CN104199274B - 一种铷钟频率修正值的预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铷钟频率修正值的预估方法，属于时间频率校准领域。本方法包括：S1，建立铷钟相对UTC(NIM)的频差的预估模型：y＝D*(t‑t₀)+y₀(1)其中，式中，y表示在未来时刻t，铷钟相对UTC(NIM)的预估频差；D是铷钟的频率漂移；y₀表示在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差；S2，分别计算铷钟的频率漂移D和在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y0；S3，用预估方程预测未来m天数据；S4，用补偿量对S3得到的预测值进行补偿。

Description

一种铷钟频率修正值的预估方法

技术领域

本发明属于时间频率校准领域，具体涉及一种铷钟频率修正值的预估方法。

背景技术

建立准确、稳定、可靠的地方原子频标是建立北斗卫星导航检测平台的基础，是实现对平台关键参数进行量值传递的必要条件。

以北京计量院时间频率计量标准铷原子钟作为参考钟，通过研制的时间比对接收系统，每隔16分钟，测量GPS或北斗时间与这台铷参考钟之间的时差，并按照CGGTTS格式文件保存测量数据。在中国计量院网站上下载UTC(NIM)与GPS或北斗之差(CGGTTS格式文件)，相减得到UTC(NIM)与铷钟之间的修正值(每16分钟/个)。

通过这种方法使铷钟的频率受到UTC(NIM)的驾驭。铷钟的频率准确度一般为5×10^-12，修正后铷钟的日平均准确度达到5×10^-14。在UTC(NIM)的驾驭下，由于每16分钟与UTC(NIM)进行一次比对，一旦突然发生时刻和速率的突变都会造成时标的不连续和频率的偏差，因此需要利用UTC(NIM)的频率进行修正，在累积的长期测试数据基础上，建立铷钟相对UTC(NIM)的频差修正值预估计算模型，从而实现对铷钟频率的预估，提高铷钟的频率准确度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种铷钟频率修正值的预估方法，提高铷钟频率准确度。在累积的铷钟日常测试数据的基础上，分析铷钟的频率漂移规律，拟合频率漂移曲线，建立铷钟相对UTC(NIM)的频差修正值预估计算模型，同时利用相位补偿技术，建立相位补偿量方程，从而实现对本地铷钟频率的预估，提高铷钟频率准确度，实现与国家时间基准UTC(NIM)同步在±20ns以内。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种铷钟频率修正值的预估方法，包括：

S1，建立铷钟相对UTC(NIM)的频差的预估模型：

y＝D*(t-t₀)+y₀ (1)

其中，y表示在未来时刻t，铷钟相对UTC(NIM)的预估频差；D是铷钟的频率漂移；y₀表示在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差；

S2，分别计算铷钟的频率漂移D和在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y0；

S3，用所述预估模型预测未来m天数据；

S4，用补偿量对S3得到的预测值进行补偿。

所述S2是这样实现的：

使用公式(2)获得铷钟的频率漂移D：

D_n＝a×(s_n-D_n-1)+D_n-1 (2)

其中，D_n表示在第n次计算出的铷钟频率漂移；D_n-1表示在第n-1次计算出的铷钟频率漂移，用最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差实测值做直线拟合的斜率来赋初值；s_n表示最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差数据作一次线性拟合计算出的斜率；系数a取值范围是0.5～1.5；

使用公式(3)获得在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y₀：

其中，y_0n表示在第n次计算出的铷钟相对UTC(NIM)的频差；y_0n-1表示在第n-1次计算出的铷钟相对UTC(NIM)的频差，用铷钟实测值减去UTC(NIM)的频差赋初值；f_i表示第i天实际测量的铷钟相对UTC(NIM)的频差；y_i表示第i天预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差；m表示使用第n次计算前多少天来计算本次y_0n；系数b取值范围是0.1～2.0。

所述a取1。

所述b取0.8。

所述S3是这样实现的：

将S2得到的铷钟的频率漂移D和在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y0代入到公式(1)中得到直线方程，将直线外推即得到未来m天数据。

所述S4是这样实现的：

补偿量由公式(4)计算：

式中，Y_n表示在第n次计算的补偿量；m表示第n-1次计算到第n次计算间的天数；

将补偿量取均值加入到预测的未来m天数据中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过建立铷钟相对UTC(NIM)的频差修正值预估计算模型，和相位补偿量方程，使铷钟的频率与UTC(NIM)保持一致，从而实现对本地铷钟频率的预估，提高铷钟频率准确度，实现与国家时间基准UTC(NIM)同步在±20ns以内。

附图说明

图1铷钟频差数据作一次线性拟合，拟合长度为60天和75天，采样周期为10天

图2铷钟发生频率跳变时的规律

图3实测修正值预估曲线。

图4本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

(1)建立频率漂移拟合曲线方程

D_n＝a×(s_n-D_n-1)+D_n-1

式中，D_n表示在第n次计算出的铷钟频率漂移，D_n-1表示在第n-1次计算出的铷钟频率漂移，s_n表示最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差数据作一次线性拟合计算出的斜率。系数a取值范围是0.5～1.5，由操作人员根据经验判断给出，一般情况下a取1。

(2)建立频差修正值评估方程

式中，y_0n表示在第n次计算出的铷钟相对UTC(NIM)的频差。y_0n-1表示在第n-1次计算出的相对频差，可用铷钟实测值减去UTC(NIM)的频差赋初值。f_i表示第i天实际测量的铷钟相对UTC(NIM)的频差。y_i表示第i天预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差。m表示使用第n次计算前多少天计算本次y_0n，系数b取值范围是0.1～2.0，由操作人员根据跳变幅度确定取值大小，通常情况下b为0.8。

