（通信与信息系统专业论文）地方原子时at1算法的研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文从地方原子时a t i 算法的基本原理出发，结合中国计量科学研究院守 时钟房中原子钟的实际情况，对a t l 算法在我国的实现做了详尽的研究。其主要 内容分如下四个部分进行阐述： 第一、简单介绍了原子时尺度的概念和其质量表征方式。介绍了几种时间尺 度的基本概念和原子时标的基础知识，分析了原子钟的噪声模型，对原子时尺度 质量表征及其表征方式进行了描述。 第二、分析了原子时标测量系统。在描述钟差测量系统的原理的基础上，深 入分析了原子时标测量系统的功能结构，最后对原子时标传递方式和比对方式进 行了研究。 第三、研究了a t i 实时原子时算法的基本原理首先，阐述了原子时算法 的物理意义、原子时算法在守时系统中的地位、选用原子时算法的理由和原子时 算法的基本要求；其次，详细研究了a t i 原子时算法的基本原理；最后，通过 与现有的a l g o s 滞后原子时算法对比，论述了a t l 算法相对于a l g o s 算法的优势。 第四、深入研究了a t i 算法的具体实现。第一步研究了原始数据的预处理 方法；第二步，对各原子钟进行简单的性能分析，设计了a t l 算法在n i m 实现 的具体方案；第三步，对a t i 算法中的关键技术，如权重分配方法、指数滤波 器的设置、氢钟频漂的标定等分别进行了讨论研究；最后，给出了通过a t i 算 法处理后的钟组相对于参考钟的时间，并分析了结果的频率稳定度。 关键词：原子时；频率稳定度；a t l 算法；a l l a n 方差 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fl o c a la t o m i ct i m ea t ia l g o r i t h ma 托a n a l y z e d d e t a i l e di nt h i sp a p e r , w h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f a t la l g o r i t h m , c o n s i d e r i n go f t h er e a l i s t i cp e r f o r m a n c eo ft h ea t o m i cc l o c k si nt h et i m e k e e p i n gl a b o r a t o r yo fm m t h ed i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da sf o u rp a r t s ： f i r s t l y , t h ec o n c e p ta n de x p r e s s i n gw a yo fa t o m i ct i m es c a l ei s i n t r o d u c e d t h e k n o w l e d g eo fs e v e r a lt i m es c a l e sa c da t o m i ct i m ec o o r d i n a t ea r ca n a j y z e d t h e nt h e n o i s em o d e l so fa t o m i cc l o c ka mm e n t i o n e d t h ee x p r e s s i n gw a y so f = o m i ct i m es c a l e q u a l i t ya r ed e s c r i b e d s e c o n d l y , t h ef i m e k e e p i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m i sa n a j y z e d 1 1 址f u n c t i o na n d s t r u c t u r eo ft h ea t o m i ct i m em e a s u r e m e n ts y s t e ma 地d e e p l ya n a l y z e d , w h i c hb a s e do n t h ed e s c r i p t i o no ft h ep r i n c i p l eo fa t o m i cc l o c kd i f f e r e n c em e a s u r e m e n ts y s t e m a t l a s tt h ea t o m i ct i m es c a l et r a n s m i s s i o nm o d ei sd e s c r i b e d t h i r d l y t h eb a s i cp r i n c i p l e so f a t lr e a l - t i m ea t o m i ct i m ea l g o r i t h ma 托r e s e a r c h e d a tf i