氢原子钟的频率驾驭算法研究

以氢钟作为主钟系统的频率源,可产生短期稳定度更好的本地时间UTC(k),氢钟通常具有频率漂移效应,这使得氢原子钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低,进而影响UTC(k)的稳定度与准确度.为解决这一问题,比较分析了氢钟和铯钟的性能,改进了氢钟参与时间尺度计算的算法,并提出了基于主钟为氢钟的频率驾驭算法.通过搭建试验系统,编制相关的软件,对该算法进行了检验.测试结果表明当氢钟参与原子时计算时,可有效改善参考时间尺度的短期稳定度,同时主钟频率源为氢钟比主钟频率源为铯钟产生的本地时间UTC(k)具有更好的短期频率稳定度.     

一种基于小波变换的氢铯联合守时算法研究

氢铯联合守时方法主要是研究两类性能不同的原子钟的有效组合而产生稳定的时间尺度.基于此,研究了一种联合守时算法,取得了初步结果.算法首先通过铯原子钟建立参考时间尺度,用于估计氢原子钟的速率和频率漂移;其次,利用小波多尺度分解的方法降低氢原子钟钟差多种噪声的影响;最后,利用氢原子钟的可预测性能,建立由氢原子钟产生的时间尺度.此算法的优点在于产生的时间尺度充分利用了氢原子钟的短期稳定度、氢原子钟的可预测性能并考虑了测量钟差带来的多种噪声的影响,是一种优化的原子时尺度算法.     

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI (Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25 m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5 ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.     

NTSC的双混频时差测量系统试运转结果分析

中国科学院国家授时中心(NTSC)新进口的由德国Timetech公司制造的双混频时差测量系统(dual mixer time difference system,DMTD)已经通过了试运行。介绍了DMTD的工作原理和设备结构。NTSC时频基准实验室的主钟(MC)信号作为DMTD的频率参考信号,5个氢钟和18个铯钟的频率信号作为被测信号与MC信号进行相位比对。用频率分配放大器输出的多路MC信号也作为被测信号用以监测DMTD本身的精度和稳定度。给出了DMTD和时间间隔计数器TIC实际测量结果的比较及误差分析。测量结果表明DMTD特别适用于频率短期稳定度非常高的氢原子钟这样的频标之间的频率和时间比对。该设备将用于NTSC的守时工作,不久的将来也将用于铯喷泉与氢钟的频率比对。     

氢钟和铯钟联合守时初探

氢钟和铯钟作为两种不同类型的频标,从统计角度上来说,它们在短期和长期频率稳定度方面的表现为时间频率领域中的学者们共识．随着技术的改进氢钟近年来在长稳方面有所提高．根据中国科学院国家授时中心(NTSC)新进口的2台美国氢钟(Sigma T)近一年来实验数据的分析,定量说明氢钟不同采样间隔的频率稳定度,并与铯钟的性能做比较．同时根据这两种类型频标的性能取长补短,探讨一组铯钟和两台氢钟联合守时的方案和地方原子时计算方法．     

SOHM-4型氢原子钟的设计改进与初步性能

氢原子钟是一种最稳定的 (除极短测量时间间隔之外 )频率标准 ,但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起原子钟输出频率的变化 ,从而导致氢原子钟长期性能变差。为了减小这些影响 ,可借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。针对这些年来许多氢钟出现的有关问题 ,上海天文台在借鉴国外氢钟实验室经验的基础之上 ,对原有氢钟进行了技术改造 ,并为国家授时中心研制了SOHM - 4型氢原子钟。对该型氢原子钟技术改造特点作了介绍 ,并给出了期望的性能指标及初步的测试结果     

上海天文台新一代氢脉泽频率标准的研制

一种用来装备中国VLBI网络的新型氢脉泽标准已在上海天艺台研制成功。这种新型氢对标准是一种的可靠的和可搬运的小型氢钟。本将描述它的机械和电子学设计特点，并与上海天台早期制造的氢钟进行了详细的比较，章给出了新的小型氢钟的初步测试数据和预期的稳定性能。并且展示了这种新型氢钟在制造过程中的一些照片。     

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.     

Q增强型氢钟环路相位与腔Q值稳定技术研究

简单介绍了小型氢原子钟的分类以及Q增强型氢钟的原理,设计了一种具有腔Q值及反馈环路相位稳定特性的Q增强型氢钟的正反馈电路,并给出实现方案以及实验数据,数据表明了该系统方案的可行性。提出了以数字信号处理器(DSP)为主的新的方案。     

被动型氢钟波谱信号观测装置的设计

简单介绍了被动型氢钟的量子系统,阐述了波谱信号观测装置的设计。该装置采用标准10MHz晶振产生被动型氢钟的微波激射信号(1.420406GHz),然后将该信号输入氢钟的脉泽振荡器中。脉泽振荡器输出的信号经过低噪声放大、两次混频及滤波后所得的谱线包含了量子系统的信息,通过分析最终的谱线即可得知量子系统的优劣。该装置已用于对两台被动型氢钟的测试,并根据测试结果对量子系统进行了改进。     

上海天文台氢原子钟的使用、研究和改进

本文简述了上海天文台氢原子钟的研制及使用情况,通过对两台长期运转的观察和研究,着重分析了影响氧原子稳定度的各种因素。在分析的基础上,我们对自制氢钟不断采取了一些改进措施,并获得了预期的效果。使自制氢钟的性能在使用中不断提高.最后,绘出了历年来氢钟的测量结果.     

