor greater than 2×10¹². A 160-mHz line is used to steer the output of a 5-MHz crystal oscillator to obtain a stability of 2×10^-15 for 24000-s averaging times. In a separate measurement, a 37-mHz line is used to steer the output of the superconducting cavity maser oscillator to reach 1×10^-15 stability at 10000 s     

Development of an ultrastable fiber optic frequency distributionsystem using an optical delay control module [for frequency standard andVLBI]

An ultrastable fiber optic frequency distribution system is described. The ultrastable phase stability is achieved by configuring a closed phase-locked loop with a single-mode optical fiber transmission line in which two optical carrier signals with different wavelengths are transmitted as a forward and a backward signal, and installing an optical delay control module which has no differential dispersion effect between the two optical carrier waves and induces no electrical noise. A phase stabilized optical fiber (PSOF) is used for the signal transmission line. The stabilities of this system are 7.5×10^-17 and 1.1×10^-17 in Allan standard deviation at 1000 and 10000 s averaging time, respectively, while the environmental temperature of the PSOF cable varies as much as the range of 10°C and the rate of 10°C/12 h     

Study of the 87Rb maser with both ends pumping

Experiments on the ⁸⁷Rb maser with both ends pumping showed variations of the maximum output power versus cell temperature. The largest output power was 2.0×10^-10 W, and a preliminary measurement gave an improved short-term frequency stability. The results of the numerical calculations based on the density matrix formalism agreed qualitatively with the experiments     

Power stabilized cryogenic sapphire oscillator

Microwave oscillators of exceptional short-term stability have been realized from cryogenic sapphire resonators with loaded Q factors in excess of 10⁹ at 11.9 GHz and 6 K. This has been achieved by a power stabilized loop oscillator with active Pound frequency stabilization. These oscillators have exhibited a fractional frequency stability of 3-4×10^-15 for integration times from 0.3 to 100 s. The relative drift of these two oscillators over one day is a few times 10^-13. To reduce the long-term drift, which is principally due to excessive room temperature sensitivity, we have added cryogenic sensors for the power and frequency stabilization servos to one of these oscillators. We have also implemented a servo to reduce the room temperature sensitivity of our phase modulators. Testing of this oscillator against a Shanghai Observatory H-maser has shown an Allan deviation of 4×10^-15 from 600 to 2000 s     

CO2/OsO4 lasers as frequency standards in the29 THz range

The CO₂ lasers, frequency stabilized on OsO₄ transitions around 29 THz, are successfully used as secondary references for visible frequency synthesis and also for high-accuracy spectroscopy in the infrared domain. The BNM-LPTF CO₂/OsO₄ frequency standards exhibit high metrological performances: a long term reproducibility of ±10 Hz (1σ=2×10^-13) and a stability σ_y=6.6×10^-14/√τ with a Flicker plateau of 4×10^-15 (Δν/ν=0.1) for 300 s to 10³ s averaging times. These results and a preliminary study of the main effects which can induce frequency shifts are reported     

Light shift measurements in a diode-laser-pumped 87Rbmaser

Light shifts in a diode-laser-pumped ⁸⁷Rb maser under the various conditions of laser intensities and frequency detunings were measured, and a linear dependence of the maser frequency on the laser intensities and frequencies was derived. The pulling coefficient of the maser frequency from the laser was found to be about 2.9×10^-3 , and the light shift could be minimized when the laser frequency was adjusted to near the center frequency of the resonance cell     

蓝宝石主动型氢原子频标

研制了采用蓝宝石加载微波腔的蓝宝石主动型氢原子频标,腔体外径18 cm,高度20 cm,重量约2.5 kg。由于微波腔体积的减小,整钟体积较传统大氢钟明显减小。经中国计量科学研究院测试,该蓝宝石主动型氢原子频标的技术指标为3.0×10-13@1 s、3.8×10-15@1 d,是目前国内体积最小的高指标、高可靠主动型氢原子频标,可在实验室、车载等环境下使用。     

基于任意波形发生器的高压短路试验测量系统校准方法和装置的研究

提出了一种将标准短路试验波形注入多通道任意波形发生器,来产生模拟实际的校准波形,进而对测量系统进行校准的方法。校准装置使用现场可编程门阵列(FPGA)、直接数字频率合成器(DDS)等器件。对装置的检定结果表明:在10 Hz^200 kHz频率范围内,输出频率、输出电压最大误差分别为2.1×10^-6、3×10^-3。重复输出10次,输出幅值的最大相对标准偏差为5.7×10^-4,1年内幅值变化的最大相对标准偏差为1.9×10^-4。通过将该装置用于实际高压短路试验测试系统的校准,验证了试验波形的噪声、零漂及带宽均会对测量系统的准确度产生显著影响。