r s t , t h ep h y s i c a lm e a n i n go f t h ea t o m i ct i m ea l g o r i t h m , t h ep o s i t i o no f t h ea t o m i c t i m ea l g o r i t h mi nt h et i m es c a l es y s t e m , t h e 代甚s 伽f o ru s i n ga l g o r i t h mi nt h et i m e s c a l es y s t e ma n dt h eb a s i cr e q u i r e m e n t sf o ra t o m i ct i m ea l g o r i t h ma 地i n t r o d u c e c l a n d 也e 也t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa t la l g o r i t h mi sa n a l y z e dd e t a i l e d a tl a s t , c o m p a r i n gw i t ht h ea l g o sp o s t - p r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，t h ea d v a n t a g e so fa t l a l g o r i t h ma 托g i v eo u t f o u r t h l y , t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fa t la l g o r i t h mi sd e e p l yr e s e a r c h e d 1 1 ” o r i g i n a ld a t ap r e p r o c e s s i n gm e t h o d sa r ea n a l y z e df i r s t l y ，a n dt h e nt h ep e r f o m m c eo f e a c ha t o m i cc l o c ki sm e y z e d , t h em e t h o df o rt h er e a l i z a t i o no f a t la l g o r i t h mi nn i mw a s d e s i g n e d s o m ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ea l g o r i t h ma r cr e s e a r c h e d , w h i c ha r cw e i g h t d i s t r i b u t i o nm c t h o d e x p o n e n t i a lf i l t e r 靶施n g s ，d e m a r c a ：t i n go ft h eh y d r o g e nc l o c k 丘| 珊n c yd r i f t f i n a l l y ，t h er e s u l to ft h ea t la l g o r i t h mi sg i v e no u t , a n dt h e f r e q u e n c ys t a b i l i t yo f t h er e s u l ti sa n a l r z 踟l k e y w o r d s ：a t o m i ct i m e ，f r e q u a n c ys t a b i l i t y ，a t ia l g o r i t h m , a l l a nv a r i a n c e 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缢萄药日期：! z 生：圣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：d z 莎，了 日期：! i 之：! ! 1 1 课题背景 第1 章绪论 时间、频率是我们日常生活和工作中最常用的两种基本参量，时间是国际单 位制中七个基本量之一。时间、频率的应用范围从重大的科学实验到日常的生活 消费，用途都十分广泛，计时、工业控制、邮电通讯、大地测量、现代数字化技 术、计算机、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航与定位控制等都离不开时频 技术和时频测量。 时间作为一个重要的基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起 着重要的作用。它的主要特点有：第一，是目前最准确的基本物理量，准确度已 经进入l o “量级。许多其他物理量，例如长度的米，电学的电压都可由时间频率 导出。