原子钟技术与工程应用-高连山
原子钟的几种常见类型
原子钟的几种常见类型摘要 本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为ν0，线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟 光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。
在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级m F =0之间的跃迁，它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。
幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素：Rb 85和Rb 87，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz 和6835MHz 的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。
辽宁省沈阳市南昌中学2023—2024学年八年级下学期第一次月考语文卷
2023-2024 学年度上学期八年级语文学科第一次月限时性作业(10月8日）一、积累与运用(15 分)1.下列词语中加点字的字音、字形完全正确的一项是()(2分) A.要塞．(sài) 教诲．(huī) 躁．热(zào) 眼花缭．乱(liáo) B.篡．改(cuàn) 翘．首 (qiào) 畸．形(jī) 深恶痛急．(jí) C. 仲．裁(zhòng) 绯．红(fēi) 黝．黑(yǒu) 杳．无消息(y āo ．．) D. 悄．然(qiāo) 诘．责(jié) 胆怯．．(qiè) 震聋．发聩(zhèn) 2. 依次填入下面语段横线处的词语最恰．当的一项是()(2分)与梅兰荷菊相比，妩媚的桃花似乎少了 的气节；与竹松柏杨相比，逐水的桃花又似乎少了守住一方的 ， ，它打开了一年的时光宝盒，捧出了一个季节，它 ，照亮了整个春天，也照亮了诗人们或黯淡或忧伤的脸。
A. 洁身自好 宁静 所以 脉脉含情B. 洁净自守 宁静 所以 灼灼光华C. 洁身自好 坚定 但是 脉脉含情D. 洁净自守 坚定 但是 灼灼光华3.下列各项中分析正确的一项是( ) (3分)所谓特写，本是摄影、电视、 电影的一种常用手法，①以增强艺术表现力，②使之放大占据整个画面．．．．③指拍摄人或物的某一部分，④形成强烈视觉效果。
新闻特写，是采用类似于特写的手法，以形象化的描写作为主要表现手段，截．取．新闻事件中最．具有价值、最生动感人．．．．、最富有特征的片段和部分予以放大，从而．．鲜明再现典型人物、事件或场景的一种新闻体裁。
新闻特写兼有新闻和．文学的特点，⑤但由于其强调新闻性．．．．．．、时效性和真实性，所以更接近于通讯体裁。
所以，消息和新闻特写并不完全相同。
A.加点的词语“截取”是动词，“最”是副词，“和”是介词。
B.“整个画面” “最生动感人”是偏正短语， “强调新闻性”是补充短语。
下一代星载原子钟的新发展
下一代星载原子钟的新发展翟造成;李玉莹【摘要】高性能原子钟尤其是星栽原子钟,在卫星导航定位系统中起着非常重要的作用.卫星导航定位系统的更新和发展要求更高精度、更小型化的新型星载原子钟.介绍了新物理原理和先进技术以及在新一代卫星导航定位系统和空间科学实验中有应用前景的新型原子钟的产生、发展以及它们目前的研究进展.【期刊名称】《全球定位系统》【年(卷),期】2010(035)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】卫星导航定位系统;新型星载原子钟;稳定度【作者】翟造成;李玉莹【作者单位】中国科学院上海天文台,上海200030;中国科学院上海天文台,上海200030【正文语种】中文【中图分类】TN967.10 引言传统铷原子钟和铯原子钟在卫星导航定位系统中作为星载原子钟已经获得重要应用。
目前GPS和GLONASS系统都在实施卫星“现代化”计划和第三代卫星计划。
这些升级和新建的系统对星载钟的要求更高,如“Galileo”系统的星载钟要求满足3×10-12τ-1/2的频率稳定度,其最好的稳定度“平底”为1×10-14。
这样的稳定度指标,以上所述两种传统的星载原子钟(Rb和Cs)难以达到。
近年来,随着激光冷却与囚禁原子技术发展,以及新物理原理的应用,新型原子钟技术的发展十分迅速,一方面人们在探索性能更高的标准;另一方面努力寻求小型化的新途径。
因此,为了满足高性能卫星导航定位系统的发展,与这些导航系统有关的国家都纷纷实施研制开发新型星载原子钟计划。
我们将介绍最有希望成为下一代星载原子钟的新产品和它的最新进展。
1 星载原子钟的使用现状目前美国GPS和俄罗斯的GLONASS系统的星载原子钟,全部采用两种传统原子钟——谱灯光抽运Rb原子钟和磁选态Cs原子钟,在新建卫星导航定位系统中,如我国的“北斗”,欧盟的“GALILEO”,也都首选传统的Rb原子钟作为星载钟。
这两种传统星载原子钟现已实现3×10-12 τ-1/2的稳定度,这差不多已是这种标准的极限,很难提高。
短稳标准高Q值超导腔的研究
短稳标准高Q值超导腔的研究王暖让;吴琼;杨仁福;年丰;高连山【摘要】针对频率标准用超导腔的设计,通过理论分析及编程计算得到了影响微波腔指标的参数,并对不同温度下微波腔的品质因数(Q值)进行计算得到了温度变化曲线,通过此曲线可以确定达到指标所需要的温度.所设计的微波腔参数为:工作模式为TM010模式,直径D为60mm,高度1为50mm,频率为4.4GHz,Q值在液氦温度4.2K时达到3.9 × 107,在减压降温到2 K时达到1.9×109,实验结果与计算结果吻合.%To design a superconducting cavity with high quality factor for frequency standard, the parameters that affect the ability of the cavity are all achieved through theory analysis and computer program.A curve through which the temperature can be achieved for the aim is got through calculating the quality factor in different temperature.The parameters of cavity are as follows: the mode is TM010, the diameter is 60 mm, the height is 50 mm, the frequency is 4.4 GHz, the quality factor is 3.9 × 107 and 1.9 × 109 when the tem perature is 4.2 K and 2 K, respectively, which is close to the calculation.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2011(032)001【总页数】5页(P70-74)【关键词】计量学;频率标准;振荡器;低温学;超导腔;品质因数【作者】王暖让;吴琼;杨仁福;年丰;高连山【作者单位】北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854;北京无线电计量测试研究所,北京,100854【正文语种】中文【中图分类】TB9391 引言超导腔稳频器(SCSO)具有极高的Q值(107～1011)及非常小的温度系数，因而其短期频率稳定度远远超过了传统原子钟(氢钟、铷钟、铯钟等)，可以达到10-15～10-16/t (1 s<t <1 000 s)[1,2]，是当前最高的短稳(1 s<t <100 s)标准。
