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。

原子时尺度分析研究

守时型原子钟主要包括氢原子钟和铯原子钟,为进一步探究不同类型守时原子钟计算时间尺度相关性能,本文开展全氢钟及氢铯联合时间尺度研究。首先依据国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)发布的d公报将氢原子钟进行分类,针对分类结果分别运用原子时尺度理论方法计算全氢钟时间尺度,并给出分析结果。随后计算全铯钟时间尺度,并分析探究两种不同的氢铯联合钟组时间尺度。结果表明,基于频率漂移量较小的氢钟组形成的时间尺度波动范围小,且稳定度优于频率漂移量较大的氢钟组形成的时间尺度。氢铯联合形成的时间尺度稳定度优于全铯钟时间尺度,不同的氢铯联合钟组计算得到的时间尺度结果相近。

氢原子钟的钟差预报方法研究

卫星钟差预报精度直接影响导航系统的性能,由于氢钟具有良好的短期稳定性和低噪声特性,所以星载原子钟的物理特性可以借鉴氢原子钟钟差序列建立的预报模型进行研究。基于NTSC的氢钟资源,分别采用Kalman滤波模型、ARMA模型和二次多项式模型对原子钟钟差进行预测,并应用实测数据进行了验证,给出了不同预报模型在2~7 d的预报精度。研究结果表明,应用Kalman滤波模型预报的钟差,在所有预报时段上较ARMA模型和二次多项式模型均能获得更好的预测精度。

基于频漂校准的氢钟铯钟联合守时研究

在没有外部溯源链路,利用氢钟铯钟联合守时的情况下,针对注重短期稳定度的场合,加权平均算法分配铯钟权重较小,不能充分发挥铯钟长期稳定度的问题,论文提出一种两级卡尔曼滤波算法生成本地原子时:第一级卡尔曼滤波利用铯钟长期稳定度好的特性,计算氢钟的频漂并且对氢钟频漂校准,第二级基于频漂校准后的氢钟和铯钟数据采用单状态变量的卡尔曼滤波算法生成本地原子时.实验结果表明,算法生成的原子时在保持短期稳定度的前提下,长期稳定度得到一定提升:十天稳的提升在10-15量级,月稳的提升在10-14量级.说明论文所提出的算法生成的本地原子时长期稳定度更好.

氢钟在守时钟组配置中的应用研究

氢钟因其良好的低噪声特性,被广泛应用于高精度时间/频率测量和比对。对于物理信号噪声特性要求较高的时间实验室,氢钟已经成为守时钟组不可或缺的频率源。然而由于物理结构和工作方式等多方面的原因,氢钟具有明显的频率漂移特性,此外氢钟的价格较铯钟更为昂贵,因此氢钟的数量成为守时钟组配置中急需解决的核心问题。本文首先分析了氢钟在守时钟组配置中的必要性,然后通过建立守时钟组优化配置数学模型,利用多个时间实验室的原子钟数据资料,采用统计学的方法,提出守时钟组的多种配置方式。并通过分析比较不同配置方式下的守时钟组性能,提出稳定度一定的条件下,中小型时间实验室的守时钟组最优配置方案。

卫星导航定位与空间原子钟

介绍了各类原子钟在目前卫星导航定位系统以及科学试验中的应用概况,给出各类空间钟的性能特征及我国目前空间用原子钟的研究现状。

主动型氢脉泽物理系统的小型化

为实现主动型氢原子钟脉泽的小型化，对其物理结构进行了优化设计。其中，腔一泡结构、真空系统、C场线圈、束光学系统、磁屏蔽系统均被理论分析和优化设计，并进行了相关的验证实验。双真空结构设计有效地减小了氢脉泽的尺寸。在此基础上，对空间应用主动型氢原子钟的地面样机进行了研制，复合泵技术进一步减小了主动型氢原子钟的尺寸和重量。