它是基础物理学研究的一个重要方面，近十年来的诺贝尔物理奖有三个和 时间频率标准有关：1 9 8 9 年d e h m e l t 与p a u l i 的离子阱和r a m s e y 的分离场技术， 1 9 9 3 年t a y l o r 的脉冲星稳定周期，1 9 9 7 年朱棣文，c o h e n - t a n n o u d j i 和p h i l l i p s 的激光冷却与捕陷原子；第二，时间频率有着良好的传递性，可用无线电波传播 而保持很高的准确度，是当代导航技术的基础；美国著名的g p s 系统和俄罗斯的 g l o n a s s 系统就是利用这一特点，综合卫星和电脑技术建成的；第三，为保证量 值准确，要求连续运行，因此，必须建立可靠性和稳定性极高的守时钟组和比对 系统一原子时标。频率是时间的导出量，两者互为倒数密不可分，原子时标是时 间频率计量基准装置。第四，它和人民大众的日常生活密切相关，试问在今天的 世界上谁能离开准确的时间? 正是由于时间频率如此重要，主要发达国家政府投 入巨资研究开发相关技术，以求保持领先地位。 1 9 6 7 年l o 月，第十三届国际计量大会通过了关于s 1 秒长的定义l ：。位于 海平面的c s l 3 3 基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期所持续的时间为1 个原子时秒”。1 9 8 3 年，第1 6 届国际计量大会又重新 定义为：“米是光在真空中，在1 2 9 9 7 9 2 4 5 8 秒的时间间隔内运行路程的长度” 如此，长度单位不再是独立的计量单位，而是由光速通过频率导出，也就是可以 用时间、频率标准取代长度标准。建立统一的时间、频率、长度单位基准，是计 量学上应用现代物理成就向自然基准( 基本物理常数为基础) 迈进的巨大一步； 美国标准技术研究院、英国物理研究所、俄国计量科学研究院都己开展了这方面 研究中国计量科学研究院作为国内计量领域的龙头，先后建成了喷泉式铯原子 时间频率基准，电话远程时间传递系统，网络时间服务系统。g p s 共视高精度远 程时间频率传递系统也取得了很大进展，原子时标是时间频率计量系统的核心部 分，提高它的稳定性和可靠性对提高整个时间频率计量水平起着关键性作用。 时间实验室的原子时标水平是守时系统的原子钟组性能、原子时算法优化程 度、时间传递技术与时间测量技术水平、实验室环境条件和管理水平等因素的综 合反映1 2 j 。通过时间实验室原子时均匀性参数和原子钟组性能的相关特性分析， 表明原子时水平与原子钟性能存在着定量关系。时间实验室的优良原子钟是原子 时水平的决定因素，但在原子钟组相对稳定的情况下，原子时算法优化程度和时 间频率传递技术水平等也会变成影响原子时水平的主要因素。本文即从原子时算 法方面进行对我国原子时标的改善，首次把地方原子时a t l ( a t o m i ct i m e1 ) 算法应用到我国守时实验室的守时钟组上，项目完成后，将使我国时间频率计量 水平跨上一个新台阶 1 2 国内外相关内容的研究现状 国际原子时t a i ( i n t e r n a t i o n a la t o m i ct i m e ) 是世界参考时间标准。原 子秒定义为“铯原子两个特定能级的跃迁辐射的9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期所持续的时 间”。而地球上各种科学和技术应用以及民用的时间标准是协调世界时u t c ( u n i v e r s a ln m ec o o r d i n a t e d ) ，秒长是原子时秒，而时刻与世界时u t l 接近( 不 差0 9 m ) 国际原子时从1 9 7 3 年开始直接由原子钟时间比对数据计算得到。国际权度 局( b 口m ) 时间部根据遍布全球的各个参加原子时计算的实验室的原子钟比对 数据，用一定的算法计算出国际原子时t a i ，并定期公布结果( 目前是每个月公 布一次) 目前，分布在世界上3 0 多个国家近6 0 个时间实验室( 其中约1 5 个实验室 保持独立的地方原子时) 的2 0 0 多台原子钟的时间比对数据( 通过g p s 共视法 或1 w s l l 叮法来获得) ，定时传递到b i p m 时间部，由原子时算法进行加权平均 计算得到t a i ，然后变换得到实用的协调世界时( u t c ) l j 4 j 。根据2 0 0 6 年b i p m 时间年报介绍，目前t a i 的准确度5 1 优于l 1 0 _ 1 4 ；不确定度为4 1 0 1 5 ；平均 时间( 2 0 一4 0 d ) 的频率稳定度优于l l o 1 世界上称得上独立原子时的实验室钟，水平最好的当属美国标准技术研究院 n i s t ，美国海军天文台u s n o 备用主钟站( a m c ) ，日本通信研究所c r l 和德 国技术物理研究院p t b 等，它们的平均时间( 3 0 d ) 的稳定度在( 1 - - 3 ) 1 0 1 5 之间叫2 0 0 0 年参加t a i 校准的频率基准钟u 1 有：日本c r l0 1 光抽运型铯基 准，准确度为( o 3 0 5 ) 1 0 - 1 4 ；美国n i s t 一7 光抽运铯基准，准确度为( 05 1 ) x1 0 1 ；美国n i s t - f i 铯喷泉基准，准确度为l 1 0 - 1 5 ：日本n l u m 4 光抽运 铯基准，准确度3 1 0 - 1 4 ；德国p t b 的铯喷泉基准，准确度已达( 1 2 ) i 0 - 1 5 ；法国 光抽运铯基准，准确度己达6 1 0 1 5 第1 章绪论 中国地方原子时从1 9 8 0 年开始筹备建立，由先后建立了本地的原子时的五 个单位组成，即：中国科学院的陕西天文台，上海天文台，北京天文台，武汉测 量与地球物理研究所，中国计量科学研究院。