光钟与氢钟联合的时间尺度算法研究

光钟的频率稳定度和不确定度达到了10-18量级,使其有望成为下一代的时间频率标准,并可能用来重新定义国际单位“秒”.时间尺度作为准确、连续标记时间流逝过程的基准,是高精度时间产生的基础.时间尺度的产生需要依赖连续稳定运行的原子钟,而光钟作为实验室原型设备,一般不能连续运行,因此光钟参与时间尺度计算是个难点问题.提出将Vondrak-Cepek组合滤波算法应用在光钟与氢钟联合计算的时间尺度,以解决间歇运行的光钟参与时间尺度计算的难点问题.首先利用氢钟的时差数据,采用ALGOS算法计算获得连续稳定的氢钟时间尺度.其次利用Vondrak-Cepek组合滤波算法将氢钟时间尺度与光钟的数据综合,获得光钟参与计算的联合时间尺度.最终试验结果证明, Vondrak-Cepek组合滤波算法有效提升光钟与氢钟联合时间尺度的性能,该时间尺度与协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)的时间偏差达到亚纳秒量级.

基于时间频率数据平台的数据分析研究

时间频率数据是国家重要的信息资源,时间频率数据平台设计依托国家授时中心运行产生的时频数据、国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)和国际地球自转服务机构(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)公布的时间频率相关数据等实现,该数据平台可以为守时技术研究提供丰富的数据资源支撑。首先介绍时间频率数据平台的建设情况,随后利用数据平台汇交的本地守时系统比对和远距离链路比对数据开展守时技术研究,包括原子钟状态评估,主要分析原子钟异常跳变情况,研究跳变数据处理方法,针对不同类型守时钟,分析对比波动情况、稳定度等原子钟性能指标,此外基于ARIMA模型开展钟差预报研究。以上研究结果可为守时系统连续可靠运行提供重要参考。

频率稳定度与守时钟组配置关系研究

通过对中小型守时实验室对时间尺度稳定度的需求分析,以目前主流守时钟5071A为例,利用国际权度局公布的原子钟数据,研究不同钟组配置与时间尺度稳定度的关系,为中小时间实验室守时钟组的优化配置提供参考依据;权重确定是原子时算法的关键之一,通过对不同数量、不同取权规则的原子时计算结果进行统计分析与比较,提出中小时间实验室原子时尺度算法中的取权原则。

守时设备故障的自动诊断和报警系统设计

为了及时发现守时主系统运行中出现故障概率最高的设备,降低比对数据的出错率,提高守时精度及比对数据的可靠性和完整性,设计了一种守时设备故障的自动诊断和报警系统。该系统采用专家系统故障诊断方法,通过对守时比对系统的时间比对数据的实时监测和分析,发现比对数据异常,及时启动故障自动诊断系统,通过报警系统报告发生故障的可能设备,实现故障的及时发现和尽快排除。结果表明,该守时设备故障的自动诊断和报警系统达到了预期目标。

短基线高准确度时间传递研究

为了实现守时系统与授时系统的高准确度时间同步,通过搬运钟法对微波时间传输系统的可测量时延部分进行准确测量,应用测量结果对微波时间传输系统进行校准,将GPS共视比对结果与微波时间传输系统的单、双向比对结果进行分析研究,并用BIPM(BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MESURES)给出的结果进行验证,得出两种不同时间同步方法的同步误差和两种不同方法产生误差的主要原因,给出了两种不同方法在时间统一系统中的的最佳应用模式。

氢钟守时应用

通过对氢钟时差测量数据的二次差分,获得频率漂移的准确量值后对氢钟时差测量数据进行修正,经过频率漂移修正后的氢钟数据在保持其良好短稳特性的基础上长稳性能得到了较大提升,达到或超过性能中上的高性能管的商品铯钟5071A的常稳指标,这种处理方法能提高守时氢钟对时间实验室所保持的时间尺度的贡献。

GPS定时接收机的校准

GPS共视比对(GPS CV)是国际原子时进行时间连接的主要手段之一,即使在有TWSTFT(卫星双向时间频率传递)的实验室GPS也作为时间比对的备用手段而存在,而且TWSTFT系统启用时需用GPS做校准。国际权度局(BIPM)为了减小比对误差,对一些时间实验室的GPS接收机进行不定期校准。国家授时中心(NTSC)利用BIPM给出的校准报告对NTSC时间基准实验室的GPS定时型接收机的内部时延及相关数据进行修正,使UTC(NTSC)的准确度得到提高。

