新型的远程时间频率校准系统

摘要

随着我国航天和国防事业的快速发展，对时间频率的精度要求越来越高，同时越来越多的科研机构和专家学者都希望拥有一个更加精确的时间频率参考。中国计量科学研究院(National Institute of Metrology，NIM)拥有3000万年不差一秒的铯原子喷泉钟、多台守时型氢原子钟和铯原子钟，建立和保持高精度的国家时间频率基准(UTC(NIM))。为了更好地让UTC(NIM)更好地服务国家和社会，从可靠性、效率和成本考虑，传统的搬运校准方法存在诸多局限，新型的远程时间频率校准将有广阔的发展空间。本文作者参加了中国计量科学研究院北斗二代重大专项某总体类项目分课题的研究，并参与建立了基于Web的时频比对系统，结合原子钟时频特性理论，实现了新型的远程时间频率校准系统——UTC(NIM)实时驯服校准的铷原子振荡器(UTC(NIM) DisciplinedOscillator，NIMDO)。
　　本文简略介绍了中国计量科学研究院自主研制的全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)时频传递接收机NIMTFGNSS-1和基于Web的时频比对系统，在此基础上搭建了NIMDO系统硬件和软件平台，对NIMDO系统客户端硬件进行了集成，明确了系统的运行环境。深入研究了原子钟时频特性分析方法，包括数据转换、频率准确度评估、稳定性分析、噪声分析和频漂估计;并针对NIMDO系统中使用未驯服状态下的铷原子振荡器与UTC(NIM)的钟差数据进行了分析，全面掌握铷原子振荡器性能，为进一步完成实时远程驯服校准工作做准备。
　　从原子频标的准确度和稳定度这两个重要性能指标出发，将GNSS时频传递接收机的实时数据进行预处理，应用钟差预报算法实时预报铷原子振荡器钟差;依据掌握的铷原子振荡器特性，提出了分阶段铷原子振荡器远程实时驯服校准方案。通过共钟共视比对实验、不共钟零基线比对实验、长基线比对实验模拟验证了新系统的远距离时间频率传递和溯源过程;NIMDO系统性能测试实验对驯服校准完成后输出信号指标进行了测试，得出远程校准后NIMDO系统输出的时间频率信号一天的准确度优于9ns和1.0×10-13，一天的稳定度优于5ns和6.0×10-14;最后完成了新系统不确定度报告，合成标准不确定度小于6.8ns，扩展不确定度小于13.6ns。以上性能指标达到了实验室对时频标准的普遍要求，可作为实验室的时间频率标准。同时，NIMDO系统直接参考了位于中国计量科学研究院的国家时间频率基准UTC(NIM)，这使得实验室很容易把时间频率溯源到国际单位制。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 时间频率计量

1．2 时间频率校准

1．3 国内外发展现状

1．4 研究的背景和意义

1．4．1 研究的背景

1．4．2 研究的意义

1．5 研究的主要内容和重点

2 基本原理及方案设计

2．1 概述

2．2 GNSS时频传递接收机

2．3 基于Web的时频比对系统

2．4 NIMDO系统

2．4．1 NIMDO系统简介

2．4．2 NIMDO系统硬件和软件平台

2．5 系统运行环境

2．6 本章小结

3 NIMDO系统实现

3．1 铷原子振荡器时频特性分析

3．1．1 铷原子振荡器数据转换

3．1．2 铷原子振荡器频率准确度评估

3．1．3 铷原子振荡器稳定性分析

3．1．4 铷原子振荡器噪声分析

3．1．5 铷原子振荡器频漂估计

3．2 数据预处理

3．2．1 NIMDO系统数据来源

3．2．2 相位差和相对频率偏差

3．3 钟差预报的Kalman算法

3．3．1 钟差预报模型

3．3．2 噪声方差阵

3．4 铷原子振荡器驯服校准

3．4．1 初步驯服校准

3．4．2 精确驯服校准

3．5 本章小结

4 实验分析验证

4．1 共钟共视比对实验

4．2 不共钟零基线比对实验

4．3 长基线比对实验

4．4 NIMDO系统性能测试实验

4．5 远程校准系统不确定度评估

4．5．1 不确定度A类评估

4．5．2 不确定度B类评估

4．5．3 不确定度报告

4．6 本章小结

5 总结和展望

参考文献

图索引

表索引

作者简介

学位论文数据集