从1 9 8 5 年1 月起，b m ( 国际时间 局) 的公报正式公布了我国地方原子时的结果，标志着地方原子时的水平和应用 进入了新阶段州。 中国参与国际原子时合作的有三个单位，分别是中国计量科学研究院( n i m ) ， 中国科学院的陕西天文台和原航天部2 0 3 所。我国的原子时标水平还远远落后于 国际先进水平。其中，由中国计量科学研究院保持的原子时标准确度优于l 1 0 - 1 3 不确定度优于1 3 0 n s ，稳定度优于5 x1 0 - 1 4 。l r r c ( n i 吣由5 台钟和测量系统 组成，3 台h p 5 0 7 1 ( 优质管) 准确度 5 x1 0 - 1 3 ，1 台主动型氢钟v c h l 0 0 3 ，日稳 定度 2 l o - 1 5 ，2 台美国产氢钟 舳1 - 2 0 1 0 ，日稳定度 ( 2 2 ) z 式( 2 - 2 ) 中，o 代表无限次平均实际中，频率稳定度的有限次估计值为： 2 p 2 陆 盯 盯 盯 盯 一 一 一 2 陆 2 肚 2 肚 盯 盯 盯 + + + 2 玎 2 盯 2 件 盯 盯 盯 一2一2一2 = = = 2 2 i 盯 盯 盯 北京工业大学工学硕士学位论文 q ( f ) = ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，m 为取样次数，t 为取样时间。 通常，我们将取样时间小于等于l o s 的频率稳定度称为短期频率稳定度。 实际测量中，可根据被测频标的技术指标采用计数器直接测量法、频差倍增 法、拍频法、频差倍增拍频法或双混频时差法测量。 2 频域 理想的单一频率信号源，在频域观察，将是一根单一谱线，但由于噪声调制 的结果，在信号的两侧出现了噪声边带。短期频率稳定度在频域通常用各种谱密 度来表征。 相位起伏谱密度s q ( f ) ，定义为： 蹦力= 訾 ( 2 舢 式( 2 - 4 ) 中，矿( f ) 为偏离载频f 处的相位起伏的有效值，b w 为测量系 统的等效分析带宽 、 频率起伏谱密度s “f ) 、相对频率起伏谱密度s “f ) 均可由相位起伏谱密度 s 。( f ) 导f l t - = f 2 墨 ( 2 _ 5 ) s ，= 鲁曲( 力( 2 - 6 ) j 0 单边带相位噪声“f ) 的定义为： 轷些号高笋 协， 当相位调制指数m l 时， ( o = 去& ( 门 ( 2 - 8 ) 目前，短期频率稳定度在频域最常用的表征就是单边带相位噪声 3 时域与频域的转换 频标内部的五种噪声可由下列幂率谱密度模型表示： s，u1=h。f4(2-9) q = - 2 ，1 ，o ，1 ，2 a l l a n 方差与谱密度的关系如下： 相= 2 一c 力帮 ( 2 1 0 ) 根据( 2 1 0 ) 式与谱密度模型，可得到这样的结论：a l l a n 方差与取样时间 的1 1 次方成正比，即盯，2 虻f9 ，而频域噪声模型的参数。与时域噪声模型的 参数u 之间有如下关系，见表2 - - 1 。 表2 - 1 频域参数q 与时域参数u 关系 a 21 o l2 l l l01 22 因此，根据测得的a l l a n 方差值得到p ，当1 t 一1 ，0 ，1 时便可推断出谱密 度模型，但是当1 1 = 2 时，不能判断n = l 还是a = 2 ，于是便引出一种新的方差， 修正a l l a n 方差【唧，其定义为： ，专惦我们。出， 2 ) 协 经计算，使用修正a l l a n 方差，o 与l l 之间的关系见表2 - - 2 ： 表2 - 2 修正a l l a n 方差的与| l 关系 a 21o l2 i i l 1o 1- 2- 3 此时，通过测量修正a l l a n 方差，可很方便的分辨出噪声类型目前，在实 际测量中，被广泛使用的时域频率稳定度的表征仍为m 1 趾方差。 2 4 4长期稳定度和短期稳定度 频率稳定度又分为长期稳定度和短期稳定度 长期稳定度是指元件参数慢变化或环境条件( 温度、压力、电源电压等) 改 变所引起的频率的慢变化( 一般以时、日、月、年计) 常用一定时间内频率的 相对变化f f 来表示。 短期稳定度包括振荡器调幅、调相、调频噪声引起的频率抖动，一般以m 8 量级的f f 来表示。短期稳定度在频域中常用单边带相位噪声谱密度表征，以 - d b c l _ i z ( 1 l f l - l z 处，l o l f l l z 处或者1 u h z 处等) 为单位；在时域中用阿仑方差来表 征，以f f ( u s 或m s ) 为单位。在原子时间尺度计算上，短期稳定度( 简称 “短稳”) 要比长期稳定度( 简称“长稳”) 更为重要。 在原子时标的计算上，一般考虑的是短期时间稳定度。