（通信与信息系统专业论文）原子时at1算法计算系统的实现与参数分析.pdf

摘要 摘要 本文从原子时a t l 算法的基本原理出发，结合中国计量科学研究院守时钟房 原子钟的实际情况，应用v c + + 6 0m f c 编写完成了原子时a t l 算法软件。从2 0 0 7 年1 0 月开始，软件在中国计量科学研究院守时钟房开始测试运行，并根据工程 师使用后的反馈意见，不断修改完善，消除错误。到目前为止，软件运行稳定， 运算结果正确，满足了设计的要求。本文课题首次将理论成果应用于实际测量工 作中，实现了适用于我国钟房现状的原子时a t l 算法软件，并对原子时钟的参数 进行了分析。其主要内容分如下五个部分进行阐述： 第一、介绍了原子时尺度的基本概念。在引用了几种常用的时间尺度的基础 上，介绍了原子时标的相关知识，并对原子时尺度的质量及其表征方式进行了描 述。 第二、分析了原子时标测量系统。首先，介绍了原子钟的噪声模型；其次， 介绍了钟差测量系统的原理，并对原子时标传递方式和比对方式进行了研究；最 后，阐述了原子时算法的物理意义、原子时算法在守时系统中的地位、选用原子 时算法的依据和对原子时算法的基本要求。 第三、研究了原子时a t l 算法的基本原理。首先，介绍了原子时a t l 算法的 原理：其次，研究了原子时a t l 算法的流程：最后，通过与现有的a l g o s 滞后原 子时算法对比，论述了a t l 算法相对于a l g o s 算法的优势。 第四、设计了a t l 算法软件的三个主要功能模块。首先，设计了初始设定部 分的功能模块；其次，设计了软件显示部分的功能模块；最后，设计了数据处理 部分的功能模块。 第五、分析了a t l 算法中各钟的参数。根据a t l 算法软件的处理结果，对各 钟的频率稳定度、相对于组合钟的时间差进行了分析，并通过分析的结果，对钟 的特性进行了比较。 关键词a t l 算法；原子钟；钟组：原子时 北京工业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a r t i i l gf r o mt 1 1 ec o n c e p to ft i m ea t o m i ca t 1 a l g o r i t h m ，c o n s i d e r i n go ft 1 1 e r e a l i s t i cp e r = f b m a n c eo ft h ea t o m i cc l o c k si nm et i m e k e e p i n gl a b o r a t o 巧o fn i m ， a t o m i ct i m ea t1a l g o r i t l ns o f 呐a r ei sd e s i g n e db yu s i n gv c + + m f ci i lt m sp 印e r f r o mo c t o b e r2 0 0 7t on o w ，m i ss o 行a r eh a sm n i 1 1t l l et i m e k e e p i n gl a b o r a t o r yo f n i mf o rt e s t i n g ，a n da c c o r d i n gt of e e d b a c ko fc n g i n e e r sa f t e ru s i n g ，i th a sb e e n c o n s t a n t l yr e v i s e d 肌di m p r o v e dt oe l i m i n a t ee r r o r s n o w ，s o 胁a r en m ss t a b l y ，m e c o r r e c tr e s u l t so fo p e r a t i o n st om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t l l i sp a p e rf l r s t l ym a k e s 也e o r e t i c a lr e s u h st oa p p l yt om ea c t u a lm e a s u r e m e n tw o r k ，r e a l i z ea t o r n j ca t1 a l g o r i t l u i ls o 丘w a r ew 1 1 i c hi sa p p l i e dt op e r f o 硼a n c eo fm ea t o m i cc l o c k si l lt h e t i m e k e e p i n gl a b o r a t o r yo fn i ：m ，a i l da n al y s i st h ep a r a 玎t e ro fa t o m i cc l o c k s n sm a i n c o m e n t so fm ef i v ep a i r t sa sf o l l o w se l a b o r a t e ： f i r s t l y ，t h ec o n c e p to fa t o m i ct i m es c a l ei si n t r o d u c e d b a s e do ns e v e r a ln o m l a l k i i l d so ft i m es c a l e s ，也ek n o w l e d g eo fa t o m i c 血n ec o o r d i n a t ei si n t r o d u c e d ，a n d a t o m i ct i m es c a l eq u a l i 四a n de x p r e s s m gm e t h o d so fi ta r ed e s c r i b