原子钟状态模型的自适应Kalman滤波算法(摘要)

原子钟的统计模型及其解算方法是建立原子时基准的重要内容之一。利用Kalman滤波技术模拟原子钟运行过程和预测过程的未来值,以及由此建立起来的原子钟噪声模型和整套解算方法正在逐步完善并不断地得到重视和应用。文章回顾了近10年来国内外在时频领域中应用Kalman滤波技术的概况;简要介绍了原子钟的状态模型及其Kalman滤波算法;在此基础上,详细介绍了自适应Kalman滤波算法的原理、方法以及计算结果。     

地方原子时算法研究

产生和保持一个稳定、准确、可靠的时间尺度是所有时间实验室追求的目标.传统的ALGOS算法主要考虑时间尺度的长期稳定度,而地方原子时尺度需兼顾长、短期的稳定度.通过对原子钟噪声模型的分析研究,在保证地方原子时尺度长期稳定度不降低的条件下,提出适合中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)守时钟类型单一、钟性能相近的时间实验室计算地方时间尺度TA(NTSC)的一套完整算法.应用NTSC 2008年全年所有参加国际原子时(International Atomic Time,TAI)计算的钟的数据进行新算法的验证计算,得到的TA(NTSC)的短期稳定度指标与长期稳定度指标均有提高.研究结果适用于与NTSC守时系统结构相似的时间实验室的原子时尺度计算.     

一种基于小波变换的氢铯联合守时算法研究

氢铯联合守时方法主要是研究两类性能不同的原子钟的有效组合而产生稳定的时间尺度.基于此,研究了一种联合守时算法,取得了初步结果.算法首先通过铯原子钟建立参考时间尺度,用于估计氢原子钟的速率和频率漂移;其次,利用小波多尺度分解的方法降低氢原子钟钟差多种噪声的影响;最后,利用氢原子钟的可预测性能,建立由氢原子钟产生的时间尺度.此算法的优点在于产生的时间尺度充分利用了氢原子钟的短期稳定度、氢原子钟的可预测性能并考虑了测量钟差带来的多种噪声的影响,是一种优化的原子时尺度算法.     

一种基于小波熵的时间尺度算法

结合小波分析和熵的基本理论,在分析国际原子时TAI的基础上,提出了基于小波熵的时间尺度算法．通过对原子钟信号进行多尺度分解,根据能量划分,综合所有尺度的小波系数得到小波熵,然后利用小波熵对原子钟进行加权．最后,通过某实验室的实测数据对算法进行了检验,结果表明:这种方法能够综合各原子钟信号在不同尺度上的频率波动特征,明显提高了时间尺度的稳定度．     

原子时的小波分解算法

时间尺度的就是根据一组原子钟的数据,用统计的方法计算出平均的时间尺度。其目的是使综合时间尺度的噪声最小。一般的原子时算有脱离经典加权的局限性,只能抑制原子钟的栽一种噪声。运用小波分解的方法建立以分解原子时,将原子信号在小汉域按频率尺度分解原,然后在不同频率范围加权,这种方法不但考虑不同原子钟在同一个频率分量的不同稳定度,而且考虑不同频率分量的不同稳定度,它有着独特的优越性。     

利用原子钟实现地球时的相关研究

利用原子钟实现的地球时有两种重要的形式:国际原子时(TAI)和TT(BIPM)。对由原子钟组产生的自由时间尺度、基准频标的频率特性进行量化分析,在时域上对TT(BIPM)和自由时间尺度、国际原子时做了比较,利用线性回归、抛物线回归方法,揭示了国际原子时在频率准确度上存在的误差。     

一种时间尺度算法的稳定度分析

介绍了国际权度局时间频率分部的ALGOS原子时算法的原理，并提出了建立在小波分解基础上的一种新的时间尺度算法，它可以提取原子钟在不同频率范围内的不同稳定度，实验结果表明：根据此算法建立的小波分解原子时稳定度优于一般的算法。     

灰色-自回归动态模型用于原子时尺度计算

由于各种噪声和其他因素的影响,原子钟运行情况十分复杂.为了准确地预测其确切的频率变化或钟速,有必要研究建立一个可靠的预测模型,通过模型预测原子钟的钟速,以便在地方协调时的监控和地方原子时计算中采用.讨论了如何利用灰色模型与自回归模型对原子钟钟速进行预测,研究并提出了二者的综合模型,结合国家授时中心原子钟实际数据进行了验证,并给出了不同原子钟对应模型的预测精度计算方法.     

氢原子钟的频率驾驭算法研究

以氢钟作为主钟系统的频率源,可产生短期稳定度更好的本地时间UTC(k),氢钟通常具有频率漂移效应,这使得氢原子钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低,进而影响UTC(k)的稳定度与准确度.为解决这一问题,比较分析了氢钟和铯钟的性能,改进了氢钟参与时间尺度计算的算法,并提出了基于主钟为氢钟的频率驾驭算法.通过搭建试验系统,编制相关的软件,对该算法进行了检验.测试结果表明当氢钟参与原子时计算时,可有效改善参考时间尺度的短期稳定度,同时主钟频率源为氢钟比主钟频率源为铯钟产生的本地时间UTC(k)具有更好的短期频率稳定度.     

一种新的守时型原子钟综合时间尺度方法研究

在这篇文章中, 提出了一种基于改进的指数平滑和Vondrak_Cepek联合平滑的氢铯综合时间尺度产生方法. 以最小误差方法为理论基础, 动态估计氢原子钟频率漂移参数, 提升氢原子钟钟差预测准确度; 基于改进的二次指数平滑产生氢原子钟组时间尺度、加权平均方法产生铯原子钟时间尺度, 同时设计Vondrak_Cepek滤波器以结合两类时间尺度长短期稳定度优势, 提升综合时间尺度性能. 实验结果表明, 所提方法产生的氢铯综合时间尺度时稳可达1.60x10^-15,天稳可达3x10^-15,优于ALGOS、AT1和Kalman滤波3种经典方法产生的时间 尺度性能.