CN113377003A - 一种铯和氢原子频标的相位调整方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铯和氢原子频标的相位调整方法，不采用业内经典的方式方法调控原子钟组相位性能，也不需要采用多台昂贵的铯钟和氢钟，通过本发明的技术方案，可以显著减少相对UTC的时间偏差，性能指标达到纳秒或亚纳秒级别；可大幅度降低系统投资，仅需百万元级别就能获得类似或更高的性能。本发明的系统体积较小、性能高、适于快速布设，可在舰船、车辆和普通机房等环境运用，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明属于电子技术和时间频率技术领域，尤其涉及一种铯和氢原子频标的相位调整方法及装置。
背景技术
国家级或重要的时频实验室(中心)等，需要配置原子钟频标，产生准确的频率(如10Mhz)和时间信号(PPS)。一般需要采用多台昂贵的铯钟和氢钟(例如美国海军天文台采用80台以上，我国国家授时中心采用20多台)。尽管原子钟产生的时频信号相对精准，但是也存在一定的相位偏差(漂移)，例如常用的5071铯钟(准确度为1X10-12)每天相位偏差为86ns，需要采取措施予以调控，方可保证高精度的信号输出。目前通用的原子钟钟差调控方法，是选择一台主时钟，同时监测原子钟组内每台钟的技术性能，采用多台原子钟性能加权平均的方式，获得性能统计均值，计算主时钟和统计钟差调控的数据，预测钟差变化趋势，并据此调控相位微跃计信号，实现原子钟组较为精准的时间和频率信号输出的目的，并据此与国际权度局BIPM的世界协调时UTC进行比对获得时间偏差(UTC-UTC(K))，目前该偏差较好的为几个ns以上。
现有技术的主要问题是：一是时频指标受原子钟物理器件限制，难以进一步提高精度；二是需要大量昂贵的原子钟，投资巨大；三是钟组及系统庞大，环境要求很高，不便于灵活部署，不利于普及。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种铯和氢原子频标的相位调整方法，采用一种高精度的与UTC或UTC(K)同步的时钟参考源,不再采用经典的本原子钟组内钟差加权平均的方法获取调控参数。本发明的具体技术方案如下：
一种铯和氢原子频标的相位调整方法，采用高精度的与协调世界时UTC或UTC(k)同步的时钟基准源，与原子钟输出信号进行相位比对，再经过智能处理，通过相位微跃计调控原子频标即主用频标的相位，使原子频标的钟差性能指标相对于UTC能够达到纳秒及亚纳秒以上级别，其中，UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称。
进一步地，所述方法包括以下步骤：
S1：获取时间基准，通过精确授时技术获得与UTC精确同步的时间基准信号-秒脉冲信号即PPS信号，采用AI方式包括向量机或神经网络消除误差，初步产生与基准时间精确同步的时间尺度t1；
S2：将t1与原子频标输出的PPS信号t2实时比对，获得两者的相位差t3，比对钟差中包含比对链路引入的比对不确定度；
S3：根据t3，采用向量机方式或模型算法拟合并预测t2与t1的钟差，预测t3变化趋势，获得调控相位微跃计的信号t4，并不断修正直到趋近于理想值，相位分辨率为1ps以上；
S4：用钟差预测趋势获得调控相位微跃计的信号t4，采用t4调整相位微跃计步长实现驾驭本地时间尺度，生成与基准时间同步的时间尺度t5，并输出信号t5，由此获得与UTC高精度同步的1PPS信号；
S5：经过隔离、分配、放大处理后输出时频物理信号，包括1PPS和10MHz信号，在时间信号处理过程中采用动态Allan方差法、广义似然比检验方法及时检测并消除异常。
进一步地，所述步骤S1中的精确授时技术为能够实现纳秒级以上的授时技术，包括广域精确授时WPT技术或精密单点定位PPP技术。
进一步地，包括软件系统和硬件设备，其中，软件系统包括钟差数据采集模块、钟差计算信号处理模块、频差数据采集模块和时钟驾驭算法模块，硬件设备包括基准时钟溯源接收器、频率相位微跃计、原子钟组、钟差测量系统、智能控制器，其中，
所述基准时钟溯源接收器包括溯源接收机天线和溯源比对接收机，利用广域精确授时WPT技术，获得卫星系统时间GNSST，并间接溯源到UTC时间；
