CN110865530A - 一种原子时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的原子时计算方法，涉及涉及时间频率技术领域，基于多台原子钟共同生成原子时，采用去中心化的方法，使每一台参与计算的原子钟均作为一个节点，每个节点均可以去表达原子时计算结果，当测量参考钟出现异常时，不需要更换测量参考原子钟，扩大了适用范围，节省了人力及时间；原子时是所有节点共同表达的结果，即所有原子钟钟面读数与所有原子时的偏差，提高了原子时的计算精确度；直接利用各台原子钟的测量数据对原子钟进行修正，简化了计算过程。

Description

一种原子时计算方法

技术领域

本发明涉及时间频率技术领域，具体涉及一种原子时计算方法，可应用于时间基准的建立、守时和时频技术应用等，如地方时守时实验室、卫星导航系统时间基准建立、精密授时服务等。

背景技术

在现有原子时算法中，目前常用的经典加权平均的方法对原子钟权重赋值不准确，权重不平衡，不能兼顾原子钟的短期、长期稳定度。测量参考原子钟在原子时计算中扮演中心节点的角色，具有不可替代性。一旦测量参考原子钟出现异常无法继续参与计算时，造成原子时计算结果跳变或不连续。通常情况下，测量参考钟一般选择守时钟组中性能最好的原子钟，将所有原子钟钟面读数的平均值作为原子时结果，仅由中心节点原子钟去表达实现，一旦测量参考原子钟出现异常，则会导致原子时计算结果精确度较低，甚至无法表达原子时的计算结果。

当测量参考钟出现异常时，通常的做法是更换测量参考原子钟，此时需要将其余原子钟的测量原子钟差重新归算到更换后的参考钟上，整个计算过程相当复杂，费时费力。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种原子时计算方法，该方法利用所有参与守时计算的原子钟来共同表达原子时计算结果，而不是仅仅依赖参考钟。每一台原子钟不但为原子时的计算结果贡献了权重，而且担负起表达原子时的任务。因此，每台原子钟之间的地位是平等的、独立的，任何原子钟出问题都不影响原子时计算，也不影响原子时表达。该方法包括以下步骤：

根据公式H_i＝H_m+ξ_i，对公式

进行优化，得到公式

其中，

表示第i台原子钟相对于上一周期原子时的预测值，

表示第i台原子钟相对于上一周期原子时速率的预测值，t₀表示起点时刻，t表示当前时刻，P_i表示第i台原子钟的权，ξ_i表示第i台原子钟相的钟面读数对于测量参考原子钟的钟面读数的差值，H_m为测量参考原子钟的钟面读数，H_i为各台原子钟的钟面读数；

根据公式

计算原子时。

优选地，

其中，

为第i台原子钟平均速率的方差。

优选地，在原子时计算完成后，该方法还包括：

根据公式

计算各台原子钟相对于原子时的平均速率，对原子时进行表征，其中，A_i0为测量参考钟以外的其它原子钟相对于原子时的修正值，τ为取样时间间隔，M为大于1的自然数且M+1的值为一个周期内参与计算的原子钟的台数。

优选地，在原子时计算完成后，该方法还包括：

根据公式

计算各台原子钟相对于所述原子时的平均速率，对原子时进行表征，其中，

本发明实施例提供的原子时计算方法具有以下有益效果：

(1)对参与原子时计算的对象进行了改造，实现了直接利用各台原子钟的测量数据对原子钟进行修正，不再使用原子钟钟面时进行计算，解决了钟面时难以测量和使用的困难局面；

(2)不再简单地为原子钟赋单一权，实现了原子钟权重的个性化、量化，以原子钟的速率方差为依据取权，速率方差包括了钟的时间起伏，频率漂移率和频率稳定度的影响，权重大小即反映了原子钟的性能水平，也反映了该原子钟所输出的时间尺度的可信度；

(3)兼顾了所有原子钟的性能，实现了动态分权制衡的效果，使原子时结果更加科学合理。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

现有的原子时算法通常包括以下步骤：

S1、对各原子钟的时间测量数据扣除系统性影响，求出归算时刻各守时原子钟相对于测量参考钟的钟差ΔH_i；

S2、对钟差测量数据进行粗差和跳相探测，并对粗差和跳相数据进行修复；

S3、利用各原子钟相对于MAT的时刻改正数据计算钟速率，然后计算各原子钟的权重P_i；

S4、对钟差ΔH_i进行加权平均：

得到计算时刻的原子时：

MAT＝H(t)+ΔH(t) (2)

