利用小波方差进行原子钟频率稳定度的估计

离散小波变换可以在不同尺度上分解时间序列,而不同尺度的波动性可用小波方差来表征。从小波方差的定义入手,系统地归纳了基于极大重叠离散小波变换（MODWT）的小波方差估计方法,及其等效自由度（EDF）的实用计算方法。最后利用一个实测算例进行计算分析,并与相应的重叠阿伦方差、重叠哈达玛方差进行比较,通过实验分析可以看出小波方差可有效消除原子钟信号非线性和非平稳性的影响,通过选择适当的小波基函数,如D4、D6小波,其方差可以像哈达玛方差一样,减少调频闪变噪声和调频随机游走噪声的泄露,适用于原子钟频率稳定度的表征。     

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凋相白噪声分离与降噪的方法。     

利用小波包分解算法进行原子钟信号的消噪处理

高准确度时间在国防、科研等领域正在发挥着日益重要的作用 ,要提高计算原子时的准确度 ,消除原子钟信号的噪声是关键的步骤之一。为此 ,我们利用小波包分解算法对原子钟信号进行了必要的消噪处理 ,这样我们得到了平稳的原子钟信号 ,利用这些数据重新计算国家授时中心原子时TA(NTSC) ,计算结果表明经过消噪处理提高了TA(NTSC)稳定度和准确度 ,可以考虑进一步在我国的地方原子时计算中采用该方法。     

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。     

不连续观测数据对计算的原子钟稳定度影响研究

为评估原子钟稳定度,通常采用连续的、均匀的采样数据计算阿伦方差或哈达玛方差。在实际工程计算中,由于观测粗差剔除、测量仪器中断、卫星不可见等原因,经常导致原子钟的观测数据在时间上不连续,给原子钟稳定度评估带来影响。文中比较了不连续观测数据的几种常用处理方法,包括线性插值补齐、B样条插值补齐、不插值直接计算哈达玛方差等方法,分析了各处理方法对阿伦方差和哈达玛方差的计算影响,研究中断数据长度与稳定度评估的影响关系。采用的氢钟观测数据,对不连续观测数据的影响和处理效果进行统计和分析,将稳定度计算结果、计算精度损失比与理论分析进行对照和检验,得出了有益的结论。     

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。     

CPT铯原子钟微波信号源设计与分析

CPT原子钟由于其体积小、功耗低等优点广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。本文采用数字锁相倍频的方法,根据CPT铯原子钟对微波信号的需求设计了一种中心频率为4 596MHz的信号源,并对其输出信号的相位噪声进行了分析。经测试,信号源电路尺寸为30mm×50mm,功耗小于200mW,输出微波功率范围为（-20~-5）dBm,输出信号噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,调制信号频率为500Hz,可用于CPT铯原子钟。     

直升机声疲劳源的诊断技术研究

首次开展直升机声疲劳源的诊断工作,基于小波变换原理,建立了直升机声疲劳源的诊断方法与技术,它包含小波分解与重构阶数的确定、噪声信号分解、分解信号重构以及分离信号的1/3倍频程计算等方面内容.该方法具有低频信号分辨率高和易于重构等特征,特别适合直升机的主、尾桨噪声信号进行分离.通过对模拟的主、尾桨信号进行分离,并将分离后的信号与原始信号相比,发现误差不超过2.3%,因此,验证了该法的有效性.另外,应用该法还对小松鼠直升机所记录的噪声信号进行主、尾桨噪声分离,所得结果表明:建立的直升机声疲劳源的诊断技术,能够处理直升机非平稳噪声信号,可以完成直升机主、尾桨噪声的分离.     

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.      

《宇航计测技术》2005年总目次(总第145期～150期)

第1期基于Push-Push结构的倍频器在铷原子频标中的应用王勇吕善伟冯克明(1)…………………………………………利用小波包分解算法进行原子钟信号的消噪处理袁海波李滚(5)…………………………………………………………脉冲信号稳幅方法研究许传忠杨春涛杨绪军(9)…………………     

基于TheoH方差的陀螺随机误差系数动态提取

针对运用动态Allan方差提取陀螺随机误差系数时,用截断窗截取原始信号造成方差估计置信度降低的问题,提出运用混合理论方差(Theo H方差)来代替Allan方差对截断窗内的数据进行分析,并提取出随时间变化的陀螺随机误差系数。Theo H方差改善了Allan方差计算时相关时间只能达到信号总时间的二分之一及长相关时间下方差估计置信度降低的问题,其计算的相关时间可以达到数据总时间的四分之三,有效改善了动态算法因数据截取造成误差系数估计置信度下降的缺陷。从对仿真信号和光学陀螺实测数据处理结果上来看,本文方法既能准确地对动态条件下陀螺量测信号的随机误差进行细化辨识,又能大幅提高中、长相关时间下方差估计的置信度。     

MEMS陀螺随机误差的建模与分析

为了更全面地了解微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪的随机漂移误差随时间变化的特性,利用动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪输出信号特性进行了全面分析.首先介绍了Allan方差和动态Allan方差分析法原理,然后分别利用Allan方差分析法和动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪的实测数据进行了特性研究与性能分析.研究结果表明:速率斜坡、量化噪声和速率随机游走是MEMS陀螺的主要随机噪声,并且MEMS陀螺的随机漂移具有随时间变化的不稳定性.动态Allan方差不仅可以分离和辨识出MEMS陀螺的主要随机误差源,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,因此动态Allan方差较经典Allan方差分析法能够更全面地表征MEMS陀螺仪的性能.     

