宇航计测技术

核子钟技术研究动态

罗幸祺, 李玮, 李春娟, 刘毅娜, 焦听雨, 杨铭, 石斌, 刘蕴韬

2024, 44(1): 1-6. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.01

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原子核跃迁的新型时钟——核子钟具有重要的研究价值，其原理是利用原子核跃迁产生的电磁波频率对时间进行精确计量。目前，最有希望用于核子钟的原子核被认为是²²⁹Th核的第一激发态^229mTh。如何将²²⁹Th核激发至第一激发态与获得第一激发态^229mTh的参数是目前的研究重点。最新激发态能量的测量数据为E_is=8.28±0.17 eV，对应于直接光激发²²⁹Th至^229mTh所需的光波长为149.7±3.1 nm。这对激发态的直接激光激发提供了数据参考。除直接激光激发外，电子桥激发也是一种值得考虑的间接激发方式。同时，介绍了核子钟技术的一些潜在应用，如秒的新定义、研究基本常数的时间变化和暗物质探测等。

基于量子测量技术的磁学计量发展概述

李小芳, 程华富, 包忠, 汪东平, 张凤

2024, 44(1): 7-13. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.02

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针对磁学量子测量技术发展历程，以及各国基于量子磁强计建立的磁学量子计量标准能力，研究了已在磁学计量标准量子化应用中的质子磁强计、核磁共振磁强计、光泵磁强计；介绍了CPT磁强计、SERF磁强计、金刚石NV色心磁强计等量子磁强计的原理；通过总结量子磁强计国内外发展现状及具备的准确度高、磁场噪声低、稳定性好等技术优势，分析其替代现行磁参数计量标准的可行性及优点；同时提出未来量子测量技术在磁学计量标准量子化方面潜在的研究方向。

单离子光频标离子囚禁技术

纪仟仟, 韩蕾, 孙婧昕, 陈星, 苏亚北, 陈煜, 申彤, 丁余东, 薛潇博

2024, 44(1): 14-19. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.03

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离子囚禁技术与系统是量子频标、量子计算的核心技术和核心物理参考体系，在精密测量、量子计算、高精度导航定位等领域具有重要的应用价值与应用前景。设计研制了一种基于Paul型离子阱的离子制备与囚禁系统，利用数字PID方法进行多通道多波长激光频率锁定，对离子进行光离化制备、囚禁、激光Doppler冷却。试验系统探测到了单离子的微弱荧光信号，实现了单个离子的稳定囚禁；激光频率漂移由500 MHz稳定至±0.8 MHz，激光冷却温度达到5.53 mK，趋于Doppler冷却极限。

可移动光钟探测光学系统的隔振设计

要佳敏, 冯金扬, 吴书清, 张璐, 薛潇博

2024, 44(1): 20-28. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.04

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为了满足移动测量、异地时钟现场比对等需求，小型化可移动光钟逐渐成为研究热点，但在车载平台等典型工作环境中，振动噪声将对光钟物理部分探测光学系统的光束偏转角产生影响，从而引入频移。为抑制光束偏转角变化对光钟稳定性的干扰，首次提出一种适用于光钟物理部分的探测光学系统的隔振系统设计方法，包括计算系统基座振动与作用于原子的光束偏转角的定量关系及由此引入的光钟稳定度、实测带有测试方舱的车辆底座的振动噪声、基于光钟稳定运行对振动的要求设计三维隔振系统的结构及性能参数等主要步骤，并给出了以TS-300型主动式隔振台和500BM-1型被动式隔振台构成垂直隔振系统时的详细设计过程。仿真结果表明，当光钟位于静止的测试车方舱中心时，使用该隔振系统后由振动导致的光束偏转角对稳定度的贡献不大于2.94×10^-15 τ^-1/2，通过优化隔振系统，稳定度可达到1.12×10^-15 τ^-1/2。

铯原子钟电子倍增器可调高压电源设计

赵玉龙, 陈江, 马沛, 刘志栋, 汪东军, 董鹏玲, 王骥, 薛晓慧

2024, 44(1): 29-33. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.05

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电子倍增器用来放大并输出铯原子的跃迁信号。倍增器电源是其重要组成部分，针对电子倍增器在增益变化及衰减情况下的供电需求，提出了一种基于分流调整电路结合倍压整流电路的高压电源设计方案，该方案在低压部分采用分流调整技术实现了电源输出电压控制；采用变压器结合多级倍压整流电路对电压放大输出，实现了电源可调电压范围在-306~-3 150 V和低输出纹波，电源的遥测电路实现了输出电压遥测。星载铯原子钟经过长期在轨测试，测试结果表明，本设计的电源在控制范围内实现了宽范围电压输出和遥测，低于3.23 V的电源纹波，保证了铯原子钟稳定度指标。

