CN113900367A - 一种氢原子钟频率驾驭系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢原子钟频率驾驭系统，包括主钟系统、共视比对接收机和中心服务器；所述主钟系统包括氢原子钟和相位微调器，氢原子钟将时间基准信号输入到相位微调器进行处理；相位微调器将处理后形成1PPS信号，并将1PPS信号输入到共视比对接收机；共视比对接收机通过天线接收卫星信号，并将1PPS信号和卫星信号进行比对，形成共视比对数据文件；主钟系统通过相位微调器将共视比对数据文件通过网络发送给中心服务器，中心服务器对共视比对数据文件进行处理，将反馈调整量返回至相位微调器，完成氢原子钟频率驾驭。
Description
技术领域
本发明属于时频校正技术领域，特别涉及一种氢原子钟频率驾驭系统和方法。
背景技术
时间已渗透于人们生产、生活的方方面面。精密时间在国防现代化，国民经济建设等的诸多领域都受到广泛应用，如精确计时、现代通信、导航定位等都离不开精密时间。在导航系统中，星载钟之间的同步精度为几纳秒水平，高精度的时间频率是导航系统的关键和核心。在很多科学研究领域(如电离层特性研究)，在航天领域(如火箭发射、卫星定轨)，在计量和校准领域(如物理常数测量)等都需要高精度时间基准。
近几年，我国时间基准协调世界时(UTC)的保持水平已有了较大的进步，综合实力位于国际前列。如今随着科技的发展，在标准时间频率信号的应用中如：对高稳晶振、铷钟等的测量、接收机的校准、亚纳秒级的高精度时间实时同步等，都对参考源的短期稳定性提出了更高的要求，因此，提高UTC的短期稳定度具有重要的应用价值。
在UTC(k)保持中，原子钟的频率驾驭方法是影响其性能的关键因素，其中包括参考原子时的计算以及原子钟频率驾驭量的计算。参考原子时为UTC(k)的控制提供了纸面时间基准，在UTC(k)的保持精度方面有着不可或缺的作用。原子钟频率驾驭量的计算是保证UTC(k)与参考原子时尽可能一致的重要手段，直接影响UTC(k)信号的稳定性及准确性。
在氢原子钟的应用中，其频漂的准确估计是一个关键问题，这是造成氢原子钟在氢铯联合原子时中所占权重较低的主要原因。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的在于提供一种氢原子钟频率驾驭系统和方法，解决现有氢原子钟频率偏差和漂移，维持氢原子钟稳定性等技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种氢原子钟频率驾驭系统，包括主钟系统、共视比对接收机和中心服务器；
所述主钟系统包括氢原子钟和相位微调器，氢原子钟将时间基准信号输入到相位微调器进行处理；
相位微调器将处理后形成1PPS信号，并将1PPS信号输入到共视比对接收机；共视比对接收机通过天线接收卫星信号，并将1PPS信号和卫星信号进行比对，形成共视比对数据文件；
主钟系统通过相位微调器将共视比对数据文件通过网络发送给中心服务器，中心服务器对共视比对数据文件进行处理，将反馈调整量返回至相位微调器，完成氢原子钟频率驾驭。
进一步地，所述共视比对接收机通过GPSCview软件对1PPS信号和卫星信号进行比对，形成符合CGGTTS格式要求的共视比对数据文件，所述共视比对数据文件包括氢原子钟与GPS时间的钟差数据。
进一步地，所述相位微调器通过计算机将共视比对数据文件通过网络发送给中心服务器，并通过计算机接收中心服务器返回的反馈调整量，完成氢原子钟频率驾驭。
进一步地，所述相位微调器采用HROG-5相位微调器，具有RS232串口，相位微调器通过RS232串口与计算机连接。
进一步地，共视比对接收机对卫星信号进行处理，并将处理后的卫星信号与1PPS信号进行比对，形成共视比对数据文件，所述共视比对接收机对卫星信号进行处理具体包括：
1)对卫星信号进行钟跳识别，如果检测到钟跳，剔除异常数据段和粗差；
2)通过一次多项式钟差模型对粗差进行剔除，所述一次多项式钟差模型为：
Xi＝X0+(ti-t0)B+εi
其中，ti为观测时刻，Xi为ti的观测钟差，t0为起始时刻，X0为起始时刻钟差，B为相对钟速，εi为随机误差，i＝1，2，…，n，n为自然数；
取起始时刻t0为n次观测时刻值ti的平均值
钟差观测值的残差vi为：
钟差检验统计量为标准化残差
其中，
是vi的标准差；
若
则判定Xi存在粗差，k为限差值；
3)采用零值替代或者采取线性插值作内插处理，插补缺失数据，完成对对卫星信号的优化处理。
进一步地，相位微调器通过单片机与报警电路连接，所述报警电路包括第一与非门、第二与非门、一个按键开关、一个发光二极管和一个报警器；发光二极管阴极与第一与非门输出端和第二与非门输入端连接，发光二极管阳极接电源；第二与非门输出端依次与NPN三极管、振荡器和报警器连接；