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 小结 本章主要介绍了原子时时间尺度的概念及其表征方式。首先对历史上使用过 的几种时间尺度进行了描述，重点介绍了协调世界时和原子时。人们日常生活中 经产用到的是协调世界时，它是国际原子时加上闰秒后得到的，时间间隔仍以原 子秒定义。 其次，介绍了原子时标和原子钟组。时间尺度算法的设计主要考虑的是如何 恰当处理原子钟的各钟噪声引起的相位变化，以保证在给定的采样间隔f 内的时 间尺度的稳定度，所以对原子钟的噪声模型进行了重点介绍，主要有五种类型： 相位白噪声、相位闪烁噪声、频率白噪声、频率闪烁噪声及随机游走噪声 最后，对原子时质量的表征方式进行了介绍，主要是实时性，准确度和频率 稳定度。因为在原子时算法中，主要关心的是频率稳定度，所以对频率稳定度的 时域和频域表征方式进行了重点介绍。原子时算法中，经常用到的频率稳定度表 征方式是a l l a n 方差。 1 6 - 第3 章守时测量系统 原子时标的三个基本组成部分：原子钟组、守时测量系统和原子时算法密不 可分。原子时算法的目的便是对守时测量系统测得的钟差进行处理，原子时算法 在电脑里进行处理，处理后的结果反馈给微跃器，同时，个人电脑还来控制测量 系统采集数据等，整个形成一个闭环控制系统，自动测量，自动计算，自动修正。 最后计算出的u t c ( n i m ) 还将通过g p s 共视直接参与国际原子时t a i 的计算 比对中。本章便对守时测量系统的框架及其原理进行阐述。首先对钟差值如何获 得进行描述，其次对原子时标系统进行介绍，最后描述了g p s 共视系统及本文 所作内容在g p s 共视系统中的地位。 3 1 钟差值的获得 无论是那一种原子时算法，需要的原始数据都是钟与主钟的钟差，而不是 单台钟的时刻值。但是由于氢钟和铯钟所产生的振荡频率高( 5 1 0 姗i z ) ，又很接 近，因此，计算两台钟之间的频率差f 就非常困难了，所以常用差拍方法，来 降低频率值，使得f = f s 。这样两台钟之间的频率差af ( f _ f 州) 也就变得很 大了易于测量。在得到频率差f 之后，只要把这个频率差值除以n 倍，也就 得到了原始的频率差值了 这里，n = 插入振荡器的频率差拍振荡器的频率，即n t u 。一般来说， 取u 。为1 洲z ，t 为l o o m s ，这样n 的值为1 0 0 0 0 0 0 。也就是说，经过差拍 以后，两台钟之间的频率差会af 提高1 m 倍可求出测量分辨率为几1 0 4 5 ， 可以满足氢钟守时需要。 双混频时差法广泛的应用于高精度频率稳定度测量。系统由插入振荡器，。 两台混频器，两个低通滤波和放大整形器，时间间隔计数器等组成。插入振荡器 实际上是一台频率合成器，产生频率略高于或低于输入信号的正弦波，该信号与 输入信号一起送入混频器，混频器输出为低频拍频信号。系统可分为参考和被测 两个通道，两通道完全一样。两路混频器输出的低频拍频信号分别送到时间间隔 计数器的s t a r t 和s t o p 端，测量两路信号的相位一时间差。 系统框图如图3 1 所示： 一。 。些塑兰垄三墼些篓蝥圣一 图3 1 钟差测量框图 设相位一时间差x ( i ) 为两台钟c l o c k l 和c l o c k 2 第i 次测量的值，a t ( i ) 是第i 次测量计数器的读数，h 差拍频率的周期，u 。是载波频率值，由是加在 c l o c k l 的相位延迟，即差拍信号的相位，应换算到钟的高频时刻上去，k 是整 周期个数。则两台钟的钟差值为： x “) ；业一三+ 土 ( 3 1 ) “ 2 n o o 其中第一项t ( i ) 是差拍后得到的频率差值，除以huo 即n 后，就还原回 了两台中原始的频率差值。 第二项表示相移的延时，其中中2 表示相移的程度，1 uo 表示载频的周 期，相移的目的是保证所有的a t ( i ) 易于测量。 第三项只是一个倍数。对于频率、频率稳定度和时间起伏的测量，可以假定 k - - o 。 在单周期内，频率，相位，时间的变化率即速率， 可以分别得出： 伽力= 警半 办舢f ) = x ( i + l _ ) - x 一( o ，f ) = 半 ( 频率) ( 相位) ( 速率) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 第4 章a t | 算法基本原理 假定插入振荡器的频率低于c l o c k l 和c l o c k 2 ，并利用“的多个周期平均所 得到的频率起伏，对式( 3 3 ) 改进一下，在m 个周期上，可以得到： z ，( f ，埘) ：x ( i + m ) - x ( i ) ( 3 5 ) m t 6 式( 3 - 5 ) 中，m 为正整数，是周期数。 时间间隔计数器输出连接到系统控制计算机上，测量在计算机控制下进行， 每4 小时自动采集一次，经平滑预处理后送原子时标处理算法，运算处理后得到 本地原子时标平均速率，与现有速率比较并调整原子时标速率，具体调整通过微 跃器实现。 3 2 原子时标测量系统 单台钟产生的时标是不稳定的，而且一旦发生时刻和速率突跳都无法判断。 为了保证的原子时标的可靠性，每个守时实验室的钟房内都有一组原子钟而不是 一个。