（电路与系统专业论文）at1算法的完善与tanim新系统的数据预估算法研究.pdf

摘要 摘要 本文结合中国计量科学研究院守时钟房原子钟的实际情况，首先在实验室已 有研究的基础上完善了a t i 算法。其次重点对目前守时资源条件下最优化的守时 系统铯原子喷泉钟直接驾驭氢原子钟产生t a ( n i m ) 的新原子时标系统及其 核心的数据预估算法进行了详尽的研究，主要内容分如下五个部分： 第一、介绍了本课题的背景，国内外相关内容的研究现状，课题的来源和意 义以及本文的主要内容和研究难点。 第二、简单介绍了原子时尺度的概念，原子钟和原子钟算法。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，对原子钟 算法相关内容进行了描述。 第三、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。 第四、在实验室对a t i 算法已有研究的基础上完善了a t l 算法在我国的具 体实现。首先，详细研究了 a t l 原子时算法的基本原理：其次，在a t i 算法静 态分配权重的基础上研究了算法动态权重分配方法和指数滤波器设置的问题；最 后，给出了a t l 算法动态权重分配的处理结果。 第五、深入研究了铯原子喷泉钟直接驾驭氢钟产生t a ( n i m ) 的新原子时标系 统及其核心问题数据预估算法。首先介绍了t a ( n i m ) 新系统的构成，与a t i 时标系统进行对比显示t a ( n i m ) 新系统的优势和不足之处。其次， 提出了两种 数据预估算法，弥补了铯原子喷泉钟输出不连续的缺陷。最后，对t a ( n i m ) 系统 测试实验结果进行分析，分别介绍了比对实验方案，数据处理过程，给出了实验 结果的时间稳定度和频率稳定度。结果显示t a ( n i m ) 丰g 对于u t c ( n i s t ) 的日时 间稳定度优于i n s ，相对于t a i 的日频率准确度约1 1 0 以5 。 关键词：原子时频率稳定度a t i 算法t a ( n t m ) a b s t r a c t a bs t r a c t a tia l o g r i t h mi sp r o m o t e db a s e do nr e s e a r c h e sm a d eb yo u rl a bb e f o r ea c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o no fa t o m i cc l o c k si nt i m e k e e p i n gl a bo fn i m a n ds e c o n d l yb u tt h e m o s t ，u n d e rt h ep r e s e n tc o n d i t i o n ，t h eb e t t e rt i m es c a l es y s t e m - n e wt a ( n i m ) s y s t e m ，w h o s er e f e r e n c ec l o c k - h m a s e ri s s t e e r e db yc sf o u n t a i nc l o c k ，a n dd a t a p r e d i c t i o na l g o r i t h ma r er e s e a r c h e dd e t a i l e di nt h i sp a p e r t h ec o n t e n t sa r ed e p i c t e da s f o l l o w i n gf i v ep a r t s ： f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c hs t a t eo ft h ed o m e s t i ca n dt h eo v e r s e a s ，t h e o r i g i na n ds e n s eo ft h i sd i s s e r t a t i o na n dt h em a i nc o n t e n ta n dt h en o d u si nt h i sp a p e r a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ec o n c e p t so fa t o m i ct i m es c a l e ，a t o m i cc l o c k sa n da t o m i ct i m e a l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e ds i m p l y t h eb a s a lc o n c e p t so fs e v e r a lt i m es c a l e sa n d k n o w