基于EMD的氢钟频率预报方法研究

目前用于时间保持的主要频率源类型是铯钟和氢钟。氢钟具有优良的短期稳定度和良好的低噪声特性,非常适合做主钟频率源。然而绝大数氢钟具有明显的频率漂移,使氢钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低。因此在时间保持应用中,必须对氢钟的频率偏差和漂移进行准确的预测,才能充分发挥其作用。本文利用经验模态分解方法提取氢钟频率变化的趋势项,实现氢钟频率预报,并利用该预报频率对其输出信号进行模拟驾驭。结果表明:该方法正确、有效,不仅保持氢钟短稳优秀的特性,而且改善了其长期稳定度。     

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。     

基于长短时记忆神经网络(LSTM)的钟差预报算法

原子钟钟差预报在原子时计算和原子钟频率驾驭中发挥着重要的作用。长短时记忆神经网络（LSTM）预报算法能够处理多参数长期依赖关系的时间序列预报，以氢钟和铯钟实测数据为样本，通过构建LSTM钟差预报模型，降低了长期原子钟内部噪声以及原子钟漂移对钟差预报的影响，并以72h，240h和720h为预报时长，分别与线性多项式模型、灰色模型和Kalman模型原子钟钟差预报模型进行预报误差对比。研究表明，在240h以上的预报时长中，LSTM建模长期依赖关系的优势得以体现，相较于其他3类模型可以获得更高的预报精度。     

氢脉泽谐振腔频率-温度效应分析

进一步改进氢钟的频率稳定度,要求了解影响频率稳定度的各个过程及其影响的相对大小。讨论影响氢钟谐振腔频率的各种热动力学过程。这种分析能够使钟的研制者和用户去识别稳定度的限制因素并因此加以选择以便改进频率稳定度。     

影响氢原子钟长期稳定度的系统效应分析

进一步改进氢钟的频率稳定度，需要了解影响频率稳定度的各个过程及其影响的相对大小。讨论影响氢钟频率稳定度的各种系统过程。这种分析能够使钟的研制者和用户去识别稳定度的限制因素并加以选择以便改进。     

频率稳定度测量方法的对比分析

作为衡量频率标准工作性能的重要指标,频率稳定度对评估产品的稳定性和可靠性起到重要作用。利用传统的阿仑方差测量频标的长期稳定度时,通常需要很长的时间,测量周期较长。本文首先研究了阿仑总方差、Thêo1和ThêoH几种相比阿仑方差可缩短测量周期的频率稳定度时域分析方法,然后基于一组实测的铷钟时间偏差数据,对这几种方差进行了对比和分析。     

100兆赫低噪声压控晶振

随着时间和频率测量技术的发展以及测速、导航等技术的广泛应用,对频率源的短期频率稳定度(以下简称短稳)要求愈来愈高,特别是目前对频率源的毫秒级采样时间的频率稳定度也提出了要求。晶体振荡器(以下简称晶振)的短稳在各类频率源中目前还是处于领先地位,加上它结构简单、工作可靠、能长期连续工作、耗电少、成本低等优点,使它的应用非常广泛。各种原子频标的出现虽然将频率准确度和老化漂移的指标提高了几个数量级,但是当它们     

一种针对氢原子频标长稳测量的修正阿伦方差算法研究

频率稳定度是氢原子频标内部噪声随机起伏程度的定量描述。文章阐述了阿伦方差作为频率稳定度时域表征的原因,分析了频率漂移对氢原子频标长期稳定度测量的影响,针对此问题,介绍了一种修正的阿伦方差算法。基于最小二乘法估计频率漂移率,定量反映输出频率的漂移规律,并在阿伦方差理论公式的基础上扣除频率漂移引入的系统差。以守时实验室实测时差数据对修正算法进行验证,分析结果表明,修正算法能有效地扣除频率漂移的影响,可应用于氢原子频标的长期稳定度测量中。     