这些原子钟通过原子时算法来得到一个加权平均值，这样得到的钟组时间 才更可靠，稳定度更高。 图3 2 是计算中国计量科学研究院原子时标的系统框图，也是原子时钟房的 结构框图：其中c l o c k 代表原子钟，测量系统为高精度时间间隔计数器1 1 c s r 6 2 0 和多路开关，输出调整机构为微跃器，国际比对设备为g p s 共视接收机， 原子时算法在个人电脑中运行，同时个人电脑来控制测量系统采集数据，其余还 应有输出放大器，后备供电系统，环境监测系统等。 现在中国计量院的钟房里共有六台钟，假定第一台钟的频率稳定度最高，那 么就把第一台钟当作主钟，用其余的五台钟和第一台钟分别比较。这里，用一个 多路选择器，一路必然接在主钟上，通过对另外5 台钟信号的选择，然后将选定 出的一组信号输入到t i c - s r 6 2 0 时间间隔计数器中去，t i c - s r 6 2 0 可以测量出第 i 台钟与主钟之间的钟差。有六台钟，就会得到五组钟差值。经过加权后，得到 一个准确的钟差值，这就是所谓的纸面钟。这样可以计算出参考钟与纸面钟之间 的差值，用这个差值反馈来修改微跃器，使误差尽可能趋于零，这样测量得到的 时间才尽可能的准确。 每台原子钟都有四个输出，i p p s 脉冲，i m i - i z 正弦振荡，5 m i - i z 正弦振荡， 1 0 m h z 正弦振荡。这里输入到多路选择器里的是i p p s 方波脉冲。其中l p p s 是一 秒一个脉冲的意思。 4 原子时标钟组系统框图 制 ，ox v ，汕，7。誓l 。t 。：+ ，一t 弦。缸“藏学5 ；考拯瓤藏# 沥燃s 施巍磁濂”磬攥 图3 - 2 原子时标系统框图 经过多路选择器的输入，输出波形如图3 3 所示： 输入 “、” 主钟的1 p p s 脉冲， 第：钟的。即。脉冲+ i 厂 一霉 。 。“。 ： f _ 。4 。 、 ：；”l ， 输出波形+。几 ，； 。? ，j * 、：嚣l i t i 鲈；j 、艘；v 斌j “。一。“p + 辐c 图3 - 3 多路选择器的输入和输出 关于t i c - s r 6 2 0 时间问隔计数器的内部构造，可参见图3 4 ： 2 0 - t i c - s r 6 2 0 内部构造 几 周期为t a t = n 奉t ( 已知) 图3 - 4t i c - s 髓2 0 构造图 t i c s r 6 2 0 时间间隔计数器本身是一个开关门控制芯片，原理如图3 5 ： s t o pc 2 一；一 a t 钟差值的获得 图3 - 5 波形时间差 图3 4 和3 - 5 表现的是：在闸门处输入一个稳定的高频方波，其周期已知， 记为t 当多路选择器的输出脉冲输入到触发器时，上升沿打开触发器，下降沿 叭。 p 北京工业大学工学硕士学位论文 关闭触发器。这样，该脉冲相对于那组高频方波就是一个门信号，可以用后面的 电子计数器计算出有多少个高频波的周期，记为n 。这样，钟差时间a t = n 木t 。 这个系统是一个闭环反馈系统，通过加权钟差反馈给微跃器，进而来修正误 差，得到稳定可靠的时间尺度。 3 3 原子时标传递方式 同一地方原子钟比对得到一组钟差，经过原子时算法计算可得到本地的原子 时间。同时，该时间还可以通过g p s 卫星与其他地方的原子钟进行比对，从而 参与国际原子时的归算中去。国际权度中心b i p m 每月发一次频率公报，标出各 地的原子时标与国际原子时之差。这样，我国的地方原子时标便得到了更高一级 频标的标定l 悖】。 检定框图如图3 - 6 所示： 频率 图3 6 检定框图 间不 为 第4 章f f l 算法基本原理 远距离时间比对通常采用g p s 共视法。其结构框图如图3 - 7 所示： a 地 图3 - 7g p s 共视原理框图 b 地 g p s 共视技术的基本原理伫0 0 1 堤：在一颗g p s 卫星的视角内，地球上任何两 个地点的原子钟可以利用同一时间收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率 比对 a 、b 两地测量原理( 没考虑对时延误差修正) 如下：两地的g p s 时间接收 机在同一个共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗g p s 卫星信号，接收机输 出代表g p s 时间的秒脉冲，送至接收机内置的时间间隔计数器，与本地原子钟输 出的秒脉冲比较，得到本地时刻t 与t 。差t 一同时，在b 地我们得到t j 与t * 的差at 。b 地的数据可通过通信网传到a 地的计算机中，然后两式相减可得 两台原子钟之间的时间差。 中国计量科学研究院的原子时标u t c ( n i m ) 建于上世纪8 0 年代初，从建立之 日始，开始参加国际原子时合作。对外代表国家参加国际比对，对内开展量值传 递，满足国民经济对时间频率量值的需要。 图3 - 8 为时间频率量值传递系统框图： 3 4 小结 圈3 - 8 时问频率量值传递系统框图 本章主要对原子时标系统的重要组成部分一守时测量系统进行了阐述。主要 分为三个方面：钟差值的获得，原子时标系统结构、国际时间比对系统。首先介 绍了双混频时差测量系统，其次，阐述了原子时标系统结构，测量系统澳4 得数据 进入计算机经过原子时算法计算，得到结果再反馈到测量系统中。