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守时中的若干重要技术问题研究

作　者: 董绍武
导　师: 李志刚；王正明
学　校: 中国科学院研究生院（国家授时中心）
专　业: 天体测量与天体力学
关键词: 守时标准时间原子钟原子时国际原子时 TAI UTC GPS共视时间频率传递稳定度
分类号: P127.12
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

守时工作是授时服务的基础和核心内容。随着科学技术的发展,高精密时间频率在国民经济发展中的重要性凸显。精密时间在国防现代化,国民经济建设的诸多方面都有着广泛的应用。在很多科学研究领域,在计量和校准领域,以及高精度的事件时间戳等方面,都需要高精度时间基准。精密计时、现代通信、导航定位和计算机自动控制等都离不开精密时间尺度和时间频率测量技术。授时服务体系是一个国家的重要的基本技术支撑,中国科学院国家授时中心的BPL,BPM长短波授时系统是中国科学院大科学装置工程之一,负责我国标准时间和频率的产生、保持和发播任务。标准时间的产生和保持(守时)是授时服务的核心内容,因此开展守时中重要技术问题的研究就具有重要的现实意义。守时做为时间服务工作的核心主要包含了三个方面的内容,首先是用什么样的″钟″来产生并保持一个稳定的时间尺度。当前国际上大多数的守时实验室基本采用商品原子频率标准(包括氢脉泽、铯原子钟、铷原子钟等)来组成守时钟组。其次是时间尺度如何产生,以及将什么时间作为国际标准参考时间,如何得到标准参考时间。关于地方原子时TA(k)的产生,各个实验室根据自身的情况采用不同的方法。而国际上,始于1972年的用加闰秒的新协调世界时(UTC)作为国际标准参考时间至今已30多年,但是究竟用UTC还是直接用TAI或是重新定义新的时间尺度,是近年来国际时间频率领域正在激烈争论的问题。守时工作的第三个方面是本地时间比对和远距离时间同步。本地时间比对主要是本地守时钟时差的比对测量,当前采用的技术主要是时间间隔和相位比对测量方法。远距离时间同步主要用于将全球的钟和不同的时间尺度同步到国际标准时间上来。氢原子钟由于其优良的短期稳定性能和较长的工作寿命因而在时间社会得到了越来越多的重视。然而,如何合理地使用氢原子钟,使其发挥效能则是个非常重要的研究课题。本文通过对氢钟的守时性能和氢铯联合守时方法的研究,获得了有意义的研究成果。研究表明,在用氢钟和铯钟一起来计算地方原子时间尺度时,对于有明显长期速率漂移,但这种漂移在一定程度上具有规律性的氢钟,应该对它们的数据进行预处理。即根据前一段时间的TA(k)-HM的速率线性变化预报所需计算时间段上该钟的速率变化,通过数值积分计算由此速率变化引起的相位时间变化,得到扣除这种相位时间变化后的MC-HM值。用此经过预处理的数据参加地方原子时计算,可以有效地利用长期速率漂移较稳定的氢钟来提高地方原子时的稳定度。另外,使用短稳好而且长期频率漂移一定程度上具有规律性的氢钟作为主钟频率源比用HP5071A铯钟更合适,用简单的频率变化估计和频率驾驭可以得到优质的UTC(k)。原子钟是标准时间产生与保持中的关键设备,NTSC的守时原子钟多年来一直依赖进口,美国作为当今世界上高精密守时钟的主要生产国家对我国实行严格的出口限制。因此,开展国产原子钟的守时应用研究就具有重要的现实意义。通过对上海天文台产氢原子钟性能指标的初步测试,可以看到,经过很多年的努力,国产氢钟的性能有了长足的进步。通过实测数据结果可以看到,两台上海天文台氢钟的短期频率波动比Sigma-tau氢钟略大,与5071A铯钟相当。从而可以看到,国产氢钟仍然有提高其稳定性的潜力,这需要研制单位根据测试结果,特别是长期运行性能来不断加以改进。研究了频率比对时差测量法在NTSC守时系统中的应用,给出了实际测试结果。详细分析了比相法精密频率测量的结果,特别是给出了铯钟和氢钟的对比测试结果,给出了研究结论。在课题进展过程中,建立了主要针对氢原子钟的高精密频率信号测量系统,提高了测量精度。介绍了我国新一代守时及原子时系统的解决方案。主要给出在当前形势和技术条件下守时系统合理的结构;介绍了NTSC时间基准系统结构及实时UTC(NTSC)主钟系统物理实现方法和实际应用;介绍了TA(NTSC)的归算方法及2006年度的稳定度结果;给出了NTSC守时条件控制的考虑因素;最后介绍了我国网络化原子时系统实现的技术路线。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章引言  13-25
  1.1 研究背景、目的和意义  13-19
    1.1.1 研究背景  13-18
    1.1.2 研究的目的和意义  18-19
  1.2 国内外守时技术研究的现状与动态  19-23
    1.2.1 原子守时研究的现状与动态  19-22
    1.2.2 国际原子时 TAI 的发展状况  22-23
    1.2.3 协调世界时 UTC 的发展状况  23