星载铷原子钟物理部分热设计
ｄｅ ｉｎ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｓ ｓｇ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ．
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ Ｓ ａ ｅ ｂ ｒ ｅ Ｒｕ ｉ ｉ ｍ ｔｍｉ ｌｃ Ｐ ｙ ｉｓ ｐ ｃ ａ ｅ Ｔｈ ｒ ｌｄ ｓｇ ｙ ｗ ｒ ｐ ｃ ｏｎ ｂ ｄ ｕ ａｏ ｃ ｃｏ ｋ ｈ ｓｃ ａ ｋ ｇ ｅ ｍａ ｅ ｉｎ
２１ ０ ０年 １ ２月
宇航 计 测技 术
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｔ ｎ ｕ ｉ ｔ ｌ ｇ ｎ ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｒ ａ ｒ ａ ｔ Ｍｅ ｒ ｏ ｙ ａ ｄ Ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｏ Ａｓ ｏ ｃ ｏ
Ｄｅ ｃ．， ０１ ２ ０ Ｖ０ ． Ｏ． ． １ ３ Ｎｏ ６
第３ ０卷
ＹＡＮ Ｗ ｅ ｇ Ｚ ｏ Ｉ Ｙａ － ｎ ＨＡＮ Ｊ ｎ Ｃ ｉ ｇ ｚ ｏ ｇ ・ ｉ Ｇ ｎ ＵＩＪｎ ・ｈ ｎ －
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｐｈ ｓｃ ａ ｋ ｇ ｓ ａ ｍｐ ｒａ ｔｐ ｒ ｏ ｐａ ｅ ｂ ｒ ｅ ｒ ｂ ｄ ｕ ａｏ ｃ ｃｏ ｋ，ｔ ｅ ｍａ — ｓｒ ｃ ｙ ｉｓ ｐ ｃ ａ ｅ ｉ ｎ ｉ ｏ ｔ ｎ ａ ｆｓ ｃ ｏ ｎ ｕ ｉ ｉ ｍ ｔｍｉ ｌ ｃ ｔ ｈ ｒ ｌｄｅ
迁 信 号对 Ｃ场 的 敏感 性 将 它 们 排 出锁 相 环 路 捕 捉
铷原 子钟 的工作 原理 框 图见 图 Ｉ 。它 由铷 原子
钟 物理部 分与 电路 部分 组 成 ， 原 子钟 物 理 部 分作 铷
为鉴频器 提供参 考 频率 ， 电路 部 分 相 当 于一 个频 率
锁定 环路将 压控 晶振 的输 出频 率锁 定在铷 原子 钟物
带 以外 ； 慢波 线 圈为原 子跃迁 提供激 励 的微波 信号 。
铷 原子钟 物 理 部 分 是 星 载 铷原 子 钟 的关 键 部
北京大学科技成果——小型化高稳定度光频原子钟
北京大学科技成果——小型化高稳定度光频原子钟项目简介
小型化高稳定度光频原子钟是一项结合小体积和高稳定度优点的时频计量科学仪器设备，性能指标超越传统微波原子钟，基于创新性的研究方案，克服了光晶格钟和离子光钟普遍存在的体积庞大、系统复杂的问题，具有巨大的应用前景和产业化能力。
该项目已实现基于钙、铷、铯不同原子体系的小型化高稳定度光频原子钟。
在钙原子方面，创新性提出热原子能级转移探测方案被国际著名研究单位广泛引用效仿。
在铷、铯原子方面，通过与国内科研机构的项目合作，实现了研究成果处于国际先进水平的小型化高稳定度光频原子钟。
应用范围
小型化高稳定度光频原子钟不仅可以被广泛应用在原子钟传统应用领域，如高速通信网络时间同步、全球卫星导航定位系统、量子精密测量与计量等高端基础科学研究等领域，还可以为下一代通信网
络提供高性能高稳定的时频参考基准，促进国家新一代信息技术战略布局实施。
项目阶段
在国家部委重点项目的支持和创新性研究成果的支撑下，结合良好的研发基础和优秀的技术及管理团队，该项目已实现多套基于钙、铷、铯不同原子体系、不同波长的小型化高稳定度光频原子钟，且实现铷、铯原子小型化高稳定度光频原子钟的产品化，具备成熟的产业化能力，为下一代通信网络提供高性能的时间频率参考。
知识产权
已申请相关专利。
合作方式
合作开发、技术转让、技术许可。
高精度驯服铷原子钟在水电厂的应用
２ 白山发 电厂概 况
白山发 电厂位于吉林 省境 内， 松花 江的上 游 ， “ 厂 、 由 一 两坝 、 四站 ” 成 ， 东北 电网中担负着调 频 、 组 在 调峰和 事故 备 用 的重要任务 。白山电厂总装机容量 ２０万 ｋ 白…一 、 ０ Ｗ， 二 期 电站安装 ５台单机容量 ３ Ｏ万 ｋ 的混流式水轮发电机组 ， Ｗ ＝期 电站安装 ２台单机 １ 三 ５万 ｋ 抽水蓄能机组 ， Ｗ 下游 ３ ｍ ９ｋ
校 时信 号 １Ｐ Ｐ Ｓ和 串 口信号消失 ， 子钟 即可 提供标 准 的时 原 间信号输 出。
失 或接收模 块发生 故障 ，卫 星时钟就 不能可 靠输 出高精度 的对 时信 号。铷原子钟具有很 高的时 间稳定性 ， 以保 持长 可 时 间的时间准确度 ， 但其基准需 要校准 。本文利用高精度 的
中图分类号 ：Ｐ ７ Ｔ ８２
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ：６ ２ ５ ８ （ ０ ２ ０ — １４ ０ １７ — ３ ７ ２ １ ）３ ０ ０ — ２
０ 引 言
随着信息技 术 的不 断进 步 ，以计 算机技 术和通 信技术 为基础 的 自动化装 置得到 了广泛应用 。各种 自动化 监测装
部 １Ｐ Ｐ Ｓ脉冲信号 和标准 时间信号 Ｔ ＸＤ，通过驯 服电路 ， 使 得铷原 子钟 的 １ Ｐ Ｐ Ｓ脉冲输 出不 断跟踪外部 输入 的 １Ｐ Ｐ Ｓ脉
冲信号 。驯服原 理ｊ 网 １ Ｈ １ 所示 ， 一般采用卫 时钟接收机 的 １Ｐ Ｐ Ｓ输 出作 为 铷 原 子 钟 的 输 入 参 考 标 准 ，铷 原 子 频 标 Ｆ 一６０ Ｅ ５ ５ Ａ输 出 的 １ＭＨ ０ ｚ经分 频 得 到 的 １ Ｐ Ｐ Ｓ信 号 参 考 信 号在鉴相 器中进行 比较 ，将二者 的相位 蔗送 到处理 器 巾
空间冷原子钟及其科学应用
载人航天 ２ １ 年第 １ ０１ 期
空 间冷原子钟及其科学应用
吕德 胜 刘 亮 王 育 竹
（ 中国科 学 院上海 光 学精 密机 械研 究所 ）
摘 要 空 间冷 原子 钟是 利 用 空间微 重 力环 境 实现 的喷 泉 冷原 子钟 。作 为 空 间精 度 最
高的频 率标 准 ，在微 重 力环境 下 ，原子 和 微 波相 互 作 用 时 间的增 加 将极 大提 升 冷原 子钟 的 稳 定度 。 简述 了空 间冷原 子钟 原 理 ，介 绍 了基 于 空 间站 的 高精度 冷原 子钟 和 双 向微 波 传输 系统在 高技 术 和基 础物 理 方面 的应 用。
４ ７
载人航天 ２ １ 年第 １ ０１ 期
振 荡器
成果 应用
比一 定情 况下 ， 得 的鉴 频谱 线越 窄 ， 获 原子 钟性 能就 越好 。图 １ｂ和图 １ｃ说 明了原子 与单个 微波 腔 和 － －
号输出
ａ： 校准信 号 ）
分离微 波 腔作用 情 况下取 得 的鉴频 谱 线宽度 。可 以 看 出 ，原 子和微 波 相互作 用 时 间越 长 和谱 线谱 线宽 度是 反 比关 系 。 目前一般 商 品原子 钟 都是利 用 热原
原 子 和 微 波相 互 作 用
ｊ ） 固 ：
—
鉴频 谱线１
子样 品 ， 热运 动速 度一般 在 每秒几 百 米 ， 用 激光 其 利 冷却 后 的原 子 样 品 热 运 动 速 度 一 般 在 每 秒 几 个 厘