所述频率相位微跃计根据所述智能控制器的指令产生驾驭本地频标时钟调控步长信号；
所述原子钟组用于产生本地原子时间物理信号，选择其中一只作为主用频标，其输出信号至所述频率相位微跃计和所述钟差测量系统；
所述钟差测量系统包括多路时间间隔测量比对计数器，能够监测并获得各参考点之间的相位差；
所述智能控制器用于集成所述软件系统，用于采集信息、处理数据，运行智能算法，管理系统运行；
所述钟差数据采集模块采集所述基准时钟溯源接收器的输出信号，所述频差数据采集模块采集所述时间间隔测量比对计数器的输出信号，所述钟差计算信号处理模块将所述钟差数据采集模块的输出信号和所述频差数据采集模块的输出信号进行处理后输入所述时钟驾驭算法模块，所述时钟驾驭算法模块的输出信号输入至所述频率相位微跃计，根据所述智能控制器的指令产生驾驭本地时钟调控步长信号。
进一步地，所述原子钟组为1-3台铯原子钟或1-3台氢原子钟或2-3台铯原子钟和氢原子钟混合，在所述原子钟组选择一台原子钟作为主用频标，产生本地原子时间物理信号，其他原子钟仅作为备用，不参与钟差统计平均计算。
本发明的有益效果在于：
1.本发明能够显著减少相对UTC的时间偏差，性能指标达到纳秒或亚纳秒级别；
2.本发明能够大幅度降低系统投资，通常铯原子钟每台70万元以上，氢钟每台数百万元，钟组及专用钟房等需要数千万或数亿元计。新方式仅需百万元级别就能获得类似或更高的性能。
3.本发明的系统体积较小、性能高、适于快速布设，可在舰船、车辆和普通机房等环境运用，适用范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的软件与硬件系统结合示意图；
图2是本发明的系统逻辑功能及信号关系示意图；
图3是本发明的主要流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
不采用业内经典的方式方法调控原子钟组相位性能，也不需要采用多台昂贵的铯钟和氢钟(美国海军天文台采用50台以上，国家授时中心采用20多台)。经典方法是:在众多原子钟组钟选择一台主时钟，同时监测所有组内原子钟的性能，然后采用加权平均的方式，获得主时钟与加权平均后的钟差调控的数据，并据此调控相位微跃计的信号，实现原子钟组输出时间和频率信号的目的。
UTC(k)是代号为k的时间实验室产生和保持的实验室标准时间，k为实验室的通称，每个实验室有自身的代码，比如UTC(NIM)是指由中国计量科学研究院产生和保持的实验室标准时间，UTC(NIST)是指由美国标准技术研究院产生和保持的实验室标准时间，UTC(NTSC)是指由中科院国家授时中心(西安)产生和保持的实验室标准时间，以此类推。
美国海军天文台UTC(USNO)是目前世界上最高水平的守时机构之一，USNO不仅维持UTC的本地实现，而且是GPS的时频基准。USNO有20多台主动型氢钟，60多台商品型铯钟。它的原子钟数量是全球所有实验室中最多的，这也保证了UTC(USNO)优越的频率稳定度性能和[UTC-UTC(USNO)]的时间同步性能。
USNO使用时间尺度算法，分别对铯钟组和氢钟组建立纸面时间，称为铯钟组平均时间和氢钟组平均时间。用铯钟组平均时间驾驭氢钟组平均时间，生成USNO平均时间。显然，USNO平均时间是纸面时间。分析USNO平均时间相对于UTC的钟差，以及USNO平均时间和主钟之间的钟差，根据这些钟差或钟差预测值，调整主钟，生成UTC(USNO)。
实际上，大多数UTC(k)都是利用相位微跃计来调整主钟后输出的物理信号，这时相位微跃计输出的1PPS即代表了UTC(k)。UTC(NTSC)是物理信号，而北京卫星导航中心(Beijing Satellite Navigation Center，简称BSNC)建立和维持的UTC(BSNC)是纸面时间。
本发明提出的方法和装置，不仅实现了性能指标显著提升，而且所需投资相对较低。采用一种高精度的与UTC或UTC(K)同步的时钟参考源,不再采用经典的本原子钟组内钟差加权平均的方法获取调控参数；增加了基准采集和智能控制器、只设1-3台原子钟，不再需要数十台。
