[發(fā)明專利]一種銫原子鐘和氫鐘頻差預(yù)估方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611066046.9
• 申請(qǐng)日: 2016-11-28
• 公開（公告）號(hào): CN106773610A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱江淼;鄭鵬飛;秦慧軍;閆迪迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G04F5/14
• 分類號(hào): G04F5/14
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于原子時(shí)標(biāo)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差值數(shù)據(jù)通過支持向量機(jī)方法得到噴泉鐘停運(yùn)時(shí)的預(yù)估數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)

時(shí)間頻率的研究是基礎(chǔ)科學(xué)研究中的一個(gè)重要分支，時(shí)間頻率在科研、定位系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、軍事和國(guó)家安全等方面處于舉足輕重的地位。為此世界各國(guó)大都建有自己的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)生本國(guó)的原子時(shí)標(biāo)，并參與國(guó)際比對(duì)。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院守時(shí)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)際上首次利用噴泉鐘駕馭氫鐘組產(chǎn)生地方原子時(shí)的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室。自2007年開始，地方原子時(shí)以氫鐘作為參考鐘，通過算法產(chǎn)生TA(NIM)，它的頻率有噴泉鐘直接駕馭。由于噴泉鐘運(yùn)行是不連續(xù)的，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院守時(shí)實(shí)驗(yàn)室用直線預(yù)估算法預(yù)估噴泉鐘停運(yùn)時(shí)的數(shù)據(jù)，使得噴泉鐘可以連續(xù)的駕馭TA(NIM)。但是真實(shí)數(shù)據(jù)并不是理想的直線，造成直線擬合的數(shù)據(jù)精度不夠，與真實(shí)數(shù)據(jù)存在較大偏差。因此，本課題研究支持向量機(jī)預(yù)估算法，旨在提高預(yù)估數(shù)據(jù)的精度，從而提高TA(NIM)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，噴泉鐘駕馭氫鐘系統(tǒng)框圖如圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，利用噴泉鐘的歷史數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)的方法預(yù)測(cè)銫原子噴泉鐘停運(yùn)時(shí)與氫鐘的頻差的數(shù)據(jù)，以提供連續(xù)的噴泉鐘數(shù)據(jù)用來駕馭氫鐘組，可得到較高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的TA(NIM)。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種利用支持向量機(jī)的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)的預(yù)估方法具體內(nèi)容如下：

第一步，在噴泉鐘運(yùn)行過程時(shí)，通過時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)得銫原子噴泉鐘與氫鐘的頻差值。

第二步是對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即離群值檢測(cè)和缺失數(shù)據(jù)處理。由于原子鐘系統(tǒng)的維護(hù)、主氫鐘跳頻跳相、相位微躍器是否鎖定、溫度、濕度等都會(huì)影響原子鐘的運(yùn)行狀態(tài)，因此得到的數(shù)據(jù)并不一定是實(shí)際的頻差數(shù)據(jù)，會(huì)有一些數(shù)據(jù)點(diǎn)有較大的誤差。通過萊特準(zhǔn)則，對(duì)頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到較好的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)，對(duì)剔除的數(shù)據(jù)用該剔除數(shù)據(jù)的前15天和后15天數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合得出該剔除數(shù)據(jù)；例如第7天的數(shù)據(jù)缺失，則用該數(shù)據(jù)的前15天和后15天數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合得出第7天的數(shù)據(jù)，有利于后續(xù)工作的進(jìn)行。

第三步，在研究原子鐘系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立頻差數(shù)據(jù)的支持向量機(jī)模型，以銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)作為輸入，對(duì)噴泉鐘停運(yùn)時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第四步，評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)誤差，利用預(yù)測(cè)誤差公式：

其中y_i表示真實(shí)值，表示預(yù)測(cè)值，E為預(yù)測(cè)誤差，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

第五步，時(shí)間頻率領(lǐng)域使用哈德瑪方差評(píng)價(jià)原子鐘鐘差數(shù)據(jù)，哈德瑪方差公式為：

其中，τ為數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間間隔，z為數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，比直線擬合預(yù)測(cè)誤差要小，其相對(duì)預(yù)測(cè)誤差從0.6614％降為0.2203％,哈德瑪方差從3.4359e-15降到1.8429e-15，預(yù)測(cè)誤差離散型也小，具有實(shí)用價(jià)值。

進(jìn)一步，所述離群值檢測(cè)是利用萊特準(zhǔn)則，檢測(cè)的原子鐘頻差數(shù)據(jù)為{x₁,x₂,x₃,…x_N-1,x_N}，樣本均值是標(biāo)準(zhǔn)偏差為萊特準(zhǔn)則是若測(cè)量值則該值為離群值，應(yīng)剔除，得到了離群值檢測(cè)之后的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，支持向量機(jī)輸入中核函數(shù)選用RBF核函數(shù)。

本發(fā)明的特征如下：

(1)能夠?qū)︿C原子噴泉鐘和氫鐘頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即離群值檢測(cè)和缺失數(shù)據(jù)擬補(bǔ)。

(2)能夠根據(jù)頻差數(shù)據(jù)的特征動(dòng)態(tài)選擇最佳的核函數(shù)和參數(shù)。

(3)對(duì)噴泉鐘駕馭氫鐘組預(yù)測(cè)中，首次使用支持向量機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)精度比直線擬合預(yù)測(cè)精度大大提高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出了一種基于支持向量機(jī)的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，該方法與現(xiàn)行的直線擬合算法相比，其銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差預(yù)測(cè)誤差更小，數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，為提高銫原子噴泉鐘駕馭氫鐘組產(chǎn)生穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度更高的TA(NIM)提供了更高的依據(jù)。

附圖說明

圖1噴泉鐘駕馭氫鐘系統(tǒng)框圖

圖2 SVM預(yù)測(cè)流程圖

圖3第一組兩種預(yù)測(cè)算法結(jié)果比較

圖4第一組數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與預(yù)估值之差

圖5第二組兩種預(yù)測(cè)方法結(jié)果比較

圖6第二組數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與預(yù)估值之差

具體實(shí)施方式