的活动 范 围越 广泛 ， 对计 时标 准 的要 求 就越高 。 目前 投人 应 用 的精 度 最 高 的原 子 钟是 喷 泉 钟 ， 各 国喷 泉钟 实 现 国际秒 定 义 准确 度 在 （．～）１ ０６ ３ｘ ０ ｓ 之 间ｆ １ 。喷泉 钟有 如此 高 的精度 主要 原 因是激 光 冷 却 技术 的应 用 ， 以前 的铯束原 子 钟相 比 ， 和 冷原 子 喷
基于WUM精密钟差产品的BDS-3星载原子钟性能评估
doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2023.05.005引用格式:武子谦,唐成盼,张京奎,等.基于WUM 精密钟差产品的BDS-3星载原子钟性能评估[J].无线电工程,2023,53(5):1032-1040.[WU Ziqian,TANG Chengpan,ZHANG Jingkui,et al.Performance Evaluation of BDS-3Atomic Clocks Based on WUMPrecise Clock Products [J].Radio Engineering,2023,53(5):1032-1040.]基于WUM 精密钟差产品的BDS-3星载原子钟性能评估武子谦1,2,唐成盼3∗,张京奎1,2,盛传贞1,2(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,河北石家庄050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;3.中国科学院上海天文台,上海200030)摘㊀要:导航卫星星载原子钟的在轨性能直接影响导航系统定位㊁导航与授时(Position,Navigation and Timing,PNT)服务的精度和稳定性㊂基于武汉大学MGEX 分析中心发布的精密卫星钟差产品,对BDS-3卫星星载原子钟的频率稳定性㊁钟差预报精度和钟速变化特征开展了分析评估㊂对GPS III 和Galileo FOC 卫星的星载原子钟性能开展分析,并与BDS-3的星载原子钟性能进行了对比㊂结果表明,BDS-3PHM 的平均天稳定度为4.62ˑ10-15,7d 钟差预报精度为2.3ns,10d 钟率变化为1.79ˑ10-14s /s,其长期性能优于GPS III 和Galileo FOC 星载原子钟㊂值得指出的是,BDS-3C19RAFS 的在轨性能远优于其他BDS-3RAFS㊂关键词:北斗三号;原子钟;被动型氢原子钟;阿伦方差中图分类号:TP391.4文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID ):文章编号:1003-3106(2023)05-1032-09Performance Evaluation of BDS-3Atomic Clocks Based onWUM Precise Clock ProductsWU Ziqian1,2,TANG Chengpan3∗,ZHANG Jingkui1,2,SHENG Chuanzhen 1,2(1.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology ,Shijiazhuang 050081,China ;2.The 54th Research Insitute of CETC ,Shijiazhuang 050081,China ;3.Shanghai Astronomical Observatory ,Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 200030,China )Abstract :The in-orbit performance of satellite clock directly affects the accuracy and stability of Positioning,Navigation andTiming (PNT)service of navigation system.Based on the precise clock products released by the MGEX Analysis Center (AC)ofWuhan University (WUM),the frequency stability,clock prediction accuracy and clock rate variation characteristics of BDS-3onboardatomic clocks are analyzed.The performance of the first GPS III and the four most-recent Galileo FOC onboard clocks are investigated,the results of which are compared with that of BDS-3.Results show that the average 86400-s frequency stability,7-day clockprediction accuracy and 10-day clock rate variations of BDS-3PHMs are 4.62ˑ10-15,2.3ns and 1.79ˑ10-14s /s,respectively,whichindicate a better long-term performance than that of the GPS III and the four most-recent Galileo FOC clocks.It is worth noting that thein-orbit performance of the BDS-3C19RAFS is far superior to that of other BDS-3RAFSs.Keywords :BDS-3;atomic clock;PHM;Allan variance收稿日期:2022-12-05基金项目:河北省省级科技计划项目(206Z0303G)Foundation Item:Hebei Provincial Science and Technology Project(206Z0303G)0㊀引言星载原子钟作为导航卫星的核心载荷,对导航系统的时间基准建立及维持,及其定位㊁导航与授时(Position,Navigation,and Timing,PNT)服务等方面具有至关重要的作用㊂卫星导航系统星载原子钟的在轨性能在很大程度上决定了其PNT 服务的精度和稳定度㊂Galileo 系统的星载原子钟故障曾导致其多次停止提供服务,严重影响了该系统的地面和空间用户的使用效果[1]㊂作为新一代卫星导航系统,星载原子钟性能升级是北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的重要改进之一[2-3]㊂BDS-3采用高精度铷原子钟(Rubidium Atomic Frequency Standard,RAFS)和被动型氢原子钟(Passive Hydrogen Maser,PHM)作为卫星的主用载荷㊂GPS系统采用少数长期稳定性较高的铯钟作为系统时间维持的基准,采用大量短期稳定性较好的铷钟作为导航定位授时服务主用载荷㊂绝大多数Galileo卫星以PHM作为其主钟,少数几颗卫星以RAFS作为卫星的主用载荷㊂国内外学者针对BDS-2㊁BDS-3试验卫星系统㊁GPS㊁Galileo㊁QZSS等各GNSS系统的卫星星载原子钟开展了性能评估研究,主要评估指标集中在频率稳定度和短期预报精度两方面[4-9]㊂用于开展分析评估的卫星钟差产品一般分2种:定轨和时间同步(Orbit