基于小波分析法的脉冲星时与原子时融合方法

本发明属于时频技术、信号处理领域，具体涉及到一种脉冲星时和原子时两种时间尺度融合的技术方法。

背景技术：

1、时间基准作为科技发展和国防建设的基础，必须满足稳定可靠、自主可控。由于目前使用的时间基准基于原子时获得，短期稳定度高是原子时的显著特征，但其作为一种积分时间尺度，因其具有误差累积的特性，频漂和老化等原因导致长期稳定性随时间降低。utc(ntsc)是我国授时发播的基础，其建立和保持主要依赖于原子钟组产生的纸面参考时间尺度ta(ntsc)，它具有优秀的短期稳定度，但长期稳定度随时间下降，utc(ntsc)需要通过国际时间比对合作，将国家自主保持的标准时间溯源至utc，无法脱离utc/tai实现长时间跨度下的高精度自主守时。

2、脉冲星是高速自转的中子星，基于毫秒脉冲星自转建立的时间尺度称为脉冲星时，其显著特点是其长期稳定度高。基于脉冲星自转建立的脉冲星时是与原子时物理机制不同的时间尺度，脉冲星时比原子时具有更高的长期频率稳定度。因此，脉冲星时和原子时两者在时间尺度稳定度性能方面优势互补，脉冲星时和原子时联合守时是未来守时应用的新技术方向。利用脉冲星计时数据可改进原子时的长期稳定性,同时结合原子钟的短期稳定性优势和脉冲星的长期可用性、高稳定性,可构建一个新的综合时间尺度apt(atom-pulsar time)。通过脉冲星时与ta(ntsc)融合得到高稳定性和可靠性的apt，可作为特殊时期tai的备份，为utc(ntsc)提供频率驾驭参考，解决非常时期utc/tai中断时我国时间基准的保持问题。此外，apt作为一种短稳和长稳兼优的“纸面时”，无需与国际原子时系统进行溯源或比对，依据apt可建立一种独立于国际标准时间(utc)的时间保持体系，提升我国标准时间的可靠性、准确性和长期稳定性，实现我国时间基准的自主可控。

3、在联合时间尺度研究方面，2019年，po-ting chen等提出基于稳态卡尔曼滤波法利用脉冲星驾驭原子钟，该方法得到的联合时间长稳有所提高，但短期性能低。2021年，童明雷等提出基于脉冲星计时观测对原子钟进行频率驾驭，提高了输出原子时的频率准确度。目前国内在时间尺度方面的研究主要以综合脉冲星时和综合原子时及其时频应用为主。2007年，仲崇霞等提出三种综合脉冲星时建立方法，包括将两颗脉冲星时进行小波分解综合，解决了统一赋权的问题，但作为稳定度趋势类似的同类型时间尺度的综合，目的在于提高长期稳定度，结果表明维纳滤波是最优方法。2019年，姜萌等提出了基于vondrak-cepek滤波的氢-铯融合原子时间尺度算法，利用氢钟的优良短期稳定度对铯原子钟时间尺度进行了平滑，有效的减弱了噪声对时间尺度的影响。

4、受限于脉冲星钟和原子钟的钟模型和噪声特征不同，且脉冲星时和原子时频率稳定度最优值对应时间区间差异极端化，目前国内尚无关于利用脉冲星时与原子时联合建立高稳定度性能的纸面时的研究成果。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于小波分析法的脉冲星时原子时融合方法，得到的脉冲星时-原子时综合时间尺度(atom-pulsar time,apt)结合了脉冲星时和原子时各自的稳定度优势，既能保持原子时短期稳定度，又具有脉冲星时长期稳定度优势，能够同时提高我国时间基准的长期稳定性和可靠性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

3、(1)选取当前计时精度最高的毫秒脉冲星，得到脉冲星时，并获取计时观测得到的计时残差数据；选取独立地方原子时ta(ntsc)作为原子时参与综合，并获取ta(ntsc)相对于tt(bipm)/tai的钟差数据；

4、(2)进行脉冲星时和原子时数据处理，包括去除噪声和频漂、数据点等间隔处理，统一参考时标和计时跨度区间等数据处理；

5、(3)根据脉冲星数量确定脉冲星时与原子时的组合方式；

6、(4)利用小波分析法对脉冲星时和原子时进行融合，得到融和后的综合时间尺度apt。

7、所述的步骤(1)选取由国际计时组织tpta发布的当前计时精度最高的毫秒脉冲星。

8、所述的步骤(1)选取的毫秒脉冲星当前计时精度优于200ns。

9、所述的步骤(1)选取由国家授时中心建立和保持的独立地方原子时ta(ntsc)作为代表性原子时参与综合。

10、所述的步骤(3)对参与综合的脉冲星数量少于等于四颗的情况，采用并列组合法，即视为同类时间尺度；对多于四颗星参与综合的情况，采用分类组合法，即对单脉冲星时采用维纳滤波法得到综合脉冲星时，再与原子时作为两类时间尺度完成后续小波分解和综合过程。

11、所述的步骤(4)选定具有紧支撑的标准正交小波dbn作为小波基函数，对各参与钟在三尺度频率下进行小波分解，得到小波系数，以各时间点对应的小波变换系数平方和分之一作为该尺度分解信号对应的权重，加权综合得到各尺度下的综合信号分量，对以上分频信号进行小波信号重构，得到融和后的综合时间尺度apt。

12、所述的步骤(4)之后，选取同时适用于脉冲星时和原子时的稳定度评估方法即σz算法，对比分析apt的稳定度性能相对于各参与钟提升结果，检查是否达到预定目标，并与经典加权法得到的综合时间尺度结果进行时间尺度偏差和稳定度对比。

13、本发明的有益效果是：

14、(1)对脉冲星计时残差进行等间隔处理时，利用30天采样取点法将观测时间段内的残差进行加权平均,充分考虑计时误差的影响,既实现了等间隔和等跨度,又能消除时间比对和参考时钟的白噪音,且不会影响1年以上连续时间的长期稳定度；

15、(2)脉冲星时是与原子时物理机制不同的时间尺度，且两者频率稳定度差异极端化，本发明首次提出将小波分析法运用于两类时间尺度的综合，能充分结合各自的稳定度优点，全面提高时间尺度的稳定度性能；

16、(3)本发明采用两种分组方式进行融合，由于参与综合的时间尺度稳定度，直接决定融合后时间尺度的稳定度性能，对多颗单脉冲星时建立综合脉冲星时，可显著提高稳定度，尤其是长期稳定度，根据参与综合的脉冲星数量选择合适的组合方式进行融合，才能得到更好的技术效果。

17、(4)本发明利用σz算法评估脉冲星时和原子时稳定度，由于脉冲星的自转相位、自转变慢速率和相关天体测量参数在应用计时模型时已经精确测定，因此计时残的三次差是剩余的最低阶偏差，故σz算法适用于脉冲星时间稳定度评估。此外，σz对低频噪声(红噪声)更灵敏，还能够区分相位白噪声和偏蓝的相位噪声，这一点类似于修正的阿伦方差，因此可选该算法在同时间跨度下分析比较脉冲星时与原子时的稳定度性能。

18、综上，本发明能够有效利用原子时的短稳特性对脉冲星时的短期噪声进行抑制，同时保持脉冲星组本身的优良长期稳定度，通过脉冲星时与ta(ntsc)融合得到的apt兼顾两者的短期和长期稳定度优势，改善我国地方原子时的长期稳定度性能，从而全面提高我国时间基准的稳定度和可靠性，作为一种长短稳皆优的纸面时，可为多个领域提供时间基准。