基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能，利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据，对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础，计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明，若脉冲星的脉冲到达时间（time of arrival, TOA）解算精度为1 μs/30 d，则原子钟钟差估计精度可达到优于1 μs的水平，初步验证了脉冲星守时系统的可行性。     

原子钟性能对卫星导航系统定位精度的影响分析

星载原子钟是卫星导航系统的关键设备,原子钟主要通过影响卫星钟差对定位精度产生影响,分析了GNSS星载原子钟性能对定位精度的影响.通过原理分析,建立了原子钟稳定度与卫星导航系统定位精度的关系.在不考虑控制段对星钟校准误差的前提下,将原子钟噪声与星上工作环境因素作为主要因素,分析了GPS-IIF铷钟和铯钟对钟差/定位误差的影响,并给出了分析结果.最后,利用iGMAS提供的钟差产品数据,对比了北斗和GPS部分原子钟的稳定度及其对定位精度的影响,为后续星载原子钟的发展与选择提供了一定参考.     

芯片原子钟的现状与发展

芯片原子钟具有体积小、功耗低、成本低的突出优点,可应用于北斗卫星导航接收机、水下导航、武器系统数据链、时频体系节点等,是最具有工程应用前景的原子钟。回顾了国外芯片原子钟的发展历程,并给出了一种国产芯片原子钟的主要技术指标。讨论了芯片原子钟的常用技术方案,并分析了体积与功耗、频率稳定度、天老化率、秒驯服功能、温度系数等指标的影响因素和改进措施,最后指出了芯片原子钟的发展目标。     

GNSS驯服芯片级原子钟方法研究CSCD

芯片级原子钟是一种体积小且功耗低的高精度时钟源,具有广泛的用途。针对这一特点,设计了基于GNSS的芯片级原子钟驾驭算法。以GNSS系统时作为参考,测量芯片级原子钟与GNSS系统时间的钟差,并对芯片级原子钟进行钟差建模,获取其特征参数。通过乒乓法计算出钟驾驭调整量,对芯片级原子钟进行控制,最终将芯片级原子钟驾驭到GNSS系统时间上。经过实验验证,在驾驭时间常数为100s的情况下,芯片级原子钟与GNSS系统时间的时钟同步误差在-7.5~7.5ns之间;1h频率准确度为5.8×10-13;平均时间为10000s时的频率稳定度为3×10-13。     

利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率

为了改善星载原子钟长期的时间保持能力，并提高其自主性，利用XPNAV-1卫星观测的Crab脉冲星数据研究了驾驭星载原子钟频率的方法。在X射线脉冲星计时处理中，利用高斯核回归的方法平滑了脉冲星轮廓，可以有效提高脉冲轮廓的信噪比(SNR)，从而提高了计时精度。通过仿真记录光子到达时刻的参考钟存在频率偏差，分析了参考钟频率偏差对脉冲星拟合前计时残差的影响，基于此给出了脉冲星校准星载原子钟频率的方法。对于存在10^-11量级频率偏差的星载钟，1个月左右的Crab脉冲星数据可以获得相对误差约40%的频率校准精度。利用更长时间跨度的脉冲星计时数据，预期可以进一步提高星载钟的频率校准精度。     

芯片原子钟的工作原理及其研究进展

作为导航设备的重要部件,芯片原子钟可作为战术导弹、卫星接收机、小型无人机等所用导航设备的时钟源,也可与陀螺仪和加速度计组合实现微型定位、导航与授时。介绍了相干布局囚禁(Coherent Population Trapping, CPT)现象,以及芯片原子钟的发展历程,阐述了CPT实现方案的缺点(产生极化暗态、降低原子利用率),并给出了优化方案。此外,分析了微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)加工工艺等用于芯片原子钟制造的关键技术,并对芯片原子钟的发展趋势进行了展望。     

被动型氢原子钟原子跃迁谱线测试与分析

被动型氢原子钟的原子跃迁谱线特性决定了其稳定度指标.为使其稳定度指标达到最优,通过设计数字式测试电路对氢原子钟物理部分进行探测,获得了不同参数配置下的原子跃迁谱线,并通过数据处理分析其信噪比、增益和线宽等特性,提出了一种参数优化方案,为原子钟闭环参数设置提供了依据.     