基于Vondark-Cepek滤波的氢铯时间尺度融合方法研究

氢原子钟和铯原子钟是当前国际原子时和各国标准时间产生的主要精密频率源,二者分别拥有优良的短期和长期稳定度特性。充分利用氢钟短稳和铯钟长稳进行时间保持成为时间产生过程中的一项关键技术。以提高时间尺度的长短期稳定性为目标,提出了Vondark-Cepek组合滤波的氢铯融合时间产生方法。首先利用AT1算法分别对氢钟组和铯钟组各产生一个钟组时间尺度,然后根据最小二乘原则对Vondark-Cepek组合滤波关键参数进行选取,进而通过氢钟组时间尺度时间序列的差分信息对铯钟组时间尺度进行性能增强,从而获得氢铯融合时间尺度。计算结果表明:该时间尺度1 h稳定度为3. 36×10-15,15 d稳定度为3×10-15,均优于氢铯单个时间尺度相同平均时间上的性能指标。

关于氢原子钟的钟差预报研究

原子钟钟差预报对于守时系统稳定运转有着重要的意义,其可为系统实时时间尺度计算提供基础,为原子钟异常值检测提供参考。氢原子钟短期稳定性较好,常作为系统主钟参与原子钟比对,开展氢原子钟钟差预报研究。为更合理有效的实现氢原子钟钟差预报,提出针对氢原子钟不同频率漂移情况选择不同预报模型方法,随后开展钟差预报组合模型研究,给出常规加权组合模型,运用条件极值法推导出极值权组合模型,同时提出等权组合模型,对比分析各自组合特点、预报结果,给出预报组合模型建议,最后计算时间尺度并与传统方法进行对比,结果表明依据本文钟差预报方法计算得到的时间尺度稳定度在平均时间为64 h的稳定度达4.96×10-15,128 h的稳定度达2.36×10-15,较传统方法计算得到的时间尺度长期稳定度提升。

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI(Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.

将来最准确最稳定的钟——空间微重力钟

介绍了目前最准确的原子钟,描述了将来最准确、最稳定的钟——空间微重力钟,以及高精度空间组合钟的预期性能,还介绍了一些正在实施的高精度空间钟计划。

氢钟开发技术和展望

由氢脉泽原理对原子频率标准目前的发展进行了分析。对主动和被动氢脉泽限制频率稳定度的基本不稳定因素进行了分析。描述确保主动和被动氢脉泽高短期和长期频率稳定的设计方法。现在,主动氢脉泽指标可达到1.10-13/s和3.5.10-16/d,被动氢脉泽指标可达到4.10-13/s和2.5.10-15/d。还讨论了氢脉泽指标的进一步改善。

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。

氢钟测量死时间导致的光频测量统计不确定度分析

利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下,经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度,并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列,对由测量死时间导致的频差进行了100次模拟,并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下,氢钟测量不确定度的计算结果表明,由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小,且在有效运行率小于10%时,增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。

用于GNSS的SpT星载原子钟及时间系统介绍

研究了空间铷钟和被动型氢钟的地面批量和寿命试验测试结果,以及卫星在轨试验所达到的最新性能结果。基于这些星载钟的试验结果,对全球卫星导航系统的地面时间站的关键设备及其相关算法作了简要描述,并介绍了一种新颖的在轨技术,即从星载原子钟组(ONCLE)直接产生高度稳健的时间频率信号。

用于本地时标系统的铯原子喷泉钟研制

研制了一套铯原子喷泉钟系统作为精密重力测量国家重大科技基础设施的本地时标,并最终溯源到国际单位制“秒”定义.描述了铯原子喷泉钟的整体设计方案,包括真空物理系统、光学系统、微波综合链和电子学控制系统.实验上实现了原子的上抛和捕获,成功地扫描到Ramsey条纹.获得的Ramsey中心条纹线宽0.911(2)Hz,条纹对比度约为90.8%.通过将喷泉钟本地振荡器锁定到Ramsey中心条纹,并与氢钟比对,测得铯原子喷泉钟的频率稳定度为3.2×10^(-13)τ^(-1/2)(τ为测量时间).同时讨论了影响频率稳定度的各贡献项及后续提升方案.