当氢原子钟频率驾驭系统处于工作时，按键开关处于闭合状态，第一与非门输出出高电平，发光二极管不发光，第二与非门输出低电平，振荡器不工作，报警器不响；
当氢原子钟频率驾驭系统完成驾驭时，单片机给报警电路输出负脉冲，第一与非门输出低电平使发光二极管导通发光，第二与非门输出高电平使振荡器工作，报警器报警，提示人员任务完成，开始下一阶段任务；
按下按键开关，停止声光报警。
进一步地，报警电路可以用显示器替换。
本发明还提供了一种氢原子钟频率驾驭方法，包括以下步骤：
步骤1，数据积累：氢原子钟频率驾驭系统连续运行，采集并积累数据；
步骤2，粗调：根据本地时间与中心服务器之间的时差走势计算频率调整量，并将其送入相位微调器完成粗调；
步骤3，微调：粗调完成后实时检测本地时间和中心服务器时间之间的偏差，当偏差值小于30ns时完成氢原子钟频率驾驭。
进一步地，共视比对接收机对卫星信号进行处理，并将处理后的卫星信号与1PPS信号进行比对，形成共视比对数据文件，所述共视比对接收机对卫星信号进行处理具体包括：
1)对卫星信号进行钟跳识别，如果检测到钟跳，剔除异常数据段和粗差；
2)通过一次多项式钟差模型对粗差进行剔除，所述一次多项式钟差模型为：
Xi＝X0+(ti-t0)B+εi
其中，ti为观测时刻，Xi为ti的观测钟差，t0为起始时刻，X0为起始时刻钟差，B为相对钟速，εi为随机误差，i＝1，2，…，n，n为自然数；
取起始时刻t0为n次观测时刻值ti的平均值
钟差观测值的残差vi为：
钟差检验统计量为标准化残差
其中，
是vi的标准差；
若
则判定Xi存在粗差，k为限差值；
3)采用零值替代或者采取线性插值作内插处理，插补缺失数据，完成对对卫星信号的优化处理。
本发明还提供了一种共视比对数据文件校正方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立平方根信息滤波算法模型，对噪声进行处理；
步骤S2，进行平方根信息平滑；
步骤S3，基于平方根信息滤波进行实时质量控制。
进一步地，所述步骤S1中建立平方根信息滤波算法模型包括滤波器的状态方程和观测方程，分别如下式所示：
zj＝AP(j)Pj+AX(j)Xj+AY(j)Y+vj (2)
其中，Xj+1为第j+1步的随时间变化的状态参数，Pj+1为第j+1步的相关随机过程噪声参数，VX(j)为第j步随时间变化的状态参数的系数矩阵，VP(j)为第j步相关随机过程噪声参数的系数矩阵，VY(j)为第j步不随时间变化的状态参数的系数矩阵，I为单位矩阵，zj为第j步的观测量，AP(j)为第j步相关随机过程噪声参数的系数矩阵，AX(j)为第j步随时间变化的状态参数的系数矩阵，AY(j)为第j步不随时间变化的状态参数的系数矩阵，vj为第j步的误差矩阵，Pj为相关随机过程噪声参数；Xj为随时间变化的状态参数，但并不直接作为随机过程噪声处理的参数；Y为不随时间变化的状态参数；wj为滤波器的随机过程噪声；Mj为一对角矩阵，取决于相关噪声类型，如果为一阶马尔科夫过程则可表示为：
Mj＝Diag[exp(-Δtj/τ1),…,exp(-Δtj/τnp)] (3)
其中Δtj＝tj+1-tj，为tj+1时刻与tj时刻的时刻差，τk为用户定义的第k个随机参数的相关时间，np为随机参数的总个数；
所述步骤S1中对噪声进行处理具体包括以下步骤：
根据状态参数的类型，构建第j步平方根信息矩阵等式：
其中，
为第j步的随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的随时间变化的状态参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的随时间变化的状态参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的验后随时间变化的状态参数，
为第j步的相关随机过程噪声参数，
为验后的随时间变化的状态参数，
为验后的相关随机过程噪声参数，
为验后的不随时间变化的状态参数；
根据状态方程公式(11)得到状态向量X从tj到tj+1时刻的投影方程：
Xj+1＝VX(j)Xj+VP(j)Pj+VY(j)Y (5)
将公式(5)代入到公式(4)得：
其中，VX为第j步随时间变化的状态参数的系数矩阵，VP为第j步相关随机过程噪声参数的系数矩阵，VY为第j步不随时间变化的状态参数的系数矩阵，
为第j+1步先验随时间变化的状态参数；
考虑到公式(4)中：
Pj+1＝MjPj+wj (7)
其中，Mj为第j过程噪声参数状态转移矩阵；
wj是独立的随机过程噪声，并服从N(0,σ2)分布，用下式描述：
rwwj＝zw (8)
其中，rw为相应随机过程噪声的标准差，zw为随机过程噪声的虚拟观测量；
