高稳定度时空表及其时间基准扩展应用研究

来源 :徐振东 |
高精度高稳定的时间基准在现代通信、导航定位、航空航天、国防建设以及国民经济中具有重要的作用,它涉及日常生活的方方面面,对科学技术发展具有很强的牵引作用。基于原子钟、光钟等建立的时间基准更是强国竞争的热点
高精度高稳定的时间基准在现代通信、导航定位、航空航天、国防建设以及国民经济中具有重要的作用,它涉及日常生活的方方面面,对科学技术发展具有很强的牵引作用。基于原子钟、光钟等建立的时间基准更是强国竞争的热点,体现的是科学技术应用的水平,对国民经济发展、科学技术进步以及国家安全具有重要意义。原子钟、光钟等是一类频率稳定的定时装置,也是极其精密的复杂仪器,在实际应用中受到很多约束。在导航通信等移动便携式应用中,轻量化、小型化、甚至是微型化的定时装置成为必要条件,同时要具有足够的稳定度与精度。CPT原子钟是时间频率基准小型化的研究成果,但综合性能与普遍使用的晶振定时相比并不占绝对的优势,在通信导航、微电子技术以及航天电子系统中仍然是以晶振应用为主。本论文针对ASRTU卫星有效载荷时空表的研制,对在轨高精度高稳定定时应用进行了研究,在体积、重量、功耗、成本的约束下,在实现在轨科学试验目标的前提下,对时间参考、高稳定度时钟、频率稳定机理及高稳定度时钟应用进行了研究。基于光速不变原理及标准尺概念,提出了时空表定时装置。研究了将空间间隔变换为时间间隔的时间参考模型,在理论上分析了时间参考稳定性影响因素,建立了时空表数学模型,对时空表工作原理、功能性能及频率稳定度进行了分析,为高稳定度时钟的研制奠定了理论基础。建立了时空表IC电子系统仿真验证模型,对时空表进行了逻辑、电路及版图设计,优化了时空表设计参数。根据仿真验证研制了时空表IC芯片,研制了ASRTU卫星时空表有效载荷,对时空表进行了功能与性能测试。针对高稳定度时钟在轨测试,设计了双钟相对频率稳定度评估方案,采用时钟频率计数及相对积累误差计数方法,解决了时空表频率稳定度在轨评估问题。利用时空表时间基准是由空间间隔变换而来的特点,其时间基准的空间构型具有对角速率敏感的特性,提出了一种互补频率电磁陀螺敏感角速率方法。研究了互补频率电磁陀螺的Sagnac效应敏感环构型,采用双环敏感结构建立了角速率与相对时差、相对频差的数学模型,给出了互补频率电磁陀螺的随机游走系数与系统参数的关系,对互补频率电磁陀螺性能进行了仿真分析与验证。研究了高稳定度时空表应用于引力波探测的问题,利用时空表时间基准为标准尺提供的空间间隔,对空间形变具有自然的敏感性,提出了一种基于时空表工作原理的引力波探测方法。仿真分析了引力波探测的功能与性能,为引力波探测提供了一种新的方法。
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