氢钟钟罩及前级真空机组的改进设计

本介绍了氢钟钛合金钟罩的设计制作以及机械泵－－分子泵前级真空机组的改进设计。由于钛是一种崭新的工程金属，用钛合金制作的真空钟罩由于采用了料正确的工艺手段，具有强度高、重量轻、在真空中放气率低、无磁、外表美观和经济实惠等优点。而前级真空机组由于采用了不锈钢纹管及卡箍结构，无粗大的真空橡管，也改善了氢钟的真空条件。钛合金钟罩及改进型前级真空机组的应用对氢钟钛离子泵的启动及系统真空度的提高起了一定的作用。     

氢钟钟罩及真空机组的改进设计

本文介绍了氢钟钛合金钟罩的设计制作以及机械泵─分子泵前级真空机组的改进设计．由于钛是一种崭新的工程金属，用钛合金制作的真空钟罩由于采用了较正确的工艺手段，具有强度高、重量轻、在真空中放气率低、无磁、外表美观和经济实惠等优点．而前级真空机组，由于采用了不锈钢波纹管及卡箍结构，无粗大的真空橡皮管，也改善了氢钟的真空条件．钛合金钟罩及改进型前级真空机组的应用对氢钟钛离子泵的启动及系统真空度的提高起了一定的作用．     

用磁场线圈产生磁屏蔽效果在氢钟上运用的可行性分析

随着中国航天技术的发展,对小型化的氢原子钟的需求越来越迫切。在减小体积和重量的前提下为保持氢钟现有的工作指标,对现有的氢钟物理条件提出了更高的要求,其中包括在氢钟屏蔽层数减少时保持磁屏蔽系数不变。原理分析、计算仿真了高磁导材料和磁场线圈2种屏蔽方法在氢钟上使用的优劣性,并通过对比实验验证了在氢钟上使用磁场线圈代替磁屏蔽材料产生磁屏蔽效果的可行性。     

主动型氢原子钟性能监测及评估方法研究

主动型氢原子钟是时间尺度建立和保持的主要频率源,具有短期稳定度高及相位噪声低等特性,目前在国际原子时TAI (International Atomic Time)及各地方时间尺度中的作用日益重要.首先结合主动型氢原子钟内部状态参数,分析状态参数与氢原子钟比对数据的相关性,提出了氢原子钟性能监测方法.其次,针对氢原子钟性能特点,在衡量氢原子钟性能最主要的两方面,即频率稳定度及"可预测性"方面,给出了氢原子钟性能评估方法,并利用该方法对目前国际通用的两种主动型氢原子钟(CH1-75型及MHM-2010型)进行性能评估.原子钟状态参数与比对数据联合分析结果表明,状态参数监测可以有效预报钟性能的变化.原子钟频率稳定度及"可预测性"评估结果表明,中、长期稳定度越高的原子钟"可预测性"也越好. BIPM (Bureau International des Poids et Measures)权重验证结果表明,基于BIPM公布数据以及基于2次模型两种预报方法计算出来的钟"可预测性"均与BIPM公布的权重相吻合,可以作为钟"可预测性"的定量评估方法.     

基于脉冲星的星载钟时间修正算法研究

讨论了一种对长期在轨运行的星载钟的钟差进行修正的方法,该方法以导航用毫秒脉冲星作为高稳定度频率源,采用卡尔曼最优估计算法对星载钟进行控制。仿真计算表明,该方法可以有效提高星载钟的长期频率稳定度,增强星载钟的长期自主运行能力。     

原子时尺度分析研究

守时型原子钟主要包括氢原子钟和铯原子钟,为进一步探究不同类型守时原子钟计算时间尺度相关性能,本文开展全氢钟及氢铯联合时间尺度研究。首先依据国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)发布的d公报将氢原子钟进行分类,针对分类结果分别运用原子时尺度理论方法计算全氢钟时间尺度,并给出分析结果。随后计算全铯钟时间尺度,并分析探究两种不同的氢铯联合钟组时间尺度。结果表明,基于频率漂移量较小的氢钟组形成的时间尺度波动范围小,且稳定度优于频率漂移量较大的氢钟组形成的时间尺度。氢铯联合形成的时间尺度稳定度优于全铯钟时间尺度,不同的氢铯联合钟组计算得到的时间尺度结果相近。     

氢原子频标的小型化

小型化是目前氢钟的发展方向之一，氢钟的小型化主要是谐振腔的改进，它的结构尺寸决定了氢钟的最小尺寸和重量，目前要用的小型腔主要有电极负载腔，磁控管腔，介质负载腔和TE111腔，新型的谐振腔虽然减小了体积减轻的重量，但量由于它本身已经很难满中立起振条件，所以在伺服电路上也不同于主动型氢钟，根据电路原理的不同，将小型化的氢钟分为反馈振荡型和被动型，反馈振荡型氢钟使激射器工作在反馈振荡状态，通过正反馈维持激射器振荡，被动型氢钟的激射器工作在振荡阈值之下，其作用与揩振放大器相似。     

SOHM型氢钟在国家授时中心的运行情况分析

上海天文台研制的型号为SOHM-3和SOHM-4的3台氢原子钟在中国科学院国家授时中心(NTSC)已经运行了一年多时间。收集了每个氢原子钟与NTSC主钟的时间比对数据。数据的分析结果给出了这几台氢钟在不同采样间隔上的频率稳定度,也显示出1台氢钟明显的相位跳变,讨论了这种相位跳变的原因。比较了这3台氢钟和从美国进口的Symmetricom公司制造的氢钟的频率稳定度的温度变化效应,指出了上海天文台研究制的氢钟存在的主要问题。     

上海天文台氢钟的研制现状及其应用前景

介绍了上海天文台氢钟的研制现状及其应用情况 ,展望了其潜在应用前景。对目前氢钟小型化国内外研究现状、我国进行小型氢钟的研制方案、拟解决的关键问题也进行了论述。同时给出了小型氢钟的预期性能指标