[發明專利]一種用于監測實體原子鐘的虛擬原子鐘系統及工作方法

有效

• 申請號: 201910946572.1
• 申請日: 2019-10-06
• 公開（公告）號: CN110837219B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 王玉琢;張愛敏;高源;徐清華
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G04D7/00
• 分類號: G04D7/00;G04F5/14
• 代理公司: 北京鍾維聯合知識產權代理有限公司 11579
• 代理人: 羅銀燕

本發明提出了構建一種虛擬化的原子鐘系統，屬于原子鐘技術領域，多臺實體原子鐘經過比對測量單元，得到各臺原子鐘相對于參考TA的相對偏差信息，形成原始數據集，原始數據集經過分析，剔除原子鐘的異常行為，如相位、頻率或頻率漂移的隨機跳變，形成原子鐘樣本數據集，再經原子鐘預測分析單元，利用算法學習原子鐘的歷史行為，外推預設時間的實體原子鐘相對參考的偏差，得到鐘差數據(TA?T1)，取相同時刻實體原子鐘與TA的偏差(TA?T0)，進行數據轉換，消除中間參考，得到虛擬原子鐘與實體原子鐘的相對偏差(T0?T1)，其性能接近被測，以此作為參考評價實體原子鐘性能并監控實體原子鐘的異常行為。

技術領域

本發明屬于原子鐘技術領域，尤其涉及一種用于監測實體原子鐘的虛擬原子鐘系統及工作方法。

背景技術

1967年第十三屆國際計量大會通過決議，將基本時間單位“秒”定義為銫133Cs原子基態的兩個超精細子能級間躍遷的電磁輻射周期的9,192,631,770倍所持續的時間，從此人類邁入了原子時時代，時間成為了自然界測量精度最高的物理量。原子鐘作為計時工具使當代信息社會的運轉變得高效有序，精密時間和頻率基準在國民經濟的各個領域已經不可或缺。在天文觀測、大地測量、交通管理、電網并網發電和故障排查中得到廣泛應用。在資本借貸、匯率計算、股票交易等金融業務中均離不開精確的時間同步，因為這里的時間就是金錢。它給眾多行業帶來了巨大的變化，如網約車、共享單車、無人駕駛汽車等方面。其中，典型代表是全球衛星導航定位系統(GNSS)，如美國的全球定位系統(GPS)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)系統以及歐洲的伽利略(GALILEO)系統和中國的北斗(BDS)系統。在近年來發生的幾次局部戰爭中，衛星導航定位系統為常規武器提供了前所未有的精確打擊能力，對決定戰爭勝負發揮了巨大作用。同時，在武器平臺、協同作戰、應急指揮等軍事行動中，發揮著不可替代的作用。它還是科學研究的重要工具，可用于探索基本物理常數的變化，探測暗物質，驗證相對論等。縱觀國民經濟建設、國防現代化的諸多方面，精密時間和頻率的重要性日益凸顯，它的建立與保持、測量與傳遞是國家戰略競爭力的重要標志之一。

時間量值相比其它物理量具有一定的特殊性，只有過去的時間才能夠精準計量。為了保證原子時信號準確可靠，需依據實驗室主鐘(原子鐘)的歷史運行行為做出前瞻性的預判，將預判結果調整至時間信號，因此預測量評估是原子時產生系統的關鍵環節。目前，國內外守時實驗室主要采用多項式擬合預測和Kalman filter預測評估原子鐘預測能力，此外魯棒性預測算法也受到業界的廣泛關注。無論采用何種技術、何種方法，實驗室原子鐘互相比對的鐘差是唯一的數據源，鐘差即任意兩臺原子鐘輸出相位或頻率信號的相對偏差，它包括2臺鐘以及測量噪聲信息。然而原子時是1臺主鐘輸出的物理信號，只有當其中1臺原子鐘性能遠遠高于另一臺時，才能依據鐘差信號評價較差者。為了保障原子時信號的高準確度高可靠性，各實驗室均采用最佳或接近最佳性能的原子鐘作為原子時產生的主鐘，因此鐘差信號不能準確評估主鐘信號。為了得到可靠的參考，通常采用原子鐘組聯合構建鐘組時標TA，理論上鐘組時標TA性能可以超越鐘組內任意一臺原子鐘的性能，但是實際應用中發現鐘組時標TA性能通常并不能超越鐘組內較好的鐘，甚至遠不如最佳原子鐘性能。研究表明同一實驗室內原子鐘受環境因素影響，噪聲具有較強的相關性，造成鐘組時標TA無法作為參考準確評估原子鐘性能。當然，目前最穩定最可靠的時標參考是協調世界時UTC，即國際標準時間。它由國際計量局(BIPM)滯后約30～45 天發布，時間間隔為5天，所以只能滯后評估時間間隔為5天(整數倍) 的原子鐘性能，UTC無法作為參考評估原子鐘在5天時間內的性能，更不能實時評估，遠遠不能滿足精確調控主鐘或監控其它守時鐘的需求。綜上所述，建立實時可靠的參考，是準確評價原子鐘性能的基礎、是一切預測算法、鐘組算法、駕馭算法的最佳保障。

結合守時實驗室原子時標產生的實際需求，本發明提出了構建1 臺虛擬化的原子鐘，其性能接近被測，以此作為參考評價實體原子鐘性能、監控其異常行為。虛擬化原子鐘通過學習實體原子鐘大量歷史行為、外拓預設時間的噪聲特性，依靠計算密度滿足實時性要求。