l e d g eo fa t o m i ct i m es c a l ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h en o i s em o d e l so fa t o m i cc l o c k s a r ea n a l y s e d ，a n dt h er e l a t i v ec o n t e n to f a t o m i ct i m ea l g o r i t h ma r ed e p i c t e d t h i r d l y , a t o m i ct i m e k e e p i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mi sa n a l y s e d t h ef u n c t i o na n d s t r u c t u r eo fa t o m i ct i m es c a l em e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e e p l ya n a l y s e d ，w h i c hb a s e d o nt h ed e s c r i p t i o no fp 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 es y s t e m a tl a s tt h ea t o m i c t 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 f o u r t h l y , t h er e a l i z a t i o no fa t 1a l g o r i t h mi sp r o m o t e db a s e do nr e s e a r c h e sm a d e b yo t l rl a bb e f o r e t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa t 1a l g o r i t h mi sd e t a i l e dr e s e a r c h e d a f t e r t h a t ，o nt h eb a s eo fs t a t i cw e i g h to fa t 1a l g o r i t h m ，t h em e t h o do fd y n a m i cw e i g h t d i s t r i b u t i o na n dt h ed e s i g no fe x p o n e n tf i l t e ra r cr e s e a r c h e d f i n a l l y , t h er e s u l t so f a t la l g o r i t h mw i t hd y n a m i cw e i g h td i s t r i b u t i o na r es h o w e d l a s t l y , n e wa t o m i ct i m es c a l et a ( n i m ) s y s t e m ，w h o s eh - m a s e ri ss t e e r e db yc s f o u n t a i nc l o c k ，a n dt h ek e yo ft h i ss y s t e m - d a t ap r e d i c t i o na l g o r i t h ma r ed e e p l y r e s e a r c h e d t h es t r u c t u r eo fn e wt a ( n i m ) s y s t e mi si n t r o d u c e da n dt h es t r o n g p o i n t a n dw e a k n e s so fn e wt a ( n i m ) s y s t e mb yc o n t r a s tt oa t1t i m es c a l es y s t e mi s s h o w e d a f t e rt h a t ，t w od a t ap r e d i c t i o na l g o r i t h m sa r ep u t t e di n t h i sp a p e r , w h i c h m a k eu pt h el i m i t a t i o ni nc o n t i n u o u so u t p u td a t ao fc sf o u n t a i nc l o c k f i n a l l y , e x p e r i m e n tr e s u l t so fn e wt a ( n i m ) s y s t e