CN111610710A - 基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法 - Google Patents

基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法，用以解决现有技术中由于对氢原子钟频率漂移计算误差而导致的地方原子时标长期稳定度及准确度不高的问题。所述地方原子时生成方法采集各台原子钟与主钟的钟差数据和主钟相对于铯喷泉钟的频率差值；再读取钟差数据与频率差值，基于时间尺度算法计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率差值，计算各台原子钟的非相关频率漂移，并进一步计算基于铯喷泉钟的时间尺度及地方原子时。本发明采用非相关抵偿，计算结果中不存在频率漂移，结合氢原子钟短期稳定度与铯原子喷泉钟长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备短期稳定度与长期稳定度。

Description

基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法
技术领域
本发明属于时间测量领域，具体涉及一种基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法。
背景技术
时间是宇宙的基本结构之一，日常生活中的时间是一个狭义的范畴，在地球上被划分为24个不同的时区。不同的国家根据自己所在的时区，对日常时间进行了不同的规定。所确定的时间标准，因国家的不同而不同，称为地方原子时，被广泛应用于日常生活、天文导航、大地测量和航天器跟踪等。
古代有晨钟暮鼓在日常生活中报时，随着科学技术的进步，现在各国在确定时间标准时，广泛采用铯原子钟和/或氢原子钟来建立原子时。但是，铯原子钟和/或氢原子钟等实际的物理时钟存在缺陷，如每台单独的钟可能突然失效。因此通常采用一台新钟代替失效的钟，或利用一个钟组，通过计算给出一个时间尺度。在计算这种组合时间时，必须减小由于新钟加入或停用某个钟而造成对时间尺度的影响。钟组内钟越多，加入或剔除一个钟的影响越小。
利用原子钟组进行平均原子时间标准(以下简称平均原子时标)的计算，可以获得更好的长期稳定度和准确度，目前可以采用的计算方法包括加权平均、卡尔曼滤波、小波分析等，其中，经典加权平均方法(ALGOS)应用最为广泛，国际原子时计算即采用ALGOS算法，该算法的主要特点是权重选取主要依据原子钟的历史特性，充分发挥较好原子钟的性能，抑制较差原子钟的性能，使计算得到的时间尺度在指定时间间隔的稳定度理论上优于钟组内任何一台原子钟，并且钟组中加入或剔除一个钟时，仍能保持较好的性能。
ALGOS方法的基本原理是，利用守时原子钟之间的钟差，通过数据预处理和原子钟性能分析对各守时原子钟进行赋权，根据加权平均的方法给出综合原子时(TA)的纸面值。ALGOS方法仅考虑了原子钟的钟速变化影响，适应于铯钟的原子时计算，而氢钟相对于理想时标存在着明显的频率漂移。频率漂移是指原子钟的频率随时间的变化率。因此，由于计算得到的时间尺度与各台原子钟抵偿结果存在相关性，导致原子时计算结果存在频率漂移，计算所得的时间尺度的长期稳定度将受氢原子钟的频率漂移影响而明显变差。
现有技术中，ALGOS方法中对氢原子钟漂移率的修正方案为：以各台原子钟加权平均计算出的时间尺度为基准，计算氢原子钟的漂移率，并在加权平均方法中予以抵偿。该方法可准实时的计算氢原子钟的频率漂移。但是，2012年国际计量局BIPM的一项研究表明，由于加权平均计算出的时间尺度与各台氢原子钟存在极大的相关性，因此计算得到的时间尺度自身带有频率漂移，以此时间尺度为基准计算得到的氢原子钟漂移率，并非其实际漂移率，进而在时间尺度计算中未能完全抵偿频率漂移，导致时间尺度的频率漂移恶化。时间尺度的频率漂移恶化，进一步导致氢原子钟频率漂移计算的误差增大。因此，原子时计算结果长期存在频率漂移，导致原子时的频率与真实频率之间的偏差不断扩大，依据此方法所测定的地方原子时间标准长期稳定度和准确度不高。
发明内容
本发明实施例为了解决现有技术中由于对氢原子钟频率漂移计算误差而导致的地方原子时标长期稳定度及准确度不高的问题，提出了一种基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法，采用非相关抵偿，计算结果中不存在频率漂移，结合氢原子钟短期稳定度与铯原子喷泉钟长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备短期稳定度与长期稳定度。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案。
一种基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法，所述地方原子时生成方法利用铯喷泉钟频率基准进行非相关频率漂移计算，基于铯喷泉钟的时间尺度算法，产生时间尺度及地方原子时。
优选地，所述地方原子时生成方法包括如下步骤：
步骤S1，将原子钟组的秒信号接入多通道时间间隔计数器，由数据采集与处理工控机采集数据并存入时频数据库，得到各台原子钟与主钟的钟差数据；