综合公式(7)和公式(8)并代入公式(6)，并在等式两边同乘以正交矩阵算子
可得：
其中，RX为第j步变换后的随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RXP为第j步变换后的随时间变化的状态参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RXY为第j步变换后的随时间变化的状态参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RP为第j步变换后的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RPY为第j步变换后的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RY为第j步的不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j+1步的先验随时间变化的状态参数，
为第j+1步的先验相关随机过程噪声参数，zX为验后的随时间变化的状态参数，zP为验后的相关随机过程噪声参数，zY为验后的不随时间变化的状态参数；
通过正交变换得到公式(10)和公式(11)：
其中，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数和随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的随机过程噪声的虚拟观测量；
其中，
为第j步先验的随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的随时间变化的状态参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的随时间变化的状态参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的不随时间变化的状态参数的先验权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j+1步的先验随时间变化的状态参数，
为第j+1步的先验相关随机过程噪声参数，
为第j+1步的先验的随时间变化的状态参数，
为第j+1步的先验的相关随机过程噪声参数，
为第j+1步的先验的不随时间变化的状态参数；
根据公式(11)可实现考虑相关噪声的状态更新步骤，公式(10)用于后向平方根信息平滑。
进一步地，所述步骤S2中进行平方根信息平滑具体包括以下步骤：
已知公式(5)中的VX(j)、VP(j)和VY(j)；
在每一步平方根信息滤波过程中保存公式(10)中的：
和
最终平方根信息滤波结果；
假设已知第j+1步的平方根信息平滑结果[Xj+1 Pj+1 Y]T，根据公式(10)式得：
根据公式(5)得：
Xj＝(VX(j))-1[Xj+1-VP(j)Pj-VY(j)Y] (13)
由公式(12)和公式(13)得到第j步的平滑值[Xj Pj Y]T，逐次递推，即可实现平方根信息平滑。
进一步地，所述步骤S3中基于平方根信息滤波进行实时质量控制具体包括以下步骤：
步骤S31，进行正交变换：
其中T0为正交矩阵，A0为误差方差系数矩阵，
为先验权方差阵的平方根矩阵，
为变换后的权方差阵的平方根矩阵，
为虚拟观测量，z为实际观测量，
为变换后的虚拟观测量；
得到历元i的正交变换：
其中，Ti为第i历元的一个正交矩阵，
为第i历元的先验权方差的平方根矩阵，Ai为第i历元的实际观测值的系数矩阵，
为第i历元的验后权方差的平方根矩阵，Ti的确定与
有关，将公式(15)中Ti矩阵分解为验后残差e对先验值的敏感矩阵
和验后残差对应观测量的敏感矩阵S得敏感方程：
设验后残差向量为v，对应的权阵为P，则有：eTe＝vTPv；
步骤S32，利用验后残差服从正态分布的统计特性构造统计检验量来探测模型误差，对验后残差e进行分析，构造检验统计量，进行χ2检验：
假设统计量：
其中，n为第i历元的观测值个数，
为验后残差理论单位权中误差；若备选假设H1成立则说明模型误差存在异常，需对异常误差历元进一步定位，可以实时地定位有问题的历元；
步骤S33，对有问题的历元的验后残差e进行假设检验，观测值zm被探测为异常观测值，zm为观测向量z中第m个观测值；假设异常观测值zm与真实观测值具有偏差Δzm，则利用正交变换的同时得到的异常观测值与验后残差的敏感矩阵Sm，Sm为S的第m列，获得观测偏差与残差的对应关系：
其中，
为异常值的验后偏差，
Pm为第i历元的观测值权矩阵，则
引起的验后残差偏差
步骤S34，附加条件
最小，可以获得偏差Δzm，如果偏差Δzm不小于一个周跳的量值，而且