ma r ea n a l y s e d t h es c h e m eo fc o m p a r i s o n e x p e r i m e n t ，d a t ap r o c e s sa r ei n t r o d u c e d ，a n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt i m es t a b i l i t yo f t a ( n i m ) i ss m a l l e rt h a n ln s d a yr e l a t i v et o u t c ( n i s t ) ，f r e q u e n c ys t a b i l i t yi s 5x10 。”d a yr e l a t i v et ot a i i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 k e yw o i m s ：a t o m i ct i m e ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y , a t la l g o r i t h m ，t a ( n i m ) i v 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j e 塞王些态堂或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 脚朋6 甲 本人完全了解j 竖塞王些太堂有关保留、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) 91 卜、 肌 ；肜啪 径瑶 胳圾弘黜攉 獬缉獬髓 第1 章绪论 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，是目前所有物理量中准确度最高的物理量。时间频率作 为最准确的基本物理量，一直在国防建设、国民经济和人们日常生活中起着重要 作用。 1 9 6 7 年1 0 月，第十三届国际计量大会通过了关于s 1 秒长的定义j ：“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、英国物理实验室、俄国计量科学研究院都已开展了这方面 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。 时间有四个主要特点：第一，是目前最准确的基本物理量，准确度已经达到 1 0 1 6 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四个和时间频 率标准有关【2 】：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，2 0 0 5 年格罗伯，霍尔，汉施的量子光学，精密光谱与光 频测量；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，世界上谁也离不开准确的时间。 北京t 业大学工学硕士学位论文 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。 时间坐标( 简称为时标) 是一个测量时间的系统，它能标定一个事件发生的 时刻，计量一个过程经历的时间间隔。以原子秒作为时间单位的时标称为原子时 标，各实验室或各国建立的原子时标称为地方原子时，由国际计量局( b i p m ) 建 立的称为国际原子时( t a i ) ，由国际原子时导出的协调时( u t c ) 为国际上的法 定单位p 】。由中国计量科学研究院( n i m ) 建立的地方原子时则称为t a ( n i m ) 。 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【4 】。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 法和时间频率传递技术方面对我国原子时标进行改善。 1 2 国内外相关内容的研究现状 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”。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。t a i 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 i p 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) 。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i ) 1 优于1 1 0 - 1 4 ；不确定度为4 1 0 - 1 5 ；平均 时间( 2 0 - - 4 0 d ) 的频率稳定度优于1x1 0 - 1 5 。 