e d s e c o n d l y ，t h e 血n e k e e p i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mi sa 1 1 a l y z e d a tb e g i n n i n g ，也e n o i s em o d e l so fa t o i l l i cc l o c ka r ei n t r o d u c e d 1 1 1 e nm ep r i n c i p l eo fa t o m i cc l o c k d i 行e r e n c em e a u s u r e m e ms y s t e mi sd e s c r i b e d ，a n da t o m i ct i m es c a l et 舢s m i s s i o nm o d e a 1 1 dm e m o d so fc o m p a r i s o na r er e s e a r c h e d a tl a s t ，m ep h y s i c a lm e a m n go fm e a t o m i ct i m ea l g o r i m m ，m ep o s i t i o no ft h ea t o m i ct i m ea l g o r i t h mi i lt h e 血n es c a l e s y s t e m ，t l l er e a s o nf o ru s i n ga l g o r i t i n 也et i m e s c a l es y s t e ma n dm eb a s i c r e q u i r e m e n t sf o ra t o m i ct i m ea l g o r i t l l ma 托i r l 仃o d u c e d t m r d l y ，t h eb a s i cp r i i l c i p l eo fa t1 a l g o 打血mi sr e s e a r c h e d a tb e g i i 1 i n g ，t h e b a s i cp m c i p l e so ft i m ea t o m i ca tla l g o r i t a r er e s e a r c h e d m nt h ep r o c e s s e so f t i m ea 幻m i ca tla l g o r i t h na r er e s e a r c h e d a “a s t ，c o m p a r e d 、i t ht h ea l g o sw h j c hi s ap o s t - p r o c e s s i l l ga l g o r i m m ，m ea d v a i 】t a g e so fa t1a l g o r i t l l i l la r eg i v e no m f o 删c 1 1 l y t l l r e em o d u l e so fa t la l g o r i t h ms o n w a r ea r ed e s i 口e d a tb e g i l l n j n g ， t 1 1 em o d u l eo fi 1 1 i t i a l i z a t i o ni s d e s i g l l e d t h e n ，t h em o d u l eo fd i s p l a y i n gp 锄i s d e s i g n e d a tl a s t ，也em o d u l eo fd a t ac a l c u l a t i n gp a r ti sd e s i g n e d f i r m y ，t 屺p a r a m e t e r so fc l o c k si l la t 1 a l g o r i t h ma r ea i l a l y z e d b a l s e do nm e c a l c u l a t i l l gr e s u l to fa t 1 a l g o r i t i u ns o r w a r e ，f r e q u e n c ys 讪i l i 谚a n do fc l o c k sa r e a 1 1 a l y z e d ，a n df o rt l l er e s u l to fa n a l y s i s ，t 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fc l o c k sa r ec o m p a r e d k e yw o r d sa t la 1 9 0 删m ，a t o m i cc l o c k ，c l o c ke n s e m b l e ，a t o 皿ct i m e i i 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名： 互l 选日期：地2 。生至9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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) 签名： 至j 公 导师签名：日期：叫0 7 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 时间作为重要的基本物理量，是国际单位制中七个基本量米、千克、秒、 安培、开尔文、摩尔和坎德拉之一，是我们日常生活和工作中最常用基本参量， 在国民经济、国防建设和基础科学研究中发挥着十分重要的作用。