球形敏感单元微瞄准形成金属/空气/金属微观界面中的电子输运机理研究

边星元, 赵东方, 崔俊宁

2024, 44(1): 34-40. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.06

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针对惯性陀螺和航空、航天发动机等高端/尖端仪器装备中，深孔、沟槽等内腔体结构的高精度测量对非接触传感方法提出的挑战性需求，展开球形敏感单元瞄准被测件形成金属/空气/金属微观界面中的敏感机理研究。从绝缘介质薄层电子输运机理和绝缘介质性质改变而产生电子输运两个角度，对包括电子隧穿在内的电子输运机理进行形成条件和电流密度特性的分析，揭示球形敏感单元微瞄准形成的金属/空气/金属微观界面中，产生传感电流的电子输运主要机理为福勒-诺德海姆隧穿效应，为探索新原理的三维非接触式纳米传感方法奠定了基础。

基于改进PSO-BP模型的钟差预报研究

张颖博, 刘音华, 刘娅

2024, 44(1): 41-47. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.07

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针对BP神经网络训练时陷入局部最优解导致预报钟差不稳定的问题，采用改进粒子群优化神经网络的钟差预报模型。首先改进粒子群优化算法中几个重要参数生成的方法，再将BP神经网络的初始权值和阈值作为粒子的位置，通过改进的粒子群优化算法迭代，寻找网络的最优初始权值和阈值，提高BP神经网络钟差预报的稳定性和准确性。从理论上分析改进后的PSO算法原理，利用改进后的模型预测钟差，经过分析全局最优适应度曲线、粒子群优化前后BP模型多次预报钟差的试验，证明该算法优化的有效性。与ARMA和GM(1,1)等传统的预报模型相比，基于改进的粒子群优化神经网络模型的钟差预报精度分别提高了86.5%和79%。

线性插值在改善GPS共视时间比对性能中的应用

马慧颖, 王威雄, 武文俊

2024, 44(1): 48-55. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.08

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为了解决GPS共视（CV）时间比对精密度随着基线增长而降低以及在超长基线情况下无法进行共视时间比对计算的问题，利用国际标准GNSS共视归算后星地钟差线性化特性对其进行插值，从而增加可用卫星数量，最后对不同卫星的共视结果进行加权计算，以提高长基线情况下GPS共视时间比对的性能，减少基线长度对共视时间比对的限制。选取中国科学院国家授时中心（NTSC）、韩国计量科学研究院（KRISS）、德国技术物理研究院（PTB）三个守时实验室一个月的星地钟差为数据样本，以300 s为时间间隔对单个卫星的星地钟差数据进行线性插值，随后将所有卫星相同时间的时间比对结果进行等权加权平均，从而获得最终共视时间比对结果。结果表明：NTSC-PTB、KRISS-PTB两条时间比对链路线性插值共视时间比对与GPS精密单点定位时间比对（PPP）结果互差后结果的均方根误差（RMS）分别为0.53 ns、0.8 ns，相比于传统共视，分别提升了48%、54%。

基于多GNSS融合的远程时频源驯服控制方法研究

迟文波, 寇琼月

2024, 44(1): 56-60. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.09

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针对目前时频源驯服控制存在的传递误差影响因素多、依赖单向授时等问题，研究基于GNSS共视的远程时频信号复现与驯服控制方法，分析卫星时差与仰角对应关系，确定卫星权重值的大小，提出一种基于卫星观测仰角的融合及验证方案，降低了多径效应带来的误差。提出融合驯服控制算法与实施策略，设计一种基于多GNSS系统融合方案，并通过多GNSS系统、多频点数据融合试验，验证了方案可行性，提高了时间频率源驯服性能。

一种电子秒表计时误差的靶场校准方法

常伟, 文海, 吴应发

2024, 44(1): 61-65. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.10

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为满足高时效任务的临时计量保障需求，基于比较测量法，使用时间发控终端和高速录像设备等靶场现有测量设备组成计量校准装置，实现对多块电子秒表计时误差的同时校准，并能对电子秒表任意计时长度的误差进行校准。然后，以电子秒表日差指标的校准结果为例，通过评定测量不确定度，并与上级计量技术机构给出的校准结果进行对比验证，结果表明上述方法更加方便快捷、简单易行，给出的校准结果科学可信。因此，在满足测试不确定度比的情况下，采用现有测试测量设备资源解决临时校准问题的应急计量保障方法是可行的,值得推广。