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 lt i m ec o o r d i n a t e d ) ，秒长是原子时秒，时刻与世界时u t l 接近【6 】( 相 差不足0 9 n s ) 。 目前国际上在地方原子时方面相对领先的守时实验室有四个：分别是美国海 军天文台( u s n o ) 、美国标准技术研究院( n i s t ) 、德国物理技术研究院( p 1 b ) 、 日本信息通信研究院( n i c t ) 7 1 。 u s n o 拥有一个数量庞大的守时钟组，其中商品型铯原子钟6 0 多台，主动型 氢原子钟2 0 多台。u s n o 采用一个称之为a 1 【8 】的算法产生钟组时间，再使用 u t c 时间对其驾驭而产生u t c ( u s n o ) 。g p s 导航定位系统时间溯源于 u t c ( u s n o ) ，所以它的建立充分考虑了连续性和稳定度，准确度次之。为确保 2 第1 章绪论 连续性，这9 0 台左右的原子钟散布放置在不同地点的几个钟房。a 1 算法总体 思路是性能正常的原子钟进行简单算术平均，即等权重平均。这种处理方式虽不 能得到最好的稳定度，但它能降低单台原子钟对钟组时间的影响程度。换言之， 如果某台稳定度好的钟具有高权重，一旦其发生故障，不能参加钟组计算，则钟 组时间的稳定度就会发生较大变化。从我们使用主动型氢原子钟的实际情况看， 其故障率是必须考虑的因素。u t c ( u s n o ) 受u t c 驾驭，从长期看，其准确度与 u t c 保持一致。 n i s t 守时钟组有6 8 台主动型氢钟。他们采用一个称之为a t l 【9 】的算法，这 是个滤波器型算法，以估差为权重计算钟组时间。n i s t 主频率标准_ 喷泉钟， 每年运行3 至4 次，对钟组频率进行校准，保证其准确度。从技术角度讲，t a ( n i s t ) 的技术水平最高。 t a ( p t b ) 没有使用钟组产生时标，而是直接由一台光抽运型铯原子钟产生。 它的准确度应该是最高的，但稳定度比其他使用氢钟作为主钟的实验室低。 n i c t 的钟组包括1 8 台铯钟和3 台氢钟。他们采用与a l g o s ( 国际计量局 b i p m 使用其计算t a i 、u t c ) 类似的，按稳定度分配权重的算法【l 0 1 。 尽管这些实验室的技术方案都不相同，但它们在设计时都遵从了一个原则： 利用可用的资源，按需求，设计尽量最优的方案。比如，u s n o 注重可靠性，其 钟组数量庞大in i s t 的喷泉钟不能连续工作，他们则用a t l 算法保证间断期时 标的准确度和稳定度；p t b 则更重视准确度，依靠着他们制作的实验室型铯原子 钟在连续工作方面的突出能力。 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 i h ( n 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。 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。u t c ( n i m ) e h6 台钟和测量系统组 成，3 台h p 5 0 7 1 ( 优质管) 准确度( 5 x 1 0 1 3 ，l 台主动型氢钟v c h l 0 0 3 ，日稳定 度 2 1 0 叫5 ，2 台美国产氢钟m h m 2 0 1 0 ，日稳定度 l 1 0 _ 1 5 。第一台激光冷却 铯原子喷泉钟( n i m 4 ) 于2 0 0 5 年8 月开始运行，从2 0 0 4 年开始研制的第二台可 运输的铯原子喷泉钟( n i m 5 ) 也基本完成【l2 1 。n i m 4 通过国家质检总局鉴定，该喷 泉钟的准确度达到3 5 1 0 1 5 ，稳定度达到7 1 0 15 i 乃j ，相当于6 0 0 万年不差1 s 。 该基准已进入世界先进水平，是目前国际上最准确的时间频率基准之一。 1 9 8 6 年，中国计量科学研究院建立的原子时标经原国家计量局批准为原子 3 北京工业大学工学硕士学位论文 时标国家基准。该原子时标从1 9 8 4 年就开始通过中央电视台向全国发送标准时 间和频率，用于统一全国的时间和校准各地的频率标准。从上世纪8 0 年代起， 中国计量科学研究院原子时标的计算一直使用滞后性a l g o s 算法，属于事后处理 算法，通常每一个月测量一组数据点，并计算一次钟差，来调整微跃器。该算法 不仅滞后时间长( 3 0 天) ，且因参加原子时计算的钟数不多，算法优势不能发挥。 2 0 0 6 年起中国计量院开始研究a t l 算法在我国地方原子时标的应用，随着算法 在我国原子时钟组计算的深入进行，我们发现由a t l 算法计算钟组时间来驾驭 主钟产生t a 的系统无法准确校准主动型氢钟，这将导致由氢原子钟作为主钟的 原子时标的t a 时间稳定度下降 1 2 l 。