2014版EAL算法中原子钟的权重分析

从1973年起国际权度局(BIPM)一直采用ALGOS算法计算自由原子时EAL。为了适应原子钟和比对链路性能的提升,BIPM时间部对EAL的计算方法做了多次修改,其中针对算法中的加权方法改进的次数最多,最近一次BIPM对EAL算法的修改是2014年,旨在降低铯钟在EAL计算中过高的权重,从而平衡氢、铯两类原子钟在EAL计算时的贡献。通过分析2014版新算法启用前后EAL计算中原子钟的权重分布情况,发现该算法中氢钟对EAL的贡献明显提高,但存在以下不足之处:一是在算法修改之后的所有时间段内,氢钟权重出现持续增加趋势;二是落在不同权值区间内钟数量、钟类型的分布状况不合理。针对这些不足,综合2001版和2014版EAL算法中原子钟的权重分布状况,对经典加权算法中权重的确定原则提出建议。

1998～2000年TA(CSAO)的保持与UTC(CSAO)的控制

中国科学院陕西天文台 (CSAO)用 6台新的HP50 71A商品小铯钟保持的时间尺度已有三年多了。在此期间 ,我们做了系统重算、TA(CSAO)算法改进、GPS坐标修正等一系列工作 ,使得TAI -TA(CSAO)的稳定度逐年提高 ,进入世界先进水平 ,同时陕台的UTC(CSAO)控制水平也达到了国际电联建议标准 ,与国际协调时UTC的差控制在± 1 0 0ns以内 。

基于Sage窗的自适应Kalman滤波用于钟差预报研究

钟差预报是时间保持工作中的一项关键技术。Kalman算法作为一种最优预报算法,具有实时性的特点,在时间保持工作中得到了广泛的应用。但是由于经典Kalman算法需要准确确定模型随机误差和测量误差,否则状态估计会引入一定的误差,在原子时算法中表现为原子钟噪声和钟差测量噪声。原子钟的噪声参数值通常是通过Allan方差估计,若估计不够准确,Kalman预报将会出现误差。通过研究基于Sage窗的自适应Kalman预报算法,实时修正状态模型误差。利用自适应因子调整状态预测协方差阵有效降低了模型误差,提高了预报精度,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。

国际原子时及NTSC守时工作进展

介绍了国际原子时(TAI)、协调世界时(UTC)以及我国标准时间UTC(NTSC)的产生和发展。简要介绍了国际标准时间的定义、国际时间比对技术的发展、TAI和UTC计算方法、工作规范的发展和未来可能的形态。介绍了我国原子时工作的历史和发展,以及时间基准保持性能、国际比对及溯源和时间信号服务方面的最新进展。

NTSC守时氢钟性能分析

首先对NTSC(National Time Service Center)守时实验室的氢原子钟进行了测试,为了规避铯原子钟噪声较大的影响,没有采用TA(k)或UTC(k)作为参考,而是以4台氢原子钟互为参考进行测试,利用四角帽法对氢原子钟的频率稳定度进行分析,估计出单台氢原子钟在不同取样时间上的Allan标准差.然后根据氢原子钟的特性,扣除趋势项,剔除异常值,利用数学方法平滑,分离出了氢原子钟的高斯噪声,并且通过了Kolmogorov-Smirnov检验,估计出单台氢原子钟高斯噪声.

基准频标与守时频标联合的频率驾驭算法研究

基准频标中铯喷泉钟实现了最佳的"秒"定义,光钟比铯喷泉钟在精度和稳定性方面高出一个量级以上,因此将基准频标与守时型频标联合,可以产生一个更加准确、稳定的时间尺度。设计了基准频标与守时型频标联合的频率驾驭算法,采用卡尔曼加权算法计算联合时间尺度,基准频标预测守时型频标的频率和频漂,并采用最优二次型高斯控制算法,实现最优的频率驾驭量生成。通过对各类频标数据的模拟,对一台氢钟进行为期100 d的频率驾驭,当铯喷泉钟参与时间保持,驾驭后信号保持在1 ns以内,稳定度为1.8×10-16/10 d。如果光钟可用率达到50%参与时间保持,驾驭后信号保持在0.3 ns内,稳定度为3.3×10-17/10 d。最终试验表明,利用该算法可以显著提高驾驭后信号性能。

