国产磁选态铯束频率标准环境特性研究

铯原子频率标准具有长期稳定性好、可靠性高的优点,在导航定位、守时授时、通信电力、时频计量等领域有着广泛的应用。近年来由于军事领域对高精度时间频率源的需求,铯原子频标的使用环境从实验室走向了战车、舰船等机动平台。本文针对铯原子频标在战车、舰船、高原等复杂环境下的环境适应性,研究环境因素对整机指标的影响机理。通过仿真与试验对整钟设计进行优化,以提高整机在力学、热、磁场、低气压等复杂环境下的适应性。经过优化设计后的国产铯束频率标准样机通过了相关环境试验项目的考核,各项指标均满足要求。研究结果表明,铯原子钟电性能样机的稳定度优于8.73×10^(-15)/5 d,磁敏感度3.15×10^(-14)/Gauss,工作温度特性-8.18×10^(-14),这项工作为国产化铯钟的进一步应用提供了基础。

机动状态下国产铯原子钟稳定性分析

车载机动状态下的守时系统可以满足一些特殊应用场合的实际需求,其核心部分便是原子钟。主要利用守时车辆在三级道路上移动前后的数据,分析了国产小型铯原子钟在无溯源车载机动状态下的动态Allan标准偏差(ADEV)以及噪声的幂律谱,为未来国产小型铯原子钟的移动应用提供支撑。结果表明,铯原子钟车载机动状态对铯原子钟的频率稳定度有一定的影响,ADEV的采样时间τ为1~1000 s频率稳定度最大恶化了1.15×10^(-11),恶化约一个数量级;采样时间τ≥1000 s稳定度恶化相对较小,最大恶化了8.74×10^(-13),恶化一倍左右。在噪声方面,铯原子钟机动状态主要受到白色调相噪声的影响。

基于国内VLBI站组网的EOP观测仿真研究

地球定向参数观测的仿真研究对于其实际测量具有指导意义,根据国内两套甚长基线干涉测量全球观测系统(中国科学院国家授时中心+中国科学院上海天文台)进行组网并对其EOP(Earth orientation parameters)测量能力进行了仿真分析。其中6站组网联测相比于3站组网,EOP总观测量时延数量提高约5倍,该网型测量UT1、PMX、PMY3个EOP分量的精度分别提高了2.3倍、3.0倍和2.6倍。不论是3站网型还是6站网型,EOP观测精度都会随着热噪声水平的升高而降低,但统计分析表明,热噪声水平在70 ps以下时,影响EOP测量精度的主导因素仍为网络的几何构型。对6种5台站组网情况下的EOP精度仿真,并与6台站仿真结果对比,表明当其中的喀什、哈尔滨、三亚3个外围观测站缺失时,会导致PMY测量精度的显著降低。

基于高速ADC的数字双混频时差测量系统

使用双混频时差法进行时间和频率测量时,模拟部分引入的噪声会干扰信号过零点的判断,降低测量精度,而使用数字信号处理技术后不再需要判断过零点,量化噪声成为系统内的主要噪声来源,可以通过数字滤波器对其进行抑制。同时有利于设计结构紧凑的系统,更易于小型化,测量速度也可以进行灵活配置。通过引入高速模数转换器、数控振荡器、低通抽取滤波器、数字鉴相器等,设计了数字双混频时差测量系统,并研制了4通道的原理样机。测试结果表明,当频率源为10 MHz的信号时,原理样机中属于同片ADC(analog-to-digital converter)的两个通道间的本底噪声约为5×10^(-14)@1 s,属于不同片ADC的两个通道间的本底噪声约为8×10^(-14)@1 s,满足原子振荡器的测量要求。并以主动型氢钟VCH-1003M为参考,使用原理样机分别对Microchip的5071A铯原子钟和SRS的FS725铷原子钟的稳定度进行测量,测量结果与Microchip的相噪分析仪53100A和5120A无显著差异。

干涉测量数据采集设备时延的温度效应

干涉测量是一种被动测量手段,是目前角分辨率最高的天文观测手段,且不占用星上资源,广泛应用于天文学、测地学和深空导航领域。提高干涉测量的一个重要途径是精确测定干涉测量仪器的系统误差,数据采集设备时延是其重要组成部分,目前干涉测量的时延测定精度可达到亚纳秒级水平,对设备时延有更高的精度要求。本文利用实际观测的数据研究数据采集设备的设备时延,分析室内温度、设备温度与该设备时延的相关性,建立设备时延与设备温度之间的数学模型,并对设备时延进行修正。试验结果表明:该数据采集设备的设备时延变化与设备温度呈线性关系,通过本文方法修正后,在温度控制单元没有开启情况下(设备温度变化大),精度改善可达60%以上,温度控制单元开启情况下(设备温度变化不大),精度也会有所改善,达10%左右。

