精密时间在国防现代化和国民经济建设的诸多方面都有着广泛应用。协调世界时(UTC)是国际公认的标准时间。UTC(k)是对UTC的本地物理实现,是授时服务系统的参考基准,其主要功能是提供标准时间频率信号。原子钟频率驾驭是UTC(k)产生和保持中的重要一环,一个理想的参考原子时是实现频率驾驭(控制、改正)的基础,该原子时应具有相对于UTC的准确性、实时性、稳定性及可靠性等特点。利用频率驾驭算法计算调整量,借助频率控制设备对原子钟输出信号进行频率控制,使驾驭后信号与参考原子时性能尽可能保持一致,从而实现标准时间、频率信号的产生。因此,原子钟频率驾驭方法的选择,直接关系到UTC(k)信号的性能。铯喷泉钟(铯基准钟)是复现国际单位制(SI)中时间间隔单位“秒”最准确的装置,其复现的标准秒长几乎没有频率漂移,具有优异的长期稳定性。因铯喷泉钟输出信号具有极高的准确性,所以通常将其作为国际原子时(TAI)的校准参考。研究将铯喷泉钟的优势应用于原子钟频率驾驭的方法,有助于进一步提升UTC(k)的稳定性和准确性。论文在铯喷泉钟为参考的氢原子钟紧驾驭技术、基于多台基准钟的频率控制方法和基于最优控制理论及融合原子时的频率改正方法等方面做了深入研究,并结合实测数据对研究结果进行分析和验证。主要研究内容和创新点归纳如下:(1)对单台原子钟以及不同类型原子钟的性能分析及评估,有助于发挥不同原子钟的优势,为原子时的计算奠定基础。针对基准型原子钟,以铯喷泉钟为例,给出了数据采集及预处理方法,分析了稳定度的典型特征,研究了准确度的自评估方法以及相对于TAI速率的评估方法。针对守时型原子钟,结合其内部物理状态参数研究了原子钟性能监测方法,分析了氢、铯两类原子钟的稳定度特点,研究了三种“可预测性”量化评估方法,并比较了不同方法的优缺点。(2)针对大部分没有1PPS信号及标准频率信号输出的铯喷泉钟,开展以铯喷泉钟为参考的氢原子钟紧驾驭技术研究,达到了对铯喷泉钟进行实时物理复现的目的。通过不同驾驭频度和驾驭强度对驾驭后信号性能的影响分析,给出了选择驾驭强度及驾驭频度应遵循的规律。提出了基于动态自适应驾驭强度算法,在满足最大时差门限的条件下,提高了驾驭后信号的短期稳定度。(3)研究了基于多台基准钟的频率控制方法,包括针对基准钟的原子时算法,以及当基准钟中断时,基于不同滑动窗口长度的原子时预报算法。以多台基准钟计算的原子时为参考,对氢原子钟进行频率控制,结果表明,控制后信号综合了氢钟的短期稳定度以及参考原子时的长期稳定度优势,在60天内,控制后信号与参考原子时的时差保持在±0.2ns以内。对于预报原子时而言,适当的增加滑动窗口的长度可以减小噪声对预报模型的影响。分别以不同窗口长度的预报原子时为参考控制氢原子钟,结果表明,控制后信号与真实原子时的偏离主要来自于原子时的预报误差。(4)为了进一步提高参考原子时的稳定性和准确性,提出了基于Vondrak-Cepek的原子时融合算法,结合了铯喷泉钟的准确性以及守时型氢原子钟的短期稳定性优势。该算法是建立在已有原子时的基础上,通过对原子时及高性能原子钟的进一步融合处理,达到提高融合后原子时性能的目的。基于实测数据,首先利用守时型氢原子钟实现一个原子时(简称:氢钟原子时),其次利用Vondrak-Cepek原子时融合算法将铯喷泉钟与氢钟原子时进行数据融合,计算出融合后的原子时。结果表明,融合后的原子时综合了氢钟原子时的短期稳定性,以及铯喷泉钟的准确性,小时稳为3.25E-15,与UTC偏差的RMS为1.2ns。(5)提出了基于最优控制理论及融合原子时的频率改正方法。最优控制理论是指:线性二次型高斯最优控制算法,简称LQG(The Linear Quadratic Gaussian)算法,用于计算原子钟频率改正量。它相比于传统的最小二乘估计法,有更高的可靠性,同时还能提高改正后信号的短期稳定度。首先,基于不同种类噪声以及原子钟异常的模拟数据,验证LQG算法的有效性。其次,基于实测数据,以融合后的原子时为参考,利用LQG算法对氢原子钟进行频率改正,结果表明,改正后信号的短期稳定度优于参考原子时,且与参考原子时的时差保持在±0.25ns以内,5天稳定度达到1.95E-15,比UTC(NTSC)5天稳定度提高了45.8%。