步骤S2，将主钟的5MHz信号接入铯喷泉频率基准，得到主钟相对于铯喷泉钟的频率差值，将所述频率差值存入时频数据库；
步骤S3，采用基于铯喷泉钟的时间尺度算法，读取时频数据库中的钟差数据与铯喷泉钟的频率差值，计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率差值，利用最小二乘法计算各台原子钟的非相关频率漂移；
步骤S4，在时间尺度计算中除去所述非相关频率漂移，得到基于铯喷泉钟的时间尺度及地方原子时。
优选地，所述步骤S3的计算过程，具体包括如下步骤：
步骤S301，铯喷泉钟对主钟的准确度评定；
步骤S302，铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定，同时评定多台原子钟；
步骤S303，根据铯喷泉钟对主钟及其他各台原子钟的准确度评定得到准连续运行铯喷泉钟与氢原子钟组的频率差值，并进一步计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率漂移。
优选地，所述步骤S301中铯喷泉钟对主钟的准确度评定，进一步包括：读取时频数据库中的所述步骤S2存入的频率差值，对频率差值进行数据处理，消除铯喷泉钟系统频率差值，得到铯喷泉钟对主钟的准确度评定；
所述步骤S302中铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定，进一步包括：每日提取主钟与其他各台原子钟的钟差数据并进行处理，得到当日主钟与各台原子钟的频差，再根据所述铯喷泉钟对主钟的准确度评定，得到铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定。
优选地，所述步骤S301和步骤S302中的评定，采用最小二乘法拟合对频率差值和钟差数据进行处理。
优选地，所述系统频率差值，包括二级塞曼频移、自旋交换/冷碰撞频移、微波功率频移、Majorana跃迁频移、黑体辐射频移、引力频移。
优选地，所述铯喷泉钟对主钟的准确度评定公式(1)为：
Figure BDA0002538543760000031
所述当日主钟与各台原子钟的频差公式(2)为：
fi＝fMC-fClock-i (2)
所述铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定公式(3)为：
Figure BDA0002538543760000032
式(1)、(2)和(3)中，
Figure BDA0002538543760000041
为铯喷泉钟与主钟的频率差值，fNIM5-M为铯喷泉钟频率值，fMC为主钟频率值，fi为当日主钟与第i台原子钟的频率差值，fClock-i为第i台原子钟频率值，
Figure BDA0002538543760000042
为铯喷泉钟与第i台原子钟的频率差值。
优选地，所述步骤S4中的时间尺度TA，进一步通过公式(4)进行计算：
Figure BDA0002538543760000043
式(4)中，Hm为主钟的钟面读数，Pi为第i个原子钟的频率漂移权重，ξi为第i台钟相对于主钟的实测钟差，
Figure BDA0002538543760000044
为第i台钟相对于MAT的起点时间修正值，帽子“～”表示采用上个计算周期计算结果，为预报值；
Figure BDA0002538543760000045
为第i台钟相对于MAT的钟速率，也是上个计算周期计算结果；t0为起点时刻，t为当前时刻，n为原子钟组中原子钟的个数。
优选地，其中，权重Pi的计算，利用各台原子钟相对于TA的钟差改正所计算得到的稳定度求得，计算公式为：
Figure BDA0002538543760000046
其中
Figure BDA0002538543760000047
为第i台原子钟的天稳定度，根据阿伦方差进行计算。
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法，基于激光冷却铯原子喷泉钟，计算得到氢原子钟组漂移率，并进行非相关抵偿方法，使计算得到的时间尺度没有因时间尺度与各台原子钟的相关性而产生的频率漂移，结合了氢原子钟短期稳定度与铯原子喷泉钟长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备短期稳定度与长期稳定度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法原理示意图；
图2为本发明实施例基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法流程示意图。
具体实施方式
下面通过参考示范性实施例，结合附图，对本发明技术问题、技术方案和优点进行详细阐明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非在这里进行定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供了一种基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法，图1所示为所述地方原子时生成方法原理示意图。如图1所示，本实施例所述地方原子时生成方法，在经典加权平均ALGOS方法的基础上进行改进，利用激光冷却铯原子喷泉频率基准装置与国际时间比对数据，对氢原子钟的噪声模型进行精准计算，采用非相关方法抵偿导致氢原子钟长期稳定性差的频率漂移，利用铯喷泉钟频率基准进行非相关频率漂移计算，依托基于铯喷泉钟的时间尺度算法，产生时间尺度，所测定的地方原子时间标准同时具有短期稳定度与长期稳定度。这里的时间尺度，即时间标准，是一种测量时间的规范。