时间、频率的 应用范围从重大的科学实验到日常的生活消费，用途都十分广泛，计时、工业控 制、邮电通讯、大地测量、现代数字化技术、计算机、人造卫星、宇宙飞船、航 天飞机的导航与定位控制等都离不开时频技术和时频测量。 1 9 6 7 年1 0 月，第十三届国际计量大会通过了关于国际制秒长的定义：“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”【l 】。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，它是目前最准确的基本物理量，准确度已经达 到1 0 1 5 量级。许多其它物理量，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三个和时 间频率标准有关：1 9 8 9 年d e h m e l t 与p a u li 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；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 北京工业大学工学硕士学位论文 不开准确的时间。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。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【2 】。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。本文首次实现了适 用于我国守时钟房的原子时a t l 算法软件，并应用到我国原子时标的测量工作上 来。项目完成后，将使我国时间频率计量水平跨上一个新台阶。 1 2 国内外相关内容的研究现状 国际原子时( 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。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 。 而地球上各种科学和技术应用以及民用的时间标准是世界协调时u t c ( u n i v e r s a lt i m ec 0 0 r d i n a t e d ) ，秒长是原子时秒，而时刻与世界时u t l ( u t l 是世界时，是基于地球自转的一种时标) 接近，相差小于0 9 n s 。 国际原子时从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，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) 。 目前，分布在世界上3 0 多个国家近6 0 个时间实验室( 其中约1 5 个实验室 保持独立的地方原子时) 的2 0 0 多台原子钟的时间比对数据( 通过g p s 共视法或 t w s t f t 法来获得) ，定时传递到b i p m 时间部，由原子时算法进行加权平均计算 得到t a i ，然后变换得到实用的世界协调时( u t c ) 【3 】。根据2 0 0 6 年b i p m 时间年 报介绍，目前t a i 的准确度优于l 1 0 叫4 【4 】；不确定度为4 1 0 叫5 ；平均时间( 2 0 4 0 d ) 的频率稳定度优于l 1 0 叫5 【5 】。 世界上称得上独立原子时的实验室钟，水平最好的当属美国标准技术研究院 n i s t ，美国海军天文台u s n o 备用主钟站( a m c ) ，日本通信研究所c r l 和德国技 术物理研究院p t b 等，它们的平均时间( 3 0 d ) 的稳定度在( 1 3 ) l o - 1 5 之间。 2 0 0 0 年参加t a i 校准的频率基准钟有：日本c r lo l 光抽运型铯基准，准确度为 ( 0 3 0 5 ) 1 0 - 1 4 ；美国n i s t 一7 光抽运铯基准，准确度为( 0 5 1 ) 1 0 - 1 4 ： 美国n i s t f l 铯喷泉基准，准确度为l 1 0 叫5 ：日本n r l m 一4 光抽运铯基准，准确 度3 1 0 叫4 ；德国p ，i b 的铯喷泉基准，准确度已达( 1 2 ) 1 0 1 5 ：法国光抽运铯基 一2 一 第l 章绪论 准，准确度已达6 l o - 1 5 1 6 j 。 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 与地球物理研究所和中国计量科学研究院。从1 9 8 5 年1 月起，b i h ( 国际时间局) 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【7 8 】。 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。我国的原子时标水平还远远落后于 国际先进水平。其中，由中国计量科学研究院保持的原子时标准确度优于1 1 0 _ 1 3 ，不确定度优于1 3 0 n s ，稳定度优于5 1 0 - 1 4 。u t c ( n i m ) 由6 台钟和测量系统 组成，3 台h p 5 0 7 l ( 优质管) 准确度 5 1 0 叫3 ，l 台主动型氢钟v c h l 0 0 3 ，日稳定 度 2 l o 一1 5 ，2 台美国产氢钟m h m _ 2 0 l o ，日稳定度 l 1 0 叫5 【9 1 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 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【l0 1 。而目前，中国计量 科学研究院原子时标计算使用的是滞后性算法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) ，而且参加原子时计算的钟数不多，算法优势不能发挥。