CN115733489A

CN115733489A - 一种芯片原子钟驯服方法、装置和系统

Info

Publication number: CN115733489A
Application number: CN202211489539.9A
Authority: CN
Inventors: 孟红玲; 董万霖
Original assignee: Zhongke Qidi Optoelectronic Technology Guangzhou Co ltd
Current assignee: Zhongke Qidi Optoelectronic Technology Guangzhou Co ltd
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2042-11-25
Also published as: CN115733489B

Abstract

本发明公开了一种芯片原子钟驯服方法、装置和系统。方法包括：获取并存储len_list秒的钟差数据；对前n秒和后n秒钟差数据分别求平均得到t_start和t_end；若

大于阈值，根据当前时刻钟差数据反推频差，对原子钟输出频率进行调整；若

小于或等于阈值，根据卡尔曼滤波算法预测下一时刻钟差，折算频率控制量对原子钟输出频率进行调整；每间隔len_list秒将存储的钟差数据置空并重复执行上述步骤。本发明能够避免卡尔曼滤波使频率调整量无法收敛的问题，显著提升驯服稳定性、快速性和准确性的效果。

Description

一种芯片原子钟驯服方法、装置和系统

技术领域

本申请涉及原子钟技术领域，特别是涉及一种芯片原子钟驯服方法、装置和系统。

背景技术

目前，时间频率标准以铯钟氢钟和铷钟为主，但由于它们价格昂贵、对使用环境具有较高要求，无法在日常生活中广泛使用。

日常生活中，随着信息技术的飞速发展，用户需要高精度的时间频率标准的场景日益增加，却由于时间频率标准的功耗成本、体积较高，无法满足实际应用需求。芯片原子钟因其体积小、功耗低、时频特性优良等应用特性，成为物联网高速发展环境下不可替代的时间频率标准选择。

实际应用中，芯片原子钟存在频率漂移和老化问题，加上卫星信号接收机质量参差不齐，导致芯片钟PPS信号输出不能满足时间频率用户的精度需求。芯片原子钟具有较好的短期稳定性，而卫星信号接收机的短期稳定性很差，若不根据实际情况采取一定的控制策略，芯片原子钟很难在驯服后保证优良的守时特性。

与此同时，实际测试校准过程中，部分场景可能无法使用频率测量设备，在不知道实际频率偏差情况下，往往难以判断实时的芯片原子钟的频率偏差。现有的卡尔曼滤波频率调整根据钟差给予频率调整反馈，当钟差较大但频率接近参考频率标准时，频率调整量无法收敛，导致频率在与参考频率标准交叉后继续调整远离10MHz。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，提供一种芯片原子钟驯服方法、装置和系统，已解决现有尔曼滤波频率调整根据钟差给予频率调整反馈，当钟差较大但频率接近参考频率标准时，频率调整量无法收敛的技术问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，一种芯片原子钟驯服方法，应用于计算机，包括：

S1，实时获取时间测量芯片测量到的钟差数据，并存储len_list秒的钟差数据；

S2，对所述len_list秒的钟差数据中的前n秒钟差数据和后n秒钟差数据分别求平均，平均值分别记为t_start和t_end；

S3，判断

是否大于预设阈值；

S4，若

大于预设阈值，利用预先建立的钟差模型，根据当前时刻钟差数据反推频差，并根据反推出来的频差对芯片原子钟的输出频率进行调整；

S5，若

小于或等于预设阈值，根据卡尔曼滤波算法预测下一时刻钟差，折算频率控制量发送给芯片原子钟，对芯片原子钟的输出频率进行调整；

S6，每间隔len_list秒，将存储的钟差数据置空，并重复执行S2-S5。

可选地，在步骤S1前还包括设置一个钟差数据栈t_list，所述钟差数据栈t_list的长度为len_list；通过所述钟差数据栈t_list存储len_list秒的钟差数据。

可选地，钟差模型的建立包括：

记录芯片原子钟的钟差数据和频率数据，根据频率数据计算得到相应频差数据；

对所述钟差数据与所述频差数据进行相关性分析，得到钟差模型。

进一步可选地，利用皮尔逊相关系数法进行相关性分析。

可选地，所述len_list为50，所述n为10，所述预设阈值为10。

可选地，所述卡尔曼滤波算法具体为无迹卡尔曼滤波算法。

第二方面，一种芯片原子钟驯服装置，包括：

钟差数据获取模块，用于实时获取时间测量芯片测量到的钟差数据，并存储len_list秒的钟差数据；

平均值计算模块，用于对所述len_list秒的钟差数据中的前n秒钟差数据和后n秒钟差数据分别求平均，平均值分别记为t_start和t_end；

判断模块，用于判断

是否大于预设阈值；

第一调整模块，用于若

第二调整模块，用于若

置空模块，用于每间隔len_list秒，将存储的钟差数据置空，并使钟差数据获取模块至第二调整模块重复工作。

第三方面，一种芯片原子钟驯服系统，包括：

卫星信号接收机，用于接收卫星信号；

时间测量芯片，其上搭载有芯片原子钟，所述时间测量芯片的数据输入端与所述卫星信号接收机的数据输出端电性连接；所述时间测量芯片用于接收所述卫星信号，并测量所述卫星信号与所述芯片原子钟提供的时钟信号之间的钟差；

