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。     

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。     

星载原子钟数据预处理的方法研究CSCD

星载原子钟的数据预处理是进行原子钟性能分析和钟差预报的前提,本文主要利用相位数据和频率数据的转换和异常数据的分析处理方法对原子钟数据进行了预处理,有效的保证了数据的可靠性。     

原子时系统主备钟同步技术研究

主钟系统作为原子时系统的重要组成部分，其运行状态直接关系到整个原子时系统的性能。为了提高系统的可靠性，建立备份主钟系统尤为必要。本文围绕原子时系统中的主备钟同步技术开展相关研究，建立了主备钟同步系统。通过分析原子钟性能，建立钟差模型；并根据钟差模型对备份主钟的频率进行驾驭调整，实现主备钟之间的时间频率一致性。通过调整，原子时系统的主备钟时差可实时保持在1ns以内，频率偏差实时保持在10E-15量级，为原子时系统的主备无缝切换奠定良好基础。     

频率标准在中国的发展

简单介绍了原子钟研究在中国的发展历史,着重叙述了近年来所取得的成就。包括在中国计量院开发与保存的国家时间频率基准:铯原子束基准和冷原子喷泉基准,后者的频率准确度达到了3.10-15。叙述了氢原子钟,包括主动激射器频标和被动型氢钟两种类型的研究工作进展;说明了光抽运铷原子钟的研制与生产情况以及性能指标。强调了中国光抽运铯原子束频标经过长期连续工作所取得的优秀成果。简述了中国在微波与光频离子储存原子钟以及在光频测量和光钟上所取得的进展。     

氢原子钟电离谱线对振荡信号的影响

通过实验分析了氢钟电离光谱组成,并通过实验分析了谱线对氢原子钟振荡信号幅度的影响。实验结果表明,当电离泡光强达到极大值时,氢原子流量控制在该极大值对应流量的3倍附近,可以保证氢原子振荡信号的幅度在极大值附近保持较小的变化。使主动型氢原子钟的振荡信号幅度能够保持在最大值附近。根据分析结果对氢原子流量进行了优化。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射，该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用，相比于被动光钟，主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽，并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状，主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标，提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响，其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出，分别工作在好、坏腔区域，好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长，由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势，因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动，为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响，并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性，本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长，从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响，进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1 470nm主动光频标的影响。     

基于EMD的氢钟频率预报方法研究CSCD

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。     

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。     

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。     

基于阻尼系数控制算法的时间驾驭方法研究

在实现本地时间与参考时标精确同步的过程中,被驾驭对象频率稳定度和时间同步精度存在平衡矛盾。本文提出了一种基于阻尼系数控制算法的时间驾驭方法。首先利用Kalman滤波算法对历史数据的多项式模型进行拟合,得到被驾驭对象与参考源时标的相位差、频差及频漂,然后利用阻尼系数控制算法建立仿真模型进行分析,得到时间驾驭策略。仿真结果表明,本文提出的基于阻尼系数控制算法的时间驾驭方法在一定的时间偏差控制要求下,确保了被驾驭对象的频率稳定度。     

铷原子钟温度补偿技术研究

利用直接数字频率合成器AD9852设计并制备了一种铷原子钟的温度补偿电路,该电路能够在不降低铷原子钟输出频率短期稳定度的基础上,有效地减小了`铷钟的温度系数。     

基于Kalman滤波器的卫星钟实时异常监测算法

基于卫星钟钟差的Kalman滤波器模型,提出了一种卫星钟实时异常监测算法,对算法原理进行了讨论,并利用IGS精密钟差数据,对算法进行了性能验证。结果表明：该算法对卫星钟的异常情况（包括单点相位跳变与连续相位跳变）可以进行有效监测,同时还可以完成异常数据的剔除与替换,并且具有较小的替换误差。该算法具有显著的实时性,可以应用于星载原子钟的实时异常监测中。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声,是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射,该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用,相比于被动光钟,主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽,并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状,主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标,提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响,其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出,分别工作在好、坏腔区域,好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长,由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势,因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动,为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响,并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性,本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长,从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响,进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1470nm主动光频标的影响。     

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。     

基于北斗卫星系统的频率标准源的设计与实现CSCD

在对北斗二代导航定位接收机输出的1PPS信号进行测试、分析、研究的基础上,采用数字滤波器滤波和电压的积分控制相结合的方法,滤除信号传输过程中的干扰,使其输出相对平稳的1PPS信号来驯服铷原子频标。研究北斗接收机驯服铷钟原子频标的模型,采用精密时间间隔测量、高精度数字比相、计算机自动控制等多种先进技术,完成对铷原子频标的跟踪控制,实现与星载铷钟同等精度的时频信号输出。研制了一套北斗接收机驯服铷原子频率标准源,该频率标准携带方便,性价比高,既可以为时统、通讯系统提供现场计量技术保障,又可以实现对原子频率标准的远程校准、核查。     

导航卫星原子钟舱温度控制方法及其验证

原子钟是导航卫星的重要组成部分,可为卫星系统提供高准确及高稳定度的时间频率源.原子钟工作性能与环境温度变化密切相关,为保证其在轨连续、稳定运行,热控系统需为其提供良好的工作温度环境.本文以某导航卫星原子钟舱温度控制为研究内容,给出原子钟舱热控设计方案、控制算法,并进行仿真分析和试验验证.在轨遥测数据表明,卫星原子钟舱热控方案和控制算法设计合理,仿真分析及试验结果有效,各原子钟在轨工作温度满足要求,原子钟温度稳定度满足并优于设计指标近一个数量级.     

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。     

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。     

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。