Determination and Time Synchronization, ODTS)和卫星双向时间同步(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer,TWSTFT)方法解算的卫星钟差序列㊂ODTS卫星钟差产品中耦合卫星轨道误差,会影响其长期稳定度分析的结果[10]㊂而TWSTFT卫星钟差产品,由于Ka测距噪声较大会使得短期频率稳定度评估结果变差[11]㊂此外,钟差序列的采样间隔㊁间断时间序列等因素也会影响原子钟频率稳定度评估结果[12]㊂针对长期自主导航应用需求,除了评估频率稳定度和钟差短期预报精度外,还需对中长期钟差预报和卫星钟速变化特征开展分析㊂在评估方法上,针对钟差数据缺失的情况,本文不人为采用数据内插的方法补齐时间序列,以避免引入其他误差[13]㊂在分析频率稳定度时,基于二次多项式拟合剥离频率漂移的影响,更准确地评估RAFS的长期稳定性㊂星钟的频率漂移特性由钟速变化特征体现㊂此外,对首颗GPS III卫星和最新的4颗Galileo卫星的星载原子钟开展在轨性能评估,并与BDS-3卫星星载原子钟性能开展比较分析㊂1㊀卫星钟差模型与评估方法1.1㊀卫星钟差模型本文采用二次多项式模型作为卫星钟差模型㊂实际上,大多数GNSS都采用该模型来表示其广播时钟㊂卫星钟差模型可以表示为:clki=a0+a1(t-t c)+a2(t-t c)2+υi,(1)式中:clk i为t时刻的卫星钟差,t c为钟差模型的参考时刻,a0为t c时刻的卫星钟差,a1为t c时刻该钟的钟速(频偏)参数,a2为t c时刻该钟的频漂参数㊂对于卫星钟差预报,采用线性或二次多项式拟合计算卫星钟差预报参数㊂然后,利用相应的钟差模型生成钟差预报的时间序列,再与精确的钟差序列比较,统计不同时间尺度下的卫星钟差预报精度㊂在分析卫星钟速率变化特征时,鉴于原子钟在1h 内的频率漂移可以忽略不计,用线性函数估计每小时的时钟率,并将起始时刻的钟速与零对齐,比较分析各卫星钟差的钟速变化特征㊂1.2㊀钟差数据预处理分析中心发布的GNSS卫星钟差产品大都是以天为单位计算和发布㊂由于受到各天的初始条件㊁不同量级的大气㊁多路径等误差的影响,导致解算的钟差序列中通常会在天与天的交界处出现跳变现象,称为 天间跳变 [14]㊂卫星钟差序列的天间跳变现象十分频繁,且达ns量级㊂这些误差会对基于连续多天钟差数据的卫星钟性能评估造成严重影响,从而大大低估卫星钟的在轨性能㊂因此,在评估钟差各类性能之前,需要首先对各卫星钟差序列的天间跳变进行修复㊂此外,还需对钟差序列中的异常值进行探测和剔除㊂在对卫星钟差序列异常值探测预处理时,首先将卫星钟差序列由时域转换到频率域,使用5倍中位数(MAD)探测粗差㊂中位数可表示为:MAD=Median{|yi-m|/0.6745},(2)式中:y i为频率域钟差序列值,m为钟差序列的中间数,即m=Median{y i}㊂当观测量|y i|>(m+ n㊃MAD)时(本文n=5),认为是粗差点,将该钟差值剔除㊂在频域将异常值探测并剔除后,再转回时间域,获取一个 干净 的卫星钟差时间序列㊂1.3㊀频率稳定性模型频率稳定性反映了卫星时钟在时间和频率域的相位和频率波动的特征㊂Allan方差是频率稳定性的最常用的时域测量方法㊂不同于其他类型的频率稳定性模型,Allan方差对大多数类型的时钟噪声都收敛,能够更贴切地反映卫星钟的频率稳定性[15]㊂因此,本文采用Allan方差进行频率稳定性分析㊂Allan方差可以表示为[16]:σ2y(τ)=12(N-2)τ2ðN-2i=1[x i+2-2x i+1+x i]2,(3)式中:x i为第i个钟差数据,τ为平滑时间,σy(τ)为Allan方差㊂2㊀评估所用数据卫星精密钟差产品作为星载原子钟性能评估的数据源,其解算精度在很大程度上影响性能评估的结果㊂因此本文基于当前发布产品精度最高的IGS MGEX分析中心的钟差序列开展在轨性能评估㊂MGEX分析中心发布包含GPS㊁BDS㊁Galileo等多导航系统的精密轨道和钟差产品[17]㊂本文基于武汉大学MGEX分析中心(WUM)2019年12月18 28日的精密钟差产品[18],对BDS-3卫星的星载原子钟的在轨性能开展评估,其星载原子钟信息如表1所示㊂此外,本文对首颗GPS III卫星和最新发射的4颗Galileo FOC卫星的星载原子钟在轨性能开展分析,并与BDS-3的星载原子钟性能进行对比㊂分别选取IGS和COD分析中心发布的最终精密钟差产品评估GPS III和Galileo FOC的星载原子钟的在轨性能㊂为了排除钟差产品采样间隔对评估结果的影响,WUM㊁IGS和COD的卫星钟差产品的采样间隔设置为30s㊂表1㊀BDS-3卫星星载原子钟信息统计Tab.1㊀Statistics of onboard atomic clock information of BDS-3satellite卫星编号PRN主钟制造商BDS3-M1C19RAFS CASTBDS3-M2C20RAFS CASTBDS3-M3C21RAFS CASTBDS3-M4C22RAFS CASTBDS3-M5C23RAFS CASTBDS3-M6C24RAFS CASTBDS3-M7C27PHM SECMBDS3-M8C28PHM SECMBDS3-M9C29PHM SECMBDS3-M10C30PHM SECMBDS3-M11C25PHM SECMBDS3-M12C26PHM SECMBDS3-M13C32RAFS CASTBDS3-M14C33RAFS CASTBDS3-M15C34PHM SECMBDS3-M16C35PHM SECMBDS3-M17C36RAFS CASTBDS3-M18C37RAFS CAST3㊀钟差序列噪声分析在开展星钟性能评估前,对卫星钟差时间序列进行数据完整性检查和噪声分析㊂首先,检查卫星钟差时间序列的完整性㊂考虑到BDS-3C32和C37的钟差时间序列在所选评估时段缺失数据较多,因此本文不对其进行评估㊂然后,采用小时尺度的二次拟合计算拟合残差,以此分析卫星钟差时间序列的随机噪声水平㊂BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC卫星钟差时间序列的随机噪声水平如表2所示㊂表2㊀卫星钟差时序的随机噪声水平Tab.2㊀Random noise level in the satellite clock offset time series单位:ns分析结果表明,BDS-3和Galileo FOC的卫星钟差时间序列的噪声水平分别为0.014㊁0.011ns㊂GPS III卫星钟差时间序列的随机噪声为0.021ns,其噪声水平大于BDS-3和Galileo FOC星钟㊂因此,对GPS III卫星的钟差序列进行了进一步分析,如图1所示㊂图1㊀GPS III卫星钟差时间序列随机噪声序列(2019年12月18—28日)Fig.1㊀Random noise of the GPS III clock offset time series between December18and28,2019 GPS III G04卫星的钟差时间序列在2019年12月18日17:00时突然出现噪声增大的现象,并持续到次日21:00,导致G04钟差时间序列产生了较大的随机噪声㊂该现象并不属于存在异常值的情形,可能是卫星钟存在特殊操作导致,因此基于5-MAD的预处理方法无法消除该段连续异常的数据㊂为了避免影响评估结果,清除了该段异常数据㊂剔除异常时段后,G04时钟序列的随机噪声降低至0.017ns㊂对于最新的4颗Galileo 卫星钟差时间序列,拟合残差并未显示异常㊂然而,4颗Galileo 