频率计数器，与时间测量芯片和卫星信号接收机均电性连接，用于测量所述芯片原子钟的频率；

计算机，与所述时间测量芯片双向通信连接，所述计算机的数据输入端与频率计数器的数据输出端电性连接；所述计算机包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面任一项所述的方法的步骤。

可选地，还包括DC直流电源，所述DC直流电源的电压输出端与时间测量芯片的电压输入端电性连接。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明实施例的一种芯片原子钟驯服方法，采用实时获取并存储len_list秒的钟差数据；对len_list秒的钟差数据中的前n秒钟差数据和后n秒钟差数据分别求平均得到t_start和t_end；若

大于预设阈值，利用预先建立的钟差模型，根据当前时刻钟差数据反推频差，并根据反推出来的频差对芯片原子钟的输出频率进行调整；若

小于或等于预设阈值，根据卡尔曼滤波算法预测下一时刻钟差，折算频率控制量发送给芯片原子钟；每间隔len_list秒，将存储的钟差数据置空，并重复上述步骤；能够基于控制策略，一方面根据钟差预测的统计特性预先建立的钟差模型，在短时间内对芯片原子钟进行高精度的自动校准和外部驯服任务，另一方面利用卡尔曼滤波，结合滑动平均算法级联方式来对芯片原子钟的输出频率进行调整；避免只是利用卡尔曼滤波通过钟差给予频率调整反馈，使得频率调整量无法收敛的问题，达到提升驯服效率，显著提升芯片原子钟驯服的稳定性、快速性和准确性的效果。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种芯片原子钟驯服方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例中守时数据时频统计示意图；

图3为本发明一个实施例中卡尔曼滤波对实时卫星信号抖动的滤除效果示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种芯片原子钟驯服方法的另一种流程示意图；

图5为本发明一个实施例提供的一种芯片原子钟驯服装置的模块架构框图；

图6为本发明一个实施例提供的一种芯片原子钟驯服系统的结构示意图。

附图标记说明：

1、卫星信号接收机；2、时间测量芯片；3、频率计数器；4、计算机；5、DC直流电源。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种芯片原子钟驯服方法，该方法应用于计算机，包括以下步骤：

S1，实时获取时间测量芯片(TDC)测量到的钟差数据，并存储len_list秒的钟差数据。

具体地，可以设置一个钟差数据栈t_list，钟差数据栈t_list的长度为len_list，通过该钟差数据栈t_list来存储len_list秒的钟差数据。

其中，len_list可以取值为50，也就是设置一个长度为50的钟差数据栈t_list，用来临时储存50秒钟差数据。

S2，对len_list秒的钟差数据中的前n秒钟差数据和后n秒钟差数据分别求平均，平均值分别记为t_start和t_end。

其中，n可以取值为10，也就是对50秒内前十秒、后十秒钟差数据做平均，得到t_start、t_end参量。

S3，判断

是否大于预设阈值。

其中，预设阈值可以设置为10，也就是使用t_start、t_end两者差值进行条件判断，判断频差是否高于1mHz。

S4，若

大于预设阈值，利用预先建立的钟差模型，根据当前时刻钟差数据反推频差，并根据反推出来的频差对芯片原子钟的输出频率进行调整。

也就是若频差大于1mHz，根据预先建立的公式进行反馈调整。其中，钟差模型的建立过程包括：

(1)记录芯片原子钟的钟差数据和频率数据，根据频率数据计算得到相应频差数据；

(2)对钟差数据与频差数据进行相关性分析，得到钟差模型；其中，可以利用皮尔逊相关系数法进行相关性分析。

利用该钟差模型，根据测量到的钟差数据，能够反演得到相应的频差。也就是记录不同频率误差和守时钟差数据，通过数据分析，研究钟差变化趋势相关数据与频差关系，来反推实时频差。