图1所示为本发明实施例所述基于铯喷泉钟和氢原子钟的地方原子时生成方法流程示意图。如图1所示，所述地方原子时生成方法包括如下步骤：
步骤S1，将原子钟组的秒信号接入多通道时间间隔计数器，由数据采集与处理工控机采集数据并存入时频数据库，得到各台原子钟与主钟的钟差数据；
步骤S2，将主钟的5MHz信号接入铯喷泉频率基准，得到主钟相对于铯喷泉钟的频率差值，将所述频率差值存入时频数据库；
步骤S3，采用基于铯喷泉钟的时间尺度算法，读取时频数据库中的钟差数据与铯喷泉钟的频率差值，计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率差值，利用最小二乘法计算各台原子钟的非相关频率漂移；
步骤S4，在时间尺度计算中除去所述非相关频率漂移，得到基于铯喷泉钟的时间尺度及地方原子时。
所述步骤S3的计算过程，具体包括如下步骤：
步骤S301，铯喷泉钟对主钟的准确度评定。
在步骤S2中，将主钟(MC)信号接入铯喷泉钟(NIM5-M)，每日产生一个原始数据文件，存入时频数据库。本步骤中，读取时频数据库中的原始文件后，对原始文件进行数据处理，消除铯喷泉钟系统频率差值，得到铯喷泉钟对主钟的准确度评定。所述系统频率差值，包括二级塞曼频移、自旋交换(冷碰撞)频移、微波功率频移、Majorana跃迁频移、黑体辐射频移、引力频移。
所述铯喷泉钟对主钟的准确度评定公式如下式(1)：
Figure BDA0002538543760000061
式(1)中，
Figure BDA0002538543760000062
为铯喷泉钟与主钟的频率差值，fNIM5-M为铯喷泉钟频率值，fMC为主钟频率值。
步骤S302，铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定。
本步骤中，每日提取主钟与其他各台原子钟(Clock-i)的钟差数据，利用最小二乘法进行一次拟合，得到当日主钟与各台原子钟的频差，再根据所述铯喷泉钟对主钟的准确度评定，得到铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定。
所述当日主钟与各台原子钟的频差公式(2)为：
fi＝fMC-fClock-i (2)
所述铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定公式(3)为：
Figure BDA0002538543760000063
式2)和(3)中，fi为当日主钟与第i台原子钟的频率差值，fClock-i为第i台原子钟频率值，
Figure BDA0002538543760000064
为铯喷泉钟与第i台原子钟的频率差值。
步骤S303，计算氢原子钟频率漂移
Figure BDA0002538543760000065
本步骤中，根据铯喷泉钟对主钟及其他各台原子钟的准确度评定而得到的准连续运行铯喷泉钟与氢原子钟组的频率差值，基于线性拟合法，如最小二乘法，进行一次线性拟合，得到各台氢原子钟相对于铯喷泉钟的频率漂移
Figure BDA0002538543760000071
是第i台原子钟的频率漂移，采用各台原子钟与激光冷却铯喷泉钟的频率差值历史数据计算得到。所述氢原子钟组相对于铯喷泉钟的频率漂移计算，克服了铯喷泉钟只能评定单台原子钟的缺点，同时评定多台原子钟，利用钟差采集设备与频率拟合算法，间接得到原子钟组中所有原子钟与铯喷泉钟的频率差值。
步骤S4中的时间尺度TA，进一步通过公式(4)进行计算：
Figure BDA0002538543760000072
式(4)中，Hm为主钟的钟面读数，Pi为第i个原子钟的频率漂移权重，ξi为第i台钟相对于主钟的实测钟差，
Figure BDA0002538543760000073
为第i台钟相对于TA的起点时间修正值，帽子“～”表示采用上个计算周期计算结果，为预报值；
Figure BDA0002538543760000074
为第i台钟相对于TA的钟速率，也是上个计算周期计算结果；t0为起点时刻，t为当前时刻，n为原子钟组中原子钟的个数。
其中，权重Pi的计算，利用各台原子钟相对于TA的钟差改正所计算得到的稳定度求得。计算公式为：
Figure BDA0002538543760000075
其中
Figure BDA0002538543760000076
为第i台原子钟的天稳定度，由阿伦方差计算求得。
本步骤利用铯喷泉钟复现秒定义的特性，结合氢原子钟短期稳定度的特性，结合了氢原子钟的短期稳定度与铯原子喷泉钟的长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备短期稳定度与长期稳定度。
