无主钟的自适应时频实时综合系统研究

海上卫星导航系统对于保障海上安全、提高航行效率、促进海洋经济发展以及提升国家海洋战略地位具有重要意义。海上卫星导航对高精度时间频率信号的需求非常高。基于氢钟和铯钟,研制了1套用于独立守时的时频综合系统。通过搭建实验系统,对原子时算法进行了检验。系统由本地综合装置与相位微跃计组成,改变了传统硬件结构,使用微跃计内高稳晶振作为参考源,可靠性得到了提高;系统实时观测并动态赋权重,无需人为干预信号频率,实现了自动化独立守时。采用自适应加权平均算法,使综合原子时兼顾钟组信号的频率稳定度和频率准确度,从而获得稳定可靠的高精度时间基准。实验结果表明:系统输出信号的秒稳定度达到4.41×10^(-13),天稳定度为4.33×10^(-16),自适应时频综合系统的可行性和可靠性得到了有效验证。

基于FPGA和有限状态机的守时系统设计

通过对现阶段守时系统实际应用情况和技术特点的分析,提出了一种新的守时系统设计方案,设计了一个基于FPGA和有限状态机的守时系统;采用恒温晶振组成本地时钟,与GPS/北斗时钟源共同作为系统的输入信号,利用FPGA设计守时系统的基本电路和有限状态机,并对调频调相部分和外部D/A转换电路进行控制,实现本地时钟与时钟源完全同频同相输出,从而快速获得高精度的时间基准,并能在GPS/北斗失锁后对时钟源信号进行保持,实现通信系统的时间同步。

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。

守时设备故障的自动诊断和报警系统设计

为了及时发现守时主系统运行中出现故障概率最高的设备,降低比对数据的出错率,提高守时精度及比对数据的可靠性和完整性,设计了一种守时设备故障的自动诊断和报警系统。该系统采用专家系统故障诊断方法,通过对守时比对系统的时间比对数据的实时监测和分析,发现比对数据异常,及时启动故障自动诊断系统,通过报警系统报告发生故障的可能设备,实现故障的及时发现和尽快排除。结果表明,该守时设备故障的自动诊断和报警系统达到了预期目标。

基于CTI技术的守时系统故障报警实现

介绍了计算机电话集成 (CTI ComputerTelephonyIntegration)技术在守时系统故障自动报警中的应用。简要介绍了构成报警系统的两个关键产品 ,电话语音卡和TTS(Text To Speech) ,详细讨论了ActiveX控件 (Phonic .OCX)编程接口的一系列事件和方法以及由此而开发的故障报警模块。该模块不仅用于守时主系统的故障报警 ,也将用于电源系统、钟房环境监控系统的故障报警。

守时系统故障实时诊断

对守时系统故障诊断的基本思想作了阐述 ,重点介绍了基于VB 6 .0开发的守时系统故障自检软件 ,该软件具有可视化、自动化、智能化等特点。采用类似示波器的图形绘制方法 ,可以实时显示国家授时中心 (NTSC)的时间基准实验室中各钟、授时部工作钟和BPL长波授时信号与NTSC主钟 (MC)的比对结果的数据曲线 ,并对守时系统出现的各种故障 ,代替维护人员完成异常分析、故障诊断和故障定位任务 ,自动给出实时的诊断结果 ,为守时系统故障的快速修复提供依据。

时频计量体系守时系统与原子时算法

阐述了守时系统的硬件模块与软件模块,介绍两台主动型氢钟和八台铯钟组成的守时钟组,论述钟组运行模式。探究ALGOS原子时算法,采用百分比限权法对原子钟的权重加以设定,保障算法的可靠性。通过稳定的钟组及可靠的原子时算法使守时系统正常运行,从而服务时间频率计量体系建设。

用于守时系统中的单片机输出监控器的研制

ＭＤ－１输出监控器是一个Ｉｎｔｅｌ８０３１单片机系统，具有时间比对测量、标准时间频率信号隔离输出、监控报警等功能。与ＰＣ微机配合，可建立具有自动守时功能的标准时间工作站。