因此，从2 0 0 7 年底n i m 时频实验室将原子时 标系统改为目前的铯原子喷泉钟直接驾驭单台氢原子钟产生t a ( n i m ) 的技术方 案。该系统使t a ( n i m ) 既具有n i m 4 较高的准确度和氢原子钟较好的中短期频率 稳定度的双重优点，数据预估算法使t a ( n i m ) 频率逼近n i m 4 铯原子喷泉钟，在 n i m 4 喷泉钟停运时也能连续提供t a ( n i m ) ，使我国的地方原子时标水平跨上一个 新台阶。 1 3 课题的来源及意义 1 3 i 课题来源 本课题是由北京工业大学电子信息与控制工程学院现代信号处理与d s p 应 用技术研究室，和中国计量科学研究院信息计量与测试研究所合作完成。 1 3 2 课题意义 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。钟组时间的准确度直接由钟组成员钟决定。这些 钟一般都是商品型原子钟，尽管不同品牌原子钟的性能指标有所不同，同一品牌 不同钟之间性能也会有差异，但它们对钟组时间准确度的贡献是类似的。在没有 更准确频率源的情况下，钟组时间的准确度与钟组成员钟的准确度相当，处于同 一量级水平。但如果使用准确度更高的频率源对钟组时间进行驾驭，驾驭后时标 的准确度则能提高。 目前，我国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 ，无论从稳定度还是准确度都低于国际水平一个量级i l 训，中国 计量科学研究院作为国家原子时标国家基准的发布单位，承担着向全国发送标准 时间和频率，用于统一全国的时间和校准各地的频率标准的任务。中国计量科学 4 第1 章绪论 研究院守时实验室用a t l 算法计算钟组时间来驾驭氢钟产生t a 的方案因为钟组 钟数不够多，钟的性能不够优良等因素导致t a 很难达到我们所要求的时间稳定 度。在地方守时实验室原子钟有限并稳定的情况下，算法的优化程度将成为影响 原子时标精度的最大影响因素之一，因此我们采用目前世界上最准确的时频基准 铯原子喷泉钟直接驾驭单台氢原子钟产生t a ( n i m ) 的技术方案。 本课题的主要目的就是基于中国计量科学研究院守时实验室当前的钟组情 况，完善原子时a t l 算法在我国地方守时实验室原子时标计算中的应用，更重 要的是研究用铯原子喷泉钟驾驭氢原子钟( 称之为t a ( n i m ) 系统) 产生t a 的数据 预估算法。算法完成后，第一将会对我国的原子时标的稳定性将会有很大的提高， 使我国的原子时标水平迈向一个新台阶，从而进一步影响到我国国家整个时间频 率的计量水平，可校准国内进口和研制的各种原子钟，完成量值传递任务。第二， 大大提高我国的高精度时间频率服务，将会使我国由计量院保持的三种授时方式 ( 电视网络授时、电话网络授时和i n t e r n e t 授时) 有了更可靠高精度的时间频 率服务，从而间接的影响中央电视台发布的北京时间和网络上计算机的时钟等。 第三，通过国际原子时合作，可以进一步与国际标准接轨，向国际统一的计量标 准靠拢，在参加国际原子时归算时，也能对国际原子时做出更大的贡献。 1 4 本文主要研究内容及其难点 本文分别从时间尺度的概念，频率稳定度的表征，原子钟及钟的噪声模型分 析开始，完善了a t l 算法在我国地方原子时标系统的实现，重点对铯原子喷泉 钟驾驭氢钟的t a ( n i m ) 新原子时标系统的建立及其数据预估算法进行研究与实 现，研究结果可促进我国时间频率标准的提高。本文分为以下几部分内容，其中 第四章和第五章为主要研究内容： 第一章对课题背景、国内外研究现状以及课题意义做了简单介绍。 第二章主要介绍时间尺度，原子钟和原子钟算法的基本概念。对本文涉及到 的时间尺度进行了介绍，并重点对频率稳定度的表征方式、基本计算思想和评定 步骤进行了描述。 第三章主要介绍原子时标测量系统的结构、工作原理及时间间隔计数器的结 构和原理。 第四章主要从技术细节上，结合实际完善了a t l 算法，并在我国地方原子 时标系统中得以实现。 第五章主要介绍了铯原子喷泉钟驾驭氢钟的t a ( n i m ) 新系统，提出了两种数 据预估算法。对t a ( n i m ) 新系统与a t l 原子时标系统进行了对比，并对t a ( n i i v o 5 北京工业大学工学硕士学位论文 新系统的测试实验结果进行分析。 由于用铯原子喷泉钟n i m 4 驾驭氢原子钟产生t a ( n i m ) 的系统方案在国际 上没有先例，可参考的资料和可借鉴的经验非常少，我们的算法设计要完全靠自 己的数据分析和经验积累。由于氢钟频率是不断变化的，且受湿度，温度等外界 因素的影响，表现为引起频率的不规则变化，氢钟频率数据的预估一直是国际上 的研究难点，所以怎样才能研究出适合我国t a ( n i m ) 新系统的频率数据预估算法 成为了本文的工作难点。 6 第2 章原子时尺度和原子钟算法 第2 章原子时尺度和原子钟算法 本文主要是对时间尺度算法进行研究与实现，进而建立新一代原子时标。