  1.3 论文的主要研究成果及内容安排  23-25
    1.3.1 论文的主要研究成果  23-24
    1.3.2 论文的组织和安排  24-25
第二章守时基本理论和守时技术  25-47
  2.1 原子钟噪声模型  25-30
    2.1.1 定义  25-26
    2.1.2 噪声基本模型  26-27
    2.1.3 Allan 方差的定义  27-28
    2.1.4 噪声的多项式模型  28-29
    2.1.5 动态模型的建立  29-30
  2.2 原子时归算的基本方法  30-38
    2.2.1 时间尺度的基本定义  30
    2.2.2 计算时间尺度的基本原则  30-33
    2.2.3 TA(t)基本方程组的解算  33-34
    2.2.4 权系统的确定  34-36
    2.2.5 方程求解和递归计算  36-37
    2.2.6 重要问题考虑  37-38
  2.3 守时技术  38-42
    2.3.1 守时技术概述  38-39
    2.3.2 现代守时用原子频标  39-40
    2.3.3 主要商品守时钟的性能指标  40-41
    2.3.4 国际原子时 TAI 算法（ALGOS）  41-42
  2.4 精密时间频率测量以及远距离高精度时间比对技术  42-45
    2.4.1 精密时间的本地测量  42-43
    2.4.2 频率比对时差测量  43
    2.4.3 时间尺度间的远距离比对  43-45
  2.5 本章小结  45-47
第三章氢钟守时及氢铯联合守时研究  47-61
  3.1 引言  47-49
  3.2 国外守时氢钟运转情况  49-53
    3.2.1 TAI 计算中取权原则的变化  49-50
    3.2.2 NIST 氢钟运转情况  50-51
    3.2.3 USNO 氢钟运转情况  51-53
  3.3 NTSC 氢钟性能的初步分析  53-54
  3.4 氢铯联合产生时间尺度研究  54-57
    3.4.1 氢钟在 TAI 归算中取权低的原因  54-55
    3.4.2 氢钟速率漂移的处理  55-56
    3.4.3 全铯和氢铯联合归算的比较  56-57
  3.5 氢钟做 NTSC 守时系统主钟研究  57-59
  3.6 本章小结  59-61
第四章国产氢钟性能测试及其守时能力评估  61-71
  4.1 国产氢钟研制进展  61-62
  4.2 国产氢钟的技术改进  62-63
  4.3 国产氢钟性能的初步测试  63-68
    4.3.1 温度效应  63-65
    4.3.2 时差数据统计分析  65-66
    4.3.3 稳定度测量  66-68
  4.4 国产氢钟守时能力评估  68-69
  4.5 本章小结  69-71
第五章频率比对时差测量法研究  71-88
  5.1 钟差测量方法概述  71-74
  5.2 NTSC 的双混频时差测量系统  74-76
    5.2.1 双混频时差测量(DMDT)原理  74-75
    5.2.2 NTSC 的DMDT 测量系统结构  75-76
  5.3 TIC 法和DMTD 法的测量精度比较  76-83
    5.3.1 两种方法钟速率测量结果比较  76-78
    5.3.2 不同采样间隔稳定度比较  78-81
    5.3.3 钟噪声测量结果比较  81-83
  5.4 DMTD 法测量结果分析  83-87
  5.5 本章小结  87-88
第六章我国新一代守时系统研究  88-108
  6.1 问题的提出  88-89
    6.1.1 新一代守时系统特性考虑  88-89
    6.1.2 现有系统存在的问题和不足  89
  6.2 NTSC 新一代守时及原子时系统的组成  89-91
  6.3 实时UTC(NTSC)的产生与控制研究  91-93
    6.3.1 实时 UTC(NTSC)系统组成  91-92
    6.3.2 UTC(NTSC)控制方法  92-93
  6.4 原子时 TA(NTSC)的归算  93-97
    6.4.1 TA(NTSC)算法  93-95
    6.4.2 TA(NTSC)的均匀性  95-97
  6.5 守时条件控制研究  97-99
  6.6 实时 UTC(NTSC)物理信号智能分配  99-102
  6.7 频标性能测试平台建设研究  102-104
  6.8 空天时间平台建设思考  104-105
  6.9 网络化综合原子时系统研究  105-106
  6.10 本章小结  106-108
结论  108-110
参考文献  110-116
发表论文、成果和参与科研项目情况  116-118
致谢  118-119

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