一种高精度时频综合及守时方法

在现代信息化平台建设中,时频系统为平台提供统一的时频基准,其守时性能是平台各组成部分能否高效联动、稳定工作的关键因素.通过对频率基准源优选、多钟联合时频综合处理技术的分析和研究,提出了一种高精度时频综合及守时方法,设计了一种高精度时频综合及守时系统.通过优选铷原子钟作为频率基准源、基于多个铷原子钟的原子时综合和驾驭、同类源实时互比选择出最优主钟和备钟,提升系统守时性能并开展了与传统方法的比对试验,验证了该方法的可行性和有效性.

基于铷原子钟的高精度守时技术

针对铷原子钟守时特性,提出了一种高精度守时技术。该技术采用温度及频率漂移智能分离算法,自动分离出温度和频率漂移特性,并采用多次曲线拟合方式分别拟合出频率漂移和温度特性曲线,在守时过程中分开进行精准补偿,实现铷原子钟高精度的守时。

构建空间守时系统引领时间规则变革

随着人类航天活动向月球、火星以及更深更远宇宙空间拓展,以守时-授时为技术特征的现行时间规则在地球以外不再适用。如何统一地球以外的时间?这已成为困扰物理学、天文学、空间科学以及计量科学界的重大科学问题。对地球时间规则受限于大地水准面条件、授时技术不适用于跨越不同坐标系或相对论效应不可忽略的情况进行了分析。提出了相对时间观,从标准时间、统一时间方法、相对论效应处理方法、时间均匀性、历表时间索引以及对同时性的理解等6方面比较了与绝对时间观的不同。提出了新守时系统的构想,该系统基于广义相对论的原时和坐标时。比较了现有时间规则与空间守时系统的5个不同之处。空间守时系统可作为解决地球以外时间统一问题的途径之一。

国产氢原子钟移动守时性能测试与分析

为了进一步研究国产氢原子钟在移动状态下的守时性能,比较静态、动态下氢钟性能的差异:对比分析使用比相仪和计数器采集数据效果的差异;再对比分析氢原子钟在静止和移动状态下频率稳定度的差距;然后测试分析氢原子钟由移动状态进入静止状态初期的频率稳定度;最后对原子钟的3种主要噪声进行分析。结果表明,在短期稳定度方面,计数器采集数据的阿伦方差远大于比相仪采集数据的阿伦方差,相差约2个量级;移动状态下,氢钟频率稳定度降低1个量级左右,短期稳定度下降到10^(-12)量级;由移动过程向静止过程转换的过程中,氢钟钟差数据的阿伦方差处于静止和移动状态下的阿伦方差之间,短期稳定度与静止状态下的阿伦方差处于同1个量级,可以达到10^(-13)量级,但这一阶段频率稳定度的波动较大;移动状态下,3种主要噪声均有增加,调相白噪声的增加量最大,说明调相白噪声对振动比较敏感,移动期间其对频率稳定度的影响较大。

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能,利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据,对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础,计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明,若脉冲星的脉冲到达时间(time of arrival, TOA)解算精度为1μs/30 d,则原子钟钟差估计精度可达到优于1μs的水平,初步验证了脉冲星守时系统的可行性。

基于Kalman滤波的导航星座集中式守时算法研究

自主守时是指无地面段支持情形下,仅利用星间测距和通信维持卫星导航系统时间。首先介绍了基于卡尔曼(Kalman)滤波的集中式自主守时算法,然后采用哈达玛(Hadamard)方差估计了星载原子钟的噪声系数,最后利用IGS(International GNSS Service)精密钟差进行了自主守时仿真试验,评估了整体时间漂移、频率稳定度等自主守时性能。结果表明,集中式Kalman滤波自主守时算法可实现星座内时间基准统一,通过对预报性能较好的氢钟的噪声参数进行优化可以提升自主守时性能,自主运行60 d后时间漂移约11.4 ns,天稳定度优于5.0×10^(-15),优于任意单一主钟的预报漂移精度和频率稳定度。