因 此，在这一章里对原子时和原子钟的基本知识进行阐述。首先，介绍了几种时间 尺度的基本概念；其次，介绍了原子时标、原子钟及原子钟算法；最后，针对如 何表征原子时标的质量，对频率稳定度和准确度进行了描述。 2 1 时间尺度的基本概念 对于时间这个概念，有许多种不同的定义，其划分标准各不相同。在实际生 活中，人们要对事件的发生、发展做时间上的标记，为此需要建立统一而均匀的 时间尺度。对时间的计量不仅需要计时系统一时钟，更需要一个精确的时间标准。 任何一个具有稳定的周期运动的系统都可以用于计时，但要用作时间基准，还要 求它能够长期、稳定地维持这种周期运动。时间基准也在随着人们对自然和世界 的认识而不断发展着，时间尺度的研究史是人类掌握和利用科学技术的发展史， 在不同历史阶段所采用的时间尺度有着很大的变化。从2 0 世纪中期开始，时间 尺度得到了革命性变化。下面将对几种经常见到的时间尺度进行介绍。 一、世界时 世界时在1 9 6 0 年以前曾被广泛应用，是以地球自转运动为基础的时间尺度。 由地球自转与公转计量的时间，就是通常所说的世界时( u t ) ，过去称为格林尼 治时间【1 5 】。人类生存的地球就像是个巨大的时钟，人们把太阳连续两次通过地球 表面某一定点的经线所需的时间定为一天，即所谓的“真太阳日”，真太阳日的 8 6 4 0 0 分之一就是真太阳日的“秒 。由于地球公转的速度的不均匀等原因，一 年中真太阳日的长短并不一样，最长的是1 2 月2 3 日，最短的是9 月1 6 日，真 太阳日长短差的最大值达5 1 秒。由于地球自转周期时快时慢，就会影响计量时 间的精度，大约一天内有l 到3 毫秒的误差。u t 0 是天文台观测到的原始数据。 u t l 在u t 0 的基础上，消除了地轴摆动的影响。还有一个修正了地球自转速度季 节性变动的u t 2 ，现在已经不用了。其实u t 0 、u t l 、u t 2 的差异很小，不超过o 0 3 秒。现在提到的世界时一般指u t l 。 为了得到标准的时间，美国天文学家纽康在1 8 8 6 年提出用“平太阳日 来 7 北京工业大学工学硕士学位论文 定义。所谓平太阳是假想有一天体在黄道上移动，不过它的移动速度是均匀的， 等于太阳视运动的平均速度。这个假想的天体称为“平太阳”。把这个平太阳连 续两次经过同一子午线的时间间隔叫做一个“平太阳日”。一平太阳日的8 6 4 0 0 分之一叫做一个“平太阳秒”。显然平太阳日定义的秒比真太阳日定义的秒要精 确得多。尽管如此，由于地球在自转的过程中受潮汐和其他力学因素的影响，其 自转角速度存在着微小的波动。因此，由地球转动给出的时间单位有一定的偏差， 其精度约为1 0 ，即约3 年差1 秒。世界时的制定基准是太阳的周日视运动。平 太阳时的制定基准是以太阳周日视运动的平均速度为基础。 国际天文学联合会于1 9 2 8 年决定，将由格林威治平子夜起算的平太阳时称 为世界时，简称u t 世界时以日为基本单位，每日的长度会有毫秒级的差异。 二、历书时 1 9 5 2 年国际天文协会第八届大会决议在天文年历中采用以地球绕太阳的公 转周期为基准的计时系统一“历书时”。据此，1 9 5 6 年国际计量委员会决定：“秒 为1 9 0 0 年1 月o 时历书时12 时起算的回归年的1 3 1 5 5 6 9 2 5 9 7 4 7 ”。这一秒定义 得到1 9 6 0 年第十一届国际计量大会的批准。从此，秒的精度提高到1 0 一，相当 于每3 0 年差1 秒。 然而这种依赖天文观察的时标对日常使用很不方便。于是人们发明了用于日 常计时的二级时标，如古代的日暑和刻漏以及近代的机械钟表和石英钟表等，以 此体现具体的世界时。尽管机械钟表和石英钟表的稳定性可以达到很高，但是机 械钟和石英表，一方面由于存在着个体差异，而且易受环境因素的影响：另一方 面由于磨损、老化等原因，都有一定的使用寿命，不能长期稳定地工作。所以机 械钟和石英表都不能代替以地球转动为基础的时间基准。 三、脉冲星时间 脉冲星是在1 9 6 7 年被发现的，人们可以通过射电望远镜接收到所发射的周 期稳定的射电脉冲，利用其稳定的频率建立的时间尺度是脉冲星时间尺度【4 】。 四、原子时 1 9 6 7 年，国际计量大会决定，将铯1 3 3 原子在基态的两个超精细能级结构 间零场跃迁时，辐射频率的9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期的时间间隔为一秒。从此原子秒 取代了平太阳秒。原子钟的准确性已优于l 1 0 - 1 4 ，相当于3 0 万年不差一秒。 由此，世界标准时间采用原子时( a t ) 。 国际计量局( b i p 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) 。国际原子时t a i 要求具有良好的准确性和高的长期稳定性。 为了达到这个目的，t a i 的数据来自于世界各地的大量的原子钟，并用网络来交 8 第2 章原子时尺度和原子钟算法 换数据。