导航卫星原子钟舱温度控制方法及其验证

原子钟是导航卫星的重要组成部分,可为卫星系统提供高准确及高稳定度的时间频率源.原子钟工作性能与环境温度变化密切相关,为保证其在轨连续、稳定运行,热控系统需为其提供良好的工作温度环境.本文以某导航卫星原子钟舱温度控制为研究内容,给出原子钟舱热控设计方案、控制算法,并进行仿真分析和试验验证.在轨遥测数据表明,卫星原子钟舱热控方案和控制算法设计合理,仿真分析及试验结果有效,各原子钟在轨工作温度满足要求,原子钟温度稳定度满足并优于设计指标近一个数量级.     

导航铯原子钟的发展现状及趋势

1 引言 目前,国际上导航原子钟的类型主要是传统的原子钟,包括铷钟、氢钟和铯钟.在这三者中,铷原子钟在质量、体积、功耗等方面占有优势,氢钟在短期和中期稳定度指标方面占有优势,铯钟的准确度和漂移率指标在三者中最好.由于铯原子钟的上述优势,美国的"全球定位系统"(GPS)和俄罗斯的"全球导航卫星系统"(GLONASS)都采用了铯原子钟, GPS Block-1、2、2A和2F采用了磁选态铯钟,未来,GPS-3拟采用激光抽运铯钟.俄罗斯GLONASS Block-2A、2B、2C及GLONASS-M、K都搭载了磁选态铯钟.     

原子钟长期特性测量系统的设计与实现

通过在对各种时频测量硬件的搭建,建立一套多台被测原子钟同时与本地频率标准钟比对的测量系统。该系统以数据库服务做为最底层的数据支持,能够实时的监控测量数据,显示当前被测原子钟的频率准确度,并能够在获得了足够的数据之后,计算和显示被测原子钟的日稳和漂移数据和曲线,方便时频计量人员操作,提高了送检原子钟的计量检定效率。     

星载铷原子钟物理部分热设计

星载铷原子钟物理部分作为星载铷原子钟的重要组成部分,其热设计在很大程度上决定了星载铷原子钟的性能与使用寿命。应用Flotherm软件对铷原子钟物理部分进行建模、仿真求解,对热设计进行优化,满足了星载铷原子钟物理部分设计要求。     

改善铷原子钟物理部分温度系数的研究

铷原子钟的温度系数是决定其长期频率稳定度的关键因素,物理部分的温度系数又是铷原子钟温度系数的重要组成部分.为了改善物理部分的温度系数,在理论分析的基础上开展了试验研究,结果表明:提出的改善物理部分温度系数的措施是有效的.这对于进一步提高星载铷原子钟频率稳定度具有积极作用.     

基于CPT原理原子钟的频率控制系统

在J.Vanier工作的基础上,根据CPT(Coherent Population Trapping:相干布局数囚禁)原子钟的系统组成和工作原理,导出了基于CPT原理原子钟的频率控制系统模型,对于基于CPT原理原子钟的分析和设计工作具有实际的指导意义。     

正弦振动条件下原子钟的频率稳定度分析

振动对原子钟(原子频标)的影响可分为对原子谐振的影响、对伺服环路的影响和对晶体振荡器(晶振)的影响.在振动频率范围内,晶振的输出相位噪声只与晶振的加速度灵敏度、峰值加速度和振动频率有关,与静态相位噪声没有关系,但在振动频率范围之外,晶振的输出相位噪声就是其静态相位噪声. 由原子钟的稳定性传递到输出晶振的频率稳定度公式,就可通过伺服环路把晶振的振动分析融入到原子钟的振动分析之中.利用相位噪声转换为阿仑方差的积分公式,根据留数定理推导出直接计算阿仑方差的解析表达式, 得到增加伺服环路带宽可以有效抑制振动对原子钟频率稳定度影响的结论;分析了通过减振和选择加速度灵敏度较小的晶振这2种方法改善原子钟振动性能的问题.      

IIR滤波器在芯片原子钟中的应用

芯片原子钟是具有小体积,低功耗特点的原子钟。本文采用了IIR滤波器方案对芯片原子钟物理系统输出信号进行处理,该方案有利于减小芯片原子钟的体积、提高芯片原子钟短期频率稳定度。实验结果表明,与FIR滤波方案相比,IIR滤波器使用的FPGA资源减小了约58%;与现有模拟滤波方案相比,使用IIR滤波器方案的芯片原子钟频率稳定度提高了1.4×10~(-10)τ~(-1/2)(τ=1s-100s),电路面积减小了10%。     

铷原子钟物理部分的低剂量率辐射效应研究

铷原子钟物理部分是铷原子钟的原子鉴频器,决定铷原子钟的短期和长期稳定度（1s以上）,其中使用了金属铷、玻璃、镍铁合金等材料和一些双极性晶体管、运算放大器等器件,其核心部件铷泡是一个采用特殊真空工艺制造的器件,这些材料、器件和工艺的低剂量率辐射效应需要实验评价。本文提出并完成了铷原子钟物理部分的低剂量率辐射实验,采用Co60γ源,辐射剂量率0.01rad（Si）/s,总剂量50krad（Si）,对铷原子钟物理部分和铷泡的辐射效应分别进行了实验评估。这项研究更加真实地逼近了空间的电离辐射,实验数据对于星载铷原子钟的在轨运行监测和下一代星载铷原子钟的抗辐射设计具有重要的作用。     