一个新的频率源短期稳定度的表征式—沃尔什正弦方差

通过村频率源稳定度的时域测量来进行极低频频谱分析是一种有效的方法。哈达玛方差的传递函数由于具有选频特性,被人们用来进行频率源相对频率噪声谱S_y(f)的分析。本文从最佳“频窗”传递函数出发,结合微型计算机控制的计算计数器的特点,利用沃尔什函数的性质,经理论推导,获得了一个频率源稳定度的新表征式——沃尔什正弦方差。理论分析与计算机验证结果表明,该式充分发挥了微型计算机优良的数值计算和系统控制功能,能灵活而方便地获得频率源短期稳定度的各种表征量。特别是在用于S_y(f)测试时。它基本克服了哈达玛方差传递函数的谐波及其旁瓣所带来的误差,并通过测试数据的复用,使得此时测试时间大为缩短。文中给出了沃尔什正弦方差和阿仑方差与啥达玛方差的关系,指出沃尔什正弦方差在表征频率源短期稳定度方面有其内在含义。     

基于灰色模型和ARIMA模型的钟差预测

由于多种因素的影响,原子钟运行情况十分复杂,为了有效地进行钟差预报和更好的反应原子钟的特性,提出一种基于灰色模型和ARIMA模型的组合模型来实现钟差的预报,并给出了灰色模型和ARIMA模型进行原子钟钟差预报的基本思想和预报模型。利用组合模型更精确地把握钟差序列复杂细致的变化规律,从而更好的逼近钟差序列。为了验证该组合模型的可行性和有效性,利用原子钟钟差数据进行钟差预报分析,结果显示该模型具有较好的预报精度。     

国内外频率标准发展现状

时间频率在国家经济建设、科学研究、国家安全具有十分重要的意义。本文介绍了国内外高稳晶振、铷原子频率标准、守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准、微型相干布局囚禁原子钟、低温蓝宝石微波源和超稳激光微波源以及铯原子喷泉钟的国内外发展情况、技术指标等。铷原子频率标准打破国外垄断，为北斗导航系统提供高精度的时间基准，守时型氢原子频率标准和铯原子频率标准已实现工程化，但日频率稳定度和日频率漂移率指标有待进一步提高，铯喷泉基准方面已接近国际先进水平，新型原子频标发展方兴未艾。     

原子钟频率稳定度测试中的噪声处理

原子钟的测量噪声会被引入到频率稳定度评估过程,尤其是对中短期频率稳定度的影响更大。重叠Allan方差可以克服调频闪变噪声和调频随机游走噪声随时间变化出现的非平稳问题,但由于受到测量噪声的影响,评估结果仍会出现误差。为此,本文通过对原子钟的数学模型和噪声特性进行分析,提出了原子钟频率稳定度评估的加窗平滑噪声处理方法,通过对时差观测序列合理的加窗设计和平滑处理,抑制测量噪声对评估结果的影响。实验结果表明,利用铷钟观测序列的100点平滑可以有效地提高短期频率稳定度结果（100~1 000）s的可信度。     

神经网络在导航卫星钟差预报中的应用CSCD

为提高导航卫星钟差预报精度,提出一种神经网络和多项式相结合的钟差预报方法,该方法在根据星载原子钟物理特性进行多项式模型预报后,采用神经网络对多项式模型预报误差进行建模,以实现导航卫星钟差预报精度补偿。为验证本文提出的预报模型的可行性和有效性,利用实测的COMPASS导航卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并与传统的多项式模型预报精度进行比较。结果表明:基于神经网络建立的组合预报模型能有效提高导航卫星钟差的预报精度。     

神经网络在导航卫星钟差预报中的应用

为提高导航卫星钟差预报精度,提出一种神经网络和多项式相结合的钟差预报方法,该方法在根据星载原子钟物理特性进行多项式模型预报后,采用神经网络对多项式模型预报误差进行建模,以实现导航卫星钟差预报精度补偿。为验证本文提出的预报模型的可行性和有效性,利用实测的COMPASS导航卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并与传统的多项式模型预报精度进行比较。结果表明:基于神经网络建立的组合预报模型能有效提高导航卫星钟差的预报精度。     