卫星钟的频率时间序列在2019年12月26日均出现了异常发散的现象,如图2所示㊂(a )E13卫星钟频域时序(b )E15卫星钟频域时序(c )E33卫星钟频域时序(d )E36卫星钟频域时序图2㊀Galileo 卫星钟频域时序Fig.2㊀Frequency time series of four most-recent Galileosatellite clocks为了保证Galileo 星载原子钟性能评估的准确性,在数据分析前剔除了Galileo 卫星相应时段的卫星钟差数据㊂数据预处理后,BDS-3㊁GPS III 和最新4颗Galileo 星载原子钟的时钟频域序列如图3所示㊂(a )BDS-3C19卫星钟频域时序(b )BDS-3C20卫星钟频域时序(c )BDS-3C21卫星钟频域时序(d )BDS-3C22卫星钟频域时序(e )BDS-3C23卫星钟频域时序(f )BDS-3C24卫星钟频域时序(g )BDS-3C25卫星钟频域时序(h )BDS-3C26卫星钟频域时序(i )BDS-3C27卫星钟频域时序(j )BDS-3C28卫星钟频域时序(k )BDS-3C29卫星钟频域时序(l )BDS-3C30卫星钟频域时序(m)BDS-3C33卫星钟频域时序(n)BDS-3C34卫星钟频域时序(o)BDS-3C35卫星钟频域时序(p)BDS-3C36卫星钟频域时序(q)GPS G04卫星钟频域时序(r)Galileo E13卫星钟频域时序(s)Galileo E15卫星钟频域时序(t)Galileo E33卫星钟频域时序(u)Galileo E36卫星钟频域时序图3㊀BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC卫星钟频域时序Fig.3㊀Frequency time series of BDS-3,GPS III and Galileo FOC satellite clocks4㊀性能评估结果4.1㊀频率稳定性本文采用经典的Allan方差评估BDS-3㊁GPS III 和Galileo FOC卫星星载原子钟的频率稳定性㊂在计算过程中,不采用插值的方法重建缺失时段的钟差数据,以免引入其他的偏差,只使用现有的钟差时间序列计算Allan方差,该方法可对卫星钟的频率稳定性进行精准的评估㊂在评估RAFS的频率稳定性之前,通过消除其二阶项的方法去除卫星钟差时间序列的漂移趋势㊂BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC 原子钟的频率稳定性如表3和图4所示㊂表3㊀BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC星载原子钟频率稳定性统计结果Tab.3㊀Frequency stability of BDS-3,GPS III and Galileo onboard atomic clocksPRN主钟平滑时间1000s10000s86400s C19RAFS 5.28ˑ10-14 2.00ˑ10-147.89ˑ10-15 C20RAFS 4.27ˑ10-14 2.52ˑ10-14 1.29ˑ10-14续表PRN主钟平滑时间1000s10000s86400s C21RAFS 5.39ˑ10-14 2.09ˑ10-14 1.16ˑ10-14 C22RAFS 4.10ˑ10-14 2.81ˑ10-14 1.17ˑ10-14 C23RAFS 4.00ˑ10-14 2.91ˑ10-148.91ˑ10-15 C24RAFS 3.44ˑ10-14 3.08ˑ10-149.11ˑ10-15 C25PHM 4.00ˑ10-14 2.47ˑ10-14 6.00ˑ10-15 C26PHM 4.20ˑ10-14 2.37ˑ10-14 4.29ˑ10-15 C27PHM 3.64ˑ10-14 2.24ˑ10-14 4.23ˑ10-15 C28PHM 3.80ˑ10-14 2.10ˑ10-14 3.47ˑ10-15 C29PHM 3.81ˑ10-14 2.23ˑ10-14 4.03ˑ10-15 C30PHM 3.88ˑ10-14 2.26ˑ10-14 3.62ˑ10-15 C33RAFS 3.89ˑ10-14 2.76ˑ10-14 1.12ˑ10-14 C34PHM 4.98ˑ10-14 2.75ˑ10-14 4.76ˑ10-15 C35PHM 4.59ˑ10-14 2.59ˑ10-14 6.56ˑ10-15 C36RAFS 5.62ˑ10-14 2.66ˑ10-148.61ˑ10-15 G04RAFS 4.41ˑ10-14 2.05ˑ10-14 6.10ˑ10-15 E13PHM 2.86ˑ10-14 1.73ˑ10-14 6.75ˑ10-15 E15PHM 2.28ˑ10-14 1.52ˑ10-14 5.04ˑ10-15 E33PHM 3.24ˑ10-14 1.72ˑ10-14 5.19ˑ10-15 E36PHM 2.87ˑ10-14 1.70ˑ10-14 6.04ˑ10-15(a)BDS-3/GPS III卫星铷钟Allan 方差(b)BDS-3/Galileo卫星氢钟Allan方差图4㊀BDS-3/GPS III星载铷钟和BDS-3/Galileo星载氢钟Allan方差Fig.4㊀Allan variances of BDS-3/GPS III RAFSs and BDS-3/Galileo PHMs分析结果表明,BDS-3RAFS和PHM的千秒稳的波动分别为3.44ˑ10-14~5.62ˑ10-14和3.64ˑ10-14~4.98ˑ10-14,其千秒稳平均值分别为4.50ˑ10-14和4.11ˑ10-14㊂Galileo FOC PHM的千秒稳波动为2.28ˑ10-14~3.24ˑ10-14,其千秒稳平均值为2.81ˑ10-14㊂GPS III RAFS的千秒稳为4.41ˑ10-14㊂BDS-3RAFS的千秒稳平均值与BDS-3PHM和GPS III RAFS相当,而Galileo FOC PHM表现出更好的千秒稳定性㊂BDS-3RAFS和PHM的万秒稳的波动分别为2.00ˑ10-14~3.08ˑ10-14和2.10ˑ10-14~2.75ˑ10-14,其万秒稳平均值分别为2.60ˑ10-14和2.38ˑ10-14㊂Galileo FOC PHM的万秒稳波动为1.52ˑ10-14~1.73ˑ10-14,其万秒稳平均值为1.67ˑ10-14㊂GPS III RAFS的万秒稳为2.05ˑ10-14,与Steigenberger等[19]的评估结果基本一致㊂Galileo FOC PHM的平均万秒频率稳定性优于其他卫星钟㊂BDS-3RAFS和PHM的天稳的波动分别为7.89ˑ10-15~12.90ˑ10-15和3.47ˑ10-15~6.56ˑ10-15,其天稳平均值分别为10.24ˑ10-15和4.62ˑ10-15㊂Galileo FOC PHM的天稳波动为5.04ˑ10-15~6.75ˑ10-15,其天稳平均值为5.76ˑ10-15㊂GPS III RAFS的天稳为6.10ˑ10-15㊂BDS-3PHM的平均天稳略优于GPS III RAFS和Galileo FOC PHM,但相比之下,BDS-3RAFS天稳定性相对较差㊂4.2㊀钟差预报精度导航卫星的钟差预报精度是直接影响其服务精度的重要因素㊂因此,对BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC卫星钟差的短期㊁中期和长期的预报精度开展评估㊂短㊁中㊁长期卫星钟差预报分别基于每2㊁24h 和3d的卫星钟差数据,预报之后的2㊁10h和7d 