光钟与氢钟联合的时间尺度算法研究

光钟的频率稳定度和不确定度达到了10-18量级,使其有望成为下一代的时间频率标准,并可能用来重新定义国际单位“秒”.时间尺度作为准确、连续标记时间流逝过程的基准,是高精度时间产生的基础.时间尺度的产生需要依赖连续稳定运行的原子钟,而光钟作为实验室原型设备,一般不能连续运行,因此光钟参与时间尺度计算是个难点问题.提出将Vondrak-Cepek组合滤波算法应用在光钟与氢钟联合计算的时间尺度,以解决间歇运行的光钟参与时间尺度计算的难点问题.首先利用氢钟的时差数据,采用ALGOS算法计算获得连续稳定的氢钟时间尺度.其次利用Vondrak-Cepek组合滤波算法将氢钟时间尺度与光钟的数据综合,获得光钟参与计算的联合时间尺度.最终试验结果证明, Vondrak-Cepek组合滤波算法有效提升光钟与氢钟联合时间尺度的性能,该时间尺度与协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)的时间偏差达到亚纳秒量级.

NIM5驾驭氢钟守时能力分析

时间频率量值源头的独立自主是建设我国综合PNT体系的重要基础。为进一步评估基于我国国家秒长基准的原子时标守时能力,利用改进的有限脉冲响应钟差预测与频率调控方法,对激光冷却铯原子喷泉钟与氢钟的频差实测数据进行后处理,分别产生了自主型时标和溯源型时标。通过国际原子时合作链路将两个时标与协调世界时进行了长期比对实验,结果表明:2021年12月~2022年12月期间,两个时标的时间偏差均优于±4 ns、频率稳定度均优于8×10^(-16)/5 d。

钟在太空中还能用吗?

在天宫课堂第三课的互动问答中,关于机械钟和电子钟在太空中能否正常使用的问题,蔡旭哲回答:电子表是没有问题的,空间站上面所有计算机里面的电子钟都能正常运转;至于机械表在太空中是否还能够使用,取决于它的工作原理——如果是有一个摆锤、来回摆动的摆钟是无法使用的,因为它要靠重力来完成工作。摆钟的原理是怎样的?我们一起来做一个小实验,了解一下单摆的特点吧。

基于NIM-Sr1光晶格钟驾驭氢钟产生本地时标的研究

光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的NIM-Sr1光晶格钟为参考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的HM57氢钟的噪声参数。针对NIM-Sr1光晶格钟作为基准钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。通过对2022年9月和10月NIM-Sr1光晶格钟与HM57氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标TS(P),其在60天内相对于TT(BIPM22)的最大时间偏差为0.7 ns,验证了驾驭方法的可靠性。搭建了以NIM-Sr1光晶格钟为参考驾驭HM57氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并评估了2023年4月生成的实时物理时标TS(R)的性能,其在30天内相对于UTC的最大时间偏差为0.89 ns。

面向导航增强的低轨卫星钟差确定及预报方法研究

低轨导航增强是未来导航发展的重要趋势,而高精度低轨卫星钟差是实现低轨导航增强的必要条件。基于Sentinel-6A卫星,对低轨卫星钟差特性进行了分析,给出了钟差确定方法及影响因素,介绍了顾及钟差特性的低轨卫星钟差预报方法。实验表明,低轨卫星钟差含有多个周期项,给低轨卫星建模和预报带来了困难。与使用运动学定轨模型相比,基于简化动力学的定轨模型可显著提升低轨卫星钟差精度;当基于运动学模型确定低轨卫星钟差时,相较于使用GPS单系统数据,多GNSS观测数据可提升低轨卫星钟差精度。研究表明,基于GPS和Galileo观测的Sen-tinel-6A卫星钟差精度相较于GPS单系统钟差精度改善了36%,同时,所使用的GNSS产品精度与低轨卫星钟差精度密切相关。利用顾及卫星钟差特性的低轨卫星钟差预报方法,当预报时长小于1min,低轨卫星钟差预报精度(预报与解算值之差的RMSE)在0.1ns之内,当预报时长小于5min,预报精度在0.3ns之内,随着预报时长的增长,预报精度显著下降。

顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法

BDS-3高稳定星载原子钟作为北斗星座的显著技术优势,在GNSS数据处理中尚未得到充分利用。针对严格时效性限制下GNSS超快速轨道钟差参数精度受限问题,本文提出顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法。首先,以GNSS轨道钟差参数间相关性为基础,构建顾及BDS-3星钟参数特性的GNSS定轨模型;然后,基于GNSS精密钟差产品,分析星钟约束对GNSS轨道钟差参数精度的影响规律;最后,为克服预报钟差精度与约束筛选对定轨影响,建立BDS-3星钟建模与GNSS超快速轨道钟差估计的同步处理方法。试验结果表明,在BDS-3星钟参数最优约束下,BDS-3与GPS轨道钟差精度可分别提升27.5%、5.1%和20.2%、5.2%;且较传统BDS-3星钟单历元处理策略,基于BDS-3星钟建模与GNSS超快速定轨同步处理方法,GNSS超快速轨道钟差精度可分别提升至4.8%与34.2%,轨道精度实现了毫米级改善。因此,顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法可有效对BDS-3高稳星钟信息模型化,并实现GNSS超快速轨道钟差精度的优化处理。

核子钟技术研究动态

原子核跃迁的新型时钟——核子钟具有重要的研究价值,其原理是利用原子核跃迁产生的电磁波频率对时间进行精确计量。目前,最有希望用于核子钟的原子核被认为是^(229)Th核的第一激发态^(229m)Th。如何将^(229)Th核激发至第一激发态与获得第一激发态^(229m)Th的参数是目前的研究重点。最新激发态能量的测量数据为E_(is)=8.28±0.17 eV,对应于直接光激发^(229)Th至^(229m)Th所需的光波长为149.7±3.1 nm。这对激发态的直接激光激发提供了数据参考。除直接激光激发外,电子桥激发也是一种值得考虑的间接激发方式。同时,介绍了核子钟技术的一些潜在应用,如秒的新定义、研究基本常数的时间变化和暗物质探测等。

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)。

城市一刻钟便民生活圈智能化信息服务设计与实践

本文设计了城市一刻钟便民生活圈智能化信息服务的方案。针对目前便民生活圈信息化建设中存在的问题,对总体框架、信息建设标准、信息采集平台、信息表达方法、信息应用模型等方面进行了深入研究和重点设计,并以上海市普陀区曹杨新村街道为例进行了论证性实践。本文提升了城市一刻钟便民生活圈智能化信息建设的数据处理能力、技术能力和管理能力,为推进全国范围内一刻钟便民生活圈建设奠定基础。

基于GM-RBF组合模型的BDS-3卫星钟差短期预报

针对卫星钟差具有趋势项和随机项变化的特征问题,提出了GM-RBF组合模型的方法。该模型首先用GM(1,1)提取预处理后的卫星钟差趋势项部分并进行建模预报,得到相应的残差序列,通过RBF神经网络训练用灰色模型预报所获得的残差序列,然后将GM(1,1)模型的钟差后续预报值与RBF神经网络的残差预报值对应相加可得组合模型的预报结果。为验证组合模型的有效性和可行性,将组合模型预报结果与GM(1,1)模型、ARIMA模型、RBF神经网络模型预报结果进行对比实验。实验结果表明:组合模型预报精度要高于其他单一模型,其在不同时段的平均预报精度可提高46.4%~86.2%。

脑科学视野下的“课间十分钟”

近年来,关于“课间十分钟”的讨论频频在各大教育媒体中出现,“消失的课间十分钟”“安静的课间十分钟”等说法吸引了全社会的目光,甚至有媒体指出部分中小学存在严重的“课间圈养”问题。确实,部分中小学受限于安全、场地、教学、管理能力等方面因素,存在禁止或限制学生课间活动、大声说话、打打闹闹等过度约束的管理行为,甚至极少数学校会出现限制学生进出教室和去洗手间次数的情况。

景钟文化脉络及人文思想探微

景钟在中国钟文化发展过程中是一个比较独特的文化现象,《管子》记载黄帝做五钟,其中之一就是景钟,此后中国历代史料记载中多有关于景钟的记载。景钟曾作为乐钟、铭钟、礼器出现,史料多见于记载乐制的部分,至明时改作太和钟。文章主要采用分析法、对比法,分为两个部分:第一部分梳理了史料中对景钟、太和钟的相关记载,研究不同时期景钟的文化脉络;第二部分探讨由景钟到太和钟的历史进程中所产生的人文思想。

铷钟的测量不确定度评定

铷钟是计量测试中经常被用到的仪器设备。针对铷钟计量项目多、参数种类不尽相同、测量难度较大等问题,以铯原子频率标准装置测量TR2001铷钟为例,运用直接测量的方法,分析了测量结果的不确定度来源,并给出了不确定度的评定结果,以期对解决铷钟计量过程中出现的诸多难题具有重要意义。