明显小于||e||2，则认为在zm处发生了周跳，将滤波器状态向量扩维并增加一个整周模糊度参数，后续观测值将估计新的整周模糊度；
步骤S35，将e-Δem作为新的残差向量enew，新的残差向量enew与原验后残差具有相同的分布，对enew进行假设检验，重新计算假设统计量：
步骤S36，如果偏差已经确认，可以使用异常观测与验后残差之间的敏感方程，将公式(17)作为新的观测值加入滤波观测方程更新中，滤波器实现校正步骤。
本发明还提供了一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序执行如下步骤：
步骤1，数据积累：氢原子钟频率驾驭系统连续运行，采集并积累数据；
步骤2，粗调：根据本地时间与中心服务器之间的时差走势计算频率调整量，并将其送入相位微调器完成粗调；
步骤3，微调：粗调完成后实时检测本地时间和中心服务器时间之间的偏差，当偏差值小于30ns时完成氢原子钟频率驾驭。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于获取了时间偏差，实现了时间溯源，提高了氢原子钟频率驾驭技术的可靠性。
附图说明
图1为本发明氢原子钟频率驾驭系统框图；
图2为本发明氢原子钟频率驾驭系统另一框图；
图3为本发明报警电路框图；
图4为本地时间与中心服务器参考信号的共视时差测量数据。
具体实施方式
原子钟的频率存在偏差和漂移，但为了维持原子钟的稳定性，一般让原子钟保持自由运转状态，通过外部的相位微调器输入频率调整量实现原子钟都频率修正。因此守时实验室大多采用一台原子钟和一个相位微调器组成一个主钟系统，主钟频率驾驭主要通过相位微调器实现对主钟频率的驾驭。频率驾驭是计算参考时间尺度与实时物理信号之间的偏差，通过相应的算法预报该值，形成频率控制量，输入到相位微调器中，修正相位微调器的实时物理输出。
实施例一：
本发明提供了一种氢原子钟频率驾驭系统，如图1所示，包括主钟系统、共视比对接收机和中心服务器；主钟系统包括氢原子钟和相位微调器，氢原子钟将时间基准信号输入到相位微调器进行处理。
GPS共视比对的实施包括观测、数据传输和比对处理计算3个过程。任何两个用户之间按GNSS CV标准化程序进行共视观测和数据交换处理，就能获得1～10ns的时间同步精度。共视比对的双方之一是北京无线电计量测试研究所(BIRM，即图1中的中心服务器)，具有守时系统，并保持精确时间的实验室，共视的另一方上海精密计量测试研究所(PMTI，即图1中的主钟系统)就能与该精确时间实现高精度同步。上海精密计量测试研究所将时间基准信号输入相位微调器，相位微调器的1PPS信号(秒脉冲信号)输入到共视比对接收机，共视比对接收机与其接收到的卫星信号进行比对，通过安装了专用软件GPSCview的计算机对其进行程控测量，并保存共视比对原始数据，形成符合标准数据格式(CGGTTS)要求的共视比对数据文件，该文件中的REFSYS即是本地原子钟与GPS时间的钟差数据。上海精密计量测试研究所将该共视比对数据文件通过网络发送给北京无线电计量测试研究所，北京无线电计量测试研究所处理好数据后，将反馈调整量返回上海精密计量测试研究，实现对氢原子钟的频率驾驭。
共视比对接收机除了直接将卫星信号和1PPS信号卫星信号进行比对，形成共视比对数据文件外，还可以对卫星信号进行处理，并将处理后的卫星信号与1PPS信号进行比对，形成共视比对数据文件，所述共视比对接收机对卫星信号进行处理具体包括：
1)对卫星信号进行钟跳识别，如果检测到钟跳，剔除异常数据段和粗差。卫星星载钟差序列中同时出现钟跳、粗差、中断等异常情况，影响卫星信号质量。钟跳在原子钟时域稳定性测量中是不可避免的，相位跳变对应于频率峰值。根据这一特点，本发明通过设定合适的阈值(根据实验结果得出，取1×10-5s作为阈值较合适)对频率数据进行判断并确定钟跳位置。若单天钟差序列内部出现钟跳，需要分段处理。
2)异常数据段和粗差的剔除。
异常数据段的剔除。卫星钟差序列可能同时出现数据异常，且持续时间以天为单位。通过判断其频率峰值的量级及峰值出现的频次，识别异常数据段，并按天对其进行剔除处理。
粗差的剔除。采用Baarda探测法。Baarda数据探测法可以有效地探测粗差并将其剔除。钟差模型有一次多项式模型和二次多项式模型。但是在粗差探测过程中，钟漂对钟差的影响远远小于粗差的量级，因此选择一次多项式模型构建钟差观测方程，这样既可以减小计算量，又不影响粗差探测的实际结果。钟差一次模型为：
Xi＝X0+(ti-t0)B+εi
其中，ti为观测时刻，Xi为ti的观测钟差，t0为起始时刻，X0为起始时刻钟差，B为相对钟速，εi为随机误差，i＝1，2，…，n，n为自然数。其中，t0可根据情况而定，X0、B为待求参数。