的卫星钟差㊂其中,短期和长期钟差预报分别采用线性和二次多项式卫星钟差模型㊂RAFS和PHM 的中期卫星钟差预报分别采用二次拟合模型和线性钟差模型㊂BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC卫星钟差的预报精度如表4和图5所示㊂表4㊀BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC钟差预报精度统计结果Tab.4㊀Prediction accuracies of BDS-3,GPS III and Galileo satellite clocks单位:ns PRN短期预报精度中期预报精度长期预报精度C190.150.47 3.57C200.160.3810.08C210.150.44 5.53C220.160.62 6.72C230.150.43 4.24C240.150.45 4.63C250.170.31 3.13C260.170.23 2.00C270.150.23 1.81C280.140.19 2.14C290.150.21 2.48C300.150.20 1.38C330.150.677.64C340.170.26 2.82C350.170.36 2.65C360.170.44 5.92G040.140.40 3.50E130.110.25 4.26E150.100.238.34E330.110.26 3.50E360.100.23 3.86(a)卫星钟差短期预报精度(b)卫星钟差中期预报精度(c)卫星钟差长期预报精度图5㊀BDS-3/GPS III/Galileo星载原子钟短期㊁中期和长期钟差预报精度Fig.5㊀Clock prediction accuracies of short-term,medium-term,and long-term BDS-3/GPS III RAFS andBDS-3/Galileo PHM分析结果表明,BDS-3RAFS与PHM的短期预报精度相当,2h预报精度平均值均为0.16ns㊂GPS III RAFS的短期预报精度为0.14ns㊂Galileo FOC PHM的短期钟差预报精度略好于BDS-3和GPS III,其平均预报精度为0.11ns,这可能得益于其钟差序列的低随机噪声水平㊂卫星钟差中期预报精度统计结果表明,BDS-3 RAFS与GPS III RAFS精度基本相当,其平均精度分别为0.49㊁0.40ns㊂BDS-3PHM和Galileo FOC PHM的中期预报精度相当,其平均精度分别为0.25㊁0.23ns㊂㊀BDS-3PHM的钟差长期预报平均精度为2.3ns,优于BDS-3RAFS㊁GPS III RAFS和Galileo FOC PHM(E15除外),其平均预报精度分别为6.04㊁3.50㊁3.87ns㊂由于Galileo E15卫星存在长时间的钟差数据缺失,因此无法正确评估其长期钟差预报精度㊂4.3㊀钟速变化分析卫星钟速变化表示星载原子钟在一段时间内的频率偏差,是卫星钟长期守时能力的一个重要指标㊂本节分析了BDS-3㊁首颗GPS III和最新4颗Galileo FOC卫星星载原子钟的钟速变化特征㊂星载原子钟的10d时钟速率变化统计结果如表5和图6所示㊂表5㊀BDS-3㊁GPS III和Galileo FOC星载原子钟钟速变化统计结果Tab.5㊀Clock rate variations of BDS-3,GPS III and Galileo onboard atomic clocks单位:s/sPRN主钟10d钟速变化C19RAFS8.24ˑ10-14C20RAFS-1.41ˑ10-12C21RAFS-1.13ˑ10-12C22RAFS-1.29ˑ10-12C23RAFS-1.96ˑ10-12C24RAFS-1.21ˑ10-12C25PHM 4.30ˑ10-14C26PHM 1.11ˑ10-14C27PHM-2.22ˑ10-14C28PHM-1.52ˑ10-14C29PHM-3.57ˑ10-15C30PHM-3.33ˑ10-14C33RAFS-1.07ˑ10-12C34PHM-9.89ˑ10-15C35PHM-4.92ˑ10-15C36RAFS-1.16ˑ10-12G04RAFS-3.30ˑ10-13E13PHM 2.31ˑ10-14E15PHM 2.36ˑ10-14E33PHM 5.09ˑ10-14E36PHM 1.12ˑ10-14(a)BDS-3/GPS III 卫星铷钟钟速变化(b)BDS-3/Galileo卫星氢钟钟速变化图6㊀BDS-3/GPS III RAFS和BDS-3/Galileo PHM钟速变化特征Fig.6㊀Features of clock rate variations of BDS-3/GPS III RAFS and BDS-3/Galileo PHM分析结果表明,BDS-3RAFS和PHM的10d钟速变化分别为1.16ˑ10-12㊁1.79ˑ10-14s/s㊂该结果表明,BDS-3PHM的频率漂移比BDS-3RAFS约小2个数量级㊂其中,相比于其他的BDS-3PHM,C29和C35的钟速变化极小㊂GPS III RAFS和Galileo FOC PHM的10d钟速变化分别为3.30ˑ10-13㊁2.72ˑ10-14s/s,其频率漂移均大于BDS-3PHM㊂值得注意的是,BDS-3C19RAFS的10d时钟率变化远小于其他BDS-3RAFS㊂5㊀结束语本文从频率稳定性㊁钟差预报精度和钟速变化特征3个方面对BDS-3㊁首颗GPS III和最新4颗Galileo FOC卫星的星载原子钟在轨性能进行了全面研究分析,得到的主要结论如下:①BDS-3PHM的平均天稳定性为4.62ˑ10-15,略好于首颗GPS III和最新4颗Galileo FOC卫星的天稳定性;Galileo FOC PHM的千秒稳和万秒稳指标优于BDS-3和GPS III星载原子钟;GPS III RAFS的千秒稳和万秒稳指标与BDS-3PHM相当㊂②BDS-3PHM2㊁10h和7d钟差预报精度分别为0.16㊁0.25㊁2.3ns,其短期和中期预报精度与Galileo FOC PHM相当,其长期钟差预报精度优于GPS III和Galileo FOC卫星星载原子钟㊂③BDS-3RAFS和PHM的10d钟速变化分别为1.16ˑ10-12㊁1.79ˑ10-14s/s;BDS-3PHM的频率漂移约比BDS-3RAFS小2个数量级,具有更加稳定的长期守时能力;GPS III RAFS和Galileo FOC PHM的10d钟速变化分别为3.30ˑ10-13㊁2.72ˑ10-14s/s,表明其卫星钟的长期守时能力差于BDS-3 PHM㊂㊀④值得注意的是,BDS-3C19RAFS的在轨性能远好于其他RAFS,特别是在频率稳定性和10d钟速变化2个指标上,其性能可与BDS-3PHM媲美㊂综上所述,BDS-3RAFS的短期在轨性能与GPS III RAFS相当,BDS-3PHM的长期在轨性能优于首颗GPS III和最新4颗Galileo FOC卫星的星载原子钟㊂参考文献[1]㊀熊定喜,郭树人,康立.Galileo卫星星钟故障前后信号质量分析[J].飞行器测控学报,2017,36(6):432-441.[2]㊀YANG Y X,GAO W G,GUO S R,et al.Introduction toBeiDou-3Navigation Satellite System[J].Navigation,2019,66(1):7-18.[3]㊀CHEN J P,HU X 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原子钟的新精度博士生实现了一种更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域
