一种GCRS下Lambda型双向频率传输的高精度相对论模型

高精度时频信号传递是现代物理学、天文学和计量科学所需要的重要技术. 要实现空间高精度时频传递必须考虑相对论效应的影响. 在IAU(国际天文学联合会)2000决议提出的相对论天文参考架下, 结合当今国内外微波和激光链路传递技术, 考察了在信号传递过程中涉及到的相对论效应, 在地心天球坐标系下提出了超高精度的相对论理论模型($1/c^4$量级), 可用于未来高精度频率传递试验. 并在该频率不确定度的前提下结合实例对定轨精度、信号转发间隔等技术指标给出了约束条件, 对于国内未来空间超高精度时频传递以及开展相关的科研任务具有较重要的参考和应用价值.     

欧洲空间原子钟组ACES与超高精度时频传递技术新进展

高精度时间频率的产生和超高精度时频信号的传递是现代物理学、天文学和计量科学的基础。空间原子钟组计划(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)是由欧洲空间局实施的基于国际空间站(International Space Station,ISS)微重力环境下的新型空间微波原子钟实验验证项目。概要介绍ACES项目基本情况,重点介绍ACES项目的主要科学和技术目标,围绕科学目标而形成的ACES组成结构,并梳理涉及的关键技术,特别介绍了ACES将应用的超高精度时频传递技术,为我国自主研究并实现相关空间时间频率系统及其应用提供参考。最后简述了我国正在建设的空间站时频系统主要情况和实施计划。     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段 ,监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用 ,这都离不开广义相对论涉及的时间与空间。随着空间对地观测精度的提高 ,为了充分利用高精度观测提供的信息 ,在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括 :( 1 )相对论参考系的建立 ,( 2 )在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程 (平动和自转 )的描述 ,( 3 )观测者和被观测对象间的电磁信号传播 ,( 4 )依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量间的转换 ,( 5)某些基本概念与定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

时频测量中的相对论效应

目前,实验室所用的原子钟和频率标准的稳定度,比在不同引力势的地方进行时频测量时所要求的相对论改正量要高得多。因此,在高精度(准确度和稳定度接近10~(-13)量级)时频测量中,需要考虑相对论效应改正。这已经不仅是理论概念问题,而是实际应用的需要,特别对空间技术的应用尤其如此。因为在那里将遇到很大的相对速度和不同于地球表面的引力势。本文将简要介绍同时频测量有关的一些相对论概念和改正公式。     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段，监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用，这都离不开广义相对论及的时间与空间。随着空间对地观测精度的，为了充分利用高精度观测提供的信息，在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括：（1）相对论参考系的建立，（2）在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程（平动和自转）的描述，（3）观测者和被观测对象间的电磁信号传播，（4）依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量的转换，（5）某些基本概念在定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

50 m 射电望远镜的时间标准问题的讨论

定量分析了原子钟的时间频率特性产生的守时时差,估算了原子时频标准的守时时差对有关物理量测量所产生的影响．给出了现代实用型原子钟的性能指标比较表,和用现代无线电手段传递、比对时频标准信号达到的指标．论述了高精度时间频率标准在大地、深空间探测、VLBI及毫秒脉冲星计时应用测量中的重要地位、作用．阐述了50 m射电望远镜的科学目标、“嫦娥”1号探月卫星任务对时间标准提出的高精度要求和选用原则．为了实现其科学目标和任务,必须建设与其研究目标相适宜的、标准尽可能高的原子时频标准,才能获得高质量的数据信息和高效能的研究成果．并对建设怎样的时间标准等问题进行讨论和提出具体建议．     

高精度GPS时间传递测定和校准原子钟频率偏差

描述了高精度GPS时间传递进行原子钟频率偏差测定和校准的方法,并介绍了上海天台氢原子钟频率偏差的测试结果,同时比较了两种不同定时接收机（精密的和轻便的）确定原子钟频率偏差的长期测频能力。采用合适的数据处理方法,可以减少SA效应的影响,提高长期测频精度2－4倍,精密GPS定时接收机在1－30天内的校频水平为1.5×10^-13－1.0×10^-14 ,轻便GPS定时接收机在1－10天内的校频水平为2×10^－12－2×10^－13。     

脉冲星在空间飞行器定位中的应用

利用脉冲星钟模型能高精度地预报脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间。基于脉冲星时、空参考架可实现各类空间飞行器的自主导航。讨论了脉冲星钟的模型和脉冲星导航系统的框架结构,描述了脉冲星导航的基本原理和算法。指出脉冲星导航系统对脉冲星脉冲到达探测器时刻的测量精度,是决定空间飞行器位置解算精度的关键因素。脉冲星导航观测采用的原子钟如果足够稳定,则空间飞行器位置的解算方法可以简化。在脉冲星导航系统计时观测精度达到或优于几十微秒量级时,脉冲星视差、相对论效应的影响是不可忽略的。对脉冲星导航系统开发设计中的关键技术和进一步研究的主要问题进行了初步分析和讨论。     

关于使用VFC技术测频的浅析

目前,我们有可能利用 VF 转换技术进行高精度的频率测量,如果把经典比相方法和该技术结合起来,则相位显示的精度将能得到较大的提高,因而频率计数器的±赫误差可被忽略。正因为如此,该方法可进一步扩展经典比相技术的测频精度,所以,这种方法有可能适用于现代原子频标的高精度频率测量。本文讨论了一些有关把检相电压转换为频率以用于测频的有关问题,诸如该方法的基本关系式。主要误差项韵分析和讨论,这又包括了 V—F 转换器件的非线性误差及相位比较系统的噪声电压 Vn,以及系统可能达到的测频灵敏度和该方法的有关一些技术问题。     