由上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法，基于激光冷却铯原子喷泉钟，计算得到氢原子钟组漂移率，并进行非相关抵偿，使计算得到的时间尺度没有因时间尺度与各台原子钟的相关性而产生的频率漂移，结合了氢原子钟短期稳定度与铯原子喷泉钟长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备优秀的短期稳定度与长期稳定度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法，其特征在于，所述地方原子时生成方法利用铯喷泉钟频率基准进行非相关频率漂移计算，基于铯喷泉钟的时间尺度算法，产生时间尺度及地方原子时。
2.根据权利要求1所述的地方原子时生成方法，其特征在于，所述地方原子时生成方法包括如下步骤：
步骤S1，将原子钟组的秒信号接入多通道时间间隔计数器，由数据采集与处理工控机采集数据并存入时频数据库，得到各台原子钟与主钟的钟差数据；
步骤S2，将主钟的5MHz信号接入铯喷泉频率基准，得到主钟相对于铯喷泉钟的频率差值，将所述频率差值存入时频数据库；
步骤S3，采用基于铯喷泉钟的时间尺度算法，读取时频数据库中的钟差数据与铯喷泉钟的频率差值，计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率差值，利用最小二乘法计算各台原子钟的非相关频率漂移；
步骤S4，在时间尺度计算中除去所述非相关频率漂移，得到基于铯喷泉钟的时间尺度及地方原子时。
3.根据权利要求2所述的地方原子时生成方法，其特征在于，所述步骤S3的计算过程，具体包括如下步骤：
步骤S301，铯喷泉钟对主钟的准确度评定；
步骤S302，铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定，同时评定多台原子钟；
步骤S303，根据铯喷泉钟对主钟及其他各台原子钟的准确度评定得到准连续运行铯喷泉钟与氢原子钟组的频率差值，并进一步计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率漂移。
4.根据权利要求3所述的地方原子时生成方法，其特征在于，
所述步骤S301中铯喷泉钟对主钟的准确度评定，进一步包括：读取时频数据库中的所述步骤S2存入的频率差值，对频率差值进行数据处理，消除铯喷泉钟系统频率差值，得到铯喷泉钟对主钟的准确度评定；
所述步骤S302中铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定，进一步包括：每日提取主钟与其他各台原子钟的钟差数据并进行处理，得到当日主钟与各台原子钟的频差，再根据所述铯喷泉钟对主钟的准确度评定，得到铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定。
5.根据权利要求4所述的地方原子时生成方法，其特征在于，所述步骤S301和步骤S302中的评定，采用最小二乘法拟合对频率差值和钟差数据进行处理。
6.根据权利要求4所述的地方原子时生成方法，其特征在于，所述系统频率差值，包括二级塞曼频移、自旋交换/冷碰撞频移、微波功率频移、Majorana跃迁频移、黑体辐射频移、引力频移。
7.根据权利要求4所述的地方原子时生成方法，其特征在于，
所述铯喷泉钟对主钟的准确度评定公式(1)为：
Figure FDA0002538543750000021
所述当日主钟与各台原子钟的频差公式(2)为：
fi＝fMC-fClock-i (2)
所述铯喷泉钟对其他各台原子钟的准确度评定公式(3)为：
Figure FDA0002538543750000022
式(1)、(2)和(3)中，
Figure FDA0002538543750000023
为铯喷泉钟与主钟的频率差值，fNIM5-M为铯喷泉钟频率值，fMC为主钟频率值，fi为当日主钟与第i台原子钟的频率差值，fClock-i为第i台原子钟频率值，
Figure FDA0002538543750000024
为铯喷泉钟与第i台原子钟的频率差值。
8.根据权利要求6所述的地方原子时生成方法，其特征在于，所述步骤S4中的时间尺度TA，进一步通过公式(4)进行计算：
Figure FDA0002538543750000025
式(4)中，Hm为主钟的钟面读数，Pi为第i个原子钟的频率漂移权重，ξi为第i台钟相对于主钟的实测钟差，
Figure FDA0002538543750000026
为第i台钟相对于MAT的起点时间修正值，帽子“～”表示采用上个计算周期计算结果，为预报值；
Figure FDA0002538543750000027
为第i台钟相对于MAT的钟速率，也是上个计算周期计算结果；t0为起点时刻，t为当前时刻，n为原子钟组中原子钟的个数。
9.根据权利要求8所述的地方原子时生成方法，其特征在于，其中，权重Pi的计算，利用各台原子钟相对于TA的钟差改正所计算得到的稳定度求得，计算公式为：
Figure FDA0002538543750000031
其中
Figure FDA0002538543750000032
为第i台原子钟的天稳定度，根据阿伦方差进行计算。
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