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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

一种高性能小型化铷钟的研制

为满足未来微小卫星等空间应用对铷原子钟小型化、高指标的要求,成都天奥电子股份有限公司采用陶瓷填充谐振腔、6.8GHz锁相倍频、数字温控等技术,研制出了一种体积约300mL的微小卫星星载铷钟原型样机。经初步测试,常温常压下该铷钟秒稳定度优于3×10~(-12),万秒稳定度优于1×10~(-13);在真空条件下天稳定度优于5×10~(-14),天漂移率优于5×10~(-13)。同时给出了设计方法及环境试验的结果。     

芯片级光钟技术综述

芯片级光钟是一种基于热原子中光频跃迁的新型光钟,近年来随着光子集成技术、激光技术和微机电技术的发展,该类光钟可以实现较小的体积和较高的精度,有望广泛应用于对体积、质量、功耗和精度敏感的各种国防装备中.介绍了国内外芯片级光钟技术的进展情况,阐述了芯片级光钟的相关技术,包括基于双光子跃迁的光频标技术、微制造气室技术和微腔光频梳技术等,分析了影响频率稳定度和准确度的主要因素,最后对芯片级光钟面临的机遇和挑战进行了简要的展望.     

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。     

磁场对冷镱原子光钟稳定度影响的仿真分析

在光晶格钟运行时，不停起伏的杂散磁场会引入一阶塞曼频移和二阶塞曼频移，从而影响光晶格钟的频率不稳定度。此外，突变的磁场可能导致激光频率参考到钟跃迁频率的伺服闭环过程发生不可恢复的失锁，从而阻碍光钟的持续运行。在实验中，光钟进行频率闭环锁定前，通常通过控制三维线圈对光钟主腔中心原子处的杂散磁场进行补偿。首先使用三维磁强计，对真空主腔附近的磁场进行监测和记录，以分析杂散磁场对光钟性能的影响。然后利用正态分布模型和二项分布模型等，对光钟频率伺服锁定过程的阿伦偏差进行仿真拟合。在引入实际磁场监测数据的基础上，模拟光钟频率的伺服锁定过程，分析其仿真结果可以得出：减小杂散磁场起伏和控制磁场漂移，在提高冷镱原子光钟的短期稳定性和长期稳定性方面具有重要意义。     

Characterization of NAVSTAR GPS and GLONASS on-board clocks

Investigation into navigation satellite on board clock frequency references and performance are reported. The focus is on the stability of the clocks aboard the NAVSTAR GPS (Global Positioning System) and GLONASS satellites as well as those used by their respective maser control stations and associated time scales. Allan-variance techniques have been applied to determine the long-term time-domain behavior of satellite clocks in an attempt to identify different regions of power spectral density. Coupled with analysis of relative-frequency drift over a period of many weeks, this behavior allows the type of satellite onboard standard to be tentatively identified. The known nature of the GPS clocks has shown that the different types of clocks aboard the satellites (crystal, rubidium, and cesium) are distinguishable given a sufficient sample time. The same approach has been applied to the GLONASS satellites, and a comparison of the results obtained from GPS has allowed conjecture on the type of clock used by the GLONASS satellites. It appears that GLONASS has used clocks of the quality of rubidium atomic oscillators since at least 1986, and that the quality and performance of onboard standards have increased steadily with time. Some current satellites perform well enough in terms of frequency drift, flicker FM noise floor, and long-term stability to compare favorably with the cesium beam standards carried on NAVSTAR GPS satellites launched in 1983-84     

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。     

BDS-3观测数据质量分析及精密定轨

当前,北斗卫星导航定位系统正处于快速发展阶段,在全球GNSS卫星导航定位领域中受到了越来越多的关注,分析BDS-3卫星观测数据质量以及钟差性能对中国北斗导航事业的发展与应用具有重要意义。深入分析了IGMAS监测站BDS-3卫星的数据质量,同时采用现有的观测数据进行了BDS-3卫星三天弧段的定轨实验。结果表明,轨道重叠弧段1D RMS径向优于20cm,钟差重叠弧段STD精度优于1ns。为准确掌握BDS-3卫星钟差的时频特性,利用估计的钟差数据计算了BDS-3卫星钟差频率稳定性指标,其千秒稳定度、万秒稳定度和日稳定度分别为4.64×10-13、8.55×10-14和1.28×10-14,相对于BDS-2系统最高提升了25.89%。     

可芯片化的激光抽运Mz型原子磁强计参数研究

激光抽运Mz型原子磁强计具有体积小、功耗低和灵敏度高的优点。介绍了激光抽运Mz型原子磁强计的工作原理，研究了该类型原子磁强计中激光功率和射频场强度对磁共振信号的影响，并对当前实现的原子磁强计样机中射频线圈的磁场强度均匀性对磁共振信号的影响进行了仿真分析。最后，给出了当前实现的原子磁强计样机的性能参数，并讨论了实现芯片级原子磁强计的可行性。     

月球探测器天文测角/单程无线电时间差分测距/差分测速导航方法

月球探测器高精度导航技术是确保月球探测任务顺利实施的关键技术之一。当前,大多数月球探测器都是利用地面无线电进行导航和控制,但存在可测控弧段短、易受干扰等局限性,且对于月球背面探测,存在无法直接测控的不足。针对上述问题,提出了一种新的基于天文测角/单程无线电差分测距/差分测速的月球探测器组合导航方法。该方法使用了天文星光角距、探测器接收到的来自地面站或中继星的单程无线电时间差分测距和时间差分多普勒测速3种量测信息,可有效抑制星上时钟和频谱仪的时间和频率测量误差。收敛后的平均位置和速度估计误差分别为902.7 m和0.12 m/s,最大的位置和速度估计误差分别为1 548.2 m和0.24 m/s。仿真分析结果表明该方法具有较高自主导航精度。     

Experiments with numerically controlled atomic clocks

Long term timing stability of present atomic clocks can be considerably improved by simple numerical algorithms which correct both the inherent frequency bias and the effects of supply voltage variations and outside temperature. Rubidium units are demonstrated to operate with less than 100 ns errors per week or any sensible longer interval corresponding to relative uncertainties of 10^-13. Often a linear subtraction of frequency offset which can be realized by a microprocessor controlled digital delay line is sufficient. A cesium clock could be run at 10^-15 level, but reliable and reasonable real-time measurement techniques do not yet exist     

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。     

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。