氢钟和铯钟联合守时初探.doc

氢钟和铯钟联合守时初探 第48卷第1期 2007年1月 天文 ACTAASTRONOMICASINICA V01.48No.1 Jan.,2007 氢钟和铯钟联合守时初探术 王正明袁海波,2 (1中国科学院国家授时中心西安710600) (2中国科学院研究生院北京100039) 摘要氢钟和铯钟作为两种不同类型的频标,从统计角度上来说,它们在短期和长期 频率稳定度方面的表现为时间频率领域中的学者们共识.随着技术的改进氢钟近年来在长 稳方面有所提高.根据中国科学院国家授时中心(NTSC)新进口的2台美国氢钟(Sigma 丁)近一年来实验数据的分析,定量说明氢钟不同采样间隔的频率稳定度,并与铯钟的性能 做比较.同时根据这两种类型频标的性能取长补短,探讨一组铯钟和两台氢钟联合守时的 方案和地方原子时计算方法. 关键词原子钟,时间尺度,守时,噪声 中图分类号tP127;文献标识码;A 1引言 中国科学院国家授时中心(NTSC)自上世纪80年代后期开始主要用HP5061A和 HP5071A优质管铯原子钟作为守时钟产生实验室实时协调世界时UTC(CSAO)(现改名 为UTC(NTSC)),并产生和保持地方原子时TA(CSAO)(现改名为TA(NTSC)).2004年 NTSC进口了2台美国Symmetricom公司生产的Sigma丁氢原子钟,经过几个月的调 试,从2004年10月开始,NTSC正式向国际权度局(BIPM)发送这2台氢钟的数据. 从BIPM每月公布的TAI—Clock的权重公报上可见,2台氢钟的权重在TAI系统中所获 得的权重很低.长期以来人们经常认为氢钟的短期稳定度好,长期稳定度不好,但是我 们从来没有机会作实际的数据分析,对于氢钟的长,短稳没有定量的认识.本文通过对2 台新进口的Sigmas-氢原子钟在NTSC时频基准实验室与主钟比对数据的处理,从不同 角度详细分析它们的频率稳定度性能;通过与铯钟的比较,研究氢钟和铯钟共同参与地 方原子时计算的途径;从对UTC(NTSC)监控的角度讨论守时硬件系统中对氢钟的应用 和氢钟,铯钟联合守时的方法. 2005—10—20收到 国家自然科学基金,中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2一SW—T07)资助 天文48卷 2噪声和稳定度性能分析 2.1原子钟的噪声模型 一 台原子钟的核心部分是它的频率源.同其他任何振荡器一样,频率源的输出电压 可写成【】: V【tJ;【Vo+E(亡JJsin[21rTot+(圳,(1) 式中,Yo,E(￡)和(￡)分别为标称振幅,标称频率,电压随时间的微小波动和信号 相位中各种噪声的叠加项.一般情况下(2)式总成立t 驯《,ll《,(2) 由(1)式可得到瞬时相对频率偏差y(t)和瞬时相位偏差(t): )=1? ,)=,(3) 由(3)有: 百 dx(t) ,(4) 将(t)代入(1)式,有; v(t)=[vo+E(t)】sin[27r~/o(t+(t))],(5) x(t)在物理上表现为时间偏差,故也称相位时间,(t)则为时间偏差变化率,即瞬 时频率. 原子钟是一种精密的频率源,但钟面读数与符合定义的理想时间T(t)之间不可 避免地存在偏差: T(t)=+x(t),(6) x(t)通常称为精密时钟的噪声,也就是上述的时间偏差. 自1966年以来,关于精密振荡器的噪声模型的讨论已经持续了多年.虽然振荡器噪 声的物理过程还并不十分清楚,但现在对噪声的基本模型已有定论.在1971年,Barnes 等人在总结众多研究人员工作的基础上,系统地提出了(t)的幂率谱模型,即原子钟的 噪声可看成5种内部噪声分量的线性叠加,即: 2 (t)=(t)+(t)+zo(t)+1(￡)+z2(t)=∑zo(t),Or-------2 1期王正明等氢钟和铯钟联合守时初探 其中,按照的不同可以把噪声分成5种类型:=一2是随机游走调频(RW-FM噪声 分量),=一1是闪变噪声调频(F—FM噪声分量),=O是白噪声调频(W-FM噪声分 量),=1是闪变噪声调相(F—PM噪声分量),=2是白噪声调相(W-PM噪声分量). (7)式仅表示噪声间的叠加关系,而它们的统计模型是由功率谱密度函数确定的: 2 (,)=一2厂.+一1厂+0,.+1,+2,.=∑,,=一2 其中,(=-2,-1,O,1,2)是表征各种噪声强弱的常数,对不同的原子钟取不同的值. 这就是原子钟噪声的幂率谱模型,也就是原子钟稳定度的频域表征.在计算时间尺度时, 往往关注的是相位时间项,即频率的积分,可以证明: (,)=(,) 把(8)式代入(9)式就得到相位时间的功率谱: )=1. ,_4札l厂.)=2一)(1.) 功率谱模型成为分析噪声的强有力的工具,一个原因就是:信号的任何周期性调制 都可以在