原子钟性能分析是时间基准保持的关键问题，一直以来，Kalman滤波，Allan方差与频谱分析等都是从事守时工作和开展研究的基本理论和基础。随着科学技术的发展，对时间保持性能要求不断提高，探索用于原子钟性能分析的方法成为必然。国际上，经典Kalman领域做了很多工作，并取得了一些成果。本论文在经典Kalman滤波的基础上，提出了改进的Kalman滤波用于原子钟性能分析研究，通过对模拟数据和国家授时中心(NTSC)时间基准实测数据进行分析，改进的Kalman滤波用于原子钟频率异常检测、钟差预测和时间尺度计算方面取得初步结果。　　本文以改进的Kalman滤波的原子钟性能分析为导向，结合国家授时中心现有的守时资源，开展相关研究。首先对原子钟的噪声误差估计方法和钟性能进行相关研究和分析，为基于改进Kalman滤波方法中噪声参数的计算奠定基础;其次研究了基于改进Kalman滤波用于原子钟频率异常检测，基于改进Kalman滤波用于钟差预报和基于改进Kalman滤波用于时间尺度计算，并取得初步结果。论文的研究内容和创新点如下:　　(1)开展原子钟噪声误差估计方法和性能分析方法研究。　　研究了原子钟不同噪声的模拟方法，利用马氏过程理论模拟原子钟的调频闪烁噪声和利用维纳过程理论估计调频白噪声的最大区间误差的方法。研究了根据多角帽法估计原子钟的频率稳定度和利用数学统计方法估计原子钟的高斯噪声。并结合国家授时中心时频基准实验室原子钟的比对数据，估计了噪声参数，得出了频率白噪声产生的最大区间误差估计。估计出了原子钟不同取样时间的频率稳定度和高斯白噪声水平。　　(2)研究了基于改进Kalman滤波用于原子钟频率异常检测的方法。　　原子钟异常是影响时间保持的重要因素，原子钟异常主要包括相位异常，频率异常和频率漂移异常。其中相位异常比较容易检测，但是频率异常和频率漂移异常较难检测，探索研究原子钟频率异常检测的改进Kalman算法，采用预测残差向量构造改进因子，实时修正预测状态协方差阵有效降低了模型误差，提高了检测性能。最后利用x2检验法，通过对原子钟的频率跳变模拟、频率漂移跳变模拟和原子钟的实测数据验证了算法的有效性。结果表明经典Kalman滤波用于原子钟频率异常检测具有实时性的特点，当频率异常明显，比如跳变大于测量噪声3倍标准偏差时，经典Kalman滤波能够快速准确的检测到异常。当频率跳变较小时，比如跳变等于测量噪声2倍标准偏差时，经典Kalman滤波不能检测到频率异常。为了提高经典Kalman滤波的检测性能，尝试对经典Kalman滤波进行了改进，取得了初步结果，使得当频率跳变大小等于测量噪声2倍标准偏差时，改进Kalman滤波能够检测钟频率异常，提高了检测灵敏度。　　(3)研究了基于Sage窗的改进Kalman滤波用于钟差预报方法。　　钟差预报是时间保持工作中的一项关键技术，也是卫星导航系统的关键技术之一。针对经典Kalman算法需要准确确定模型随机误差和测量误差，在原子钟性能分析中表现为原子钟噪声和钟差测量噪声。对于模型噪声和测量噪声为高斯白噪声条件下，经典Kalman算法用于钟差预报具有较高的精度，但是由于原子钟的本身特性和环境等原因，导致其性能下降和随机噪声改变，对于经典的Kalman滤波算法用于钟差预报精度降低，研究了改进的钟差预报算法，提高了预测精度。若噪声估计不够准确，Kalman预报将会出现误差。文中通过研究基于Sage窗的改进Kalman用于钟差预报，实时修正状态模型误差。对于模型预测协方差矩阵引入自适应因子，控制模型误差并相应提高预报性能。最后通过两台氢原子钟和两台铯原子钟的实测数据验证了算法的有效性。　　(4)研究了基于遗忘因子的改进Kalman滤波算法，相比于经典Kalman滤波算法，改进算法用于时间尺度计算取得了较好的效果。时间尺度是时间保持的基础，是实时物理信号实现的参考。时间尺度直接影响实现物理信号的稳定度与准确度。鉴于此，探索研究了基于改进Kalman滤波用于时间尺度计算的相关研究工作。　　Kalman滤波算法用于时间尺度计算，利用了原子钟的状态方程和噪声模型，当状态方程和噪声模型准确，满足经典Kalman滤波条件，得到最优状态估计，计算得到的时间尺度具有高的准确度和稳定度。但是通常情况下原子钟的噪声参数不能准确估计或者受到噪声参数更新的影响，经典Kalman滤波计算的时间尺度性能下降。由于原子钟状态模型误差估计存在偏差，基于Kalman滤波用于时间尺度计算的状态估计可能出现相应异常扰动应当对状态模型误差进行实时控制。对此，探索研究基于遗忘因子的改进Kalman滤波用于时间尺度计算。对状态预测协方差矩阵引入遗忘因子，利用统计量实时计算遗忘因子的量值，控制状态预测协方差阵的增长，降低了原子钟状态估计的扰动。实验结果表明，相比于经典Kalman滤波用于时间尺度计算，基于遗忘因子的改进Kalman滤波用于时间尺度计算能够提高原子钟状态估计的准确度，改进时间尺度的稳定度。