国产守时型原子钟长期性能分析

利用近两年半的原子钟与UTC测试数据,从时差数据、频差数据、频率漂移率和频率稳定度等方面,分别对国产和国外守时型氢原子钟、铯原子钟的长期性能(频率漂移、月频率稳定度)进行了评估和对比分析。结果表明:国产氢原子钟和铯原子钟已经具备长期稳定运行的能力,可以基本满足国内工业部门在时间频率领域对原子钟的需求。国产铯原子钟的性能与国外铯原子钟基本相当,但在长期性能方面还有一定差距,国产氢原子钟与国外最好的氢原子钟相比,性能上还略有差距。

空间守时系统概念研究

针对太阳系广域时空尚没有统一时间的规则的问题,提出了一种新的统一时间的方法。空间守时系统坚守人类对时间的两个约定,即时间单位和时间起始点的约定,在基于广义相对论的空间计量理论的基础上,用铯原子钟测量原时,用脉冲星测量坐标时,用太阳系质心坐标系原点上的坐标时来统一时间。阐明了"标准时间不是唯一的"相对时间观,在不同局域坐标系之间,相互观测对方的时间都不可能是均匀流逝的,相互认为对方的时间坐标轴是弯曲的,而绝对时间观则必须维持"标准时间的唯一性",用授时技术来统一所有用时设备。空间守时系统的概念颠覆了传统的绝对时间观点。空间守时系统具有特别设计的反馈机制,使时间系统更加稳定。

基于晶体振荡器的高性能守时方法研究

高精度的授时系统因恒温晶振的实际值和标称值存在一定的偏差,基于高精度恒温晶体振荡器对存储的脉冲数进行均值计算,模拟出高精度的脉冲信号,能够达到1 h以内的守时误差低于250 ns,能够满足授时系统的守时要求。文章针对晶体振荡器的老化参数进行拟合,通过模型对晶振守时方法进行实验,确保晶振守时能够保持在每天500 ns,以此来提升晶体振荡器的保持能力。

NTSC守时工作:国际先进、贡献卓绝

简要介绍近年来中国科学院国家授时中心守时工作的最新进展以及精密时间信号拓展应用情况。通过持续开展时间产生和保持所涉及的相关技术研究,加强和发展我国标准时间UTC(NTSC)系统的技术基础条件,使我国的守时工作取得突破,各项性能实现国际先进水平,国家授时中心时频基准实验室成为国际原子时TAI系统中最重要的守时单元之一。

一种GPS校准的数字式高精度守时钟

晶振老化是影响时钟守时精度的最主要原因,一般的解决方法是采用GPS校准锁相环微调压控晶振的振荡周期进行补偿的电路方案。介绍了一种由固定频率晶振驱动的分频比可精细微调的基于加法器的时钟电路。提出了一种新颖的基于该时钟电路,采用GPS接收机、单片机、可编程逻辑器件和TDC构成的全数字化守时钟电路方案。该方案具有守时精度高、全数字化设计、简单和便于集成等优点,特别适合于只校时不锁频场合。最后以一个守时精度为1毫秒/日的守时钟为例说明了该电路的设计方法和步骤,给出了实测结果。

考虑系统偏差的脉冲星守时算法研究

脉冲星拥有高度稳定的自转周期,可用对其的观测信息来校正星载原子钟钟差。针对脉冲星守时系统中脉冲到达时间的微小偏差会严重影响守时精度的问题,提出一种考虑系统偏差的脉冲星守时算法。基于脉冲星守时的基本原理,梳理了影响守时系统性能的系统偏差因素,并建立了模型。利用二步卡尔曼滤波算法,在估计原子钟钟差的同时,解耦估计系统偏差。研究结果表明,本算法可以有效地降低系统偏差对脉冲星守时系统的影响。该算法为脉冲星守时系统的工程实现提供了一条可行的思路。

GPS同步时钟的高精度守时方案

基于全球定位系统(GPS)的高精度同步时钟信号在电网广域测量系统(WAMS)等很多领域具有广泛用途,但在实际应用中存在因卫星失锁等原因导致同步时钟信号失步的问题。文中提出了一种预设时间差补偿值实现高精度守时的方案。研制了基于GPS接收器和复杂可编程逻辑器件(CPLD)的高精度守时GPS授时系统样机,并在实验室与上升沿同步及时间差反馈调整2种守时方案进行了对比验证。实测结果表明,采用文中提出的方案,GPS授时系统样机输出的秒脉冲(PPS)信号在正常情况下的精度可达±300ns,并能保证在卫星失锁24h内的误差不超过20μs,守时精度明显优于另外2种方案。

