为什么星载铷钟比地面铷钟有更好的稳定度(北大刘淑琴)
欧洲伽利略卫星导航系统进展中
欧洲伽利略卫星导航系统进展中徐芏月2伽利略系统进展2.1空间段2.1.1伽利略卫星星座伽利略卫星星座由30颗卫星组成（见图3）。
这些卫星均匀分布在3个中高度地球轨道上，其星座构形为Walker27/3/1，并有3颗在轨备份星。
卫星轨道高度为23616km,轨道倾角为560,设计寿命20年。
伽利略卫星(见图4）的尺寸为2，7m xl.2m xl.lm,太阳电池翼展开跨度13m, 发射质量700kg，功率1.6kW，主要有效载荷包括质量为130kg、功率为900W的导航载荷和质量为15kg、功率为50W的搜救转发器。
伽利略卫星发送连续的测距码和导航数据，即使在恶劣情况下，时钟坐标和导航数据每lOOmin上行注入一次，完好性数据每秒钟上行注入一次。
伽利略卫星提供10个右圆极化的导航信号和1个搜救信号。
依据国际电联的规定：导航信号分别在分配的无线电导航卫星系统频段1164~1215MHz、 1260—1300MHz和1559—1591MHz 内发射：搜救信号将在一个紧急服务预留频段( 1544—1545MHz)内广播。
系统采用码分多址( CDMA)扩频技术，各卫星以相同的频率发射信号。
伽利略卫星射频信号的调制除了采用传统的BPSK调刮技术外，还采用一种新的调制技术——二元补偿载波BOC调制。
与BPSK相比，这种调制方式具有较好的抗多路径效应、降低码噪声和易于信号跟踪等优点，将成为未来卫星导航与通信系统信号的有效调制手段。
2.1.2伽利略卫星有效载荷(1)导航有效载荷导航有效载荷主要包括：①授时系统：②信号产生子系统，对载波频率进行格式化、编码和调制；③无线电频率子系统，放大调制载波；④天线子系统，向用户发送导航信号；⑤C频段数据接收系统，负责接收导航电文和完好性数据。
其中，授时系统由星载原子钟以及相对应的功分器、功率合成器、频率分配网络、二次电源模块和锁相环( PLL)电路等部件构成。
星载原子钟是卫星授时系统的核心，包括2台铷钟和2台氢脉泽钟。
基于FPGA 的北斗时统设备铷钟驯服技术
Value Engineering0引言在我国军事和航天领域中，导航定位和授时系统在北斗信息服务中占据着越来越重要的地位。
而时钟同步是精密授时的根本保证[1]。
铷钟短期稳定度较好，是常用的同步原子时钟[2-4]。
时间统一系统包含时统中心和若干时统分中心，是为测控系统提供统一标准时间信号和标准频率信号的系统，其设备由无线电接收机、原子频率标准、标准信号发生器和放大分配设备组成，无线电接收机通过接收卫星信号校准本地铷钟频率[5]。
世界各国以性能优异的原子钟建立并保持着本国的时间体系。
高精度时间统一系统设备作为授时设备，能够通过不同的链路接口对不同的设备进行授时。
本文分析了一种北斗时统设备铷钟驯服技术，该技术基于FPGA 获取铷钟钟频差值，并利用vondrak 滤波和kalman 滤波算法对钟差值进行处理，然后利用PID 控制算法对铷钟电压进行控制，调节铷钟频率，实现时间同步、提高守时设备精度。
1铷钟驯服技术实现原理铷钟驯服技术由FPGA 和MCU 实现。
FPGA 根据时间间隔测量原理，计算北斗接收机的秒脉冲与铷钟分频的秒脉冲差值，并采用kalman 算法和vondrak 算法联合对此钟差值滤波，再通过uart 发给MCU ；MCU 通过PID 控制算法，对DAC 转换芯片进行精准的电压控制，从而准确地改变铷钟频率，达到驯服铷钟的目的。
1.1时间间隔测量原理时间间隔测量由FPGA 实现，原理如图1所示，T X 为测量时间间隔值，T 0为采用时钟计数法计算出的时间间隔值，计数法存在量化误差：T 1（开始信号与计数时钟信号不同步部分）和T2（结束信号与计数时钟信号不同步部分），关系如下：（1）T 1和T 2两值可由时间-幅度转换法计算。
计数法参考时钟为铷钟倍频的100MHz 时钟，若其在由开始信号和结束信号构成的时间闸门内计得时钟个数为N 0，则T 0=N 0×T ，这里T 为10ns 。
若时间闸门内时钟个数理论值为N ，则钟差值为：±（N-N 0）/T X 。
北斗星载原子钟性能分析与钟差预报研究
北斗星载原子钟性能分析与钟差预报研究北斗星载原子钟性能分析与钟差预报研究摘要：随着北斗卫星系统的不断完善，原子钟技术在北斗星载卫星中的应用越来越广泛。
本文针对北斗星载原子钟进行了性能分析和钟差预报研究。
首先，介绍了北斗卫星系统的发展历程和原子钟技术的基本原理。
然后，分析了北斗星载原子钟的性能特点和影响因素，包括环境温度、磁场、电磁辐射和振动等。
