精密时频信号产生与性能评估方法研究

发布时间：2020-09-24 19:21

　　 本文依托于国家卫星导航重大专项和国家授时中心“一三五”科技发展目标,研究工作主要围绕高准确度、高稳定度及高可靠性的时频信号产生和性能测试评估两部分展开。以UTC(NTSC)信号为参考,在保证本地时频信号稳定性和可靠性的情况下,产生与UTC(NTSC)高精度同步的时频信号。同时,研究时频信号时域和频域性能指标评估方法,为进一步改善信号特性提供可靠依据。最终实现工程应用,为导航系统某试验场产生精密时频基准信号,并对时频信号质量进行测试评估。本文在理论研究和方法分析的基础上,紧密结合实际工程建设需要开展研究,主要研究工作及创新点如下:1.分析了国内外精密时频信号生成技术。针对卫星导航系统等高精度、高可靠性的应用需求,深入研究了频率源选取方法、驾驭参考选取方法、多通道高精度时差测量方法和数据处理方法。在此基础上,提出了一种将多种溯源比对手段比对数据加权融合的方法,重点保证了溯源比对链路的可靠性,同时解决了不同比对方法切换时容易引起溯源时差数据跳变等异常情况,保证了信号相位的连续性。2.深入分析了最小二乘法和Kalman滤波的时差精确预报方法和原子钟驾驭方法。结合原子钟特性,提出了基于残差修正的原子钟动态驾驭方法。该方法利用残差修正时差模型,进一步提高预报精度。在驾驭参考可用时,根据时差预报,实时调整衰减因子和测控周期等参数;当驾驭参考不可用时,在不借助参考原子时或外界参考源的情况下,设计原子钟自主维持算法,实现信号同步。该方法提高了原子钟输出信号的准确度和稳定度,有效改善了信号长期频率稳定度,对频率准确度较低的原子钟效果尤其明显。3.全面分析了时频信号产生过程中可能出现的异常状态,研究提高时频信号稳定性和可靠性的方法。重点分析影响信号性能的关键设备和数据,进一步研究信号和关键设备的完好性监测方法,及时发现各种异常状态,并根据预设策略快速做出响应。4.全面分析了时频信号在时域和频域的性能指标参数及其测试评估方法,在深入研究信号时域和频域内在关系的基础上,提出了在低采样率下相位噪声计算方法和噪声类型系数计算方法。根据时域测量结果,通过算法设计,实现实时测量和事后评估信号频域性能,并进一步量化各种噪声系数,使得信号评估更加简便。同时,解决了一台时域测量设备实现对信号时域和频域性能同时评估的问题,大大拓宽仪器的应用范围。5.基于以上研究方法,设计并从工程上实现了精密时频信号生成与保持系统和时频信号性能评估系统。精密时频信号生成与保持系统产生的精密时频信号,其秒级频率稳定度为6.9E-13,万秒稳定度为9.4E-15,系统时间与UTC(NTSC)同步精度优于2纳秒,均优于系统设计指标;时频信号性能评估系统同时对信号时域和频域性能进行测试评估,配有实时测量和事后处理两种模式,可满足实时和事后测试需求,并利用专用测试设备验证测试评估方法的正确性。本论文提出的核心方法和攻克的关键技术已经成功应用在某国家重大专项和上海微小卫星工程中心的地面测试系统中,产生的精密时频信号与UTC(NTSC)保持高精度时间同步。时频信号既可作为其它时间系统的时频基准,也可作为时频计量的参考信号。同时,时频信号作为系统时间的物理实现,用户可以通过时频信号与UTC(NTSC)建立溯源关系,与国家标准时间实现高精度同步。该方法和系统应用前景广阔,具有广泛的应用价值。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN967.1
【部分图文】：

精密时频信号产生与性能评估方法研究 22 3 11222 211( ) 23 2 3 1N mj mx i m i m ij i jx x xm N m 纤双向比对方法时间稳定度测试结果如图 2.7 所示：

图 2. 9 GPS 共视法时间稳定度结果Figure 2. 9 Time stability of GPS CV图 2.9 可以看出，GPS 共视法时间同步稳定度约 5.73E-10s，长期度同样在同一个量级，存在小范围的波动。实测结果可知，光纤双向比对方法时间稳定度优于 GPS 共视法，个量级。根据两种方法的时间稳定度，确定两种方法数据融合所占由以下三个公式计算得到： 2 2 2 21 1 1 1: : : 1514:3.04572.57 11 5.73 10fibercvfibercvp pe e 15140.9981514 3.0457fiberp 3.0457p

第 2 章 精密时频信号生成方法研究对溯源比对数据进行粗差剔除，并根据权重计算新的比对数据，直到下期，继续重复以上的融合过程。整个过程是一个根据实测数据动态取权有效避免了按照时间比对方法精度绝对取权，而未客观反映实测数据的情.3.2 结果分析溯源数据融合结果的优劣用预测值与真值残差的标准差来衡量。标准差据的离散程度，通过公式计算： 211NiixN …单独使用 GPS 共视法获取 UTC(NTSC)与系统时间的时差结果，并用最进行时差预报，其时差数据真值与预报值的残差如图 2.11 所示：

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本文编号：2826156