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钟组守时性能分析

曾德灵 陈静 郭芮君 王玉琢

曾德灵,陈静,郭芮君,等. 钟组守时性能分析[J]. 计量科学与技术,2022, 66(4): 114-119, 62 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0659
引用本文: 曾德灵,陈静,郭芮君,等. 钟组守时性能分析[J]. 计量科学与技术,2022, 66(4): 114-119, 62 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0659
ZENG Deling, CHEN Jing, GUO Ruijun, WANG Yuzhuo. Atomic Clock Ensemble Configuration and Performance Analysis[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(4): 114-119, 62. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0659
Citation: ZENG Deling, CHEN Jing, GUO Ruijun, WANG Yuzhuo. Atomic Clock Ensemble Configuration and Performance Analysis[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(4): 114-119, 62. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0659

钟组守时性能分析

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0659
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFB3900701)。
详细信息
    作者简介:

    曾德灵(1985-),上海市计量测试技术研究院工程师,研究方向:时间频率计量,邮箱:zengdl@simt.com.cn

    通讯作者:

    王玉琢(1984-),中国计量科学研究院副研究员,研究方向:时间频率计量,邮箱:wangyz@nim.ac.cn

Atomic Clock Ensemble Configuration and Performance Analysis

  • 摘要: 针对原子钟的技术指标,对比分析了不同钟组配置的时标性能。根据典型原子钟的技术指标和实际运行情况对氢钟和铯钟钟差数据进行仿真,应用ALGOS算法计算了铯钟组、氢钟组、氢铯联合钟组的原子时标,从时间偏差、时间稳定度、频率偏差、频率稳定度四个方面考察了钟组时标性能。结果表明,180台仿真铯钟的守时天频率稳定度相当于1台氢钟的守时天频率稳定度;由于铯钟频率稳定度与氢钟相差较大,原子时计算过程中,铯钟权重远低于氢钟,对原子时的贡献有限;氢钟占比高的钟组,时标稳定性较好,溯源状态下时间偏差和频率偏差也较小。时标稳定性好的钟组在守时状态下的时间保持能力也更好。
  • 图  1  典型原子钟稳定度指标

    Figure  1.  Technical indicators of typical atomic clock

    图  2  实际铯钟运行情况与仿真铯钟稳定度情况

    Figure  2.  Actual cesium clock operation and simulated cesium clock stability

    图  3  实际氢钟运行情况与仿真氢钟稳定度情况

    Figure  3.  Actual hydrogen maser operation and simulated hydrogen maser stability

    图  4  溯源状态下,不同钟组频率稳定度变化情况

    Figure  4.  Frequency stability of different clock ensemble in the traceability state

    图  5  溯源状态下,不同钟组时间稳定度变化情况

    Figure  5.  Time stability of different clock ensemble in the traceability state

    图  6  溯源状态下,不同钟组时间偏差变化情况

    Figure  6.  Time difference of different clock ensemble in the traceability state

    图  7  溯源状态下,不同钟组频率偏差变化情况

    Figure  7.  Fractional frequency difference of different clock ensemble in the traceability state

    图  8  不同钟组自主守时情况。

    注:红线代表溯源情况下时间偏差,黑线代表守时状态下时间偏差

    Figure  8.  Timekeeping ability of different clock ensemble

    表  1  典型原子钟技术指标

    Table  1.   Technical indicators of typical atomic clock manufacturers

    $\tau $MHM-2010VCH1003AVCH1003M5071A
    1 s≤8.0E-14≤2.0E-13≤8.0E-14≤5.0E-12
    10 s≤1.5E-14≤2.0E-14≤1.4E-14≤3.5E-12
    100 s≤4.0E-15≤7.0E-15≤4.0E-15≤8.5E-13
    1 000 s≤2.0E-15≤3.0E-15≤1.5E-15≤2.7E-13
    3 600 s≤1.5E-15≤1.3E-15
    10 000 s≤1.5E-15≤8.5E-14
    86 400 s≤2.0E-15≤2.0E-15≤5.0E-16
    100 000 s≤2.7E-14
    5 d≤1.0E-14
    30 d≤1.0E-14
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    表  2  铯钟仿真参数

    Table  2.   Cesium clock simulation parameters

    噪声类型参数设置
    RW-FM1.0E-19
    F-FM6.0E-15
    W-FM8.0E-12
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    表  3  氢钟仿真参数

    Table  3.   Hydrogen maser simulation parameters

    噪声类型参数设置
    RW-FM5.5E-19
    F-FM7.5E-16
    W-FM6.0E-14
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    表  4  铯钟数量与钟组时标频率稳定度关系

    Table  4.   The relationship between the number of cesium clocks and the frequency stability of time scale in the clock ensemble

    铯钟数量(台)钟组频率稳定度${\sigma }_{y}\left(1\;\mathrm{d}\right)$
    理论值计算值
    107.68E-159.11E-15
    304.47E-155.24E-15
    603.17E-153.58E-15
    902.59E-152.95E-15
    1202.24E-152.46E-15
    1502.01E-152.19E-15
    1601.94E-152.10E-15
    1701.89E-152.05E-15
    1801.83E-151.99E-15
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    表  5  铯钟数量对氢铯联合钟组时标稳定度影响

    Table  5.   The influence of the number of cesium clocks on the stability of time scale in the combined cesium hydrogen clock ensemble

    钟组构成钟组频率稳定度${\sigma }_{y}\left(1\;\mathrm{d}\right)$
    理论值计算值(不限权)计算值(A/N限权)
    5HM3.78E-164.00E-164.00E-16
    5HM + 30Cs3.76E-163.73E-163.00E-15
    5HM + 60Cs3.75E-163.74E-162.77E-15
    5HM + 90Cs3.74E-163.75E-162.50E-15
    5HM + 120Cs3.73E-163.74E-162.17E-15
    5HM + 150Cs3.71E-163.71E-161.98E-15
    5HM + 180Cs3.70E-163.70E-161.84E-15
    注:5HM + 30Cs表示5台氢钟30台铯钟的联合钟组
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    表  6  不同钟组配置的性能情况

    Table  6.   The performance of different clock ensemble configurations

    钟组配置频率稳定度$ {\sigma }_{y}\left(\tau \right) $(溯源状态)时间稳定度$ {\sigma }_{x}\left(\tau \right) $/ns(溯源状态)时间偏差(取绝对值) /ns(自主守时)
    5 d15 d30 d5 d15 d30 d6 m12 m18 m
    10Cs3.39E-152.50E-151.74E-150.841.461.70−299.1−722.9−1461.6
    9Cs+1HM2.91E-152.13E-151.50E-150.731.251.49−283.2−683.2−1349.6
    7Cs+3HM1.62E-151.20E-158.19E-160.400.700.82−215.1−441.0−795.4
    3Cs+7HM2.50E-162.85E-162.53E-160.060.180.27−40.8−86.8−166.9
    1Cs+9HM2.32E-162.59E-162.33E-160.060.160.26−40.3−93.7−144.8
    10HM2.21E-162.66E-162.34E-160.050.170.25−40.7−79.9−114.1
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  • 录用日期:  2022-04-08
  • 网络出版日期:  2022-04-22

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