国产氢原子钟移动守时性能测试与分析.pdf
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1、第 11 卷 第 3 期 导航定位学报 Vol.11,No.3 2023 年 6 月 Journal of Navigation and Positioning Jun.,2023 引文格式:李帅辰,武建锋,崔海波,等.国产氢原子钟移动守时性能测试与分析J.导航定位学报,2023,11(3):38-44.(LI Shuaichen,WU Jianfeng,CUI Haibo,et al.Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocksJ.Journal o
2、f Navigation and Positioning,2023,11(3):38-44.)DOI:10.16547/ki.10-1096.20230306.国产氢原子钟移动守时性能测试与分析 李帅辰1,2,武建锋1,3,崔海波1,3,方 婧1,2(1.中国科学院 国家授时中心,西安 710699;2.中国科学院大学 集成电路学院,北京 101408;3.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 101408)摘要:为了进一步研究国产氢原子钟在移动状态下的守时性能,比较静态、动态下氢钟性能的差异:对比分析使用比相仪和计数器采集数据效果的差异;再对比分析氢原子钟在静止和移动状态下频率稳定度
3、的差距;然后测试分析氢原子钟由移动状态进入静止状态初期的频率稳定度;最后对原子钟的 3 种主要噪声进行分析。结果表明,在短期稳定度方面,计数器采集数据的阿伦方差远大于比相仪采集数据的阿伦方差,相差约 2 个量级;移动状态下,氢钟频率稳定度降低 1 个量级左右,短期稳定度下降到-1210量级;由移动过程向静止过程转换的过程中,氢钟钟差数据的阿伦方差处于静止和移动状态下的阿伦方差之间,短期稳定度与静止状态下的阿伦方差处于同 1 个量级,可以达到-1310量级,但这一阶段频率稳定度的波动较大;移动状态下,3 种主要噪声均有增加,调相白噪声的增加量最大,说明调相白噪声对振动比较敏感,移动期间其对频率稳
4、定度的影响较大。关键词:国产氢原子钟;频率稳定度;阿伦方差;移动守时;原子钟噪声类型 中图分类号:P228 文献标志码:A 文章编号:2095-4999(2023)03-0038-07 Measurement and analysis on mobile time keeping performance of domestic hydrogen atomic clocks LI Shuaichen1,2,WU Jianfeng1,3,CUI Haibo1,3,FANG Jing1,2(1.National Time Service Center of Chinese Academy of Sc
5、iences,Xian 710699,China;2.College of Integrated Circuits,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101408,China;3.College of Electrical,Electronic and Communication Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101408,China)Abstract:In order to further study the time keeping
6、 performance of domestic hydrogen atomic clocks in moving state,the paper compared the difference of hydrogen clock performance under static and dynamic conditions:the difference of data acquisition effect between phase comparator and counter was comparatively analyzed;and the difference of frequenc
7、y stability between stationary and moving atomic hydrogen clocks was comparatively analyzed;then the frequency stability of the atomic hydrogen clock at the beginning of its transition from moving state to stationary state was tested and analyzed;finally,three main noises of atomic clocks were analy
8、zed.Results showed that in terms of short-term stability,the Allen variance of the data collected by the counter could be far greater than that by the phase comparator,with a difference of about two orders of magnitude;in moving state,the frequency stability of hydrogen clocks would be reduced by ab
9、out one order of magnitude,and the short-term stability would be reduced to 10-12 order of magnitude;during the transition from a moving process to a stationary process,the Allan variance of hydrogen clock difference data would be between the Allan variance in stationary and moving states,and the sh
10、ort-term stability and the Allan variance in the stationary state could be at the same order of 收稿日期:2022-09-08 第一作者简介:李帅辰(2000),男,陕西西安人,硕士研究生,研究方向为移动守时、数据处理。通信作者简介:武建锋(1976),男,陕西西安人,博士,研究员,博士生导师,研究方向为时间频率与卫星导航。第 3 期 李帅辰,等.国产氢原子钟移动守时性能测试与分析 39 magnitude,which would reach-1310 orders of magnitude,how