根据最小二乘法可求得X0、B。为了计算方便，取起始时刻t0为n次观测时刻值ti的平均值
钟差观测值的残差vi为：
钟差检验统计量为标准化残差
其中，
是vi的标准差；
对于构建的检验统计量
给定限差值k(一般取k＝3)，若
则判定Xi存在粗差；
3)缺失数据的插补。卫星原始钟差序列中存在的缺失数据分为2种情况，一种是缺失一整天数据，全部用零值替代；另一种是单天内缺失少量数据，采取线性插值作内插处理，对于需要外插的数据进行置零处理，防止因外插时段过长而得到不可靠的钟差序列。
实施例二：
具体实施方式中还提供了一种氢原子钟频率驾驭系统又一实施例，相位微调器通过单片机与报警电路连接，如图2所示，单片机采用AT89S51单片机。报警电路如图3所示，包括第一与非门1、第二与非门2、一个按键开关3、一个发光二极管4和一个报警器8；发光二极管阴极与第一与非门输出端和第二与非门输入端连接，发光二极管阳极接电源；第二与非门输出端依次与NPN三极管5、振荡器7和报警器连接8；振荡器由变压器6和电容组成。
当氢原子钟频率驾驭系统处于工作时，按键开关处于闭合状态，第一与非门输出出高电平(3.7V以上)，发光二极管不发光，第二与非门输出低电平(1.3V以下)，振荡器不工作，报警器不响；
当氢原子钟频率驾驭系统完成驾驭时，单片机给报警电路输出负脉冲，第一与非门输出低电平使发光二极管导通发光，第二与非门输出高电平使振荡器工作，报警器报警；
按下按键开关，停止声光报警。
实施例三：
本发明提供了一种氢原子钟频率驾驭方法，分为三个阶段：数据积累阶段、粗调阶段和微调阶段，具体如下：
步骤1，数据积累。氢原子钟频率系统搭建完成后，上电开机，保证系统正常运行的前提下连续自由运行并积累数据。在这一过程中不对相位微调器进行任何控制操作。
步骤2，粗调。根据本地时间与北京无线电计量测试研究所之间的时差走势计算频率调整量，并将其通过串口送入相位微调器完成粗调。
步骤3，微调。粗调完成之后，不再需要对相位微调器进行较大调整，而是实时观察本地时间和北京无线电计量测试研究所之间的偏差，根据运行情况判断是否需要进一步调整。在程序控制下通过标准RS232串口，将氢钟频率驾驭量输入到相位微调器实现氢钟频率驾驭。
发明优选采用HROG-5相位微调器，具有RS232串口，因此通过程控计算机将调整量送入到相位微调器，实现对氢原子钟的频率驾驭。
HROG-5相位微调器常用ASCII指令：
1)BAUD？询问波特率
2)FFOF？询问频率偏差
3)PHAS？询问相位偏差
4)TIME？询问时间
5)*SRE获取状态
6)*CLS清除状态。
图4为上海精密计量测试研究所氢钟与北京无线电计量测试研究所参考信号的共视时差测量数据驾驭前后的比较。从图4中可以看出，经过频率驾驭后，UTC(PMTI)与UTC(BIRM)的时间偏差保持在30ns左右。
实施例四：
本发明还提供了一种共视比对数据文件校正方法，所述共视比对数据文件质量控制方法包括以下步骤：
步骤S1，建立平方根信息滤波算法模型，对噪声进行处理；
步骤S2，进行平方根信息平滑；
步骤S3，基于平方根信息滤波进行实时质量控制。
优选地，所述步骤S1中建立平方根信息滤波算法模型包括滤波器的状态方程和观测方程，分别如下式所示：
zj＝AP(j)Pj+AX(j)Xj+AY(j)Y+vj (2)
其中，Xj+1为第j+1步的随时间变化的状态参数，Pj+1为第j+1步的相关随机过程噪声参数，VX(j)为第j步随时间变化的状态参数的系数矩阵，VP(j)为第j步相关随机过程噪声参数的系数矩阵，VY(j)为第j步不随时间变化的状态参数的系数矩阵，I为单位矩阵，zj为第j步的观测量，AP(j)为第j步相关随机过程噪声参数的系数矩阵，AX(j)为第j步随时间变化的状态参数的系数矩阵，AY(j)为第j步不随时间变化的状态参数的系数矩阵，vj为第j步的误差矩阵，Pj为相关随机过程噪声参数；Xj为随时间变化的状态参数，但并不直接作为随机过程噪声处理的参数；Y为不随时间变化的状态参数；wj为滤波器的随机过程噪声；Mj为一对角矩阵，取决于相关噪声类型，如果为一阶马尔科夫过程则可表示为：
Mj＝Diag[exp(-Δtj/τ1),…,exp(-Δtj/τnp)] (3)
其中Δtj＝tj+1-tj，为tj+1时刻与tj时刻的时刻差，τk为用户定义的第k个随机参数的相关时间，np为随机参数的总个数；
所述步骤S1中对噪声进行处理具体包括以下步骤：
根据状态参数的类型，构建第j步平方根信息矩阵等式：
其中，
为第j步的随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的随时间变化的状态参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的随时间变化的状态参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的验后随时间变化的状态参数，