原子钟的新精度博士生实现了一种更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域原子钟的新精度原子钟是一种利用原子物理过程来测量时间，具有极高的精度和稳定性。
近年来，博士生们在原子钟技术的研究中取得了重大突破，实现了更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域。
本文将重点介绍这一新技术的原理和应用前景。
一、原子钟技术简介原子钟是利用原子（通常为铷、铯等元素）的稳定原子能级进行时间测量的设备。
其基本原理是通过一个非常稳定的振荡系统，将原子的电磁振动频率转换为时间单位，并与标准时间进行比较，从而精确地测量出时间。
二、博士生实现的新技术博士生们在原子钟技术的研究中提出了一种更高精度的方法。
他们通过控制原子的能级转换时间，减小了原子钟的频率误差。
同时，他们优化了原子钟的振荡系统，提高了稳定性和精度。
具体来说，他们利用精确的激光技术，操纵原子的能级转换频率，使其与参考时钟保持同步。
此外，他们还引入了一种新型的温度控制技术，用于降低原子钟受温度影响的误差，进一步提高了精度。
三、应用前景新精度的原子钟技术在导航和通信领域具有广泛的应用前景。
在导航领域，原子钟被广泛应用于全球卫星导航系统（GNSS）中。
GNSS依赖于卫星上的原子钟来提供准确的时间和位置信息。
原子钟的更高精度将使GNSS在航空、航海和地理测量等领域的精度得到大幅提升，提供更可靠的导航服务。
在通信领域，原子钟的高精度对于数据传输的同步和精确计时至关重要。
例如，高频交易等金融交易需要纳秒级的时间同步，而原子钟的更高精度将能够满足这一需求。
此外，原子钟还被用于天文观测、科学实验等领域，为相关研究提供准确的时间基准。
总之，博士生们实现的更高精度的原子钟技术为导航和通信领域带来了巨大的进步。
其应用前景广阔，将为人们的生活和科技发展带来更精确和可靠的时间标准。
随着技术的不断进步，相信原子钟的精度还会不断提高，为人类带来更多惊喜和便利。
蓝宝石氢钟的性能分析及研制
蓝宝石氢钟的性能分析及研制
王孟芝;高连山;周铁中;吕宇涛;部英男
【期刊名称】《宇航计测技术》
【年(卷),期】2009(029)001
【摘要】主要阐述了国产化蓝宝石氢钟产品化研制工作,并针对目前的情况及存在的关键问题进行了分析和论述,同时展望了蓝宝石氢钟实现产品化的进一步发展前景.
【总页数】3页(P43-45)
【作者】王孟芝;高连山;周铁中;吕宇涛;部英男
【作者单位】北京无线电计量测试研究所,北京,100039;北京无线电计量测试研究所,北京,100039;北京无线电计量测试研究所,北京,100039;北京无线电计量测试研究所,北京,100039;北京无线电计量测试研究所,北京,100039
【正文语种】中文
【中图分类】TM935.115
【相关文献】
1.我国氢钟研制现状与用于卫星导航的可行性 [J], 翟造成
2.Q增强型氢钟锁相接收机的研制 [J], 万斌;林传富
3.高性能氢钟频率信号分配放大器的研制 [J], 蔡勇;吴轶东;张燕军;谢彦
4.上海天文台氢钟的研制现状及其应用前景 [J], 贯士俊;翟造成
5.上海天文台氢钟的研制现状及其应用前景 [J], 贯士俊;翟造成
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原子钟:计量时间的“千分尺”
原子钟：计量时间的“千分尺”
张照星;唐东
【期刊名称】《科学中国人》
【年(卷),期】2022()5
【摘要】太空浩瀚,斗转星移;四季更替,草木枯荣。
从古至今,人们都能清晰感知到
时间的流逝。
为了准确计量时间,随着时代发展,时间计量工具在不断更新换代,从日晷、沙漏、水钟,到机械钟、石英钟,再到原子钟,精确度越来越高。
如果说日晷、沙漏、水钟是“鲁班尺”,那么机械钟、石英钟就是“卷尺”,原子钟则是“千分尺”。
【总页数】2页(P66-67)
【作者】张照星;唐东
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】TH7
【相关文献】
1.冷原子钟把太空时间计量精度提高1—2个数量级
2.脉冲星时间开环驾驭原子钟的计量技术标准化探讨
3.外径千分尺计量比对的研究分析
4.长度计量基础知识讲
座(六) 第六讲千分尺类量具5.长度计量基础知识讲座(五十) 第五十讲螺纹千分尺因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高精度原子钟
高精度原子钟
佚名
【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2000(000)001
【总页数】1页(P9-9)
【正文语种】中文
【中图分类】F764
【相关文献】
1.高精度驯服铷原子钟在水电厂的应用 [J], 袁平路;陶林;李伟;姜相东;郭超一;刘晓波
2.基于铷原子钟和双TDC-GP2的高精度时间基准测量系统的设计 [J], 崔永俊;刘阳;杨兵
3.欧洲空间原子钟组ACES 与超高精度时频传递技术新进展 [J], 杨文可;孟文东;韩文标;谢勇辉;任晓乾;胡小工;董文丽
4.星载铯原子钟用高精度频率合成器设计 [J], 董鹏玲;蔺璟;马沛;汪东军;赵玉龙;赵羽西
5.贵州首台高精度铷原子钟投用精度3万年不差1秒 [J],
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E2 E1 / h
h为普朗克常数，E1、E2 为能级的能量。 如果E2>E1，能级差以频率为ν的光子能量转移至外界场； 如果 E2<E1, 原子从外界场中吸收光子能量。这就是已知 的受激发射和吸收。 这是所有原子钟的基础。这些频率是原子内部固有的。 这也是原子钟具有比如石英谐振器等具有更高准确性和 稳定性的原因。（微观世界的宏观体现）
原子的总角动量量子数F：
表示与电子云角动量和原子核角动量矢量和有关的量，
为简化分析，它只能在范围内取整数值；
磁量子数mF：
一个均匀的静态磁场决定了原子的量子化方向，使精细
能级分裂成许多超精细子能级，子能级个数为2F+1个， 即磁量子数mF的取值为-F，-F＋1，…F－1，F。这就是 塞曼效应。
原子钟技术与工程应用
高连山
航天二○三所
目 录
1.原子钟是什么 2.原子钟的分类 3.主、被动型原子钟 4.原子钟研制的特点 5.原子钟关键技术 6.传统三样氢、铷、铯原子钟 7.原子钟的工程应用
第 1 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么？
原子钟是时间频率的（基）标准
H
1
1
1/2
0;1
121.5673
121.5668
1 420 405 751.770(3)
Rb
87
5
3/2
1;2
794.8
780.0
6 834 682 610.904 29(9)
Cs
133
6
7/2
3;4
894.3
852.1
9 192 631 770
Hg+
199
6
1/2
0;1
194.2
165.0
40 507 347 996.8416(4)
型两类。前者以量子系统产生的受激发射 振荡频率作为参考，用锁相方式锁定作为 本振信号的频率，如氢激射器、铷激射器 等；后者以量子系统受外加辐射场激励吸 收的共振谱线做鉴频，用锁频方式把外加 激励场的频率锁定在共振谱线的中心频率 上，如铯原子束频标频标、铷气泡式频标、 被激型氢原子钟等。
第 26 页
中国航天科工集团二院203所
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第 9 页