最后，介绍了 本地时间的传递方式，在国际上可参与比对，国内进行量值传递。 第4 章a t l 算法基本原理 前面两章对原子钟组，原子时标测量系统进行了介绍，本章将对原子时标 的另一重要内容一原子时算法原理进行研究，通过与目前使用的a l g o s 算法比 较，论述a t l 算法的优势所在。 4 1 原子时算法的物理意义 原子时尺度是由原子钟决定的，同世界时和历书时相比，基准在唯一性上有 显著差异。世界时和历书时所依据的物理过程是地球自转和地球绕日公转，唯一 性是显然的。对原子时尺度而言，情况完全不同，原予时秒的定义是原子跃迁辐 射振荡所持续的时间首先，这种跃迁辐射频率与铯原子所处的电磁场、气温、 气压等环境因素有关，在地球的不同地点辐射频率可能有差异，同一地点的辐射 频率也可能变化。这样复现出来的秒长就不会完全相等。其次，原子的跃迁辐射 的频率并不能直接被观察记录，而是间接通过谐振得到一个与跃迁频率相近的微 波信号，谐振在一定的带宽内都能实现，这就意味着最后得到的频率并不严格是 原子的跃迁频率，只是一种近似，对于不同的原子钟设备，这种近似的程度也不 会完全相同娜】。另外，由于内部噪声的影响，不同原子钟的频率稳定度的性能 不同，钟面读数也不同。尽管不同的原子钟都是一个独立的时间基准，代表的物 理过程并不严格相同，原子钟的时间测量基本方程可以写为： 霉( r ) = 口+ 岛f + + 而( ，)i = 1 , 2 ，3 n ( 4 - 1 ) 式( 4 1 ) 中i 表示n 台原子钟中的第i 台，q 、岛和c 是常数，而( r ) 是各种不确 定因素的影响，也可以看作各种噪声的叠加，这样我们就有n 个时间基准了。 我们需要把n 个时间基准综合起来一个原子时算法。 守时实验室的原子时是由一组原子钟用统计的方法计算出来的，这种计算方 法就是原子时算法。原子时算法的最终目的和本质就是减少时间尺度的不确定因 素毛( f ) 4 2 原子时算法在守时系统中的地位 原子时算法比较抽象，似乎纯粹是数学上的事情，但它又是很具体的，因 为一个算法要和所用的钟组性能紧密结合。原子时算法的目的是经过原子时算法 得到的原子时尺度的稳定度大大高于钟组内单个钟所产生的原子时尺度f 礁2 刀。显 然原子时算法在守时系统中处于举足轻重的位置。钟组、原子时算法和时间尺度 的关系如图4 - l 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 时 间 尺 度 算 法 图4 - l 钟组、原子时算法和时间尺度的关系 需要指出的是，尽管时间基本单位是人为规定的，带有某种任意性，但是， 在国际上对时间基本单位做出了统一规定之后，就要求原子时必须在一定精度意 义下复现出来，这时的基本单位就不是任意的了，所以从原则上来说，研究原子 时算法不仅要考虑减少不确定项而( ，) ，也要使原子时尺度的基本单位( 秒长) 符 合规定，即原子时尺度单位的准确性问题。 4 3 选用原子时算法的理由 为了保持时间尺度的准确、连续并且时间单位尽可能接近国际单位制秒，各 个时间实验室都配置了原子钟每一台原子钟都可以保持一个时间尺度，但每一 个物理装置都有出现故障的可能。因此，实验室不能只用一台原子钟来保持守时， 每一个实验室都有许多台原子钟。这就需要由各个原子钟的时间经过原子时算法 计算出标准时间。不同的需求有不同的算法。根据各个实验室具体原子钟的历史 特性进行加权，建立一个均匀、稳定的时间尺度需要一个先进的算法和合理的加 权。 第一，对原子时而言，算法就是调整原子钟之间的相互关系。每一种相互关 系，都代表着不同物理过程的不同实现，研究原子时算法的目的，就是选择或构 造一种物理过程，使算法的不确定度最小，稳定度最高 第二，一台原子钟和一个原子钟组计算出的时间尺度，都是计算时间从时 间的产生过程来看，没有任何差别 第三，原子时算法的理论基础是原子钟的噪声模型。原子钟之间的相互关系， 实际上就是两者之间的噪声关系，并反映到原子时算法中去。这样，原子时算法 就是原子钟噪声的某种组合，是各种噪声在数学上的体现。所以，原子时算法也 可以认为是关于整个原子钟组的噪声模型。 原子时算法是各原子钟关系在数学上的体现，通过采用加权平均的方法来计 算钟差，并用于调整微跃罂。通过各种组合，使钟组时间的噪声最小，这就是原 子时算法的目的 第4 章a t i 算法基本原理 4 4 原子时算法的基本要求 确定原子时标的基本组成：原子钟组、时间测量比对系统、原子时算法及时 间输出调整设备、国际比对设备。 原子时算法有两类，分为滞后原子时算法和实时原子时算法。目前，中国计 量院使用的是a l g o s 算法，这是一个滞后算法，滞后时间大约有一个月左右。a t l 算法为实时原子时算法。 无论是实时算法还是滞后算法，都必须做到： 1 、平均的时间尺度，即用加权方法来求取平均时标： 厂n、一i 膨( ，) = l zj 曰凰( ，) ( 4 - 2 ) i = l埘 2 、选择时间尺度的基本计算间隔，也就是正确地选择t 的值。中国计量科 学研究院采用每4 小时测量一次，即t = 1 4 4 0 0 s 3 、给出优化每台钟的方法，也就是对每台钟进行权重的分配。 