鉴于 我国实际情况，钟房钟数少，原子钟在使用过程中有不稳定现象，迫切需要一种 能实时调整的原子时算法。a t l 算法是一种实时原子时算法，也是美国n i s t 原 子时标计算所使用的算法。它根据当前的钟差值，来预测下一时刻的钟差值，通 过第i 台钟与主钟的钟差作为中间可替代的变量，得到参考钟与组合钟之间的钟 差值，其滞后时间约为2 到3 天，比a 1 9 0 s 算法的滞后时间大大缩短。因此，把 a t l 算法应用到我国原子时标国家基准的建立上已迫在眉睫。 1 3 课题的来源及意义 1 3 1 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 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 个时间实验室都配置了原子钟。每一台原子钟都可以保持一个时间尺度，但每一 个物理装置都有出现故障的可能。因此，实验室不能只用一台原子钟来保持守时， 每一个实验室都有多台原子钟。这就需要由各个原子钟的时间计算出标准时间， 也就是原子时算法，不同的需要有不同的算法。原子时算法的选用及优化程度将 对原子时标的准确度和稳定度有着很大的影响。 目前，我国保持的原子时标准确度优于1 l o - 3 ，不确定度优于1 3 0 n s ，稳 定度优于5 1 0 叫4 ，无论从稳定度还是准确度都低于国际水平一个量级，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。而在中国计量科 学研究院守时实验室用的仍旧是滞后的a l g o s 算法，对钟速的预测是采用前一个 月的钟速作为本月钟速的预测值，滞后时间为一个月，这样不能实时的调整各钟 对钟组的贡献，在地方守时实验室原子钟有效并稳定的情况下，算法的优化程度 将成为影响的原子时标精度的最大影响因素之一，而a l g o s 算法不能实时的估计 出原子钟噪声模型，极大限制了我国时间频率方面技术的发展。 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，把实时原子时算法a t l 算法应用到我国地方守时实验室的原子时标计算中， 编写我国基于原子时a t l 算法的地方原子时算法软件，实现测量和计算的自动 化。软件不仅可以提高钟房工程师的工作效率，而且还大大减小了滞后时间。项 目完成后，第一将会使我国的原子时标的稳定性有很大的提高，使我国的原子时 标水平迈向一个新台阶，从而进一步提高我国国家时间频率的计量水平，可校准 进口和研制的各种原子钟，完成国家赋予的量值传递任务。第二，大大提高我国 的高精度时间频率服务质量，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) 的时间频率服务有了更高精度的保证， 从而提高中央电视台发布的北京时间和网络上计算机的时钟的精度。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相应的贡献。 1 4 本文主要研究内容及其难点 本课题对a t l 原子时算法的基本原理做全面的研究，对我国地方原子时守时 实验室的原子钟性能进行分析，在学习、研究实验室其他同学的理论成果的基础 上，根据钟组中铯钟、氢钟不同特点，第一次实现了适用于我国地方原子时守时 实验室的原子时a t l 算法软件，并应用到我国原子时标的测量工作上来。由于各 国守时实验室的原子钟性能、数量各不相同，时间采集系统也不相同，所以怎样 才能保证在和我国守时钟房工程师的有效沟通的基础上，设计出适合我国原子钟 一4 一 第1 章绪论 组情况的a t l 算法软件成为了本课题的工作难点之一。此外，由于软件需要长时 间连续工作，以确保原子时a t l 算法的连续性，又由于测量的具体情况又十分复 杂，如硬件测量结果异常、测量数据缺失、仪器故障、原子钟的数量调整、计算 机内存丢失等等，所以编写程序时要求在保证软件准确执行算法的基础上，确保 软件长时间运行的可靠性，需要充分考虑各类意外情况。因此，复杂的程序调试 和软件测试工作成为了本课题工作的另一难点。 一5 一 第2 章原子时尺度及原子时钟算法 第2 章原子时尺度及原子时钟算法 本章将对原子时尺度和原子时钟算法的基本知识进行阐述。首先，介绍几种 时间尺度的基本概念；其次，介绍原子时标和原子钟，以及表征原子时标质量的 方法；最后介绍原子时钟算法的概念。 2 1 时间尺度的基本概念 对于时间这个基本概念而言，由于其划分标准各不相同，有许多种的概念和 定义。在人们的日常生活中，为了要给事件的发生、发展做时间上的标记，就需 要建立相对均匀的、国际统一的时间尺度。对时间的计量既需要计时系统，也需 要精确的时间标准作为保障计时系统的一致性。理论上讲，凡是具有稳定的周期 性的系统都可以作为时钟，用于计时工作。但是如果要用作时间基准，要求则更 高，即需要它能够长期、稳定地维持其自身的周期运动。 时间基准也在随着人类科学技术的进步以及人们对自然和世界的认识而与 时俱进，不断发展着。从某种意义上说，时间尺度的研究史就是人类科学技术的 发展史。在不同历史阶段，人们所采用的时间尺度有着很大的变化。特别是从 2 0 世纪中期开始，时间尺度得到了突破性的发展。经常见到的时间尺度主要有 以下七种【1 1 1 2 1 。 一、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1 日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 ，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，用 它们来体现具体的世界时。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。 