为第j步的相关随机过程噪声参数，
为验后的随时间变化的状态参数，
为验后的相关随机过程噪声参数，
为验后的不随时间变化的状态参数；
根据状态方程公式(11)得到状态向量X从tj到tj+1时刻的投影方程：
Xj+1＝VX(j)Xj+VP(j)Pj+VY(j)Y (5)
将公式(5)代入到公式(4)得：
其中，VX为第j步随时间变化的状态参数的系数矩阵，VP为第j步相关随机过程噪声参数的系数矩阵，VY为第j步不随时间变化的状态参数的系数矩阵，
为第j+1步先验随时间变化的状态参数；
考虑到公式(4)中：
Pj+1＝MjPj+wj (7)
其中，Mj为第j过程噪声参数状态转移矩阵；
wj是独立的随机过程噪声，并服从N(0,σ2)分布，用下式描述：
rwwj＝zw (8)
其中，rw为相应随机过程噪声的标准差，zw为随机过程噪声的虚拟观测量；
综合公式(7)和公式(8)并代入公式(6)，并在等式两边同乘以正交矩阵算子
可得：
其中，RX为第j步变换后的随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RXP为第j步变换后的随时间变化的状态参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RXY为第j步变换后的随时间变化的状态参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RP为第j步变换后的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RPY为第j步变换后的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，RY为第j步的不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j+1步的先验随时间变化的状态参数，
为第j+1步的先验相关随机过程噪声参数，zX为验后的随时间变化的状态参数，zP为验后的相关随机过程噪声参数，zY为验后的不随时间变化的状态参数；
通过正交变换得到公式(10)和公式(11)：
其中，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数和随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步正交矩阵算子变换后的随机过程噪声的虚拟观测量；
其中，
为第j步先验的随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的随时间变化的状态参数和相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的随时间变化的状态参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的相关随机过程噪声参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步先验的相关随机过程噪声参数和不随时间变化的状态参数的验后权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j步的不随时间变化的状态参数的先验权方差矩阵的平方根矩阵，
为第j+1步的先验随时间变化的状态参数，
为第j+1步的先验相关随机过程噪声参数，
为第j+1步的先验的随时间变化的状态参数，
为第j+1步的先验的相关随机过程噪声参数，
为第j+1步的先验的不随时间变化的状态参数；
根据公式(11)可实现考虑相关噪声的状态更新步骤，公式(10)用于后向平方根信息平滑。
优选地，所述步骤S2中进行平方根信息平滑具体包括以下步骤：
已知公式(5)中的VX(j)、VP(j)和VY(j)；
在每一步平方根信息滤波过程中保存公式(10)中的：
和
最终平方根信息滤波结果；
假设已知第j+1步的平方根信息平滑结果[Xj+1 Pj+1 Y]T，根据公式(10)式得：
根据公式(5)得：
Xj＝(VX(j))-1[Xj+1-VP(j)Pj-VY(j)Y] (13)
由公式(12)和公式(13)得到第j步的平滑值[Xj Pj Y]T，逐次递推，即可实现平方根信息平滑。
优选地，所述步骤S3中基于平方根信息滤波进行实时质量控制具体包括以下步骤：
步骤S31，进行正交变换：
其中T0为正交矩阵，A0为误差方差系数矩阵，
为先验权方差阵的平方根矩阵，
为变换后的权方差阵的平方根矩阵，