t a i 是全球约6 0 多个时频实验室共约3 0 0 台自由运转的原子钟进行国 际合作的产物，每月初各实验室按规定将有关数据向b i p m 发送。然后b i p m 根据 传送来的这些数据，采用a l g o s 算法计算得到自由原子时e a l 。e a l 参照原始频 标，对它进行频率修正后导出t a i 。一般时频实验室定期向b i p m 发送数据包括 三个部分。实验室的各个钟数据( k 、i ) 与自己的u t c ( k ) 的比对数据( k 为 实验室代号，i 为钟序号) 。时频传递比对数据一该实验室的u t c ( k ) 与g p s 卫 星钟的共视( c v ) 比对数据或卫星双向时频传递( t w s t f t ) 得到的两个实验室的 u t c ( k 1 ) 与u t c ( k 2 ) 之间的比对结果。如果在同一基线上两种传递比对方法共存， 只报送t w s tf 1 的数据。g p s 数据只作为备份。 u t c ( k ) 与地方原子时t a ( k ) 的比 对结果。具有原始基准的实验室还需加报其原始频标的有关数据。b i p m 通过对 这些数据归算出全世界所有参与合作的原子钟与u t c ( p t b ) 的比对结果，最后计 算出自e h 原子时e a l ，对e a l 进行频率修正后导出t a i 【l 0 17 1 o 五、协调世界时 世界时和原子时是两个独立的时标，两者出现偏差时，尽管地球自转影响了 世界时的精度，但是原子时还是要迁就地球自转为基础的时标，这样才能保证时 间与季节的协调一致，不出现差错。因此就产生了第三种时标，称为协调世界时 ( u t c ) 。 u t c 是t a i 作了闰秒的修正后导出的，u t c 采用的时间计量单位仍是原子 秒。u t c 与t a i 之间会出现若干整数秒的差另i ( t a i 是从1 9 5 8 年1 月1 日o 时0 分0 秒开始计时的) 。在时刻上规定与世界时的平太阳秒超过0 9 秒时，做1 秒整 数调整，拨快或拨慢1 秒，称为闰秒。闰秒由国际计量局向全世界发出通知，一 般在1 2 月份最后一分钟进行。如果一年内闰1 秒还不够，就在6 月再闰1 秒。 到目前为止由于地球转速越来越慢，都是拨慢1 秒，6 0 秒改为6 1 秒。负闰秒还 没有发生过。航海上一般使用协调世界时。 六、g p s 时间 g p s 时间可以看作没有闰秒调整的u t c 时间，并以1 9 8 0 年1 月6 日0 时o 分0 秒为起点。从g p s 时间计算本地时间，需要减去目前累计的闰秒，再加上 本地的时差。 七、世界时和原子时的区别 在时间的标度上，存在着两个相互独立的需求：一方面，时间标度能与地球 的自转相吻合，称作天文学需求；另一方面，时间标度的单位是精确的，便于获 得准确的时间。由于地球自转的不均匀性，从这两个需求出发制定的时标会有细 微的差异。世界时( u t l ) 是基于地球自转的时标。国际原子时( t a i ) 是基于单 位时间的时标，以“铯- 1 3 3 原子能级间跃迁辐射所决定的，称作原子时标。原 9 北京工业大学工学硕士学位论文 子时标的准确度为每日数纳秒( e - 9 ) ，而世界时的准确度只有数毫秒( e - 3 ) 。因此 科学家们就对原子时与世界时进行协调。否则，日积月累就会出现原子时与世界 时间有较大的差距。 但是，在所有时标中，日和秒的关系都是固定的，每日8 6 4 0 0 秒。确定了秒 的长度，就确定了日的长度，反之亦然。原子时标以秒为基准，秒和日的长度都 是固定的。 2 2 原子时标概念 时标即时间坐标，是一个测量时间的系统，能标定一个事件发生的时刻，计 量一个过程经历的时间间隔。以原子秒作为时间单位的时标称为原子时标。各实 验室或各国建立的原子时标称为地方原子时，由国际原子时导出协调时( u t c ) 为国际法定事件。 原子时标的主要特征有： l 、准确度：准确度是一个原子时标给出的时间单位秒长与国际单位制中定 义的秒长符合的程度。一个地方原子时的准确度只有经过国际原子时校准后才能 得到。 2 、稳定度：稳定度是指某一给定时间间隔时间数据的起伏程度。而时间数 据的起伏实质上是给定时间间隔内平均速率的起伏。实际上，在给定时间间隔内， 一个时标相对于理想时标的平均速率就是产生这个时标频率源在该时间间隔内 的平均相对频率差。时标的稳定度也称时标的均匀性。为了得到好的稳定度，一 个时标都是用多台钟通过加权平均得到的，参加平均的钟越多，时标的稳定性越 好。 3 、连续性：连续性是指时标在运行中不出现时刻和速率的突跳。为了能发 现那台钟发生了突跳，参加平均的钟至少应为三台。此外，当构成时标的钟的数 量发生变化( 如旧钟的剔除和新钟的加入) 以及在每次计算时每台钟的权发生变 化时，都会引入时刻和速率的突跳。为保证时标的连续性，上述变化都应在计算 过程中加以修正。连续性不能用具体数字作定量描述，只能在产生和保持时标的 过程中通过计算来保证。 4 、自由时标和驾驭时标：在一个时标的计算过程中，如未加入频率基准的 校准( 直接或间接) ，则产生的时标称为自由时标，反之称为驾驭时标。