用铯钟组产生平均原子时标的一种方法

本文介绍了日本“电波研究所”(RRL)利用几台商品型铯钟的连续运转而产生原子时标的方法。根据钟组的数目、钟的种类和其他因素的不同,有几种不同的产生原子时标的方法。我们所采用的方法是,把每一台钟的波动分为两部份(长期部份和短期部份),对每一部份的平均值加权,然后通过对这两部份加权的平均值进行综合来确定原子时。用这种方法的计算机模拟实践给出了相当好的长期稳定度。用这种方法来处理钟组的原始数据。钟组频率稳定度的粗略估算结果约为2—4×10~(-14)/平均时间10—60日。     

频率稳定度测量系统的参考频率源

近年来,无线电通讯、雷达技术、空间技术、计测技术等对其频率源的短期频率稳定度的要求越来越高。频率源的短稳指标甚至成为一些工程系统的主要误差源.随着频率源短期频率稳定度性能的迅速提高,建立适应各种频率短稳指标测试用的测量系统,业已提到日程上来。在有源法短稳测试系统中,参考源的低噪声特性在测试系统中起着决定性的作用.本文就有源频率稳定度测试系统对参考源的一般要求和选择方法以及如何充分利用所选用的参考源等进行了讨论,并对两个所选用的参考源系统的性能指标做了简单介绍.     

超稳定激光钟

空军为满足先进战斗机的需求已提出高准确度定时频率源和精密惯性导航系统的要求。作者曾提出一种采用多频环形激光陀螺仪(RLG)同时作为陀螺仪和钟的方法。这种器件采用带附加检波器的多频环形激光陀螺,该检波器用于检出583MHz的拍频,并相应地配上必要的电子部件,以产生5MHz的钟信号。已完成两套环形激光陀螺的试验工作。第一套环形激光陀螺在低速旋转时并不起陀螺仪的作用。稳定度数据在lms与200ms之间是较好的,但时间更长则开始变坏。第二套环形激光陀螺起陀螺仪的作用,不过来曾在试验中作过相应的测试。频率稳定度达到4.6×10~(10)/lms;3.4×10~(-10)/10ms;8.7×10~(11)/0.1s;1.6×10~(10)/1.0s;4.5×10~(10)/10s;4.8×10~(-9)/100s。从lms到200 ms的数据主要受量子系统限制。长期稳定度变坏显然是由法拉第转子的温度漂移所引起。建议采用补偿法以改进准确度。环形激光陀螺钟是一种传递型频标,因而在使用前必须调节到参考频率源的频率上。目前可按全球定位系统(GPS)、联合作战情报发布系统(JTIDS)、雷达技术或直接连接到一时间标准等办法作参考来调节环形激光陀螺钟。     

修正的阿伦方差对调相闪烁噪声的抑制

在时频领域内,普遍采用阿伦方差来表征频率稳定度,但阿伦方差对于调相闪烁噪声的抑制能力有其本身算法的缺陷。提出了用修正阿伦方差来表征频率稳定度,以降低噪声对频率稳定度的影响。分析并研究了修正的阿伦方差对调相闪烁噪声的抑制机理。通过卫星共视时间比对试验,对氢原子钟与原子时标国家计量基准的比对数据进行评估,利用噪声模型对评估结果进行论证。验证了修正阿伦方差对于调相闪烁噪声抑制的有效性。     

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。     

高稳晶振短期频率稳定度的仿真分析

基于频率源信号时域稳定度的定义,建立了高稳晶振短期频率稳定度的仿真分析模型,能够对频率源输出频率做前处理、不同方差分析、识别噪声类型、并给出置信区间。在此基础上,引入了晶体振荡器老化特性与温度特性的数学模型。通过构建不同老化特性与温度特性下晶体振荡器输出频率,在仿真分析模型中定量分析老化特性与温度特性对短期频率稳定度的影响。实际制作并测试了高稳晶振的稳定度,与仿真结果较为一致,验证了这种仿真分析方法的有效性。