GPS/Galileo/BDS-3广播星历精度分析

为了分析当前GPS(Global Positioning System)、Galileo(Galileo Navigation Satellite System)和BDS-3(Beidou Navigation Satellite System with Global Coverage)广播星历的精度,详细分析研究了各种偏差改正及消除方法,并尽可能地消除了系统误差和粗差对评估结果的影响。选取2021-11-01/12-31共61天MGEX(multi-GNSS experiment)发布的多系统混合广播星历与武汉大学分析中心发布的事后精密星历数据进行实验,对GPS、Galileo和BDS-3近期广播星历精度进行对比分析,实验结果表明:3个系统广播星历整体精度由高到低依次是Galileo、BDS-3和GPS,其空间信号测距误差的RMS(root mean square)分别优于0.17、0.25和0.37 m,整体轨道精度的RMS分别优于0.17、0.12和0.25 m,BDS-3广播星历的轨道精度最高,钟差误差的RMS分别优于0.15、0.23和0.27 m,Galileo广播星历的钟差精度最高。对于GPS卫星的广播星历,blockⅢA卫星钟差和轨道精度均优于其他GPS类型卫星。

《时间频率学报》公开诚信声明

本刊为了规范科研行为和净化学术环境,依据相关法律法规提请投稿作者尊重和维护知识产权,避免出现学术不端和学术失范行为,具体包括:1抄袭和剽窃。将他人的作品或作品片段据为己有,一般表现为:逐字逐句原封不动地抄袭他人作品;将他人已发表或未发表的成果稍作改动,以改头换面的形式出现。

《时间频率学报》征稿简则

1宗旨和沿革。《时间频率学报》是中国科学院国家授时中心主办的学术、技术应用类刊物。本刊刊载时间频率科学及相关方面的理论和应用研究、技术与方法的成果与进展、专题评述等。《时间频率学报》的前身为创刊于1978年的《陕西天文台台刊》,2003年更名为现刊,为季刊。

高性能相位微跃计的关键技术研究

定位、导航和定时服务(PNT)已成为国家重要新型基础设施,相位微跃计是PNT基础设施中的核心设备。它是一种对输入频率信号进行精密调整并输出时间频率信号的设备,目前只有美国、德国、俄罗斯等国家有相关成熟产品。随着高性能原子频标和光频标的发展,现有相位微跃计性能还是停滞于1~2×10^(-13)/s的水平,已经无法满足对高性能原子频标和光频标的调控需求。本文重点对极小分辨率频率调控技术和低噪声信号处理技术等进行研究,实现了频率分辨率优于1×10^(-19)、相位调整分辨率优于0.023 fs、附加频率稳定度优于3×10^(-14)/s的国产高性能相位微跃计。

小型化宽温高精度温补晶振的设计与实现

介绍了一种小型化宽温高精度温补晶振的设计方案及其补偿的实现。该设计的核心是采用专用温补芯片和分立结构实现产品的小型化和低功耗,并避免环境温度对补偿精度的干扰,保证温补晶振宽温高精度的实现。通过这种补偿方法研制的10 MHz温补晶振,在-55℃~+85℃范围内频率温度稳定度优于±0.28×10^(-6),相位噪声优于-150dBc/Hz@1kHz。测试结果表明,该温补晶振具有体积小,工作温度范围宽,功耗低和相位噪声特性良好等特点。同时该产品可靠性高,适合批量化生产,可广泛用于军民测控通讯类设备中。

脉冲星时与原子时联合时间尺度建立初步研究

原子时具有较高的短期稳定度,基于毫秒脉冲星自转建立的脉冲星时具有较高的长期稳定度,两者融合可构建长短稳优势兼具的时间尺度。本文通过经典加权平均算法,初步构建一个脉冲星与原子钟融合的联合时间尺度(composite time scale,CT)。基于国际权度局(BIPM)公布的TA(NTSC)-TAI原子时数据,并选取国际脉冲星计时阵(IPTA)公布的计时精度最高的4颗脉冲星,通过并列加权法和分类加权法这两种组合方式得到CT。结果表明并列加权法得到的CT相对于各脉冲星时在10年以内的稳定度改善明显,4~10年内稳定度与稳定度较高的脉冲星J0437-4715接近。分类加权法得到的CT对比并列加权的稳定度结果在采样区间两极优势明显,0.26年达到5.1×10^(-15),16.8年达到1.0×10^(-15),其中4颗星相比2颗星得到的CT于5.2年后稳定度有显著提高,且分类加权法得到的CT相对于TAI偏差更小,时间尺度更平稳。综上说明原子钟组的短稳特性可以对脉冲星钟组的短期噪声进行抑制,同时脉冲星时可提高联合时间尺度CT的长期稳定度。