接着，提出了基于卡尔曼滤波和小波分析的钟差预报方法，通过实验数据验证了该方法具有较高的预报精度和稳定性。
最后，探讨了北斗星载原子钟的发展前景和应用价值，指出未来应进一步优化原子钟设计、提高钟差预报精度，以满足北斗卫星系统的需求。
关键词：北斗卫星系统；原子钟；性能分析；钟差预报；卡尔曼滤波；小波分析1、引言北斗卫星系统是中国自主研发的卫星导航系统，在民用和军事领域均有广泛应用。
北斗卫星系统涉及的核心技术之一是原子钟技术，它是保证北斗星载卫星精准定位和时间同步的重要手段之一。
随着北斗卫星系统的不断完善，北斗星载原子钟的性能和精度也不断提高。
本文重点研究北斗星载原子钟的性能分析和钟差预报方法，以期为北斗卫星系统的发展提供参考和支持。
2、原子钟技术基本原理原子钟是一种基于原子物理性质实现高精度时间测量的设备，其基本原理是通过对可以精确测量的原子能级转移进行计数和比较，以实现时间的计量和同步。
常见的原子钟包括氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟等。
北斗系统采用的是铯原子钟，其精度可达到千亿分之一秒（10-13），比国际计量单位（SI）确定的秒钟定义更加精确和可靠。
3、北斗星载原子钟性能分析北斗星载原子钟的性能受到许多因素的影响，主要包括环境因素和非环境因素。
环境因素包括温度、大气压力、磁场和电磁辐射等；非环境因素包括器件本身的结构、材质和加工工艺等。
其中，环境温度和磁场是影响北斗星载原子钟最重要的两个因素。
3.1 环境温度的影响温度对于北斗星载原子钟的性能有着非常重要的影响。
BDS-3在轨卫星钟性能评估与分析
导航定位学报Journal of Navigation and Positioning 第9卷第1期2021年2月Vol.9, No. 1Feb., 2021引文格式：杨玉锋，彭勇，刘梦晗，等.BDS-3在轨卫星钟性能评估与分析[J ].导航定位学报，2021, 9(1): 53-60. (YANG Yufeng, PENG Yong, LIU Menghan, et al. Performance evaluation and analysis of BDS-3 on-orbit satellite clocks [J ]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(1): 53-60.) DOI: 10.16547/ki. 10-1096.20210109.BDS -3在轨卫星钟性能评估与分析杨玉锋，彭勇，刘梦啥，邱嘉平（中国地质大学地理与信息工程学院，武汉 430078）摘要：为了弥补对北斗三号（BDS-3）卫星钟性能相关研究的不足，提出对BDS-3在轨卫星钟性能进行评估与分析：利用武汉大学卫星导航定位技术研究中心的精密钟差产品，通过最小二乘法拟合钟差数据，计算卫星钟的频率准确度和频率漂移率；并采用重叠哈达玛方差，讨论卫星钟的频率稳定度；然后对BDS-3卫星钟差模型拟合残差序列长期变化特点进行分析和精度统计；最后与北斗二号（BDS-2）和伽利略卫星导航系统（Galileo ）的卫星钟进行对比分析。
结果表明，BDS-3所搭载的新一代铷钟和氢钟的各项性能均优于BDS-2卫星钟，其中BDS-3氢钟与Galileo 卫星钟的各项性能相当。
关键词：卫星钟；钟差模型；频率稳定度；性能分析中图分类号：P 228文献标志码：A 文章编号：2095-4999（2021）01-0053-08Performance evaluation and analysis of BDS-3 on-orbit satellite clocksYANG Yufeng, PENG Yong, LIU Menghan, QIU Jiaping(School of Geography and information engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430078, China )Abstract ：In order to supplement the insufficiency of related study on the satellite clock performance of BeiDou navigation satellite System with global coverage (BDS-3), the paper proposed to evaluate and analyze the performance: the precisionclock difference