如图1所示，一种铯和氢原子频标的相位调整方法，采用高精度的与协调世界时UTC或UTC(k)同步的时钟基准源，与原子钟输出信号进行相位比对，再经过智能处理，通过相位微跃计调控原子频标即主用频标的相位，使原子频标的钟差性能指标相对于UTC能够达到纳秒及亚纳秒以上级别，其中，UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称。
具体地，本发明的方法包括以下步骤：
S1：获取时间基准，通过精确授时技术获得与UTC精确同步的时间基准信号-秒脉冲信号即PPS信号，采用AI方式包括向量机或神经网络消除误差，初步产生与基准时间精确同步的时间尺度t1；
S2：将t1与原子频标输出的PPS信号t2实时比对，获得两者的相位差t3，比对钟差中包含比对链路引入的比对不确定度；
S3：根据t3，采用向量机方式或模型算法拟合并预测t2与t1的钟差，预测t3变化趋势，获得调控相位微跃计的信号t4，并不断修正直到趋近于理想值，相位分辨率为1ps以上；
S4：用钟差预测趋势获得调控相位微跃计的信号t4，采用t4调整相位微跃计步长实现驾驭本地时间尺度，生成与基准时间同步的时间尺度t5，并输出信号t5，由此获得与UTC高精度同步的1PPS信号；
S5：经过隔离、分配、放大处理后输出时频物理信号，包括1PPS和10MHz信号，在时间信号处理过程中采用动态Allan方差法、广义似然比检验方法及时检测并消除异常。
在一些实施方式中，步骤S1中的精确授时技术为能够实现纳秒级以上的授时技术，包括广域精确授时WPT或精密单点定位PPP技术。
一种铯和氢原子频标的相位调整装置，包括软件系统和硬件设备，其中，软件系统包括钟差数据采集模块、钟差计算信号处理模块、频差数据采集模块和时钟驾驭算法模块，硬件设备包括基准时钟溯源接收器、频率相位微跃计、原子钟组、钟差测量系统、智能控制器，其中，
基准时钟溯源接收器包括溯源接收机天线和溯源比对接收机，利用广域精确授时WPT技术，获得卫星系统时间GNSST，并间接溯源到UTC时间；
频率相位微跃计根据智能控制器的指令产生驾驭本地频标时钟调控步长信号；
原子钟组用于产生本地原子时间物理信号，选择其中一只作为主用频标，其输出信号至频率相位微跃计和钟差测量系统；
钟差测量系统包括多路时间间隔测量比对计数器，能够监测并获得各参考点之间的相位差；
智能控制器用于集成软件系统，用于采集信息、处理数据，运行智能算法，管理系统运行；
钟差数据采集模块采集基准时钟溯源接收器的输出信号，频差数据采集模块采集时间间隔测量比对计数器的输出信号，钟差计算信号处理模块将钟差数据采集模块的输出信号和频差数据采集模块的输出信号进行处理后输入时钟驾驭算法模块，时钟驾驭算法模块的输出信号输入至频率相位微跃计，根据智能控制器的指令产生驾驭本地时钟调控步长信号。
较佳地，原子钟组为1-3台铯原子钟或1-3台氢原子钟或2-3台铯原子钟和氢原子钟混合，在原子钟组选择一台原子钟作为主用频标，产生本地原子时间物理信号，其他原子钟仅作为备用，不参与钟差统计平均计算。
如图2-3所示，设置原子钟组并选择其中一只作为主用频标，其输出信号分为两路，一路连接到频率相位微跃计的输入端，另一路视为t2连接到钟差测量系统的一个检测输入端；
利用广域精确授时WPT技术，获得卫星系统时间GNSST，并间接溯源到UTC或UTC(K)时间，作为本系统的基准时间(或称其为参考时间)。溯源比对接收机输出的信号连接到钟差测量系统的另一个检测输入端；
在时间基准获取过程中，钟差数据采集模块采用AI方式包括向量机或神经网络等消除误差，初步产生与基准时间精确同步的时间尺度t1；
钟差测量系统实时比对检测基准时间t1相对于本地原子频标时间t2的钟差，获得t3；
在智能处理器的钟差计算信号处理模块，通过已经获得的历史和实时钟差数据t3集合组，采用向量机方式或模型算法拟合并预测t2与t1的钟差，预测t3未来变化趋势；根据钟差预测趋势获得调控频率相位微跃计的信号t4，并实时修正直到趋近于理想值；
智能处理器的时钟驾驭算法模块采用t4，计算产生调整频率相位微跃计的微分步长，并输出调整信号实现驾驭频率相位微跃计的输出信号，生成与基准时间同步的时间尺度t5；
频率相位微跃计输出的信号经过隔离、分配、放大处理，产生最终的时间、频率和时码信号；
在上述时间信号处理过程中，还需要采用动态Allan方差法、广义似然比检验方法及时检测并消除异常。