基于FPGA和单片机的守时系统设计

介绍守时系统的重要作用及其发展现状,分析了守时系统发展过程中遇到的一些问题,设计了一个以GPS/北斗信号作为时标的守时系统。采用双恒温槽的恒温晶振MV180作为系统的输入时钟,使用单片机控制DAC7512对其频率进行调整。首先,系统对调整后的本地时钟信号进行分频处理,再与GPS/北斗接收到的标准秒信号进行比较,通过FPGA和单片机对分频后的信号进行相位的调整,最终输出标准秒脉冲信号,从而快速获得高精度的时间基准,并能在GPS/北斗失锁后对该信号进行保持,实现时间同步。

基于环境感知技术的高精度守时系统设计

对构成晶振时钟频率偏差的因素进行了分析,针对武器装备守时需求提出了环境感知技术,对其在高精度守时系统中的应用进行了介绍。该技术将武器装备使用环境温度范围划分为多个温度分区,在各温度分区内对晶振时钟频率偏差进行标定,构成先验知识。在无外部授时的情况下,守时系统通过环境感知实现自适应时钟频率偏差调整,能够长时间保持较高守时精度。在连续七天自然环境实装性能测试中,系统守时误差小于17ms,表明了该技术的有效性。

提高守时系统可靠性的关键技术及方法研究

随着科学技术和经济的发展,稳定可靠的时间频率信号产生与保持变得日趋重要.为提高守时系统可靠性,构建了工作钟和备份钟一致性测试系统,通过同步算法实现主备原子钟相位和频率同步,设计了溯源链路正常和异常两种情况下的原子时驾驭方法,阐述了守时系统软件、硬件和环境因素的设计要求,从而全面保证守时系统达到高可靠性要求.

我国守时系统发展现状与性能分析

介绍了近十五年来我国守时系统取得的进展。从历年指标来看,我国守时系统频率稳定度提高较快,目前地方协调世界时[UTC(k)]与世界协调时UTC保持在±5ns以内。为进一步寻找与国外先进守时系统的差距,利用国际计量局(BIPM)公布的全球守时实验室相关数据,将我国守时系统UTC(k)的时间稳定度、频率稳定度、控制精度等性能指标和在国际原子时(TAI)计算中的贡献权重与德国物理技术研究院(PTB)、美国海军天文台(USN0)、俄罗斯国家计量院(SU)等守时实验室进行了比较分析。结果表明,在性能指标方面,我国守时系统UTC(A)与国外先进守时实验室相当;我国UTC(k)在TAI计算中权重为7%以上,仅次于美国海军天文台、俄罗斯国家计量院。

用脉冲星的脉冲序号复现坐标时方法

为实现包括地球和地球以外的时间统一,需要运用相对时间观的两种时间来替代目前时间计量体系中的标准时间,这两种时间分别是:原时和坐标时,其中坐标时可溯源到脉冲星时间基准上。为构建简单的本地轨道参数历表,阐明分层嵌套的空间包含关系,形成时间相对统一的观点。从计量角度,提出了一种脉冲星复现坐标时的理论,运用相对时间观中的时间和空间不可分割观点,归纳了统一时间的广域坐标系所必须具备的基本特征,强调了原点观者的特殊性,提出了基于原点观者的脉冲星脉冲序号和初始历元的定义方法。首先,把一组脉冲星的脉冲序号约定为坐标时基准,用来复现坐标时,约定一组脉冲星的脉冲周期为固定的常数数组,约定后不再测定,常数的单位仍是国际单位制[秒],常数可理解为脉冲序号的坐标时间隔与[秒]之间换算的系数。然后,基于平面电磁波模型,把脉冲星的脉冲电磁波经过原点的时刻与脉冲序号一一对应,于是原点观者的坐标时与连续的脉冲序号成为线性函数关系,最后,分析了脉冲星稳定特点,给出了以一组序号为变量的脉冲星集合稳定性判据。