式中，H(t)为测量参考钟的钟面读数，ΔH(t)为测量参考钟的时刻改正数。

上述步骤不难看出，现有的原子时算法，只计算出测量参考钟相对于MAT的钟差改正，而并不关心(也不计算)其他原子钟相对于MAT的钟差改正。

本发明实施例提供的原子时计算方法包括以下步骤：

将式(1)进行改造，则原子的计算公式变为：

由于各原子钟的钟面读数H_i的实际表述比较复杂，不利于后期原子时计算，本发明提出不再直接使用钟面读数，而是以各原子钟与测量参考钟的相对钟差为观测量。由于要实现去中心化，因此要求任意两台原子钟之间均测量有相对钟差，也就是每台原子钟都与其他原子钟有相对钟差，每台原子钟均可作为测量参考钟。下面以一台原子钟为例，在其担任测量参考钟时，假设H_m为测量参考钟的钟面读数，则观测量为：

ξ_i＝H_i-H_m (4)

ξ_i为第i台钟相对于测量参考钟的实测钟差。由式(4)可知

H_i＝H_m+ξ_i

上式代入(3)式，得

设

则

MAT＝H_m+A₀

A₀＝MAT-H_m (6)

可知式(5)计算的是测量参考钟与原子时的修正值。

对于测量参考钟以外的其它原子钟，修正值A_i0的计算公式

得

A_i0＝MAT-H_i＝A₀-ξ_i (8)

由式(8)可计算任意一台原子钟相对于原子时的修正值。

对于由n台原子钟组成的守时钟组来说，通过式(8)可将任意一台原子钟作为测量参考钟，计算出一组原子时。因此该算法实现了原子时计算结果的去中心化计算和表达，而不必担心测量参考主钟出现异常。

其中，各台原子钟的权重P_i的计算公式为

其中，

为第i台钟平均速率的方差，简写为

τ为取样间隔，通常取值为1d。

速率方差包括了钟的时间起伏，频率漂移率和频率稳定度的影响。采用速率方差取权、权重即反映了原子钟的性能水平。

其中，原子时计算完成后，需计算出各守时原子钟相对于原子时的钟速率，以实现对原子时的表征。A_i1的计算方法可用两点公式的计算或最小二乘拟合计算。两种计算方法都需要用到由式(8)计算得到的修正值A_i0。

(一)两点公式

设定本次计算周期内共有M+1个计算点，则A_i1的计算公式为：

(二)最小二乘拟合公式

设t_j＝t₀+jτ，x_j＝A_i0(t_j)，j＝0，1，2，…，M，则A_i1的最小二乘拟合解为

其中，

本发明实施例公开的原子时计算方法，基于多台原子钟共同生成原子时，采用去中心化的方法，使每一台参与计算的原子钟均作为一个节点，每个节点均可以去表达原子时计算结果，当测量参考钟出现异常时，不需要更换测量参考原子钟，扩大了适用范围，节省了人力及时间；原子时是所有节点共同表达的结果，即所有原子钟钟面读数与所有原子时的偏差，提高了原子时的计算精确度；直接利用各台原子钟的测量数据对原子钟进行修正，简化了计算过程。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

此外，存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种原子时计算方法，其特征在于，包括：

根据公式H_i＝H_m+ξ_i，对公式

进行优化，得到公式

其中，

表示第i台原子钟相对于上一周期原子时的预测值，

表示第i台原子钟相对于上一周期原子时速率的预测值，t₀表示起点时刻，t表示当前时刻，P_i表示第i台原子钟的权，ξ_i表示第i台原子钟相的钟面读数对于测量参考原子钟的钟面读数的差值，H_m为测量参考原子钟的钟面读数，H_i为各台原子钟的钟面读数；

根据公式

计算原子时。

2.根据权利要求1所述的原子时计算方法，其特征在于，

其中，

为第i台原子钟平均速率的方差。

3.根据权利要求1所述的原子时计算方法，其特征在于，在原子时计算完成后，所述方法还包括：

根据公式

计算各台原子钟相对于原子时的平均速率，对原子时进行表征，其中，A_i0为测量参考钟以外的其它原子钟相对于原子时的修正值，τ为取样时间间隔，M为大于1的自然数且M+1的值为一个周期内参与计算的原子钟的台数。

4.根据权利要求1所述的原子时计算方法，其特征在于，在原子时计算完成后，所述方法还包括：

根据公式

计算各台原子钟相对于所述原子时的平均速率，对原子时进行表征，其中，

5.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述的步骤。