不同GNSS星载原子钟周期特性分析

高精度的卫星时钟修正是全球卫星导航系统实时精密单点定位和授时服务的重要基础。为了提高GNSS钟差预报精度，需要对GNSS星载原子钟的周期特性进行分析。基于2016年全年的GNSS精密卫星钟差数据，利用中位数方法进行了数据预处理，使用多项式拟合模型分析了卫星钟的拟合残差，利用频谱分析法分析了BDS、GPS卫星钟差的周期特性，全面分析了BDS、GPS星载原子钟的周期特性。分析结果表明：除Cs钟外，其他卫星钟差都表现出较好的周期特性，BDS、GPS的主周期项基本在12h、24h、6h附近；同时不同的轨道、原子钟，其钟差周期项不同，而相同的轨道类型，其钟差周期项也存在一定差异；卫星的钟差主周期分别近似为其卫星轨道周期的1/2倍、1倍、2倍。     

某通信系统中时间同步技术

在一些复杂的嵌入式通信系统中,往往采用原子钟来实现各个节点间的时间同步.然而原子钟价格昂贵,且维护不便.本文讨论采用高精度高稳定度的恒温晶振,使用电子技术,实现通信系统时间同步的一种方法.我们基于此技术所设计生产的时统设备经过验证达到了用户的技术指标,完全满足该通信系统对时间同步的要求.     

空间超稳光学腔动力学建模与控制研究

针对空间光学原子钟的超稳光学腔,建立了两种支撑方式下超稳光学腔的动力学模型,通过求解振动敏感度得到超稳光学腔对微振动环境的要求。针对卫星典型微振动扰动,设计了双回路主动隔振器。仿真结果表明,中间支撑时超稳光学腔的振动敏感度更低,设计的双回路隔振器可以满足空间光学原子钟的要求。     

Galileo卫星星钟故障前后信号质量分析

星载原子钟是卫星导航系统的核心器件,是影响导航信号质量的重要因素。2016年11月,Galileo系统利用一箭四星发射升空4颗新一代Galileo卫星。根据观测显示,截至2017年7月,仅能接收到其中1颗卫星发射的导航信号。在2017年1月,欧洲航天局通告称多颗卫星原子钟大规模故障。针对此,40m 大口径高增益天线系统设备对不同批次和星钟故障情况的3颗Galileo卫星E5频点信号进行了数据采集处理,对各信号分量的功率谱、星座图、码片波形、相关损失、相关峰、S曲线偏差等信号质量指标进行了分析评估。结果表明,此次星载原子钟的大面积故障并未影响Galileo卫星信号的可用性,足够的星载备份钟避免了信号质量的严重恶化。     

飞秒激光器脉冲重复频率的锁定技术研究

介绍了光纤飞秒激光器脉冲重复频率锁定技术的应用背景及其原理,并设计了一套可快速实现重频锁定的实验装置,最终将激光器的脉冲重复频率锁定到铷原子钟上,使飞秒激光器的脉冲重复频率获得和原子钟同样的稳定度;通过计数器采集锁定后激光器的脉冲重复频率数据,使用Allan方差给出了稳定度评价,对激光器脉冲重复频率锁定前后的稳定度进行了对比。实验证明,自主设计的实验装置可以实现锁定功能,具有很好的实用价值。     

导航卫星时频系统发展综述

全球各大卫星导航系统近年来发展迅速,性能持续提升,其中卫星时频系统的高性能、稳定可靠和保持星间时频同步是系统实现高精度测量的基础.介绍了目前应用于各卫星导航系统的铷钟、氢钟、铯钟等星载原子钟和时频生成与保持技术的特点、发展概况及在轨应用情况.面向精度提升和自主运行能力提升的需求,分析了可能应用于下一代导航卫星的星载原子钟技术、星上时频生成与保持单元性能提升方法以及星间高精度激光时频同步技术,以支撑未来时频基准的天基化和我国综合PNT体系的建设.     