基于实测数据的脉冲星时自主保持精度分析

脉冲星钟模型保持方法和脉冲星时自主保持精度是决定脉冲星时应用精度的关键。根据地球时TT发布的特点以及脉冲星自转稳定特点,提出基于滑动累积窗口的脉冲星钟模型保持方法。首先利用IPTA第2批发布的2颗脉冲星观测数据开展钟模型保持精度分析,在13年以上的时间窗口内2颗源的自转频率测量值相对于平均值波动幅度在10^(-13)Hz之内,且随着时间窗口累积增加钟参数测量精度单调提高;其次,利用观测数据分析钟模型在滑动预报下的脉冲星时自主保持精度和稳定度,J0437-4715在13.58年内自主保持的脉冲星时与TT(BIPM15)偏差的RMS(root mean square)为0.454μs,长期(13.58年)稳定度为1.77×10^(-15),J1713+0747在17.46年内保持的脉冲星时与TT(BIPM15)偏差为2.471μs,长期(17.46年)稳定度为6.62×10^(-17),相对于最佳保持脉冲星时的精度分别降低24%和0.16%,但提升了短期(<1年)稳定度,长期稳定度略有恶化。

低轨卫星高动态信号捕获算法研究

低轨卫星数量呈井喷式增长,未来低轨卫星天基测控将是提升海量卫星管控能力的有效手段。针对低轨卫星星载终端接收天基测控信号时面临卫星运动速度快、多普勒频率大、可视时间短等因素引起的信号快速捕获难题,论文研究了PMF-FFT(partial match filter-fast Fourier transform)高动态捕获算法对低轨卫星系统的适用性,分析了捕获多普勒范围的决定因素,捕获对信噪比的要求,以及平均捕获时间的相关因素,并通过Matlab仿真进行验证。结果表明,在信噪比-25 dB以上时,能够捕获到多普勒频移为95 kHz的信号,平均捕获时间在200 ms以内。针对不同信号体制和多普勒频率,需要调整匹配滤波器长度和FFT点数,该捕获算法适用于低轨卫星星载终端。

基于Kalman-Chan算法的5G毫米波室内定位试验

卫星定位系统因其能够提供高精度、全天候的定位服务而深受人们的欢迎,但是在室内环境中,由于建筑物的遮挡,卫星定位系统无法在室内提供高精度定位服务。随着万物互联时代的到来,人们对室内定位技术展开了研究。近年来,室内定位技术层出不穷,例如蓝牙定位、UWB定位等。目前,随着5G技术的成熟以及5G基站的密集化部署,促进了基于5G技术的室内定位的发展。影响室内定位精度的难点之一就是非视距传播(NLOS)和多径效应引起的误差,而毫米波通信作为5G关键技术之一,因其具有高频带和高带宽的特性,有利于提高多径分辨率,可提高到达时间差(TDOA)测量的精度。为抑制NLOS和多径效应引起的误差,本文对基于5G室内定位的Kalman-Chan融合算法展开了研究,即先利用卡尔曼算法对观测量进行距离重构,再结合Chan算法对用户位置进行估算,经过大量试验验证证明,该融合算法可使二维平面上的定位精度达到0.31 m。

一种面向卫星共视授时应用的星站钟差融合方法

面向GNSS共视授时系统中非连续性多源星站钟差的数据融合需求,提出了一种采用集中式融合结构的数据融合方法。具体地,采用Hampel滤波器剔除钟差观测数据中的奇异值并填补空缺值;采用动态权值分配的加权平均算法实现钟差数据融合;采用Kalman滤波器或α-β滤波器进行跟踪滤波,生成钟差融合终值。仿真实验结果表明,所提出的数据融合方法能够有效抑制观测过程中的误差,输出一组更接近真实值的星站钟差数据,适合星站钟差数据的融合处理,也为其他非连续性多源数据融合应用提供借鉴思路。

多通道高精度时间间隔计数器的设计与实现

为满足时频领域的高精度时间比对的需求,本文采用MCU(micro controller unit)和TDC(time-to-digital conversion)芯片相结合的方式实现了对四通道并行输入信号的高精度时间间隔测量。详细论述了时间间隔测量的原理、系统实现方法(硬件组成和软件设计)、误差处理和系统性能评价指标,并搭建测试平台对设备性能进行测试。测试结果表明:本系统可以实现四通道时间间隔信号的独立、同时测量,具有较高的准确度,对百皮秒级时间间隔测量的精度优于12 ps,百纳秒级测量精度优于17 ps,微秒级测量精度优于31 ps,秒级测量精度优于80 ps,测量范围可达1.6 s。能够满足绝大多数场景下对时间间隔测量设备的性能要求。