一种单站精确测量通信卫星本振频率的方法

星载振荡器频率的测量对利用通信卫星进行标准时间和频率传递有重要的意义,测量的难点是多普勒频移的处理。提出了一种只需要一个地面站而不需要定轨系统就可以精密测量卫星本振频率的方法。根据卫星两个下行信号的频差与多普勒频移的关系,可以计算得到卫星相对于主控站的径向速度。然后测量其中一个下行频率后,就能计算星载振荡器的频率值。实际测量结果表明,这种方法的测量精度优于2.4×10-10。     

高精度国际时间比对的进展

在过去的４５ｙｒ中原子频标的性能大约每７ｙｒ提高一个数量级,从国际标准时间和各国高精度守时的需要出发,远距离的高精度时间频率传递比对技术也有与之相适应的很大的发展。ＧＰＳ卫星在近２０ｙｒ中不仅成为导航定位不可缺少的工具,在时间、频率的方面也发挥出巨大威力;近年来多通道“全视接收”技术的发展钎时频传输比对的稳定性有了重大改善;ＧＬＯＮＡＳＳ卫星系统在高精度时间比对方面正在成为ＧＰＳ系统的重要补充手段     

国外原子时频最新进展

概述了传统原子频标的现状，以及新型原子频标和国际原子时的研究进展，介绍了为适应高精度新型频标和国际原子时的比对需要而开展的远程时频传递技术。     

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。     

导航卫星精密定轨与时间同步技术进展

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)通过播发卫星钟差和精密轨道信息实现时间和空间基准信息向导航用户的传递.随着高精度原子钟等导航卫星载荷、星间链路等天基/地基监测手段以及数据处理方法等技术的不断更新,卫星轨道和钟差产品的精度和实时性也逐步提升. 2018年12月,北斗三号卫星导航系统正式开通,为"一带一路"国家提供实时高精度、高可靠的基本导航定位服务.综述了北斗导航系统从北斗二号区域系统到北斗三号全球系统精密定轨与时间同步处理面临的困难和挑战,针对上述问题,阐述了北斗运行控制系统的解决途径和实现指标.与GPS等其他GNSS系统进行比较,分析了不同导航系统技术特点.最后展望了精密定轨与时间同步技术未来的发展路线图,为更高精度的GNSS导航定位授时服务提供参考.     

IGS产品在GPS时间比对中的应用

在利用GPS CV(GPS Common View)技术进行高精度时间比对时，电离层和卫星位置误差对观测到的卫星信号的影响是不容忽视的，需要对它进行精确的估计和改正．讨论IGS精密星历和CODE全球总电子含量图(TECMAPs)在GPS时间传递中的应用．计算结果表明，采用IGS产品可有效提高单站定时和远距离时间传递的精度。     

中日卫星双向法时间传递与全球TWSTT合作

双向法卫星时间传递(TWSTT)是比 GPS 共视法精度更高的洲际时间频率比对方法,比对精度可达亚毫微秒。国际权度局(BIPM)向世界各国时频实验室推荐使用TWSTT 方法,支持组建亚、欧、美三大洲以及全球的高精度比对网,提高国际原子时的水准。同时,国际秒定义咨询委员会(CCDS)专门成立了 TWSTT 工作组,进行推动     

利用卫星进行双向时间传递

介绍了利用卫星进行双向时间传递方法的原理（TWSTT），包括了电离层延时误差、卫星转发时延、接收机和发射机时延和相对论效应修正误差。作者使用昆明站和临潼站的观测数据进行处理。得到高精度的时间比对。     

基于DSP的小型化高精度频标比对系统研制

针对传统双混频时差法测频的局限性,提出了一种差拍数字化精密频率测量方法,基于正弦差拍技术、同步采样技术和数字信号处理技术设计实现了一种新型频标比对系统,可实现对5MHz、10MHz等频标信号的比对测量。实验结果证明,测量10MHz频标信号时系统本底噪声约为1×10^-12／s。系统拥有测量精度高,体积小以及成本低的特点,在时频测量领域具有良好的推广和应用价值。     

低轨通信卫星多普勒定位性能分析

为了研究低轨通信卫星多普勒定位性能,首先分析了低轨卫星的对地覆盖特性、信号传输特性以及多普勒频移特性,推导了多普勒定位原理和方法,提出了适用于多普勒定位的精度因子.基于已在轨的铱星和全球星系统,解算了全球范围可见卫星数和定位精度因子,并对相应测站进行了定位仿真实验和误差分析.结果表明:对于铱星和全球星系统,随着纬度降低,卫星可见数减小,多普勒几何精度因子变大;多普勒定位结果精度同时受到频率测量精度、卫星位置误差以及卫星速度误差影响,当卫星位置误差小于10 m、卫星速度误差小于0.1 km·s^-1时,对定位结果影响不大,此时频率测量精度成为影响定位精度的决定性因素,且当频率测量精度为0.01 Hz时,定位精度可达1.18 m.     

非坐标方法确定卫星时间信号的传递时延

在卫星电视授时系统方案中，为确定标准秒信号从发射站经卫星到用户接收站的传播时延值，需要知道收，发地面站及卫星的坐标，所以，在高精度的卫星电视授时系统中，需要建立高精度的同步卫星定位网。本文提出在没有卫星定位网的条件下，用非坐标方法来确定卫星时间信号到用户的传递时延，其授时精度为几μｓ。