为虚拟观测量，z为实际观测量，
为变换后的虚拟观测量；
得到历元i的正交变换：
其中，Ti为第i历元的一个正交矩阵，
为第i历元的先验权方差的平方根矩阵，Ai为第i历元的实际观测值的系数矩阵，
为第i历元的验后权方差的平方根矩阵，Ti的确定与
有关，将公式(15)中Ti矩阵分解为验后残差e对先验值的敏感矩阵
和验后残差对应观测量的敏感矩阵S得敏感方程：
设验后残差向量为v，对应的权阵为P，则有：eTe＝vTPv；
步骤S32，利用验后残差服从正态分布的统计特性构造统计检验量来探测模型误差，对验后残差e进行分析，构造检验统计量，进行χ2检验：
假设统计量：
其中，n为第i历元的观测值个数，
为验后残差理论单位权中误差；若备选假设H1成立则说明模型误差存在异常，需对异常误差历元进一步定位，可以实时地定位有问题的历元；
步骤S33，对有问题的历元的验后残差e进行假设检验，观测值zm被探测为异常观测值，zm为观测向量z中第m个观测值；假设异常观测值zm与真实观测值具有偏差Δzm，则利用正交变换的同时得到的异常观测值与验后残差的敏感矩阵Sm，Sm为S的第m列，获得观测偏差与残差的对应关系：
其中，
为异常值的验后偏差，
Pm为第i历元的观测值权矩阵，则
引起的验后残差偏差
步骤S34，附加条件
最小，可以获得偏差Δzm，如果偏差Δzm不小于一个周跳的量值，而且
明显小于||e||2，则认为在zm处发生了周跳，将滤波器状态向量扩维并增加一个整周模糊度参数，后续观测值将估计新的整周模糊度；
步骤S35，将e-Δem作为新的残差向量enew，新的残差向量enew与原验后残差具有相同的分布，对enew进行假设检验，重新计算假设统计量：
步骤S36，如果偏差已经确认，可以使用异常观测与验后残差之间的敏感方程，将公式(17)作为新的观测值加入滤波观测方程更新中，滤波器中实现校正步骤。
实施例五：
本发明还提供了一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行如下步骤：
步骤1，数据积累：氢原子钟频率驾驭系统连续运行，采集并积累数据；
步骤2，粗调：根据本地时间与中心服务器之间的时差走势计算频率调整量，并将其送入相位微调器完成粗调；
步骤3，微调：粗调完成后实时检测本地时间和中心服务器时间之间的偏差，当偏差值小于30ns时完成氢原子钟频率驾驭。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氢原子钟频率驾驭系统，其特征在于，包括主钟系统、共视比对接收机和中心服务器；
所述主钟系统包括氢原子钟和相位微调器，氢原子钟将时间基准信号输入到相位微调器进行处理；
相位微调器将处理后形成1PPS信号，并将1PPS信号输入到共视比对接收机；共视比对接收机通过天线接收卫星信号，并将1PPS信号和卫星信号进行比对，形成共视比对数据文件；
主钟系统通过相位微调器将共视比对数据文件通过网络发送给中心服务器，中心服务器对共视比对数据文件进行处理，将反馈调整量返回至相位微调器，完成氢原子钟频率驾驭。
2.如权利要求1所述的一种氢原子钟频率驾驭系统，其特征在于，所述共视比对接收机通过GPSCview软件对1PPS信号和卫星信号进行比对，形成符合CGGTTS格式要求的共视比对数据文件，所述共视比对数据文件包括氢原子钟与GPS时间的钟差数据。
3.如权利要求2所述的一种氢原子钟频率驾驭系统，其特征在于，所述相位微调器通过计算机将共视比对数据文件通过网络发送给中心服务器，并通过计算机接收中心服务器返回的反馈调整量，完成氢原子钟频率驾驭。
4.如权利要求3所述的一种氢原子钟频率驾驭系统，其特征在于，所述相位微调器采用HROG-5相位微调器，具有RS232串口，相位微调器通过RS232串口与计算机连接。
5.如权利要求1所述的一种氢原子钟频率驾驭系统，其特征在于，共视比对接收机对卫星信号进行处理，并将处理后的卫星信号与1PPS信号进行比对，形成共视比对数据文件，所述共视比对接收机对卫星信号进行处理具体包括：
1)对卫星信号进行钟跳识别，如果检测到钟跳，剔除异常数据段和粗差；
2)通过一次多项式钟差模型对粗差进行剔除，所述一次多项式钟差模型为：
Xi＝X0+(ti-t0)B+εi
其中，ti为观测时刻，Xi为ti的观测钟差，t0为起始时刻，X0为起始时刻钟差，B为相对钟速，εi为随机误差，i＝1，2，…，n，n为自然数；
取起始时刻t0为n次观测时刻值ti的平均值
钟差观测值的残差vi为：
钟差检验统计量为标准化残差
其中，
是vi的标准差；
若
则判定Xi存在粗差，k为限差值；
3)采用零值替代或者采取线性插值作内插处理，插补缺失数据，完成对对卫星信号的优化处理。