NTSC的双混频时差测量系统试运转结果分析

中国科学院国家授时中心(NTSC)新进口的由德国Timetech公司制造的双混频时差测量系统(dual mixer time difference system,DMTD)已经通过了试运行。介绍了DMTD的工作原理和设备结构。NTSC时频基准实验室的主钟(MC)信号作为DMTD的频率参考信号,5个氢钟和18个铯钟的频率信号作为被测信号与MC信号进行相位比对。用频率分配放大器输出的多路MC信号也作为被测信号用以监测DMTD本身的精度和稳定度。给出了DMTD和时间间隔计数器TIC实际测量结果的比较及误差分析。测量结果表明DMTD特别适用于频率短期稳定度非常高的氢原子钟这样的频标之间的频率和时间比对。该设备将用于NTSC的守时工作,不久的将来也将用于铯喷泉与氢钟的频率比对。

基于TAC的高精度频率测量系统的设计

为解决精密加法器时钟守时系统内本地振荡器频率测量模块分辨率低、测量精度差的问题,针对加法器时钟应用场景的特点,设计了一种新型的基于高稳定度PPS(秒脉冲信号)的高分辨率频率测量系统,详细分析了该系统的电路实现及测量算法,给出了一套完善的实用方案,解决了目前应用较多的本地时钟频率测量方案的诸多缺点,实验表明该系统可实现13位时间间隔测量精度,为低成本高精度仪器仪表的设计实现提供了一种新思路。

SIMT守时氢原子钟频率漂移对稳定度影响

采用阿伦方差定量分析SIMT守时氢原子钟不同采样间隔的频率稳定性能,采用线性拟合的方式估计氢原子钟频率漂移率,通过比较阿伦方差和哈达玛方差分析频率漂移对频率稳定度影响。并分析一年半时间内,氢原子钟每月的日频率漂移率变化情况,分析主钟频率漂移变化对守时系统稳定性的影响。

基于时间频率数据平台的数据分析研究

时间频率数据是国家重要的信息资源,时间频率数据平台设计依托国家授时中心运行产生的时频数据、国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)和国际地球自转服务机构(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)公布的时间频率相关数据等实现,该数据平台可以为守时技术研究提供丰富的数据资源支撑。首先介绍时间频率数据平台的建设情况,随后利用数据平台汇交的本地守时系统比对和远距离链路比对数据开展守时技术研究,包括原子钟状态评估,主要分析原子钟异常跳变情况,研究跳变数据处理方法,针对不同类型守时钟,分析对比波动情况、稳定度等原子钟性能指标,此外基于ARIMA模型开展钟差预报研究。以上研究结果可为守时系统连续可靠运行提供重要参考。

基于Kalman滤波的原子时算法研究

守时系统的目标在于建立和保持一个稳定可靠的时间尺度,时间尺度算法正是基于此目标计算出一个频率稳定度、准确度、可靠性更高的时间尺度,时间尺度的算法本质就是综合守时系统内的原子钟,通过各原子钟与主钟的N-1组观测钟差对N台原子钟的权重和预测值进行估计;传统的加权平均算法会忽略发挥主要影响的噪声过程,更注重权重的合理分配来提高综合原子时的稳定度,缺少对噪声的关注,针对守时系统实时性的需求,对原子钟噪声模型进行了研究,在频率预测过程中研究了Kalman滤波和频率跳变检测的应用,并与传统加权平均算法进行了对比,仿真实验表明改进的算法提升了综合原子时的中长期稳定度,其中100天稳达到了5×10-14数量级,既保留了AT1时间尺度连续、实时的良好特性,又避免了Kalman算法发散性的问题,经实际测试可应用于小型守时实验室的守时系统构建。

原子钟性能试验与分析

原子钟作为高精度时频系统的关键设备,主要功能是产生时间信号和频率信号。氢原子钟和铯原子钟性能不同,在高精度守时系统中作用也不同。文中介绍了氢原子钟和铯原子钟的主要性能指标,以协调世界时UTC(NIM)为时间频率参考信号,对市面上常见的氢原子钟和铯原子钟的性能指标进行试验分析,通过近期(2018-2022年)的试验数据进行了相应的比对分析,供有关同行予以参考。

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。