毫秒脉冲星观测反演台站原子钟行为研究

氢原子钟作为高精度时间和频率系统的核心部件,在射电天文观测、高精度时间计量、空间导航等领域获得广泛应用。尽管氢原子钟具有极高的短期稳定性,但是其长期稳定度会受到各种环境因素的影响。毫秒脉冲星因其超乎寻常的长期稳定自转频率特性被誉为“挂在天上的钟”,在时间保持、深空导航等方面具有重要的潜在应用价值。本文基于上海天马望远镜毫秒脉冲星计时观测资料对有关问题进行了研究,成功反演出台站氢原子钟的历史行为,包括时钟跳跃、换钟等。通过分段拟合其计时残差中偏离白噪声的长期趋势成功获得氢原子钟速。综合考虑上述历史行为后获得了基于该毫秒脉冲星的时钟改正文件,将其用于天马望远镜其他多颗毫秒脉冲星计时分析并取得了非常理想的效果。

主动型氢原子钟数字电路控制系统研究

主动型氢钟在频率稳定度和漂移率等方面优于目前在轨的星载被动型氢钟,但是存在体积重量较大的缺点。为进一步降低电路部分重量,本文提出一种基于数字电路的系统控制方法。该方法通过分析影响主动型氢原子钟频率稳定度的因素,使用数字检波、数字下变频、数字锁相环等数字化方式进行腔自动调谐和晶振锁相,提高了电路系统集成度和灵活度,降低了电路体积和重量。实验结果显示,设计的数字电路控制系统实现了恒温晶振频率的锁定和谐振腔谐振频率的锁定,其秒频率稳定度为2.6×10^(-13),较模拟电路控制系统提升了30%,万秒频率稳定度指标接近,具有一定的工程实用价值。该方案可用于下一代北斗导航卫星星载氢钟设计,也可用于深空探测和脉冲星计时等应用场景。

北斗/GNSS授时性能评估及结果比较分析

授时是全球卫星导航系统(GNSS)的三大服务功能之一。针对GNSS授时性能评价指标和评估方法不统一的问题,研究了评估北斗/GNSS授时性能的关键指标,提出了一种北斗/GNSS授时性能评估方法。该方法以中国科学院国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)和国际权度局(BIPM)发布的UTC为基础,评估导航系统的授时性能,同时给出了该评估方法的不确定度分析结果。利用位于国家授时中心的GNSS系统时间监测系统产生的数据,评估并比较分析了BDS、GPS、GLONASS以及Galileo的授时性能。结果表明,在2021年的评估周期内,BDS、GPS、GLONASS和Galileo的时间传递准确度分别为13.8、4.5、16.8和4.2 ns,均符合导航系统性能的承诺。

全球网北斗三号卫星跟踪情况及数据质量分析

针对跟踪站对北斗三号全球导航卫星系统的跟踪卫星数量存在较大差异和变化,且观测数据质量良莠不齐的问题,基于国际GNSS服务(IGS)跟踪网、欧洲参考框架(EUREF)跟踪网以及澳大利亚地球科学局(GA)连续运行跟踪网三个主要的公开数据集组成的全球网观测数据,统计分析了北斗三号正式开通一年来各跟踪站接收不同北斗三号信号的卫星数量及最大PRN变化,并从数据完整率、周跳比、码伪距多路径误差以及可见卫星数4个指标评估了其中473个跟踪站一个月的观测数据质量。结果表明:截止到2021年7月31日,在统计的全球网范围内,能够接收到B1C/B2a、B1I/B3I双频观测值和B2b观测值的跟踪站数量分别为223个、516个和142个,其中,三者分别有97.8%、70.2%和99.3%的跟踪站能接收到18颗及以上的BDS-3卫星;能够接收全部BDS-3卫星的接收机及固件版本主要有JAVAD TRE_3/3.7.10、TRIMBLE ALLOY/5.44/5.45、SEPT ASTERX4/4.8.2、SEPT POLARX5/5.4.0、LEICA GR30/4.50/7.710、LEICA GR50/4.50.274、STONEX SC2200/2.12-210201、CHC P5E/1.2.5RUS;473个跟踪站中,71%的跟踪站数据完整率为100%,64.1%的跟踪站周跳比(CSR)不大于1,90.7%的跟踪站码伪距多路径误差分布在0.2~0.6 m;分别筛选出数据质量较优的208个能接收B1I/B3I双频信号的跟踪站,和134个能接收B1C/B2a双频信号的跟踪站。研究结果可为基于北斗三号的导航定位授时试验、全球网数据分析等提供一定参考。