An optimization iterative algorithm based on nonnegative constraint with application to Allan variance analysis technique

It is well known that inertial integrated navigation systems can provide accurate navigation information. In these systems, inertial sensor random error often becomes the limiting factor to get a better performance. So it is imperative to have accurate characterization of the random error. Allan variance analysis technique has a good performance in analyzing inertial sensor random error, and it is always used to characterize various types of the random error terms. This paper proposes a new method named optimization iterative algorithm based on nonnegative constraint applied to Allan variance analysis technique to estimate parameters of the random error terms. The parameter estimates by this method are nonnegative and optimal, and the estimation process does not have matrix nearly singular issues. Testing with simulation data and the experimental data of a fiber optical gyro, the parameters estimated by the presented method are compared against other excellent methods with good agreement; moreover, the objective function has the minimum value.     

光纤陀螺随机误差模型分析

陀螺仪的工作精度决定着惯性参考系统的精度,为了减小陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估计与精确建模.提出应用ARMA,Allan方差分析法及功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)分析法联合对光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)的误差特性及建模技术进行了研究.利用Allan方差及PSD分析法对光纤陀螺输出信号的分析,有效地分离并确定影响光纤陀螺输出性能的几种主要随机误差源,并对所建立的光纤陀螺ARMA模型和AR模型的精度进行了评估.对光纤陀螺实测数据的分析表明Allan方差分析法与PSD分析法对光纤陀螺噪声分析结果具有一致性,时序ARMA模型是建立光纤陀螺随机误差模型的一种有效方法.      

动态总方差设计及其快速算法

Allan方差法分析随机误差时存在2点缺陷,一是长相关时间下估计值震荡较大,二是无法跟踪信号的动态变化。本文融合总方差法和动态Allan方差法的思想和优势,提出了动态总方差法。首先使用窗函数截取原始数据,然后对窗内数据进行延拓,对延拓后的数据进行总方差分析,得到原始信号的局部随机特性,随着窗函数的滑动可以得到原始信号的随机变化特性。经验证,动态总方差法同时解决了Allan方差法存在的2个缺陷。最后设计了半球谐振陀螺（HRG）的线振动试验验证此算法的有效性,分析结果表明动态总方差法在分析精度和使用的数据量上具有优势。但是动态总方差法又存在计算量大、分析速度慢的问题,因此本文又推导出了动态总方差法的递推公式,从而给出了动态总方差的快速算法。      

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。     

基于Hadamard方差的导航星座自主时间同步算法研究

文章在总结国内外研究成果基础上,针对GPS铷钟虽然短期稳定性较好,但采用Allan方差描述铷钟频率稳定性时,其钟差状态方程仅为两参数,在较长平滑时间里存在时钟漂移和甚低频噪声的影响,使噪声特性淹没或估值不收敛的缺陷,引入Hadamard方差建立了三参数系统状态误差模型,通过三次采样方差从模型上解决了线形漂移和甚低频噪声的影响问题。在时钟系统状态模型和星间双向测量方程建模基础上,给出了工程实用的标准Kalman基本滤波方程。数值分析仿真表明,采用Hadamard方差描述时钟频率稳定性显著提高星载时钟自主同步精度,从而克服了Allan方差描述产生的频率漂移影响较大和甚低频噪声不收敛的问题。     

电路测试响应信号的GP-KSVD稀疏重构算法

电路系统测试响应信号具有周期性强、分布较稀疏的特点,针对电路系统测试响应信号的压缩重构问题进行了研究,提出了基于梯度方向追踪的K奇异值分解(GPKSVD)稀疏重构算法。结合单一响应信号以及混合信号其自身特点进行字典训练,利用更新后字典对含噪信号进行梯度追踪稀疏表征,通过对含噪信号的重构,实现了去噪的目的,算法计算复杂度低,储存量小,具有较好的重构效果。仿真中将GP-KSVD表征与使用随机字典、离散余弦字典(DCT)的表征进行比较,从信噪比(SNR)以及相对均方误差(RMSE)2项指标中得出使用KSVD字典具有更好的重构去噪效果;此外将GP-KSVD稀疏重构算法与正交匹配追踪正交匹配追踪(OMP)-KSVD、预处理共轭梯度追踪(PCGP)算法进行比较,得出GP-KSVD的计算时间最短、重构精度更高的结论,并且进行了实测验证。算法可用来对测试响应信号进行预处理,为电路系统设备性能的评估分析提供了理论依据。