基于原子钟与毫秒脉冲星的复合钟建立方法

本发明属于原子时，具体涉及到一种基于原子钟与毫秒脉冲星的复合钟建立方法。

背景技术：

1、自1967年第十三届国际计量委员会(cgpm)决定采用原子时秒作为时间计量的基本单位以来，原子时便成为国际上主要采用的时间参考标准。原子时通常由一组或多组原子钟产生，国际原子时(tai)就是由全球80余个时间实验室约500台原子钟建立的。原子钟的测量精度为纳秒级、分辨率高，测量间隔可以按需设置，并且工作环境有保障，能够产生连续的、具有优秀中短期频率稳定度的原子时。然而受原子钟的物理结构、工作特性、季节性变化，以及周年效应等因素的影响，原子时的长期稳定度随时间逐渐降低。

2、以自然天体毫秒脉冲星为参考建立的脉冲星时具有优秀的长期频率稳定度，而且脉冲星时的准确性已被证明：hobbs g.等人2012年利用澳大利亚parkes天文台毫秒脉冲星计时阵(ppta)的19颗毫秒脉冲星计时观测资料，得到可以与最准确的地球时tt(bipm10)相媲美的综合脉冲星时。tt(bipmxx)是每年年初由国际权度局(bipm)利用所有可用的基准频标和原子钟的数据资料，采用事后处理的方式建立的地球时的另一个实现，是目前全球最准确、最稳定的原子时尺度，xx是年的后两位。然而，受观测设备、观测技术、星际介质传播延迟等因素的影响，目前性能最好的毫秒脉冲星的计时测量精度仅为几十纳秒，远低于原子钟测量比对精度，而且采样分辨率较差，目前毫秒脉冲星计时观测间隔几天～几月不等，并且观测不连续。

3、毫秒脉冲星计时观测以测站的原子钟为参考，该参考在计算脉冲星时被转换为更准确、更稳定的tt(bipmxx)或tt(tai)，因此测站原子钟的性能并不影响脉冲星时的建立，即脉冲星时的建立依赖一个或多个毫秒脉冲星，这与依赖一组自由运转的原子钟建立原子时的产生机制完全不同。

4、综上所述，原子时虽然是目前全球普遍使用的高精度时间尺度，具有优秀的中短期频率稳定度。但是受多方面因素的影响，原子时存在一定的局限性，尤其是目前原子钟的寿命最长不超过20年，因此依赖于一组或多组自由运转的原子钟建立的原子时，难以保持良好的准确度和长期频率稳定度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术在于克服现有原子时的缺点，提供一种利用脉冲星时制约和控制原子时的相位变化，提高了原子时的长期稳定度，同时又保持原子时的高采样率和优秀的中短期稳定度的基于原子钟与毫秒脉冲星的复合钟建立方法。

2、解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于原子钟与毫秒脉冲星的复合钟建立方法，包括以下步骤：

3、a1.读取毫秒脉冲星计时观测资料，利用tempo2软件计算毫秒脉冲星的计时残差；

4、a2.对毫秒脉冲星的计时残差按约化儒略日顺序排序；

5、a3.筛选出满足建立毫秒脉冲星时初筛条件的毫秒脉冲星；

6、a4.判断步骤a3中筛选出的毫秒脉冲星的计时残差是否是多频段计时残差，是多频段计时残差，则按照步骤a5操作；不是多频段计时残差，按照步骤a6操作；

7、a5.对多频段计时残差进行统计处理得到平均计时残差；

8、a6.对步骤a4中不是多频段的计时残差以及步骤a5得到的平均计时残差进行计时红噪声识别与处理，得到毫秒脉冲星时时间序列y(t)，

9、y(t)＝tt(bipmxx)-pt(t)

10、式中，tt(bipmxx)为国际计量局每年年初建立的时间尺度，xx是年的后两位，pt(t)为t时刻毫秒脉冲星时；

11、a7.读取原子钟测量比对资料，进行频率与相位跳变识别处理和粗差检测的预处理，得到原子时时间序列y(t)，

12、y(t)＝tt(bipmxx)-at(t)