products of Global Navigation Satellite System (GNSS) Research Center of Wuhan University were used to calculate the frequency accuracy and the frequency drift rate of the satellite clocks by least square method fitting clockdifference data; and the frequency stability of the satellite clock was discussed using overlapping Hadamard variance; then the characteristics of the long-term variation of the fitted residual sequence of the BDS-3 satellite clock error model were analyzedand the accuracy was statistically counted; finally the indicators of BeiDou navigation satellite (regional) System (BDS-2) andGalileo satellite clocks were utilized to do the comparative analysis. Results showed that the new generation of rubidium clocks and hydrogen clocks on BDS-3 could have better performance than BDS-2 satellite clocks, and the performance ofBDS-3 hydrogen clocks could be equivalent to that of Galileo satellite clocks.Keywords: satellite clock; clock difference model; frequency stability; performance analysis0引言星载原子钟维持着导航系统的星上时间基准，决定了导航卫星在轨寿命，其性能不仅会影响全球 卫星导 航系统 （global navigation satellite system,GNSS ）的自主导航能力，还会对其系统服务能力产生较大影响，所以有必要对GNSS 卫星钟的性 能进行长期实时的监测评估［1］。
真空环境下铷钟性能的研究
真空环境下铷钟性能的研究崔敬忠;杨坦;张玲;梁耀廷;涂建辉;杨炜;张金海【摘要】星载铷钟是目前全球导航定位卫星中搭载的主要星载钟之一，其工作环境除了前期地面联试是大气环境外，其余大部分时间主要是在真空环境下工作，因此研究真空环境中铷钟的性能对卫星导航系统的发展起着重要的作用。
研究了真空环境下铷钟的主要技术指标，包括输出频率稳定性、准确度和漂移率的变化规律。
分析了真空环境对铷钟性能的影响，从而为星载铷钟的使用提供借鉴，同时对提高星载铷钟性能有一定的参考价值。
%Rubidium frequency standard is one of the major atomic frequency standards for satellite global navigation positioning system. On-board rubidium frequency standard operate in vacuum environment after launching. Research on the behavior of rubidium frequency standard in vacuum environment is important for the development of satellite naviga-tion positioning system. In this article,the performance of rubidium frequency standard in vacuum was analyzed,includ-ing frequency stability,frequency accuracy and frequency drifting,for the application purpose. It will be useful to improve the performance of rubidium frequency standard in space.