6.如权利要求1所述的一种氢原子钟频率驾驭系统，其特征在于，相位微调器通过单片机与报警电路连接，所述报警电路包括第一与非门、第二与非门、一个按键开关、一个发光二极管和一个报警器；发光二极管阴极与第一与非门输出端和第二与非门输入端连接，发光二极管阳极接电源；第二与非门输出端依次与NPN三极管、振荡器和报警器连接；
当氢原子钟频率驾驭系统处于工作时，按键开关处于闭合状态，第一与非门输出出高电平，发光二极管不发光，第二与非门输出低电平，振荡器不工作，报警器不响；
当氢原子钟频率驾驭系统完成驾驭时，单片机给报警电路输出负脉冲，第一与非门输出低电平使发光二极管导通发光，第二与非门输出高电平使振荡器工作，报警器报警；
按下按键开关，停止声光报警。
7.一种氢原子钟频率驾驭方法，其特征在于，应用于如权利要求1～4中任一权利要求所述的氢原子钟频率驾驭系统中，包括以下步骤：
步骤1，数据积累：氢原子钟频率驾驭系统连续运行，采集并积累数据；
步骤2，粗调：根据本地时间与中心服务器之间的时差走势计算频率调整量，并将其送入相位微调器完成粗调；
步骤3，微调：粗调完成后实时检测本地时间和中心服务器时间之间的偏差，当偏差值小于30ns时完成氢原子钟频率驾驭。
8.如权利要求7所述的一种氢原子钟频率驾驭方法，其特征在于，共视比对接收机对卫星信号进行处理，并将处理后的卫星信号与1PPS信号进行比对，形成共视比对数据文件，所述共视比对接收机对卫星信号进行处理具体包括：
1)对卫星信号进行钟跳识别，如果检测到钟跳，剔除异常数据段和粗差；
2)通过一次多项式钟差模型对粗差进行剔除，所述一次多项式钟差模型为：
Xi＝X0+(ti-t0)B+εi
其中，ti为观测时刻，Xi为ti的观测钟差，t0为起始时刻，X0为起始时刻钟差，B为相对钟速，εi为随机误差，i＝1，2，…，n，n为自然数；
取起始时刻t0为n次观测时刻值ti的平均值
钟差观测值的残差vi为：
钟差检验统计量为标准化残差
其中，
是vi的标准差；
若
则判定Xi存在粗差，k为限差值；
3)采用零值替代或者采取线性插值作内插处理，插补缺失数据，完成对对卫星信号的优化处理。
9.一种共视比对数据文件校正方法，其特征在于，所述共视对比文件通过如权利要求1中的氢原子钟频率驾驭系统获得，所述共视比对数据文件校正方法包括以下步骤：
步骤S1，建立平方根信息滤波算法模型，所述平方根信息滤波算法模型包括滤波器的状态方程和观测方程，对共视比对数据的噪声进行处理；
步骤S2，对状态方程和观测方程中的状态参数和噪声参数进行平方根信息滤波；
步骤S3，基于平方根信息滤波结果对共视对比数据文件进行实时校正，具体包括以下步骤：
步骤S31，获取共视对比数据文件的验后残差e；
步骤S32，利用验后残差服从正态分布的统计特性构造统计检验量来探测模型误差，实时定位有问题的验后残差；
步骤S33，对有问题的验后残差进行假设检验，获取异常观测值，通过异常观测值与真实观测值之间的偏差Δzm计算验后残差偏差Δem；
步骤S34，如果偏差Δzm的量值达到设定条件，将滤波器状态向量扩维并增加一个整周模糊度参数，后续观测值将估计新的整周模糊度；
步骤S35，将e-Δem作为新的残差向量enew，新的残差向量enew与原验后残差具有相同的分布，对enew进行假设检验，重新计算假设统计量；
步骤S36，如果偏差已经确认，更新滤波器观测方程，完成共视比对数据文件校正。
10.一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序执行如下步骤：
步骤1，数据积累：氢原子钟频率驾驭系统连续运行，采集并积累数据；
步骤2，粗调：根据本地时间与中心服务器之间的时差走势计算频率调整量，并将其送入相位微调器完成粗调；
步骤3，微调：粗调完成后实时检测本地时间和中心服务器时间之间的偏差，当偏差值小于30ns时完成氢原子钟频率驾驭。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116819932A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-09-29 | 湖南时空信安科技有限公司 | 原子钟驾驭参数确定方法、装置、终端设备及存储介质 |
| CN116819932B (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-01 | 湖南时空信安科技有限公司 | 原子钟驾驭参数确定方法、装置、终端设备及存储介质 |
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| CN113900367B (zh) | 2022-04-19 |
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