基于FPGA的高精度守时方法研究

提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度守时方法,以统计学为基准,结合高精度恒温晶振和北斗/GPS双模接收器产生同步标准秒脉冲信号。当授时系统导航卫星失连,系统根据存储晶振脉冲数计算出均值和方差,动态设置系统晶振脉冲计数器阈值从而模拟产生高精度秒脉冲信号,消除晶振累积误差。实验结果表明,1h内授时系统守时误差小于250ns,可满足授时系统在电力、靶场等系统中的守时要求。

氢钟和铯钟联合守时初探

氢钟和铯钟作为两种不同类型的频标,从统计角度上来说,它们在短期和长期频率稳定度方面的表现为时间频率领域中的学者们共识．随着技术的改进氢钟近年来在长稳方面有所提高．根据中国科学院国家授时中心(NTSC)新进口的2台美国氢钟(Sigma T)近一年来实验数据的分析,定量说明氢钟不同采样间隔的频率稳定度,并与铯钟的性能做比较．同时根据这两种类型频标的性能取长补短,探讨一组铯钟和两台氢钟联合守时的方案和地方原子时计算方法．

守时用小型氢原子钟的研制

本文报告了一种守时用小型氢原子钟的设计和研制。该钟应用了一个精密的电容式谐振腔，由于其体积很小，从而使钟的整体体积和重量较通常的氢钟大大减小。腔的Ｑ值采用正反馈获得增益，从而能维持氢脉泽振荡并改善信号的信噪比。由于采用了腔频自动调谐系统，钟的长期稳定度可与通常的氢钟相比。

基于FPGA的GPS同步授时与守时方案设计与实现

针对电力系统异地实时同步测量中时间同步的问题,设计并实现了一种基于FPGA的电力系统GPS同步授时与守时方案。运用了平均值减小误差的思想,给出了方案的总体硬件设计以及芯片选型,重点介绍了FPGA内部功能模块设计,主要包括初值计算模块、平均值计算模块、平均值记录模块和PPS(秒脉冲)生成模块等,使用VHDL对各模块进行软件设计并提供了设计思路。通过硬件实验验证,无论卫星是否失锁,都能保证GPS长时间的高精度授时。

基于原子频标的守时与远程时间比对虚拟实验设计与应用

守时系统由时频标准、时频信号产生、时差测量、稳定度检测和远程时间频率比对等分系统组成。实验数据均来自国家级守时中心的实测数据,数据处理算法采用国际计量局推荐的自由原子时算法ALGOS。远程时间比对系统采用卫星共视法对本地虚拟原子钟、远程国家级守时中心原子钟时间测量结果进行比对,以确定本地虚拟原子钟的时间计量准确度。整个虚拟实验在Unity实时3D平台上采用微软C#语言开发而成。经过在“检测技术”课程中实际应用,效果良好,达到了让学生理解SI基本单位的量子计量原理,锻炼学生实验动手操作能力,提高复杂测量数据的处理和分析能力的目的。

一种新型高精度低功耗守时芯片

以测时测距体制为基础的定位系统中,提高时间精确度是改善导航接收机性能的一个关键因素。然而,在便携或手持式导航设备中,现有的守时芯片难以在低功耗的条件下实现高计时精度。针对上述矛盾,本文提出了一种全新的守时芯片电路结构,通过直接温度补偿计时,以及低功耗连续工作和高功耗间歇突发工作相结合,实现了优于0.5ppm级别的守时精度和低于200μW待机功耗,可替换传统音叉型RTC芯片,提高便携或手持式导航设备性能。

NTSC的守时工作进展

概括介绍了中国科学院国家授时中心(简称NTSC)时间基准系统的组成、功能和相关工作的最新进展情况。NTSC负责我国标准时间的产生、保持和发播。多年来,NTSC的守时系统以完美的表现满足了国家大科学装置—长、短波授时系统的发播控制任务的要求。2008年度,NTSC的守时工作取得突破性进展,实现的指标综合排名于全球实验室的2～3位,我国守时工作已经跻身世界前列,NTSC已成为国际原子时合作单位中最重要的守时实验室之一。