星载原子钟在轨剩余寿命预测方法研究

原子钟是导航卫星最关键载荷之一, 开展原子钟健康状态评估与寿命预测相关工作, 对于及时掌握原子钟性能和运行状况, 确保卫星导航系统提供高可用性连续性完好性的服务, 具有重要意义。结合星载原子钟在轨失效特性分析, 提出了一种综合考虑原子钟随机失效与耗损失效的剩余寿命预测方法。该方法融合利用原子钟寿命周期内产生的多源多维数据, 通过概率统计和机器学习的途径实现原子钟的剩余寿命预测。经案例验证, 所提方法合理有效, 具有一定的工程应用价值。      

国外导航卫星星载原子钟技术发展概况

卫星导航系统精确导航定位的关键在于高精度、高稳定性的星载原子钟.星载原子钟作为导航信号生成和系统测距的星上时间基准,为导航系统提供精确稳定的频率源,是卫星导航系统有效载荷的核心部分,其性能直接决定用户的导航定位精度.     

国际原子时进展中的原子钟

对近几年国际原子时 (TAI)进展中不同类型原子钟和不同时间实验室原子钟贡献的权重进行了比较 ,并介绍了原子钟权重受其频率漂移率影响的一些分析结果     

原子钟和空间实验

描述了高稳定性原子钟目前的进展水平、原子钟性能对空间实验测量的意义，并对应用原子钟的一些空间实验，特别是现在技术上能实现的一些空间载钟的科学实验进行了介绍。     

一种芯片原子钟专用锁相倍频器研究与设计实现

分析了倍频器对芯片原子钟稳定度指标的影响,并以此提出了对倍频器的设计要求。介绍了国内外几种典型的原子钟倍频器,提出了一种基于撞-D调制的芯片原子钟专用锁相倍频器方案,并采用分离器件对该方案进行了验证,实现了与传统铷钟物理系统的闭环锁定,铷原子频标稳定度指标达4.7E-12/s,能满足原子钟的研制需求。基于该方案开展了倍频器芯片的设计和流片,实现了3.4GHz的芯片原子钟专用芯片,与物理系统进行联调锁定后稳定度指标达5.5E-11/s,表明该芯片可满足芯片原子钟的设计要求。     

星载原子钟数据预处理的方法研究CSCD

星载原子钟的数据预处理是进行原子钟性能分析和钟差预报的前提,本文主要利用相位数据和频率数据的转换和异常数据的分析处理方法对原子钟数据进行了预处理,有效的保证了数据的可靠性。     

原子钟调相白噪声降噪方法

原子钟的五种噪声反映了它在一定时间间隔内的性能。当取样间隔小于1h,原子钟主要表现为调相白噪声。在地方协调时UTC(NTSC)的实时监控中,不仅要求参考原子时(RTA,用于地方协调时控制的参考)具有很高的长期稳定度,而且要求其短期稳定度亦很高。影响RTA短期稳定度的主要是个台原子钟的调相白噪声。首先讨论了确定原子钟短期噪声的方法,进而利用小波分析方法研究了原子钟调相白噪声分离与降噪的方法。     

铷光谱灯老化自动测试设备研制与应用

介绍了铷光谱灯老化自动测试设备的研制与应用,应用ATE技术实现了铷光谱灯的批量老化及长期自动测量,为筛选评估提供数据,解决了高性能铷原子钟的产品化研制和小型铷原子钟批量生产中的重要问题。系统功能完善、测量准确度高、软件界面清晰、操作简单,有效改进了铷原子钟研制生产的工艺水平,提高了研制生产过程的信息化程度。     

小型CPT原子钟的数字电路优化研究CSCD

CPT原子钟是一种体积小、功耗低、指标优的新型原子钟。本文对小型CPT原子钟数字滤波算法开展优化研究,采用CIC滤波器前端滤波,低阶FIR滤波器后端滤波。新滤波模块在保证相同的噪声抑制比的情况下,节约逻辑资源,降低整钟功耗。基于以上方案实现的滤波模块,获得了55d B的滤波效果,同时节省了约42%的FPGA逻辑资源。     

小型CPT原子钟的数字电路优化研究

CPT原子钟是一种体积小、功耗低、指标优的新型原子钟。本文对小型CPT原子钟数字滤波算法开展优化研究,采用CIC滤波器前端滤波,低阶FIR滤波器后端滤波。新滤波模块在保证相同的噪声抑制比的情况下,节约逻辑资源,降低整钟功耗。基于以上方案实现的滤波模块,获得了55dB的滤波效果,同时节省了约42%的FPGA逻辑资源。     

芯片级原子钟数字温控系统设计

随着美国国防部先进项目研究局(Defence Advanced Research Projects Agency,DARPA)对微型定位导航授时技术的提出以及无人驾驶技术的发展,芯片级原子钟的市场越来越受到重视。稳定度是衡量芯片级原子钟性能的关键指标,而温度又是影响芯片级原子钟稳定度指标的重要因素,因此高精度的温控系统是芯片级原子钟稳定度的保障。设计了一种高精度的数字温度控制系统,控温精度为2m K。经过对比测试,使用该系统的芯片级原子钟稳定度较以前有了较大的改善,千秒稳定度从7.57×10~(-12)提高到4.99×10~(-12),处于世界先进水平。