二、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。 一7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 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。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1 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0 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 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l o 一，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。 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。 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( t a ) 。 国际权度局( b i 蹦) 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 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 一8 一 第2 章原f 时尺度及原子时钟算法 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 t f t 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 算出自由原子时e a l ，对e a l 进行频率修正后导出t a i 。 五、世界协调时 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，称为世界协调时 ( u t c ) 。 u t c 是倒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别( t a i 是从1 9 5 8 年1 月1 日0 时o 分o 秒开始计时的) 。在时刻上规定与世界时的平太阳秒超过o 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。航海上一般使用世界协调时。 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o 时o 分o 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“铯一1 3 3 原子能级间跃迁辐射所决定的，称作原子时标。原 子时标的准确度为每日数纳秒( e 一9 ) ，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 一9 一 北京工业大学工学硕十学位论文 是固定的。 2 2 原子时标的概念和主要特征 2 2 1 原子时标概念 时标即时间坐标，而以原子秒作为时间单位的时标称为原子时标。它由原子 钟组、时间测量比对系统、原子时算法及时间输出调整设备、国际比对设备组成。 原子时标是以原子秒作为时间单位的测量时间的系统。它不仅能够精确的计量一 个过程经历的时间间隔，而且可以标定一个事件发生的具体时刻。各实验室或各 国建立的原子时标称为地方原子时，由国际原子时导出世界协调时为国际法定事 件【1 3 1 。 2 2 2 原子时标的四个主要特征 原子时标的主要特征有准确度，稳定度，连续性、自由时标和驾驭时标l l 气d j 。 1 、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，参加平均的同质量的钟越多，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 现哪台钟发生了突跳，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重发生 变化时，都会引入时刻和速率的突跳。为保证时标的连续性，上述修正都应在计 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 一1 0 第2 章原子时尺度及原子时钟算法 原子时大都是自由时标，通过与t a i 比对后给出准确度。 在计算原子时及其对不同钟进行权重分配时，就是根据钟的准确度和稳定度 来分配的。一般有六台钟来计算时间，如果某一台钟的准确度和稳定度好，那么 就分配大的权重，反之，其权重就小。 2 3 原子钟及原子钟组概述 为了让测量得到的时间尽可能的准确，守时实验室钟房都要有多台原子钟来 共同测量时间，而且从理论上讲，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原子钟就称为一个钟组。 由于每台单独的钟都有可能由于各种原因突然失效，所以，通常的解决方法 是用一台新钟代替失效的旧钟。钟组的时间通常都由个实际的钟输出信号构 成，这台钟是钟组内被认为是性能优良的一台钟，称为参考钟或主钟。参考钟是 原子钟组中稳定度最好的一台，其它的钟都要和参考钟做比较，从而得到一组钟 差。参考钟的输出可以通过相位微越器实施小的频率预置或时间跳跃控制。 目前，现在中国计量院守时实验室钟房内的六台时钟分别为： l 、1 3 号钟为美国氢钟，型号为m h m 一2 0 1 0 。 2 号钟为俄氢钟，型号为v c h l 0 0 3 。 4 、5 、6 号钟为美国惠普生产铯钟，型号为h p 5 0 7 l 。 每台钟都能输出5 m ，1 0 m 等频率信号，同时提供1 p p s 脉冲。 