用于误码率测试仪的抖动注入技术研究

贾冒华, 童琼, 李秀华, 赵显峰, 刘婷

2024, 44(1): 66-70. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.11

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对于超高速信息传输系统，信道模型变得不再理想，接入超出抖动容限的信号可能产生极其恶劣的后果。不同信息传输系统的抖动容限也不尽相同，多数系统不能容忍超过0.5 UI的信号抖动，而个别系统却可以让超出1 UI抖动的信号通行无阻。因此，误码率测试仪在进行超高速信息传输系统的指标评定时，其输出信号的抖动频率和抖动幅度需要精确可控。鉴于传统调节数据相位的抖动注入方式很难突破1 UI的范围，从正弦信号频率调制的原理出发，提出了一种高动态且参数可调整的抖动信号注入方法，该方法通过对码型发生器输入时钟进行正弦频率调制来完成输出测试信号的抖动控制，能够实现0.1~10 UI范围的高精度抖动注入，已成功应用于超高速误码率测试仪的研制。

数据链信号生成方法研究

郑建锋, 施健康, 戴欧志雄, 蒯文琴, 梁婷婷, 王子恒

2024, 44(1): 71-75. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.12

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复杂电磁环境构建是现代军事训练的必备条件，对外军典型信号的模拟则是重要内容。通过研究Link-16和Link-22数据链信号的时域特征、频域特征和调制方式，提出了一种基于跳频通信、随机序列软扩频、8PSK、64QAM和16QAM调制等技术的数据链信号生成方法。本方法产生的数据链信号与真实的数据链信号相比，时域和频域特征具有很高的相似度，同时具有硬件成本低、结构简单和易于实现等优点。测试了生成的数据链信号，结果表明，信号特征与理论预期一致，为数据链信号生成提供了新的思路。

极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真

李纪康, 彭慧丽, 于德江, 郑振荣

2024, 44(1): 76-82. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.13

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晶体是恒温晶体振荡器的核心部件，需要保持温度恒定不变，外部环境温度的巨大变化必将影响晶振输出频率信号的稳定性。根据恒温晶体振荡器的工作状态和机制，建立其在稳态下传热过程的数学模型，探究晶体在高低温环境下的热稳定性，重点分析不同环境温度下功率管输出功率对晶体温度的影响，并利用恒温晶体振荡器实际运行过程中的数据进行验证。结果表明通过仿真得到的数据与实测数据基本一致，当环境温度分别为-40 ℃、25 ℃和70 ℃时，要使稳定后的晶体温度恒定为85 ℃，相应功率管稳定后的输出功率应为3.95 W、1.42 W和0.74 W。通过调节功率管的输出功率来使晶体在极端环境下达到预设温度并保持恒定，进而使晶振有较高的频率稳定度和较低的相位噪声水平，保证高精度的时钟信号输出。

基于嵌入式技术的通用模拟训练系统研究及应用

胡锴冰, 高远, 刘冬雪

2024, 44(1): 83-87. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.14

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针对多种飞行器模拟训练、发控设备检验和测试需求，介绍了一种基于嵌入式技术的通用飞行器模拟训练系统。模拟训练系统通过识别飞行器型号信息，加载相应软件，实时采集外部供电、转电控制等信息并根据通讯协议解析命令执行相应动作。同时，模拟系统可根据程序设置的检测项目实施机内自检功能。模拟系统灵活性高、应用对象广泛，为飞行器的模拟和训练提供了一种通用的硬件平台,有效提升了飞行器功能模拟的覆盖性、缩短了模拟装置的研制周期。

基于5G绿色宽带通信的能效资源分配优化方法研究

赵静

2024, 44(1): 88-92. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.15

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针对5G通信中的能效优化问题，分析了下行链路用户中大规模MIMO-OFDMA系统的能效资源分配最大化问题。提出了基于最小速率要求的能效最大化资源分配算法，在合理分配带宽后，分配功率和天线数量，以提高系统的最佳能效。最后，基于拉格朗日函数将能效最优目标函数转换为凸优化问题，从而求得最优解。试验阶段，以典型无线通信网络为例进行分析，结果表明与NSGA-Ⅱ和基于FP的资源分配算法相比，所提出的算法能效、吞吐量、最佳基站天线数等方面综合性能最优。所提模型可为5G通信系统最优资源分配方案的研究提供一定借鉴作用。

考虑信息时移的分布式光伏接入配电网功率预测方法

尚庆功, 杭舟, 尚暖

2024, 44(1): 93-98. doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.16

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为了降低分布式光伏接入配电网功率预测值误差，提出考虑信息时移的分布式光伏接入配电网功率预测方法。采用皮尔逊相关系数描述数值天气预报（NWP）关键气象因子、光伏输出功率间的关联关系，确定最佳时移量，修正地理位置引起的气象信息偏移；采用随机森林算法处理分布式光伏出力数据，筛选高贡献度特征参数；利用双向门控循环控制单元（GRU）神经网络学习特征参数后，通过一维卷积神经网络捕捉输入时间序列的各个时间步；引入注意力机制降低气象时移量对分布式光伏出力的影响，实现功率预测结果的输出。试验结果表明：该方法可计算分布式光伏出力与气象数据间的皮尔逊相关系数，确定其最佳时移量；不同气象条件下预测值与实际值间误差均较小。

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