(3)建立相位补偿量方程

式中，Y_n表示在第n次计算的补偿量。f_i表示第i天实际测量的铷钟相对UTC(NIM)的频差。y_i表示第i天预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差。m表示第n-1次计算到第n次计算间的天数。一般会用5天时间完成补偿过程，用5天平均可以减少因特殊原因造成铷钟频差突变造成的影响。m取值可从1～60。

如图4所示，本发明的一个实施例如下：

通过下面的公式(1)、(2)和(3)，建立起频差修正值预估计算模型。预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差可表示为公式(1)，

y＝D*(t-t₀)+y₀ (1)

式中，y表示在未来时刻t，铷钟相对UTC(NIM)的预估频差。D是铷钟的频率漂移。y₀表示在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差。

通过研究(见图1)发现，铷钟的频率漂移具有以下规律：

1、频率漂移随时间发生变化，变化曲线为类似正弦波的不规则曲线。

2、使用一次线性拟合评估频率漂移时，拟合长度为60天较合适。

根据上述规律，使用公式(2)评估铷钟相对UTC(NIM)的频率漂移

D_n＝a×(s_n-D_n-1)+D_n-1 (2)

式中，D_n表示在第n次计算出的铷钟频率漂移。D_n-1表示在第n-1次计算出的铷钟频率漂移，用最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差实测值做直线拟合的斜率来赋初值。s_n表示最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差数据作一次线性拟合计算出的斜率。系数a取值范围是0.5～1.5，由操作人员根据经验判断给出，一般情况下a取1。

图2展示了y₀的变化规律，图中实线是所有数据作一次线性拟合得出的方程直线。三段虚线是发生频率跳变前后三个时间段内各自拟合得出的方程直线。其规律为：

1、铷钟会发生频率跳变，发生跳变的周期可长可短。

2、铷钟发生频率跳变前后的频率漂移可以认为保持不变。

根据上述规律，使用公式(3)评估y₀

式中，y_0n表示在第n次计算出的铷钟相对UTC(NIM)的频差。y_0n-1表示在第n-1次计算出的相对频差，用铷钟实测值减去UTC(NIM)的频差赋初值。f_i表示第i天实际测量的铷钟相对UTC(NIM)的频差。y_i表示第i天预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差。m表示使用第n次计算前多少天计算本次y_0n。系数b取值范围是0.1～2.0，通常情况下b为0.8。

图3为实测的修正值预估曲线，包括：外部数据源(UTC(NIM)数据)，a_x+b(预估频率)，SDI铷钟实际运行频率，7天预测频率(拟合曲线)。界面显示最近60天的相关数据，横坐标是日期，纵坐标是相对频差值。从图中可以看出修正值预估可以大大提升铷钟的准确度。

预估的铷钟相对UTC(NIM)间的频率差与实际测量的频率差之间一定存在着偏差，把这些偏差补偿上，铷钟的频率才能与UTC(NIM)的频率保持一致。补偿量由公式(4)计算

式中，Y_n表示在第n次计算的补偿量。f_i表示第i天实际测量的铷钟相对UTC(NIM)的频差。y_i表示第i天预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差。m表示第n-1次计算到第n次计算间的天数。

为保持时标的频率稳定度，一般会用5天时间完成补偿过程。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (5)

1.一种铷钟频率修正值的预估方法，其特征在于：所述方法包括：

S1，建立铷钟相对UTC(NIM)的频差的预估模型：

y＝D*(t-t₀)+y₀ (1)

其中，y表示在未来时刻t，铷钟相对UTC(NIM)的预估频差；D是铷钟的频率漂移；y₀表示在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差；

S2，分别计算铷钟的频率漂移D和在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y₀；

S3，用预估方程预测未来m天数据；

S4，用补偿量对S3得到的预测值进行补偿；

其中，所述S2是这样实现的：

使用公式(2)获得铷钟的频率漂移D：

D_n＝a×(s_n-D_n-1)+D_n-1 (2)

其中，D_n表示在第n次计算出的铷钟频率漂移；D_n-1表示在第n-1次计算出的铷钟频率漂移，用最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差实测值做直线拟合的斜率来赋初值；s_n表示最近60天铷钟相对UTC(NIM)频差数据作一次线性拟合计算出的斜率；系数a取值范围是0.5～1.5；

使用公式(3)获得在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y₀：

$y_{0n}=b\×\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(f_i-y_i)+y_{0n-1}---\left(3\right)$

其中，y_0n表示在第n次计算出的铷钟相对UTC(NIM)的频差；y_0n-1表示在第n-1次计算出的铷钟相对UTC(NIM)的频差，用铷钟实测值减去UTC(NIM)的频差赋初值；f_i表示第i天实际测量的铷钟相对UTC(NIM)的频差；y_i表示第i天预估的铷钟相对UTC(NIM)的频差；m表示使用第n次计算前多少天来计算本次y_0n；系数b取值范围是0.1～2.0。

2.根据权利要求1所述的铷钟频率修正值的预估方法，其特征在于：所述a取1。

3.根据权利要求1所述的铷钟频率修正值的预估方法，其特征在于：所述b取0.8。

4.根据权利要求1所述的铷钟频率修正值的预估方法，其特征在于：所述S3是这样实现的：将S2得到的铷钟的频率漂移D和在时刻t₀铷钟相对UTC(NIM)的频差y0代入到公式(1)中得到直线方程，将直线外推即得到未来m天数据。

5.根据权利要求4所述的铷钟频率修正值的预估方法，其特征在于：所述S4是这样实现的：

补偿量由公式(4)计算：

$Y_n=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(f_i-y_i)---\left(4\right)$

式中，Y_n表示在第n次计算的补偿量；m表示第n-1次计算到第n次计算间的天数；

将补偿量取均值加入到预测的未来m天数据中。