原子钟计时的快速稳定实时调整方法 |
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| 申请号 | CN201610893396.6 | 申请日 | 2016-10-13 | 公开(公告)号 | CN106647223A | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
| 申请人 | 中国电子科技集团公司第二十研究所; | 发明人 | 王晓军; 徐静; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 原子 钟计时的快速稳定实时调整方法，涉及到的设备包括外部高 精度 时间源、测量和控制单元和原子钟计时单元。利用建模建立原子钟运行时的全状态参数，并利用状态参数对原子钟进行控制，实现原子钟计时的快速稳定和实时调整。本发明作用于一个定时系统的计时单元，在外部高精度时间源被干扰或者无效等特殊情况时，计时单元输出的定时信息未对整个系统造成影响，定时信息稳定可靠，精度高。试验表明，本发明抗干扰性高，满足外部高精度时间源被干扰后的计时要求；原子钟计时能够快速稳定并实时调整；定时信息 稳定性 高，满足高性能实用要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种原子钟计时的快速稳定实时调整方法，其特征在于包括下述步骤： |
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| 说明书全文 | 原子钟计时的快速稳定实时调整方法技术领域[0001] 本发明属于通信系统计时技术领域，涉及一种采用原子钟作为计时标准，能够快速达到稳定并能够实时进行调整的计时系统。 背景技术[0002] 计时系统的基本条件是高效的时钟频率源技术，使用原子钟作为时钟频率源能够提供计时系统的性能。当前原子钟计时存在一定的局限性，采用的方法主要有两种，一种是在外部高精度时间源如卫星系统的作用下不停驯服，提高原子钟计时的精确性和稳定度，但是采用外部高精度时间源的方式在时间源干扰或者消失的情况下，计时性能会降低；一种是依靠原子钟自身的准确性和稳定度进行计时操作，原子钟由于受温度、压力等环境作用的变化，会导致准确性变差和稳定性降低，影响计时系统的性能，因此采用原子钟自身准确性和稳定性工作方式时，计时性能不可控制，存在较大的误差。 发明内容[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于原子钟的快速实时稳定技术，利用外部高精度时间源方式的优点，满足两种情况的使用要求，外部高精度时间源存在时，计时系统不受影响，外部高精度时间源无效时，依靠模型参数对原子钟进行调整，实现原子钟的快速稳定和实时调整，保持原子钟自身的准确性和稳定性，提高计时的稳定性。 [0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤： [0005] (1)接收精度高于原子钟的外部高精度时间源输出的定时信息，根据定时信息中包含的有效性标志判断当前接收的定时信息是否可用，根据定时信息中包含的精度因子信息判断当前接收的定时信息是否满足测量要求，如果定时信息可用且满足测量要求，则进入步骤(2)； [0006] (2)以当前接收的外部高精度时间源的定时信息作为参考信息，原子钟计时输出的定时信息作为测量信息，将测量信息减去参考信息，得到时差测量值； [0007] (3)当时差测量值为正数时，提高原子钟输出频率值；当时差测量值为负数时，降低原子钟输出频率值；然后进行阿伦方差计算，判断原子钟输出频率的稳定度是否满足原子钟稳定要求，当阿伦方差不大于设定阈值时，判定原子钟进入稳定状态，将进入稳定状态的时间和调整值作为稳定参数保存，进入下一步，否则返回步骤(1)； [0008] (4)在设定的时间内等间隔的计算若干次时差测量值，并进行算术平均，得到时差测量均值，将时差测量均值和测量时刻作为调整参数进行保存； [0009] (5)将经过上述步骤的原子钟投入使用；使用前首先判断是否存在外部高精度时间源，若不存在，则根据稳定参数调整原子钟；若使用过程中，原子钟接收不到外部高精度时间源定时信息，或者接收的外部高精度时间源定时信息无效，则根据调整参数对原子钟的输出计时参数进行实时调整。 [0010] 所述的外部高精度时间源采用卫星系统，输出定时信息的频率为每秒一次。 [0011] 所述的步骤(3)中，在时长t＝100秒的一个周期内，连续N＝100次记录时差测量值y(i)，i＝0、1、…100，整个周期记录的均值 连续记录50个周期，得到均值序列Y(k)，k＝1、2、…50；计算均值序列的差值序列D(j)＝Y(j+1)-Y(j)，j＝1、2、…49；计算阿伦方差 当σ不超过0.2时，原子钟进入稳定状态，将进入稳定状态的时间和稳定过程中的调整值作为稳定参数保存，进入下一步；如果σ超过0.2，表示原子钟不满足稳定要求，则返回步骤(1)。 [0012] 所述的步骤(4)中，在每个λ＝6000秒的间隔时间内，等间隔测量n＝1000次的时差测量值h(i)，并进行算术平均，得到时差测量均值H，将时差测量均值和测量时刻同时作为模型参数进行保存。 [0013] 本发明的有益效果是：本发明作用于一个定时系统的主要计时单元，在实际系统中工作时，出现外部高精度时间源被干扰或者无效等特殊情况时，计时单元输出的定时信息未对整个系统造成影响，定时信息稳定可靠，精度高。试验表明，本发明抗干扰性高，满足外部高精度时间源被干扰后的计时要求；原子钟计时能够快速稳定并实时调整；定时信息稳定性高，满足高性能实用要求。附图说明 [0014] 图1为本发明系统原理图。 [0015] 图2为本发明外部高精度时间源间断性失效时的原理图。 [0016] 图3为本发明无外部高精度时间源时的原理图。 [0017] 图中，1-测量和控制单元，2-原子钟计时单元，3-外部高精度时间源。 具体实施方式[0018] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。 [0019] 本发明提供的原子钟计时的快速稳定和实时控制方法，涉及到的设备包括外部高精度时间源、测量和控制单元和原子钟计时单元。利用建模建立原子钟运行时的全状态参数，并利用状态参数对原子钟进行控制，实现原子钟计时的快速稳定和实时调整。 [0020] 本发明的目的在于提高原子钟计时的稳定性和准确性，因此外部高精度时间源的准确性和精度必须高于未校准的原子钟性能，通常选择卫星系统作为外部高精度时间源。卫星系统的时间源输出标准的定时信息，定时信息包含信息有效性标志、精度因子信息、定时信息，根据信息有效标志和精度因子信息综合分析，判断定时信息的可信度和准确度是否满足使用要求。 [0021] 原子钟计时以原子钟作为基本频率标准，产生计时信息。原子钟具有外部电压调整功能，通过调整控制电压，实现对原子钟频率准确性的调整。计时单元具有相位调整功能，能够通过相位调整，实现计时单元的时间调整，达到控制计时单元精度的要求。 [0022] 测量和控制单元主要功能包括：对定时标志信息进行统计、消除抖动，得到稳定的定时标志信息；完成外部高精度时间源定时标志信息和原子钟计时信息的时差测量；计算原子钟输出开机到稳定状态的时间；统计原子钟当前的漂移参数，对漂移参数进行分析，建立参数模型；根据参数模型对原子钟的计时信息进行调整，保证输出计时信息稳定可靠。 [0023] 本发明包括以下步骤： [0024] 【1】定时标志信息处理 [0025] 外部高精度时间源采样固定频率输出标准定时信息，本系统中外部高精度时间源输出定时信息的频率为每秒一次，系统接收定时信息后，通过定时信息中包含的合法性和有效性标志判断当前接收的定时信息是否可用，然后根据精度因子信息判断定时信息是否满足当前测量要求，如果定时信息满足使用要求，则记录当前定时信息，进行第二步处理。 [0026] 【2】时差测量 [0027] 如果接收的外部高精度时间源定时标志信息可用，以外部高精度时间源的定时信息作为参考位置，原子钟计时的输出定时信息作为测量信息，将原子钟的定时信息减去外部高精度时间源的定时信息，计算定时信息的时间差值，得到高精度的时差信息测量值。 [0028] 【3】计算稳定状态 [0029] 根据时差测量值，计算需要对原子钟进行频率调整的参数，当时差测量值为正数时，按照提高原子钟输出频率值的参数进行调整；当时差测量值为负数时，按照降低原子钟输出频率值的参数进行调整。调整后，进行阿伦方差计算，判断原子钟输出频率稳定度是否满足要求。 [0030] 系统采用周期t＝100秒，连续N＝100进行时差信息测量值数据记录，对应的数据为y(i)，100次记录的均值为 [0031] 连续进行周期为100秒的50次数据记录和均值计算，相应的均值序列为Y(k)，其中k＝1、2、…50。 [0032] 计算均值序列对应的差值序列 [0033] D(j)＝Y(j+1)-Y(j)j＝1、2、…49 [0034] 计算阿伦方差 [0035] [0036] 按照上述过程计算σ，当σ不超过0.2时能够满足本系统使用要求，此时原子钟进入稳定状态；如果σ超过0.2表示原子钟不满足稳定要求则返回步骤1重新进行时差测量，重新计算阿伦方差σ。中长期稳定度表示原子钟频率随时间变化时的漂移程度，因此当σ满足原子钟稳定要求时，将进入稳定状态的时间和稳定过程中的调整值作为稳定参数保存，然后进入漂移建模状态。 [0037] 【4】漂移状态建模 [0038] 外部高精度时间源工作时，按照λ＝6000秒的间隔时间，建立原子钟调整参数的模型值，并将参数保存。每个时间间隔内，等间隔测量n＝1000次的时差测量值h(i)，按照公式将n次的时差测量值进行算术平均，得到最终时差测量均值H，将时差测量均值和测量时刻同时作为模型参数进行保存。 [0039] 在系统中使用本发明的上述方法，在原子钟进行计时过程中，能够克服需要不停对原子钟进行驯服保持准确性的问题，通过第4步的建模过程，能够对原子钟进行控制。在第1步正常接收过程中，存在接收不到外部高精度时间源定时信息，或者接收的外部高精度时间源定时信息无效，则认为外部高精度时间源被干扰或者消失，此时依靠第4步保存的调整参数，对原子钟的输出计时参数进行实时调整，保证计时单元的准确性；如果在开始运行时，一直保持在没有外部高精度时间源的状态，则通过第3步保存的参数能够快速使原子钟进入稳定和高准确性状态，满足高精度计时的要求，并且在计时过程中，通过第4步保存的调整参数，对原子钟的输出计时参数进行实时调整，保证计时单元的准确性。 [0040] 图1为本发明实现的系统原理图，在实现时，外部高精度时间源可以采用GPS、北斗一代、北斗二代、GLONASS的任何一种，原子钟计时单元的原子钟可以采用铷种或铯钟等，测量和控制单元完成计算、建模和控制，实现原子钟的快速稳定和实时控制。 [0041] 图2为一种实时稳定调整工作的实施原理，系统能够在外部高精度时间源工作时完成时差测量、计算稳定状态、漂移状态建模，在漂移状态建模工作时，由于干扰或者其他原因导致外部高精度时间源无效，系统在外部高精度时间源无效时，根据最新计算的漂移模型参数对原子钟计时进行实时调整，保证输出的原子钟计时信息稳定可靠，满足系统性能要求。 [0042] 图3为外部高精度时间源一直无效时的实施原理，系统检查到外部高精度时间源无效时，根据模型参数的原子钟准确性调整参数值对原子钟进行参数控制，使原子钟能够快速达到稳定状态，并按照参数对原子钟计时单元的相位进行实时稳定性调整，保证计时单元输出高稳定性的定时标准，满足系统性能要求。 |
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