在采用本发明的方法后，对于目前业内通常采用多个原子钟加权平均的调控方式，可以不采用或弱化钟组配置(减少原子钟数量)，或作为备用方式，形成新的系统装置。不仅提高了系统精度，也提高了系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种铯和氢原子频标的相位调整方法，其特征在于，采用高精度的与协调世界时UTC或UTC(k)同步的时钟基准源，与原子钟输出信号进行相位比对，再经过智能处理，通过相位微跃计调控原子频标即主用频标的相位，使原子频标的钟差性能指标相对于UTC能够达到纳秒及亚纳秒以上级别，其中，UTC(k)是代号为k的时间实验室产生并保持的标准时间，k为实验室的通称。
2.根据权利要求1所述的一种铯和氢原子频标的相位调整方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：获取时间基准，通过精确授时技术获得与UTC精确同步的时间基准信号-秒脉冲信号即PPS信号，采用AI方式包括向量机或神经网络消除误差，初步产生与基准时间精确同步的时间尺度t1；
S2：将t1与原子频标输出的PPS信号t2实时比对，获得两者的相位差t3，比对钟差中包含比对链路引入的比对不确定度；
S3：根据t3，采用向量机方式或模型算法拟合并预测t2与t1的钟差，预测t3变化趋势，获得调控相位微跃计的信号t4，并不断修正直到趋近于理想值，相位分辨率为1ps以上；
S4：用钟差预测趋势获得调控相位微跃计的信号t4，采用t4调整相位微跃计步长实现驾驭本地时间尺度，生成与基准时间同步的时间尺度t5，并输出信号t5，由此获得与UTC高精度同步的1PPS信号；
S5：经过隔离、分配、放大处理后输出时频物理信号，包括1PPS和10MHz信号，在时间信号处理过程中采用动态Allan方差法、广义似然比检验方法及时检测并消除异常。
3.根据权利要求2所述的一种铯和氢原子频标的相位调整方法，其特征在于，所述步骤S1中的精确授时技术为能够实现纳秒级以上的授时技术，包括广域精确授时WPT技术或精密单点定位PPP技术。
4.根据权利要求2或3所述的一种铯和氢原子频标的相位调整装置，其特征在于，包括软件系统和硬件设备，其中，软件系统包括钟差数据采集模块、钟差计算信号处理模块、频差数据采集模块和时钟驾驭算法模块，硬件设备包括基准时钟溯源接收器、频率相位微跃计、原子钟组、钟差测量系统、智能控制器，其中，
所述基准时钟溯源接收器包括溯源接收机天线和溯源比对接收机，利用广域精确授时WPT技术，获得卫星系统时间GNSST，并间接溯源到UTC时间；
所述频率相位微跃计根据所述智能控制器的指令产生驾驭本地频标时钟调控步长信号；
所述原子钟组用于产生本地原子时间物理信号，选择其中一只作为主用频标，其输出信号至所述频率相位微跃计和所述钟差测量系统；
所述钟差测量系统包括多路时间间隔测量比对计数器，能够监测并获得各参考点之间的相位差；
所述智能控制器用于集成所述软件系统，用于采集信息、处理数据，运行智能算法，管理系统运行；
所述钟差数据采集模块采集所述基准时钟溯源接收器的输出信号，所述频差数据采集模块采集所述时间间隔测量比对计数器的输出信号，所述钟差计算信号处理模块将所述钟差数据采集模块的输出信号和所述频差数据采集模块的输出信号进行处理后输入所述时钟驾驭算法模块，所述时钟驾驭算法模块的输出信号输入至所述频率相位微跃计，根据所述智能控制器的指令产生驾驭本地时钟调控步长信号。
5.根据权利要求4所述的一种铯和氢原子频标的相位调整装置，其特征在于，所述原子钟组为1-3台铯原子钟或1-3台氢原子钟或2-3台铯原子钟和氢原子钟混合，在所述原子钟组选择一台原子钟作为主用频标，产生本地原子时间物理信号，其他原子钟仅作为备用，不参与钟差统计平均计算。
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2021
- 2021-06-07 CN CN202110629555.2A patent/CN113377003B/zh active Active
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|---|---|
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