4 、对每台钟进行滤波，如果出现频率漂移，则要用相应的补偿方法。 而使用原子时算法要有两个前提隅2 9 1 ： l 、测量数据所受到的测量设备本身的噪声相对于钟的噪声可以忽略。 2 、各个钟是相互独立的。 4 5 a t i 原子时算法基本原理 a t l 算法根据当前的钟差值，来预测下一时刻的钟差值，用第i 台钟与主钟 的钟差作为中间可替代的变量，目的是得到参考钟与组合钟之间的钟差值。这样， 就可通过每台钟得到一个参考钟与组合钟的钟差估算值x 。( r + f ) ，最后加权得到 最终的参考钟与组合钟之间的差工，( r + f ) ，根据这个差值来调整微跃器。 在原子钟组中选出稳定性最好的一台钟作为参考钟，有时又称为主钟。参考 钟的频率输出连接到微跃器，新型微跃器带有分频功能，提供l p p s 输出原子 时算法控制微跃器的速率，可以认为这样一种组合是一台纸面钟，有时称为伪钟 或组合钟，总之是一台物理上并不存在的钟，其时间是在每次物理钟组测量完成 后计算出来的陋捌。 令x ，( f ) ，y ( r ) 分别代表第i 台钟相对于组合钟在时间t 时刻的时间：( 第i 台钟相对于组合钟在时间t 时刻的钟差) 和速率。f 是测量中的时间间隔，工( r ) 需预先设定初始值。y ，( f ) 是第i 台钟的相对频率稳定度( af f ) ，即钟的速率，。 它也需要预先设定初始值。 这台钟在f + f 时刻相对于组合钟的时间可估算如下： g ( t + f ) = 而( f ) + y f ( f ) f ( 4 3 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 y ，( r ) t 表示从t 时刻到f + f 时刻这台钟相对于组合钟的时间的变化量。 参考钟相对于组合钟的时间和速率也遵循上述表达式。区别只是参考钟用 脚标r 。硬件设备在时刻( r + f ) 测量得到的第i 台钟和参考钟的时间差，称之为 ，( f + f ) 。参考钟相对于组合钟的钟差就可以通过第i 台钟而估算得到： 毛o + f ) = 毫( ，+ o - t a t + 力 ( 4 4 ) 联立( 4 3 ) 和( 4 4 ) ，就可以消去第i 台钟的钟差值，得到( 4 - 5 ) ： 毛( ，+ f ) = ( f ) + 片( f ) r 一( ，+ f ) ( 4 - 5 ) 式( 4 5 ) 表示用第i 台钟t 时刻的时间和速率计算出的组合钟相对于参考钟的 时间估算值。 利用以前的时间和速率数据和现在的测量结果，每台钟都可以提供参考钟相 对组合钟的时差估算如果钟组有n 台钟，上式可重复n 一1 次，得到l q - 1 次独立 估算，组合钟相对于参考钟的时间可由加权平均得出 毛( ，+ f ) = m 毛( h f ) ( 4 - 6 ) 式( 4 6 ) 中，毛( f + f ) 为通过第i 台钟计算出的组合钟相对于参考钟的时间估算值， ，i i 为其对应的权重而( f + 力实际就是钟组时间相对物理参考钟在( t + g ) 时刻的 定义。这意味着钟组的时间估计值围绕平均值随机分布。 当频率闪烁噪声或频率随机游走出现时，需要加以抑制口0 1 。引入指数滤波 器，使频率成为带有时间常数的慢变化时间函数。对铯钟而言，这个时间常数的 值是几天。利用指数滤波器，基于前次估算和当前的时间的差分，产生一个新的 平均频率估算值 在短时间内，频率可以认为是一个常数，但长时间里，随着钟的老化，其 相对频率就会发生变化，其数学表达式为： 咒( f + f ) ：韭等掣( 4 - 7 ) i 十再 这里，是当前第i 台钟的频率估计值。由时间的一次差分得到，表示如下： z ( f + f ) ：巫生上业( 4 - 8 ) r 式( 4 7 ) 中。j ，是长期频率值，k 的典型值为几天 a t l 算法确定权重用的是预期误差，即每台钟相对组合钟的预期值和当前计 算值之差。其表达式如下： 岛= x t ( t + r ) - i j ( t + 力( 4 - 9 ) 具体表现为： 上 h ( f ) = p i p ( 4 - 1 0 ) 4 6 a t l 算法流程 a t l 算法的流程如下图： 图4 - 2 a t i 原子时算法流程图 从图4 - 2 中可以看到，a t l 算法是一个闭合循环。预估是a t i 算法的特征。 一2 9 北京工业大学工学砸士学位论文 用当前时刻的该钟相对于组合钟的时间x ，( r ) 来估计下一时刻该钟相对于组合钟 的钟差值暑( r + f ) 。霉o + f ) 减去硬件设备在t + r 时刻的测量的该钟与参考钟的 差，就可得到参考钟相对于组合钟的时差霸o + f ) 也就是说，基于以前的时间 和速率数据以及当前的测量结果，每一台钟都提供参考钟相对组合钟的时差估 算，之后加权平均。便得到参考钟相对于组合钟的时间。从而可以计算得出r + f 时刻该台钟相对于组合钟的钟差，也就知道了该时刻的钟速，之后算法连续。 4 7a t l 算法的优势 中国计量科学研究院目前使用的原子时算法是滞后的a l g o s 算法，该算法计 算的时间尺度滞后一个月，并且在实验室钟数量比较少的情况下，显示不出其优 越性，而a t i 算法能够实现原子时的实时控制和调整。为了比较这两种算法的优 缺，下面首