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2016(022)005【总页数】5页(P271-274,295)【关键词】铷钟;真空环境;性能【作者】崔敬忠;杨坦;张玲;梁耀廷;涂建辉;杨炜;张金海【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TB939铷钟与氢钟和铯钟相比，因体积、功耗和重量方面的优势在空间得到广泛应用，包括导航系统，军用通信系统、电子侦察系统和海洋监视系统等[1-3]。
卫星上的原子钟
卫星上的原子钟
人们平日使用的钟表即使校准过后仍然会随着时间变化逐渐变得不准确，所有的钟表都会出现这样的情况，只会分出现误差得快还是慢，比较好的钟表能够做到一年才有1分钟的误差，这作为日常使用的计时工具来讲已经是非常精准了，但用于航天航空、电子通讯等行业还远远不够。
这时，原子钟的重要性凸显了出来，氢、铯、铷等是比较常用在原子钟制造的原子，原子在吸收或释放能量时会产生电磁波，作为利用原子产生的电磁波计时的另类时钟，这种电磁波的产生十分稳定，只需要用钟内精密的仪器接收、控制和计算，就能得到精准的时间，它的精度可以达到每2000万年才误差1秒，说它是目前最精准的时钟也不为过，这为有高精度时间需求的天文、航海、宇宙航行等提供了强有力的保障，也注定了原子钟能够被广泛应用在导航系统和时间同步上。
全球导航系统需要为使用者提供准确的位置信息，而定位的精确度主要就取决于卫星上的原子钟精度，以及各卫星、地面站和卫星间的原子钟时间同步，所以卫星上需要装备原子钟来解决时间误差导致的位置偏移问题，再辅以其他高精度的接受和授时设备来控制信号的传输，从而达到定位导航的目的。
而NTP协议更依赖于原子钟作为核心的时间来源提供高精度的时间来校对计算机或其他电子设备，NTP 客户端会发出时间请求，与时间服务器交换时间，这个交换就是为原
子钟的时间结果，客户端能计算出时间的延迟及它的弥补值，并调整与服务器时间同步，然后就只需要把这个时间按服务器的等级传播传递给各个设备的服务器就完成了基本的时间同步。
在导航与时间同步领域的应用只是原子钟在生活中展示魅力的一角，无人能想到，原本为探究宏观宇宙的原子钟，居然拥有相当广泛的用处。
也许在不久将来，还有更多意想不到的领域能够出现它活跃的身影。
提高铷原子频标短期稳定度的研究
— ２ ， ２ 袁 １ 丧 ㈩ Ｑ — ＿ ｖ ｏ — — ．
物理部分而言 ， 光谱灯缓冲气体种类 、 滤光方式、 微 波腔的模式 、 光谱灯输出无用光等是影 响以上三个
方面的主要因素。因此 ，Байду номын сангаас为了提高铷原子频标短期
稳定 度 ， 本文 对上 述 影 响 铷原 子频 标 短 期 稳 定度 的 四个 因素进 行 了研 究 与优 化 ， 以期 获 得 更 好 的稳 定
和措施 ， 并通过试验进行 了验证 ， 获得改进后 的铷原子频 标 的短 期稳定 度指标 ， 短期 稳定度 从 ７×１ ／ ｓ 高到 ０ Ｉ提
１ ２ ×１ ／ ｓ ．０ ０一 Ｉ 。
关 键词
铷原子频标 短期 稳定度
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｍ ｐ ｏ ｉ ｇ ｔ ｅ Ｓ ｒ —ｅ ｍ ｔ ｂｌｔ ｆ ｓ ａ ｃ ｎ Ｉ ｒ ｖｎ ｈ ｈｏ ｔｔ ｒ Ｓ ａ ｉ ｙ ｏ ｉ Ｒｕ ｄ ｕ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｓ ａ ｄ ｒ ｂｉ ｉ ｍ Ｆｒ ｑ ｅ ｃ ｔ ｎ ａ ｄ
中图分类号 ：Ｍ９５ １ Ｔ ３ ．２
文 献 标 识 码 ： Ａ
提 高铷 原 子 频 标 短 期 稳 定 度 的研 究
涂建辉 梁耀 廷 陆 防 王世伟 崔敬 忠
（ 兰州 空间技 术物理研 究所 ， 州 ７ ０ ０ ） 兰 ３ ０ ０
摘 要 对影响铷原子频标短期稳定度的三个因素进行了分析， 在此基础上提出了改善短期稳定度的方法
Ｋｅ ｒ Ｒｕ ｉ ｉ ｙ ｗｏ ｄｓ ｂ ｄ ｕｍ ｅ ｕｅ ｙ ｓａ ｄ ｒ Ｓ ｏ ｅ ｍ Ｓ ａ ｉｉｙ ｒ ｆ ｑ ｎｃ ｔ ｎ ａ ｄ ｈ ｒ ｔｒ ｔ ｔｂ ｌｔ
１ 引 言
铷原子频标最重要的指标是频率稳定度 ， 包括 短期 和 中 长 期 稳 定 度 。 期 稳 定 度 ｏ 受 式 （ ）约 短 １