2 4 原子时尺度的质量表征 原子时尺度是原子秒时间坐标上的刻度，即原子时标的刻度。原子时尺度的 质量直接反映了原子时标刻度的优劣，它由准确度、实时性和稳定度三个方面组 成。在实际应用中，某些需要时间尺度的实现必须是实时的，而另一些是可以接 受一定延迟的。 2 4 。1 准确度 原子时尺度准确度的定义是指所产生的时间尺度的基本单位( 秒) 的平均值 与定义值的接近程度【1 6 】。对于基准频标、准确度是根据所有对其输出频率有物 理影响的因素进行不确定度的估计而计算得到的。当在实际工作中无法做出这样 的估计时，则把该尺度的秒长与基准频标所提供的最佳实现的国际单位制s 工 ( s y s t e mf o ru n i t s ) 秒进行对比估计。而此时必须考虑基准频标结果中的引力 北京工业大学工学硕七学位论文 红移效应( 即在引力作用下，物体的光或者其它电磁辐射被拉伸而使波长变长的 现象) ，以便把它实现的s 1 秒转化到大地水准面上。时间尺度的准确度一般用时 间尺度与基准频标之间的频差形式给出。 原子时尺度的算法设计仅考虑尺度稳定性的最佳化，并不涉及尺度的准确 度。时间尺度的准确度是通过对尺度进行频率驾驭来实现的。为了确保时间尺度 的稳定性，频率驾驭所采用的改正值必须小于其频率波动。 2 4 2 实时性 对于时间尺度的实时性而言，不仅与原始定时资料有关，而且与时间尺度所 要实现的科学目标或要求有关【l 刀。人们通常根据需求和测量噪声来确定定时资 料的获取周期，根据噪声水平，还必须对连续的若干个周期获得的原始测量资料 进行平滑，另外，为了最佳利用参与时间尺度计算的原子钟，还需要对这些钟在 参与运算之前和之后的情况进行一段时间的考察，这也会延迟时间尺度的实现。 对于一个时间尺度的实时性而言，用途是主要因素。对于像t a i 的参考时间 尺度，它就需要极好的可靠性和稳定度，因此它必须依赖于全世界不同地方的大 量不同类型的原子钟的数据，收集和正确处理这些原子钟的数据需要较长的周 期。所以使它的实时性较差，但这样做可以保证最终得到的质量。然而对于实验 室内部的科学研究而言，它需要在测量之后立即得到接近于真实时间的时间尺 度，这就是本文使用原子时a t l 算法的主要优势所在。 2 4 3 稳定度及其表征 一个时间尺度的稳定度被定义为保持恒定尺度间隔的能力。因此，稳定度的 测量在于估计频率值随时间的变化程度。在时间、频率领域内，人们最关注的就 是信号源输出频率是否准确。除了守时实验室基准和近年来发展的喷泉钟的准确 度是通过严格的误差评定而获得的外，其它频率标准的准确度是靠与基准频标的 频率进行比对评估而得出的。在评定和校准后，它们并不能完全保持准确度不变， 这就要求由信号源的频率稳定度来保证。由此可见稳定度是评价一台标准频率信 号源质量优劣的重要指槲1 8 】。 人们在测量时间与频率稳定度时，通常的表示方法是：一个时间尺度的稳定 度总是相对于另一个时间尺度或钟而言的。一般情况下，当参考尺度的频率为实 验室基准频标的频率时，被测量尺度的频率与参考尺度的频率在质量上总是有一 定差距的，这时从测量结果中就可以看出被测量时间尺度频率的不稳定性。 而当被测量尺度和参考尺度质量相当时，或两个时间尺度的相互独立性并未 一1 2 第2 苹腺j 二时尺厦及腺f 时钟算法 得到证实，则必须对方差和协方差作仔细分析处理：反之，如果两个时间尺度相 互独立时，那么可以采用如下方法求出每个时间尺度的稳定度。 假设盯盯；，蠢分别为3 个时间尺度在计算间隔f 内的a l l a n 方差，西， 仃：，盯乙为在同样间隔f 内相互比对得到的a l l a n 方差，则有 由式( 2 一1 ) 可得各时间尺度的稳定度： l 2 1 2 l 2 仃孑+ 仃左一仃五) 盯；+ 仃磊一仃左) 仃左+ 盯五一仃喜) ( 2 2 ) 设计一种时间尺度算法，主要考虑的是如何恰当处理钟的各种噪声引起的相 位变化，以保证在给定的采样间隔r 内的时间尺度的稳定度。对于综合性的时间 尺度而言，其稳定度主要取决于各台钟的稳定度和产生尺度的计算方法。 2 4 4 短期稳定度和长期稳定度 频率稳定度分为长期稳定度和短期稳定度两种【1 9 】。 在原子时间尺度计算上，短期稳定度简称“短稳”。它主要与振荡器调幅、 调相、调频噪声引起的频率抖动有关，一般以m s 量级的f f 来表示。短期稳 定度在时域中用a l l a n 方差来表征，以f f ( u s 或m s ) 为单位；在频域中常 用单边带相位噪声谱密度表征，以一d b c h z ( 1 k h z 处，l o k h z 处或者l m h z 处等) 为单位( d b c 用来度量与载波功率的相对值) 。 长期稳定度简称“长稳”，是指元件参数慢变化或环境条件( 温度、压力、 电源电压等) 改变所引起的频率的慢变化( 一般以时、日、月、年计) 。常用一 定时间内频率的相对变化f f 来表示。 一1 3 一 厶l 2 ，2 七2 七 盯 仃 盯 卜 + + 2 ，2 f 2 ， 仃 仃 盯 = i i = ：u ：馆：肚 叮 叮 莎 北京工业大学t 学硕士学位论文 2 5 原子时钟算法 2 5 1 原子时算法的物理意义 原子时尺度是由其物理载体原子钟决定的。与历书时和世界时相比，其 基准并不具有唯一性，这是它们的显著差异【2 u j 。历书时和世界时所参照的物理 过程是地球绕日公转和地球自转，这显然是唯一的。但对原子时尺度而言，原子 时秒的定义是原子跃迁辐射振荡所持续的时间，所以情况完全不同。首先，原子 的跃迁辐射的频率并不能直接被观察记录，而是间接通过谐振( 谐振指当外加交 流电源的频率和回路的固有频率相同时，回路中产生的电流最大，能最大限度的 从电源吸取能量，而不会有能量返回电源) 得到一个与跃迁频率相近的微波信号， 谐振在一定的带宽内都能实现，这就是说，最后得到的频率并不严格是原子的跃 迁频率，只是一种近似，对于不同的原子钟设备，这种近似的程度也不