NTSC守时工作:国际先进、贡献卓绝

简要介绍近年来中国科学院国家授时中心守时工作的最新进展以及精密时间信号拓展应用情况。通过持续开展时间产生和保持所涉及的相关技术研究,加强和发展我国标准时间UTC(NTSC)系统的技术基础条件,使我国的守时工作取得突破,各项性能实现国际先进水平,国家授时中心时频基准实验室成为国际原子时TAI系统中最重要的守时单元之一。

一种基于小波变换的氢铯联合守时算法研究

氢铯联合守时方法主要是研究两类性能不同的原子钟的有效组合而产生稳定的时间尺度.基于此,研究了一种联合守时算法,取得了初步结果.算法首先通过铯原子钟建立参考时间尺度,用于估计氢原子钟的速率和频率漂移;其次,利用小波多尺度分解的方法降低氢原子钟钟差多种噪声的影响;最后,利用氢原子钟的可预测性能,建立由氢原子钟产生的时间尺度.此算法的优点在于产生的时间尺度充分利用了氢原子钟的短期稳定度、氢原子钟的可预测性能并考虑了测量钟差带来的多种噪声的影响,是一种优化的原子时尺度算法.

Vondrak平滑因子最佳确定方法及在时间比对数据中的应用

考虑到原子钟比对数据和远程时间比对数据的噪声水平具有时变性,因此选用Vondrak平滑方法对这两种数据进行平滑,并用交叉证认法动态地选取平滑因子。利用模拟数据验证了交叉证认法的有效性,并利用实测的原子钟比对数据及远程时间比对数据对该方法进行分析验证,结果表明交叉证认法可以针对不同类型的数据,计算得到客观、最佳的平滑因子,有效地滤除原子钟比对数据和远程时间比对数据中的大部分噪声,对进一步提高时间保持精度有积极的意义。

异地多站联合守时方法研究

异地多站联合守时方法,一方面可以整合有限的原子钟资源,提高各实验室原子钟的利用率,以及综合时间尺度的稳定性和准确性;另一方面提供了一个稳定和可靠的驾驭参考,提升各站点的实时输出物理信号性能。本文基于中国科学院国家授时中心的多场区和多个远程比对链路的优势,分别在蒲城、临潼和西安场区开展实时物理信号产生试验,综合这些场区的原子钟数据,计算产生联合时间尺度TA。以该时间尺度TA为参考,分别对西安和临潼场区的主钟进行驾驭,最终西安和临潼两站产生的实时物理信号与协调世界时UTC的相位偏差保持在±3 ns。试验表明,采用异地多站联合守时方法,可以实现异地多站复现的物理信号一致性。

氢原子钟的钟差预报方法研究

卫星钟差预报精度直接影响导航系统的性能,由于氢钟具有良好的短期稳定性和低噪声特性,所以星载原子钟的物理特性可以借鉴氢原子钟钟差序列建立的预报模型进行研究。基于NTSC的氢钟资源,分别采用Kalman滤波模型、ARMA模型和二次多项式模型对原子钟钟差进行预测,并应用实测数据进行了验证,给出了不同预报模型在2~7 d的预报精度。研究结果表明,应用Kalman滤波模型预报的钟差,在所有预报时段上较ARMA模型和二次多项式模型均能获得更好的预测精度。

NTSC的守时工作进展

概括介绍了中国科学院国家授时中心(简称NTSC)时间基准系统的组成、功能和相关工作的最新进展情况。NTSC负责我国标准时间的产生、保持和发播。多年来,NTSC的守时系统以完美的表现满足了国家大科学装置—长、短波授时系统的发播控制任务的要求。2008年度,NTSC的守时工作取得突破性进展,实现的指标综合排名于全球实验室的2～3位,我国守时工作已经跻身世界前列,NTSC已成为国际原子时合作单位中最重要的守时实验室之一。

国产原子钟的噪声及守时性能研究

我国时间工作在取得长足进步的同时,也面临着解决关键核心技术问题,加速守时系统关键设备的国产化进程,开展基于国产原子钟的时间基准保持关键技术研究,解决我国标准时间自主产生是当前面临的迫切问题。时间基准保持关键技术研究的基础是国产原子钟噪声及守时性能的分析。文中通过对国产原子钟测量数据进行小波多尺度分解,得出不同分解尺度下的噪声强度。分别基于经典加权平均算法和Kalman滤波算法计算国产钟所产生的纸面时间尺度,并比较2个时间尺度的准确度、稳定度和实时性。得出Kalman滤波时间尺度的准确度优于经典加权平均算法,5天以上的稳定度优于经典加权平均算法时间尺度的稳定度,并且Kalman滤波算法实时性强。