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。     

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%。     

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。     

频率源的短期频率稳定度及相位噪声测量

叙述了频率源的重要特性—频率稳定度及相位噪声的表征和测量；比较了各种测量方法的优缺点；分析了测量中存在的问题，影响测量结果的因素及其引入的误差；给出了避免这些影响和修正误差的方法；最后介绍了国内外频率稳定度和相位噪声测量的最新进展。     

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。     

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。     

CPT原子钟微波信号的设计和分析

根据被动型相干布居囚禁原子钟对微波信号的要求,利用小数分频锁相环技术实现了微波频率综合,并通过优化环路带宽得到最佳的输出相噪。测试结果表明:3 417 MHz微波输出在100 Hz处的相位噪声达到-80 dBc;中心频率±50 kHz范围内的杂散抑制达到54 dB,都接近于理论值。将产生的微波用于所研制的CPT原子钟,获得频率稳定度达到1 000 s内6×10-11-1/2,为目前国外商品钟水平。     

磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究

磁选态铯原子钟的输出频率与铯束管输出的弱电流信号有关，影响其频率稳定度。为了提高其频率稳定度技术指标，在对磁选态铯原子钟主伺服电路弱信号压频转换（V-F）和模/数 (A/D)直接采样对比的基础上，设计了基于DSP28335芯片的A/D直接采样电路，利用CAN总线通信技术与主控CPU板进行通信，实现整钟闭环锁定的方案。通过试验与被测磁选态铯原子钟现有压频转换法进行对比，结果表明，所设计的A/D直接采样法较压频转换法减小了磁选态铯原子钟相对频率偏差范围，改善了短期频率稳定度，具有实用价值。     

谐振式液体密度传感器的频率解算方法研究

为实现高精度测量谐振式液体密度传感器的输出信号频率,在现有的FFT频率解算理论基础上,引入更符合实际情况的加窗插值FFT频率解算方法,并分析频率变化以及噪声对解算结果的影响。通过Matlab仿真实验对该方法中常用的窗函数进行对比分析,最终选择加入Rife_Vincent窗的插值FFT算法作为输出信号频率的解算方法,并在所设计的硬件系统上进行了实验验证,结果表明,采用加Rife_Vincent窗的插值FFT算法解算传感器输出信号的频率,其解算误差小于0.1Hz,解算精度高且易于实现。     

远地时钟比对数据消噪方法研究

远地时钟比对是利用不同实验室的原子钟建立综合原子时尺度的必要条件，因而实现远地时钟比对的高精度时间传递技术的噪声水平，成为影响原子时性能的主要因素之一。本文主要研究了基于EMD的低通滤波方法，及其在远地时钟比对数据消噪中的应用，并将该方法与Vondrak平滑方法进行比较。结果表明：基于EMD的低通滤波结果明显优于Vondrak平滑结果。     

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。     

远地时钟比对数据消噪方法研究

远地时钟比对是利用不同实验室的原子钟建立综合原子时尺度的必要条件,因而实现远地时钟比对的高精度时间传递技术的噪声水平,成为影响原子时性能的主要因素之一。本文主要研究了基于EMD的低通滤波方法,及其在远地时钟比对数据消噪中的应用,并将该方法与Vondrak平滑方法进行比较。结果表明：基于EMD的低通滤波结果明显优于Vondrak平滑结果。     

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。     

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。     

Monitoring atomic clocks on board GNSS satellites

A method for monitoring atomic clocks on board Global Navigation Satellites System (GNSS) satellites is described to address the issue of clock related signal integrity in safety–critical applications of GNSS. The carrier-phase time transfer is employed in the clock monitoring method which enables tight tracking of the satellite onboard clocks and thus improves detectability of clock anomalies. Detecting onboard clock anomalies requires the ability to monitor clocks in real time, and a Kalman filter can then be utilized to estimate the phase offsets between the satellite clocks and ground clocks. This study, using the difference between the measured and predicted phase offset as a test statistic, sets a threshold for clock anomalies based on the prediction interval approach. Finally the validity of the monitoring method is examined by processing a set of real GNSS data that includes two recent incidents of clock anomalies in GNSS satellites.     

时频信号的非参数加窗稀疏协方差迭代分析法

针对多分量非平稳时频信号的分析，提出了一种非参数加窗稀疏协方差迭代分析（Sparse Iterative Covariance-based Estimation，SPICE）法。该方法通过引入局部化的窗函数，并在窗内对信号建立非参数化的时频模型，以获取非平稳信号的局部时频特性。分析表明：给出的非参数时频模型，可通过加权最小二乘（Weighted Least Square，WLS）进行求解。当将WLS的加权矩阵的构建问题转换为广义噪声协方差矩阵时，提出的模型也可借助于加窗SPICE方法来进行求解。分析和仿真均表明：与传统方法相比，提出方法具有噪声抑制能力强、能量集中度高和对于载频差异较小信号的分离效果佳等优点。     

Quality variation of GPS satellite clocks on-orbit using IGS clock products

Over 60% clocks on board of the GPS satellites are working longer than their designed life. Therefore realizing their stabilities in a long time scales is essential to GPS navigation and positioning plus IGS time scale maintaining. IGS clock products from 2001 to 2010 are used to analyze the GPS satellite clock qualities such as frequency stabilities and clock noise level. We find out that for the clocks of Block IIA satellites the frequency stabilities and clock noise are 10 times worse than that of the Block IIR and IIR-M satellites. Moreover, the linear relationships between frequency stabilities and clock residuals have been deduced with an accuracy of better than 0.02 ns. Specially, it is noticed that the clock of the PRN27 is instable and the relationship between the frequency stability and residuals is at least a quadratic curve. Therefore, we suggested that GPS satellite clocks should be weighted by their quality levels in application, and the observations of the Block IIA should not be used for real-time positioning which required precision better than one meter.