光抽运小铯钟及其在PNT应用

对比分析了大小铯原子钟及其在PNT中的应用,在此基础上介绍了基于光抽运技术方案实现的国际上第一台商用小铯钟。在研制原理样机和工程样机的过程中,解决了激光稳频、铯束准直等关键技术和工作温度、振动、EMC等环境难题,技术状态满足小批量生产要求,频率稳定度可达10-15,频率准确度优于10-12,技术指标达到国际同类小铯钟5071A水平。分析了光抽运小铯钟作为守时原子钟如何应用于时间频率基准实验室、数字通信同步网、卫星导航地面站、长波导航路基站等PNT体系。     

NASA选定三项航天技术飞行演示验证提案

为加速实现空间通信、深空导航和空间推进能力变革，NASA近期选择了三项技术领域提案作为飞行演示验证项目，投入资金约1．75亿美元。这三项技术领域提案包括：（1）激光通信中继演示验证。该任务将飞行验证一种可靠的、高性能、高效费比的光学通信技术，数据传输速率将是当前通信系统的100倍。（2）深空原子钟演示验证。     

冷镱原子光钟的研究进展

光学原子钟是一类基于原子或离子中光频跃迁的新型原子钟,近年来已成为研究热点并获得了重大进展,其性能已优于最好的铯基准微波钟,可满足更高精度定位、导航与授时应用的需求。阐述了冷镱原子光钟的基本工作原理及构成,分析了系统不确定度和稳定度等性能指标,给出了目前世界范围内的发展现状,介绍了华东师范大学的研究进展,其中一台光钟的系统不确定度评估为1.7×10~(-16),稳定度为2.9×10~(-15)/τ~(1/2),在5000s平均后稳定度优于4×10~(-17)。最后简要对冷镱原子光钟的应用前景进行了展望。     

芯片原子钟对SoC北斗导航接收机定位精度影响

在卫星导航领域,接收机的工作时钟普遍为石英晶振,靠石英晶振来驱动射频前端采样并完成后续的定位解算功能.但是,晶振在长期稳定性上存在很大的不足,作为系统工作时钟时会对接收机的定位精度以及整个系统的稳定性造成一定的影响.提出了利用芯片级原子钟替换石英晶振作为系统时钟源进行定位解算,并利用最小二乘法对钟差信息进行估计预测,在SoC北斗导航处理板上进行实验验证.实验结果表明,该方法能够有效改善北斗导航接收机的定位精度.芯片原子钟作为系统工作时钟后,接收机位置误差分别减小了9.4％、41.8％、64.3％,速度误差分别减小了36.3％、30.7％、62.3％.     

J0613-0200驾驭铯钟的方法

近年来随着脉冲星观测设备性能提升，尤其是中国FAST的投入运行，毫秒脉冲星的计时观测精度不断提高，观测资料的数量、质量及时效性也显著改善，为脉冲星时的建立及应用提供有力的数据及技术支持。脉冲星时与原子时具有优势互补的特点，利用中国科学院国家授时中心的铯钟和相关时频设备，结合IPTA dr2数据资料，建立脉冲星驾驭铯钟的实验系统。并以J0613-0200为参考，开展单颗毫秒脉冲星驾驭铯钟的研究。截止目前，实验结果符合单颗毫秒脉冲星驾驭铯钟的预期，证明了脉冲星驾驭原子钟的可行性，并且实验系统建立的综合时间尺度保持了铯钟稳定度的优势。     

基于飞秒光学频率梳的双通道光频测量设计

基于差频技术的单块飞秒光学频率梳被广泛应用于光频的精密测量领域。通过将飞秒激光的重复频率和载波包络相移同时锁定至原子钟上,可以将飞秒光学频率梳的稳定状态延长至9 h。文中提出了一种基于飞秒光学频率梳的双通道光频测量设计,并且针对两种待测光频的不同情况,给出了不同的测量方法。这种设计对将来实现高效率的光频测量具有重要意义。     

Crab脉冲星标准脉冲轮廓更新对计时精度的改进

对于脉冲星试验01星的两年实测数据，针对蟹状星云脉冲星星历经历了多次更新的特点，提出了更新标准脉冲轮廓进行X射线计时的改进方法。以一系列观测时长为实测数据分组，再采用改进后的方法进行计时分析并与改进前的结果进行对比。通过对比改进前后的计时结果，发现改进方法得到的计时残差的均方根(root mean square, RMS)平均降低了14.2%，定位精度平均提高了14.4%，估计原子钟相对频率偏差的精度平均提高了26.2%，体现了改进方法处理经历多次星历更新的Crab脉冲星观测数据的合理性和优越性。此外，改进方法对脉冲星试验01星两年观测数据的稳定度σz没有量级上的改进，说明改进方法对Crab脉冲星时间稳定度的影响不大。