基于粒子群算法优化小波神经网络的BDS-3钟差预报研究

针对目前对于BDS-3钟差预报研究较少、BDS-3钟差预报模型不足的问题,提出利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化小波神经网络(Wavelet Neural Network,WNN)的BDS-3钟差预报模型,粒子群算法可以有效解决小波神经网络的权值和阈值的选择问题。该模型符合BDS-3钟差数据的特点,并且可以充分发挥粒子群算法优化的小波神经网络在非线性数据预报方面的优势。同时,利用IGS数据构建粒子群算法优化的小波神经网络BDS-3钟差预报模型,通过和GM(1,1)钟差预报模型、小波神经网络预报模型进行对比,说明了本研究的粒子群算法优化小波神经网络BDS-3预报模型具有较高的预报精度、模型稳定性更好、预报使用时间更少。由此证明,利用粒子群算法优化小波神经网络模型进行BDS-3钟差预报是具有可行性的。

十分钟的欢愉,十分美妙

在大脑飞速运转四十五分钟后,下课铃就像小精灵施的魔法,总能瞬间激活我们有些疲惫的细胞,让大家焕发活力,暂时抛开课本,去享受十分钟的欢愉。课要认真上,短暂的休息也要来真的。操场在呼唤你,太阳也像被小精灵唤出来似的,从云朵后探出头。

一种顾及参数稀疏的GNSS瞬时钟差模型

提出一种顾及参数稀疏的GNSS瞬时钟差模型构建算法,该算法通过在最小二乘多项式拟合中附加L 1范数项(Lasso)进行约束,并采用滑动建模的方式拟合钟差模型,即滑动Lasso拟合法。使用GFZ 300 s钟差产品作为训练数据,通过10折交叉验证获得正则化参数,建立钟差模型,并与常用的钟差建模加密算法进行卫星钟差拟合精度与PPP定位精度对比。实验结果表明,滑动Lasso拟合法在进行钟差拟合建模时,对于局部钟差数据中出现跳变过大的钟差值,可以有效消除其在拟合过程中对模型造成的影响,防止模型过拟合,进而提高钟差模型的拟合精度与PPP定位精度。

NIM-Sr2锶原子光晶格钟物理系统研究

锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。中国计量科学研究院在第1套锶原子光晶格钟NIM-Sr1的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第2套锶原子光晶格钟NIM-Sr2。NIM-Sr2的物理系统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到1×10^(-8) Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了0.166 K。系统频移评估表明,这些物理系统的改进显著减小了NIM-Sr2的系统频移不确定度,达到了7.2×10^(-18)。

可移动光钟探测光学系统的隔振设计

为了满足移动测量、异地时钟现场比对等需求,小型化可移动光钟逐渐成为研究热点,但在车载平台等典型工作环境中,振动噪声将对光钟物理部分探测光学系统的光束偏转角产生影响,从而引入频移。为抑制光束偏转角变化对光钟稳定性的干扰,首次提出一种适用于光钟物理部分的探测光学系统的隔振系统设计方法,包括计算系统基座振动与作用于原子的光束偏转角的定量关系及由此引入的光钟稳定度、实测带有测试方舱的车辆底座的振动噪声、基于光钟稳定运行对振动的要求设计三维隔振系统的结构及性能参数等主要步骤,并给出了以TS-300型主动式隔振台和500BM-1型被动式隔振台构成垂直隔振系统时的详细设计过程。仿真结果表明,当光钟位于静止的测试车方舱中心时,使用该隔振系统后由振动导致的光束偏转角对稳定度的贡献不大于2.94×10^(-15)τ^(-1/2),通过优化隔振系统,稳定度可达到1.12×10^(-15)τ^(-1/2)。

基于改进PSO-BP模型的钟差预报研究

针对BP神经网络训练时陷入局部最优解导致预报钟差不稳定的问题,采用改进粒子群优化神经网络的钟差预报模型。首先改进粒子群优化算法中几个重要参数生成的方法,再将BP神经网络的初始权值和阈值作为粒子的位置,通过改进的粒子群优化算法迭代,寻找网络的最优初始权值和阈值,提高BP神经网络钟差预报的稳定性和准确性。从理论上分析改进后的PSO算法原理,利用改进后的模型预测钟差,经过分析全局最优适应度曲线、粒子群优化前后BP模型多次预报钟差的试验,证明该算法优化的有效性。与ARMA和GM(1,1)等传统的预报模型相比,基于改进的粒子群优化神经网络模型的钟差预报精度分别提高了86.5%和79%。

镉离子微波钟研究进展

基于囚禁离子的微波原子钟在小型化及可移动方面具有优势,因而受到广泛关注。其中,113 Cd+离子因其所需激光数量少,基态超精细能级分裂大等优势,成为新一代实用离子微波钟的主要候选离子。近几十年来,国内外多个实验团队开展了镉离子微波钟的研究工作。本文按照时间顺序,详细介绍了国内外不同实验团队在镉离子微波钟研究方面采用的技术路线及最新进展。