11、ever,the frequency stability would fluctuate greatly at this stage;in moving state,the three main noises would all increase,and the increase of white phase modulation noise could be the largest,indicating that white phase modulation noise would be more sensitive to vibration,and it could have a grea
12、ter impact on frequency stability during moving period.Keywords:domestic hydrogen atomic clock;frequency stability;Allen variance;mobile time keeping;atomic clock noise type 0 引言 在当今高度信息化的时代,时间和频率在军用和民用领域的重要性与日俱增,已经成为十分重要的资源1。原子钟作为守时系统中的关键设备,其性能直接影响着守时系统的稳定性。随着时代的发展和国际形势的变化,人们对国产原子钟的性能和适用环境的需求不断提高,在
13、某些特定的使用环境下,如部队作战时,对于移动守时有很高的需求。因此,移动状态下原子钟的守时性能值得研究与分析。目前,在研究和使用中比较成熟的原子钟主要有氢原子钟、铯原子钟和铷原子钟等。本次测试使用的原子钟为氢原子钟,氢原子钟用于输出短期频率稳定度优异的时间频率信号,是氢铯联合守时的主要频率基准设备2。主钟作为精密时频信号生成的频率源,产生信号的短期频率稳定度由频率源自身性能决定,无法通过补偿提高;而长期频率稳定度可以通过不同的驾驭方法补偿改善。所以,选择主钟的依据之一是要有优秀的短期频率稳定度。氢原子钟具有优秀的短期频率稳定度和低噪声特性,因此,氢钟常作为主钟使用3。目前国产氢原子钟已经实现商
14、品化,短期频率稳定度可达132 10量级,在国内各守时机构得到广泛的应用,并且在北斗卫星导航系统中发挥着越来越重要的作用4。在国产氢原子钟的性能测试方面,文献5进行了国产 SOHM-4 型氢钟长期性能的分析,结果表明,频率准确度基本优于-135 10,且线性关系不明显,频率稳定度以天稳计算,处于()-141210之间。文献6对上海天文台主动型氢原子钟的性能进行了分析,性能测试表明,主动型氢原子钟的天稳优于-152 10、温度系数优于-155 10-1,进入了国际先进行列。目前,关于国产氢原子钟的移动性能的研究文章尚未见报道,本文旨在为氢原子钟研究、研制与应用提供移动状态下的氢钟性能指标参考。1
15、 移动守时系统概述 移动守时系统由信号产生分系统、溯源分系统、综合保障分系统以及车辆分系统 4 个分系统组成,为用户提供 1 MHz、5 MHz、10 MHz、1 个秒脉冲(pulse per second,PPS)、网络时间协议(network time protocol,NTP)、精确时间协议(precision time protocol,PTP)等多路时间频率信号,为实验验证、测试应用等提供信号。移动守时车内部系统结构如图 1 所示。图 1 移动守时系统结构 图 1 中信号产生分系统负责产生用户所需的多种时频信号,为实验验证、测试应用等提供信号。其中,以高精度氢、铯原子钟构成守时钟组系
16、统,通过多通道比相仪(以下简称比相仪)、多通 40 导航定位学报 2023 年 6 月 道时间间隔计数器(以下简称计数器)实现原子钟组之间的钟差和相差比对。采用综合原子时算法计算得到纸面时,通过相位微跃器实现主钟物理信号的产生和保持。溯源分系统以原子时标产生分系统输入的时频为参考,通过卫星双向、全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)共视实现与标准时间的溯源比对,并将比对数据提供给原子时标产生分系统。原子时标产生分系统根据溯源比对数据进行二次驾驭,确保系统时间与标准时间的时间偏差保持在一定精度之内。综合保障分系统主要用于为系统运行提供良
17、好的供电和温湿度环境,为系统运行提供可靠的保障。其具备数据采集与监控功能,对各分系统的关键信息进行采集并显示,同时提供原子时控制驾驭软件和时间比对数据处理软件的工作平台。车辆分系统主要用于承载其他分系统设备及提供移动能力,是整个系统的承载平台。移动守时系统信号传输如图 2 所示。图 2 移动守时系统信号传输示意 2 测试环境与测试方法 2.1 测试环境 本次测试在移动守时车上进行,守时车的部分设备如图 3 所示,车上载有 2 台氢钟和 3 台铯钟。车内温度为(244),氢钟配备有恒温箱,温度为(220.1),相对湿度为 40%60%。移动测试中,移动路径为市区内道路,匀速行驶时的速度约为 40
18、60 km/h。守时车部分设备连接情况如图 3 所示。图 3 守时车部分设备连接情况 由于本次测试在移动状态下没有溯源条件,同时为了提高生成时频信号的可靠性,使用 2 台氢钟和 3 台铯钟作为精密时频信号生成的主要频率源,共同生成时频信号,作为时频信号的比对参考。将2 台氢钟和 3 台铯钟的 10 MHz时钟信号先接入主备钟切换装置,通过软件选择和切换主钟;接下来信号进入相位微跃计产生 1 个秒脉冲信号和 10 MHz信号;将 10 MHz信号送入比相仪作为参考信号,将1个秒脉冲信号送入计数器作为参考信号。在静止状态下,选择频率稳定度和准确度最好的氢原子钟为钟组的工作主钟;在移动状态下,根据各
19、钟的稳定度优选主钟(从测试实际情况来看,铯钟通常被选为主钟)。通过钟组内原子钟的比对测量及原子时算法,通过相位微跃计实现原子钟输出频率信号的驾驭,获得稳定、准确的标准频率信号;同时产生标准时间,通过标准时间生成各种时间信号供用时设备使用。2.2 测试方法 表征氢钟性能的指标中最常用的有频率准确度、频率漂移率及频率稳定度等。原子钟是否可以提供长期连续、稳定的时频信号是其能否用于守时系统的最重要的判断条件,因此很多相关研究对原子钟的性能评估主要考察频率稳定度指标。因此,本文以频率稳定度为指标,对氢钟在静止和移动 2 种状态下的性能进行测试与分析。本文使用的氢钟稳定度的测试方法如图 4 第 3 期
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