El sistema de reloj de tres cesio es un sistema de tiempo y frecuencia de alta precisión construido con tres relojes atómicos de cesio. Gracias a un diseño y control razonables, logra una mayor precisión, fiabilidad y estabilidad. A continuación, se presenta una solución típica de reloj de tres cesio:

1. Composición del sistema

• Unidad de reloj atómico de cesio:

Consta de tres relojes atómicos de cesio de alta precisión, cada uno capaz de generar de forma independiente señales de frecuencia de alta estabilidad. El reloj atómico de cesio se basa en la frecuencia de transición entre los dos niveles de subenergía de la estructura hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio como referencia temporal, con alta precisión y buena estabilidad. Los parámetros de rendimiento de estos relojes atómicos de cesio (como precisión de frecuencia, estabilidad a corto y largo plazo, etc.) deben ser lo más precisos posible para garantizar el rendimiento general del sistema.

• Unidad de control del grupo de reloj:

Responsable de la monitorización, el control y el procesamiento de datos de los tres relojes atómicos de cesio. Recopila la señal de salida de cada reloj atómico de cesio en tiempo real, monitoriza su frecuencia y la información horaria, compara y analiza la salida de los tres relojes mediante un algoritmo específico, determina si el reloj funciona correctamente y lo ajusta y calibra según sea necesario.

• Unidad de síntesis y distribución de frecuencia:

Sintetiza las señales de salida de los tres relojes atómicos de cesio para generar una señal de frecuencia integrada de alta estabilidad y precisión. Esta unidad puede utilizar métodos como el promedio ponderado de frecuencia y la estimación óptima para combinar las ventajas de los tres relojes atómicos de cesio y mejorar el rendimiento de la señal de frecuencia de salida. Simultáneamente, la señal de frecuencia sintetizada se distribuye a cada módulo de aplicación o dispositivo externo del sistema para proporcionar una referencia unificada de tiempo y frecuencia.

• Unidad de sincronización horaria:

Se utiliza para sincronizar el sistema de reloj de tres cesios con una referencia horaria externa (como la hora estándar internacional) y la sincronización horaria entre las distintas partes del sistema. Mediante la recepción de señales horarias externas (como las señales horarias GPS y de los satélites Beidou), se comparan con la hora del sistema de reloj de tres cesios, se calibra y ajusta la hora del sistema y se garantiza su coherencia con la hora estándar internacional.

2. Principio de funcionamiento

• Operación independiente:

En la etapa inicial o estado de funcionamiento normal, los tres relojes atómicos de cesio funcionan de forma independiente para generar señales de frecuencia estables. Cada reloj atómico de cesio controla la frecuencia y el conteo de tiempo según su propio mecanismo interno.

• Adquisición y procesamiento de datos:

La unidad de control del grupo de relojes recopila las señales de salida de los tres relojes atómicos de cesio en tiempo real para obtener información sobre su frecuencia y tiempo. Mediante el análisis y procesamiento de estos datos, se calcula la desviación de frecuencia y la desviación temporal de cada reloj atómico de cesio con respecto a los demás.

• Procesamiento integral del grupo de reloj:

Con base en los datos recopilados y la desviación calculada, la unidad de control del grupo de relojes utiliza un algoritmo específico (como el algoritmo de filtro de Kalman, etc.) para procesar exhaustivamente las salidas de los tres relojes atómicos de cesio. El algoritmo considera las características de rendimiento, los datos históricos y el estado de funcionamiento actual de cada reloj atómico de cesio, y realiza una estimación ponderada o óptima de las salidas de los tres relojes para generar una señal de frecuencia completa más precisa y estable.

• Ajuste y calibración de frecuencia:

Si se detecta una desviación importante en la frecuencia o la hora de un reloj atómico de cesio, la unidad de control del grupo de relojes emitirá una instrucción de control para ajustar y calibrar dicho reloj. El método de ajuste puede incluir el ajuste fino de los parámetros de control de frecuencia del reloj atómico de cesio, la corrección del conteo de tiempo, etc., para que su salida sea consistente con la de otros relojes.

• Sincronización horaria:

La unidad de sincronización horaria recibe periódicamente una señal de referencia horaria externa y la compara con la hora del sistema de tres grupos de relojes de cesio. Si se produce una desviación horaria, la unidad ajustará la hora del sistema para garantizar que la precisión de sincronización entre la hora del sistema y la hora estándar internacional se encuentre dentro del rango especificado.

3. Ventajas y características

• Alta confiabilidad:

Los tres relojes atómicos de cesio son redundantes entre sí. Si uno de ellos falla o su rendimiento se degrada, el sistema puede mantener una alta precisión de frecuencia ajustando la salida de los otros dos relojes, lo que mejora considerablemente la fiabilidad y la tolerancia a fallos del sistema.

• Alta precisión:

Al procesar integralmente la salida de los tres relojes atómicos de cesio, se pueden reducir eficazmente los errores aleatorios y del sistema de un solo reloj atómico de cesio, mejorando así la precisión general del sistema. En comparación con un solo reloj atómico de cesio, la precisión y la estabilidad de la frecuencia del sistema de tres relojes de cesio se mejoran significativamente.

• Buena estabilidad:

El sistema puede monitorear y ajustar el estado de funcionamiento del reloj atómico de cesio en tiempo real, detectar y corregir posibles problemas a tiempo y garantizar que el sistema mantenga un rendimiento estable durante el funcionamiento a largo plazo. Al mismo tiempo, mediante la sincronización con una referencia de tiempo externa, el sistema puede calibrar continuamente su propia frecuencia horaria para mejorar aún más la estabilidad.

4. Campos de aplicación

• Sistema de navegación por satélite:

Proporcionar puntos de referencia de tiempo y frecuencia de alta precisión para satélites para garantizar la transmisión y recepción precisas de señales satelitales y mejorar la precisión y confiabilidad del posicionamiento de los sistemas de navegación por satélite.

• Red de comunicación:

En 5G, 6G y otras redes de comunicación, proporcionar sincronización horaria precisa para equipos de estaciones base, equipos de red central, etc., garantizar la transmisión estable y el procesamiento eficiente de las señales de comunicación y mejorar la calidad de la comunicación y el rendimiento de la red.

• Investigación científica:

En campos de investigación científica como la física y la astronomía, se utiliza para proporcionar estándares de tiempo y frecuencia de alta precisión para respaldar la medición precisa y la recopilación de datos de experimentos, como experimentos de física atómica y observaciones de radioastronomía.

• Transacciones financieras:

Proporcionar marcas de tiempo precisas para los sistemas de transacciones financieras a fin de garantizar la precisión y consistencia de los tiempos de transacción y asegurar la equidad, la justicia y el funcionamiento estable de los mercados financieros.