基于守时数据时频统计特性的频率偏差推算示意图如图2所示：

记录频差和钟差数据，测量偏差1mHz、2mHz、5mHz时芯片钟守时精度；

由T_e＝t₀+Δft，可得

根据不同频率偏差数据推算，三组量程为5000秒的推算频差结果为0.94mHz、2.22mHz、4.66mHz。

S5，若

小于或等于预设阈值，根据卡尔曼滤波算法预测下一时刻钟差，折算频率控制量发送给芯片原子钟，对芯片原子钟的输出频率进行调整。

也就是若频差小于或等于1mHz，使用Kalman滤波消卫星抖动并预测下一时刻钟差，并由此折算频率控制量下行传输给芯片原子钟，进行对频率标准细调。

其中，卡尔曼滤波使用UKF滤波(无迹卡尔曼滤波)架构，通过Matlab仿真建模构建优化了其中的PI控制参数，串口数据每秒发送1次PPS钟差数据，滤波器根据该数据修正参数并输出下一秒预测钟差。

卡尔曼滤波对实时卫星信号抖动的滤除效果图如图3所示，图中，图中，较平滑曲线为卡尔曼滤波结果，存在抖动为卫星与芯片原子钟实时钟差测量值。当TDC数据发生跳变，钟差预测算法会迅速做出适度变化拟合该变化量，但依然保持钟差预测系统的稳定输出。相较于卡尔曼滤波，均值滤波结果显然更易因跳变数据遭受较长期影响，因此校准时级联卡尔曼滤波算法与滑动窗均值滤波对频率偏差进行反馈。

换句话说，每50秒置空一次数据栈t_list，重新进行下轮调整判断逻辑。

通过上述步骤，能够使用粗调后钟差变化趋势映射估算频率，并适时根据卡尔曼滤波钟差预测算法输出钟差结果，对芯片原子钟输出频率进行实时细调。该过程的另一种流程示意图如图4所示。

本发明实施例提供了精准、稳定的芯片原子钟自动校准及驯服保持方法。该方法基于一定的芯片原子钟守时测试历史数据，通过数据的统计特性建立较精准的钟差模型和控制策略，通过驯服改善芯片原子钟的频率准确度和抗频率漂移特性，提升芯片钟的守时特性，满足大多数用户的应用需求。

本发明提供卫星钟差抖动的解决方案，利用卡尔曼滤波结合滑动平均算法级联方式提升系统的驯服效率，并应用钟差与频率的相关性对频率标准进行实时细调。

本发明提供一套系统性的自动校准和驯服算法，利用钟差预测的统计特性，在短时间内完成高精度的自动校准和外部驯服任务，显著提升芯片原子钟驯服控制系统的稳定性、快速性和准确性。

应该理解的是，虽然图1和图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1和图4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图5所示，提供了一种芯片原子钟驯服装置，包括以下程序模块：

钟差数据获取模块501，用于实时获取时间测量芯片测量到的钟差数据，并存储len_list秒的钟差数据；

平均值计算模块502，用于对len_list秒的钟差数据中的前n秒钟差数据和后n秒钟差数据分别求平均，平均值分别记为t_start和t_end；

判断模块503，用于判断

是否大于预设阈值；

第一调整模块504，用于若

第二调整模块505，用于若

置空模块506，用于每间隔len_list秒，将存储的钟差数据置空，并使钟差数据获取模块501至第二调整模块505重复工作。

关于一种芯片原子钟驯服装置的具体限定可以参见上文中对于一种芯片原子钟驯服方法的限定，在此不再赘述。上述一种芯片原子钟驯服装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种芯片原子钟驯服系统，包括：

卫星信号接收机1，用于接收卫星信号；

时间测量芯片(TDC)2，其上搭载有芯片原子钟，时间测量芯片2的数据输入端与卫星信号接收机1的数据输出端电性连接；时间测量芯片2用于接收卫星信号，并测量卫星信号与芯片原子钟提供的时钟信号之间的钟差；

频率计数器3，与时间测量芯片2和卫星信号接收机1均电性连接，用于测量芯片原子钟的频率；

计算机4，与时间测量芯片2双向通信连接，计算机4的数据输入端与频率计数器3的数据输出端电性连接；计算机4包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述一种芯片原子钟驯服方法。

驯服过程中，时间测量芯片2将测量到的卫星信号与芯片原子钟输出的钟差上行传输给计算机4，根据上述一种芯片原子钟驯服方法实现对芯片原子钟的驯服。依据芯片原子钟守时过程的统计特性，可以对控制反馈进行调整，对滑动窗长度、频率调整幅度进行优化调整，使芯片原子钟在最短时间内完成高精度校准及驯服任务。

该驯服系统还包括DC直流电源5，DC直流电源5的电压输出端与时间测量芯片2的电压输入端电性连接，用于为时间测量芯片2提供所需的工作电压。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。