自由时 标的准确度只有通过校准后才能给出，驾驭时标则能直接给出。目前各地的地方 原子时大都是自由时标，通过与t a i 比对后给出准确度。我国的t a ( n i m ) 新原子 时标属于驾驭时标。 1 0 第2 章原子时尺度和原子钟算法 曼! ! ! ! ! 曼! 鼍i i i | a l nh l a - - - - - - ! 曼曼曼! 曼! ! ! 曼! 曼! ! 曼曼曼曼! ! 曼! 曼! 曼! 曼曼! 曼皇曼! 鼍! ! ! ! ! ! 曼! 1 2 3 原子钟及其噪声类型 目前作为商品的原子频标只有三种 1 8 】：铯原子频标，铷原子频标和氢原子频 标。它们都是利用原子谐振特性获得稳定的振荡频率，然后再控制压控石英晶体 振荡器，输出准确且稳定的标准频率。其中氢原子频标分成主动型和被动型两类， 前者利用锁相技术，后者利用锁频技术，实现氢( 1 h ) 谐振频率对晶振频率的控制。 铯原子频标分成实验室型和商品型两类，都是利用锁频技术实现( 1 3 3 c s ) 谐振频 率对晶振频率的控制。 n i m 于2 0 0 3 年研制成功n i m 4 铯原子喷泉钟可作为频率基准运行的装置，到 2 0 0 6 年其频率准确度已提高到3 5 1 0 以5 ，这就是我国时间频率基准的指标。到 2 0 0 4 年只有4 个国家的计量实验室研制成了这种装置，分别是法国的l p t f ，美国 的n i s t ，德国的p t b 和中国的n i m 。 为了让测量得到的时间尽可能的准确，每个计量院都要有多台原子钟来共同 测量时间，原子钟台数越多，时间就越准。那么，在守时实验室钟房里的用于守 时的一组时钟就称为一个钟组。每台单独的钟都有可能突然失效，最简单的解决 办法是用一台新钟代替失效的钟，这是一般实验室的做法。t a ( k ) 通常都由一个 实际的钟输出信号构成，这台钟一般是钟组中被认为是最好的，人们称其为“参 考钟”。参考钟又称为主钟，是原子钟组中稳定度最好的一台，其它的钟都要和 主钟作比较，从而得到一组钟差。参考钟的输出常常通过相位微调仪实施小的频 率预置或时间跳跃控制，以使t a ( k ) 跟随t a i 运行。如果通过软件控制相位微调 仪对t a ( k ) 作频率驾驭，那么主钟的更换将不影响输出的时间尺度。 原子钟是一种精密的频率源，但钟面读数与符合定义的理想时间不可避免地 存在偏差，即通常所说的精密时钟的噪声。 自1 9 6 6 年以来，关于精密振荡器的噪声模型的讨论已经持续了多年。虽然 振荡器噪声的物理过程并不是十分清楚，但现在对噪声的基本模型已有定论【1 9 1 。 在1 9 7 1 年，j a b a r n e s 等人在总结众多研究人员工作的基础上，系统的提出了 原子钟噪声的幂率谱模型，即原子钟的噪声可以看成五种噪声分量的线性叠加， 每种噪声分量具有幂次分别为2 ，一1 ，0 ，1 ，2 的幂率功率谱【2 0 j ： 三 y ( t ) = 儿2 ( f ) + 止i ( ，) + ( r ) + m ( ，) + 儿( r ) = 虼( r ) ( 2 - 1 ) r t = - - 2 其中，按照口的不同可以把噪声分成五种类型：口= 一2 是随机游走调频噪 声( r w - f m 噪声分量) ，口= 1 是闪变噪声调频( f - f m 噪声分量) ，口= 0 是白 噪声调频( w - f m 噪声分量) ，口= 1 是闪变噪声调相( f p m 噪声分量) ，口= 2 是 白噪声调相( w - p m 噪声分量) 。 这些噪声过程的产生机制如下描述【2 m 3 】： 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 1 随机游走调频噪声t 由于这种噪声的频率通常和载频非常接近，所以它不 容易测量。随机游走调频噪声产生的机制通常和物理环境有关，机械振动、摆动、 温度或其他一些环境作用都会引起载波频率的随机抖动。 2 调频闪烁噪声：这种噪声产生的物理机制尚不十分清楚。一般认为，调频 闪烁噪声和一个主动型振荡器的物理谐振装置、电子元件的设计或选择以及环境 属性有关。 3 调频白噪声：这种噪声类型在被动型的频率标准中比较常见，铯和铷频标 通常都有调频白噪声的特性。 4 调相闪烁噪声：这种噪声和振荡器的物理谐振部分有关，而且会叠加一些 电子线路的噪声，放大器以及倍频器都会引入调相闪烁噪声。 5 调相白噪声：这是一种宽带相位噪声，和谐振装置无关。调相白噪声和调 相闪烁噪声产生的机制有些相似，放大器同样会引入调相白噪声。采用一个好的 放大器设计、在输出端加上一个窄带滤波器或者增加频率源基本功率，都可以使 调相白噪声保持在较低的水平。 时间尺度计算中主要关心的问题是原子钟的频率稳定度，功率谱模型不能为 一个时间间隔内的准确度提供一个方便的度量。它只提供了影响钟准确度的噪声 类型而不是特定时间间隔内的不稳定度。因此，我们必须寻找频率稳定度的时域 表征方式。 2 4 原子时尺度质量表征 原子时尺度质量经常由三方面组成：准确度、稳定度和实