1.原子钟是什么？
原子钟是以原子（或分子）等内部量子跃迁 发射或吸收的频率为参考的频率标准。 根据波尔理论，原子（分子）在能量分别为
E1和E2两个能级间发生跃迁时，将吸收或发
射频率为ν的光子。由于原子（和分子）内 部状态不易受外界干扰，所以这种频率很稳 定。
时间频率是十大计量专业之一
量子力学与电子学相结合； 最经常用到的两个基本参量；
计量复现准确度最高，多参量溯源源头； 一门十分活跃硕果累累的学科
时间频率计量的特点
基本单位复现的高度准确 测量的高精密
遥远传递与校准 应用相对论理论
第 2 页
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第 8 页
中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么？
1、物理概念
所有隔离的相同元素的原子及其同位素都具有相同的结 构，这是量子力学表述的基本原理。 同样，这些原子及其同位素具有不同的能级，不同的能 级之间可能产生跃迁，跃迁的产生是通过原子内部的电 子和与外部电磁场相互作用。 原子跃迁频率ν和电磁场的关系：
法有磁选态或光选态。
第 15 页
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1.原子钟是什么？
原子能级间跃迁由三种方式
第一种是吸收：
处于低能级的原子吸收一个光子跃迁到高能级；
第二种是自发辐射：
处于高能级的原子发射一个光子跃迁到低能级；
第三种是受激辐射：
高能级上的原子在入射的电磁场作用下发射光
塞曼与斯塔克效应
在磁场或电场中能级发生分裂或加宽(不能分辨)
附加能量:
δE E B mJ g J B B
超精细结构的塞曼效应 能级受到电子磁矩与核磁矩之间的磁相互作用,
以及两者又受到外磁场的作用 能级位移与分裂由Rabi-Breit公式描述
EF I 1/2,mF
t
第 20 页
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1.原子钟是什么？
第 21 页
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1.原子钟是什么？
第 22 页
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1.原子钟是什么？
第 23 页
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压缩线宽
Ramsey分离振荡场技术 囚禁技术 冷却技术
选择光波段的共振跃迁信号
第 34 页
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5.原子钟关键技术
精密控制技术
频标的频率控制环路可降低受控振荡器原始频偏剩余频 偏： 1 k G( ) sd MK a K p K F K Sd K 1 G( ) 鉴频率Sd、放大器增益K…均是频率函数 环路增益的频率特性（相当于低通滤波器）
环境适应性
温度
抗力学特性 磁 辐照
第 19 页
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1.原子钟是什么？
f
Frequency value constant in time
t
f
Closeness to the true value
f
t
Working continuously without failure
时间频率的基、标准， 整机和部件技术性能高。
集多学科技术于一身；
原子物理、量子力学、微波技术、电子学、真空、热、 磁、光（激光）、材料力学、ＥＭＣ等
研制周期长； 调试、测试周期长。
时间长，投入大；
可靠性高
守时； 空间应用； 通讯
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1.原子钟是什么？
原子的能级用光谱学符号（如62S1/2）表示，它由 下述几个量子数表示。 主量子数n：
描述电子轨道平均半径；
轨道角动量量子数L：
表示与电子围绕中子的运动的状态有关的量，为简化分
析，L只取0（表示基态）和1（表示激发态）两个值；
电子自旋量子数M：
表示电子自旋的方向的不同，一般只取值为1/2；
频率稳定度 频率准确度
频率漂移率 输出频率和功率 频谱纯度 相位噪声
温度系数 磁敏感度 接口功能 功耗
第 18 页
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1.原子钟是什么？
原子钟的技术要求
非电性能要求
重量 体积
寿命 可靠性
3.主、被动型原子钟
量子系统
选频放大单元
下变频单元
倍频及频率综合单元
相位检测单元
低通滤波单元
晶体振荡器单元
图1 主动型原子钟组成框图
第 27 页
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3.主、被动型原子钟
伺服电路 同步检波单元 量子系统
调制单元
第 10 页
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1.原子钟是什么？
在一定的条件下，原子存在一定的能级差
异，并且原子在不同能级间跃迁的几率是 恒定的。 两个重要的效应
塞曼效应 斯塔克效应
第 11 页
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1.原子钟是什么？
低噪声频率合成和频率变换技术研究； 低噪声检测技术
精密控制技术
精密控温技术 环路优化技术
提高MTBF 长寿命
可靠性
第 32 页
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5.原子钟关键技术
提高频率稳定度的主要途径
常用的被动型原子钟的短稳公式
K y ( ) K ( S / N ) 0 ( S / N )Qa
原子的能级由光谱学符号n2M+1SJ表示，S表示基态 电子层，有时省略n；子能级可用量子数F表示； 超精细能级可用（F，mF）表示。
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第 7 页
1.原子钟是什么？
Atom (or ion)
Atomic Mass n I F λ D1 ( nm ) λ D2 ( nm ) ν0 ( Hz )
与原子谱线信噪比、原子谱线宽度关系重大
长期频率稳定度决定于物理参量随时间变化， 没有公式可以表征
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中国航天科工集团二院203所
5.原子钟关键技术
提高频率稳定度的主要途径
提高信噪比
采用选态或制备原子态技术，增大原子跃迁信
号强度； 采用光检测方法，提高检测灵敏度； 优化系统设计，提高信噪比
4mF E E mF g I B B (1 x x 2 )1/2 2(2 I 1) 2 2I 1
x ( g J g I )
B B E
第 12 页
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1.原子钟是什么？
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中国航天科工集团二院203所
1.原子钟是什么？
频率准确度
1E-6
1E-11 1E-12
1s/11.57d 1s/3171years 1s/31709.8years 1s/30,000, 000years