13、式中，at(t)为t时刻原子时；

14、所述t时刻原子时at(t)为：

15、

16、式中，pi为第i原子钟的权重，hi(t)为第i原子钟在t时刻的读数，ai,j(tk)为j时间段内tk时刻第i原子钟的相位值，bi,j(t)为[tk,t]区间第i原子钟的频率值，ci,j(t)为[tk,t]区间第i原子钟的频率漂移，1≤i≤m，m为原子钟数量；

17、a8.根据步骤a7得到的原子时时间序列，按照下式得到原子钟原子时at的一阶导数序列，

18、

19、式中，为第i原子钟时的一阶导数序列，ti为第i原子钟的观测历元，ti+1为第i+1原子钟的观测历元；

20、a9.采用vondrak-cepek组合方法将脉冲星时和原子时组合，得到复合钟q，

21、

22、式中，l为时间引数，ε为脉冲星时pt时间序列的平滑因子，为原子时at的一阶导数序列的平滑因子，y′l为第l复合钟时pt时间序列的测量值，为第l复合钟时at的一阶导数序列的测量值，ql为第l复合钟时pt时间序列测量值的权重，为第l复合钟时at的一阶导数序列测量值的权重，yl为第l复合钟时的平滑值，为第l复合钟时一阶导数的平滑值，n为平滑值总个数，n为脉冲星时时间序列数，由离散的函数平滑值估计，t1和tn为曲线的自变量的边界值；

23、所述脉冲星时pt时间序列的平滑因子ε为：

24、

25、式中，f为脉冲星时和原子时时间序列中所含周期信号的频率值，t为周期p＝1/f的函数平滑曲线相对于观测曲线幅度的比值；

26、所述原子时at的一阶导数序列的平滑因子为：

27、

28、式中，为周期p＝1/f的导数平滑曲线相对于观测曲线幅度的比值。

29、作为一种优选的技术方案，所述步骤a3中筛选毫秒脉冲星的方法为：

30、步骤a31.从第1颗毫秒脉冲星开始，筛选出计时残差满足>10年的毫秒脉冲星；

31、步骤a32.进一步筛选出满足脉冲到达时间的不确定度σtoa＜1.5us条件的毫秒脉冲星。

32、作为一种优选的技术方案，所述步骤a5中多频段计时残差的统计处理方法如下：

33、步骤a51.对于相同时刻t，根据不同频段观测资料的脉冲到达时间的不确定度，按照下式得到不同频段的权重；

34、

35、式中，ωs为第s频段的权重，为第s频段脉冲到达时间的不确定度，为第j频段脉冲到达时间的不确定度，s为频段总数；

36、步骤52、采用加权平均算法，按照下式得到t时刻多频段计时残差的平均计时残差

37、

38、式中，us(t)为第s频段的计时残差。

39、作为一种优选的技术方案，所述步骤a6中所述计时红噪声识别与处理方法如下：

40、a61.按照下式得到σz(τ)，

41、

42、式中，σz(τ)为脉冲星稳定度在时域的表征，τ为采样间隔时间，c为τ间隔上多项式拟合的三次项系数；

43、a62.根据log(σz(τ))-log(τ)曲线识别计时噪声；

44、a63.采用经验模态分解方法抑制计时红噪声。

45、本发明的有益效果如下：

46、本发明先根据建立脉冲星时的条件，筛选出脉冲到达时间测量精度高、计时资料观测跨度长且不含计时红噪声的毫秒脉冲星，建立长期稳定度优秀的脉冲星时；其次，采用vondrak-cepek组合方法将脉冲星时用于制约和控制原子时at的相位变化，降低或消除其长期不稳定性，从而提高原子时的长期稳定度。本发明将毫秒脉冲星引入我国当前时间基准保持体系，提高现有时间基准的准确度和长期稳定度，建立一种独立自主、安全稳健，并能够用于实时性时间服务的新的时间基准，解决了原子时长期稳定度随时间逐渐变差的问题，从而解决非常时期国际时间比对中断时我国时间基准的保持问题，对于提高我国时间体系自主保持能力，以及非常时期社会稳定和国防安全具有重要的战略意义。