一种多主钟自动切换的守时装置及方法

本发明涉及守时领域，尤其是一种守时方法。

背景技术：

1、时间作为现代社会运行的基础，人类的日常生活离不开时间。随着科技的日益发展，计时的精度也日益提高。为了产生并保持一个稳定的时间尺度，当前国际上大多数的守时实验室基本采用多台原子钟来搭建原子钟组，通过钟组的内部测量与分析以削弱单台钟噪声对时间尺度的影响。

2、守时简单来说就是利用原子钟对时间基准进行复现，输出实时的物理信号，为物理信号提供频率参考的原子钟便称作为主钟。守时系统中通常选择原子钟组中性能最稳定、可预测性最好的原子钟作为主钟，并使用相位微调器对主钟的频率和相位偏差进行调整。但无论如何，都会由于原子钟本身的问题而出现信号中断或性能变差的现象，无法保证输出物理信号的连续稳定。为解决这一问题，目前大多数守时实验室通常选择两台主钟与两台相位微调器构成输出主备两路信号，保持两路信号的相位与频率相一致，在主路信号发生故障或恢复时，通过切换开关手动控制实现系统时间信号在主备两路信号之间的快速切换，以保证系统时间的可靠性。但对于一些小型化守时系统来说，参与守时的原子钟数目较少，同时为节约成本，可能无法搭建两套相对独立的物理信号输出手段。另一方面，若参与守时的钟组中，各原子钟的性能相差不大，主钟的数量可以进一步扩展，以提高本地物理信号的可靠性。但目前的主备主钟切换都是对原子钟经过相位微调器驾驭后的信号进行切换，是在守时系统信号的输出端进行切换，因而每有一台主钟便需要一台相位微调仪，加大了对相位微调仪的需求，因此需要对现有的这种主钟频率控制方法进行改进。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多主钟自动切换的守时装置及方法，依照原子钟的频率驾驭原理，依托于无缝切换设备实现守时系统输出物理信号的参考可以在多个原子钟之间选择，扩展主钟备选数量的同时节约相位微调器的使用，同时提供了一种主钟的切换策略，减少单台原子钟受随机噪声波动对系统时间信号的影响。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种多主钟自动切换的守时装置，包括原子钟钟组单元、测量比对单元、主钟信号产生单元和频率控制单元；

4、所述的原子钟钟组单元提供多路主钟频率信号；

5、所述的测量比对单元通过计数器和比相仪完成各原子钟信号、远程溯源信号和守时系统时间信号之间的钟差和相差数据测量；

6、所述的主钟信号产生单元采用无缝切换设备，以输入的多个主钟频率信号为参考，实现其输出的信号在多个频率源参考之间的无缝切换，同时基于数字频率合成技术，实现输出信号的相位与频率调整；

7、所述的频率控制单元对测量比对单元所获的比对数据进行处理和分析，首先利用本地的比对数据基于原子时算法得到一个本地时间基准；之后利用远程溯源数据对本地时间基准进行修正；最后通过预报的方式计算每台主钟相对于修正后的本地时间基准的频率控制量，利用相位微调仪对当前无缝切换设备输出的信号进行频率控制，产生稳定的系统时间信号，并在主钟切换后更新频率控制量，保障切换后系统时间不发生频率跳变。

8、所述的原子钟钟组单元中，原子钟的数目大于三台，对各原子钟两两比对进行主钟的噪声波动判断。

9、所述的无损切换设备包括数据采样单元、频率融合单元和dds频率模块；每一路主钟频率信号分别输入一个数据采样单元，采用下变频技术进行鉴相，测量原子钟相对本地时钟的频率差别与相位差别；数据采样单元的输出信号输入频率融合单元，以本地时钟为基准，通过频率融合单元与dds频率模块，对所选择的原子钟10mhz频率进行输出；其输出信号的频率控制方式与相位微调器相同，在进行主钟切换时对输出的信号直接进行频率与相位调整。

10、所述的原子时算法采用kalman算法、alogs算法或ati1算法。

11、本发明还提供一种利用多主钟自动切换的守时装置的守时方法，包括以下步骤：

12、1)将相位微调仪输出的本地10mhz信号作为多通道时间间隔计数器的频率参考，输出的1pps信号作为开门信号，将原子钟的1pps信号和外部溯源的1pps信号分别作为关门信号，由工控机中的上位机软件实现比对数据的采集，记为mc-clocki和mc-utck，mc指相位微调仪输出的1pps秒信号，clocki和utck分别表示各原子钟i和远程溯源1pps秒信号；外部溯源的1pps信号由utc(k)直接给出物理信号，若没有直连信号时，需通过卫星共视、双向卫星时间传递或其他方法获取与外部溯源的比对数据，并存储至工控机中；

13、获取原有比对数据后，为减少测量中的偶然误差影响，根据3-sigma原则对mc-clocki数据中的粗差进行剔除，同时采用线性插值对剔除的部分进行插值；

14、2)综合原子时的计算；

15、综合原子时的计算参考bipm在计算utc时使用的algos算法，基本核心思想均为以可预测性对参与计算的原子钟进行赋权，进而对原子钟的比对数据进行加权平均计算；计算流程图如图3所示，步骤如下：

16、2.1)首先依照设定的综合原子时计算频度与所使用的历史数据长度，从本地文件中读取比对数据；

17、综合原子时的计算是为了保障溯源中断后的本地时间保持能力，计算频度的设定与使用的溯源链路有关，若溯源采用直连、共视或双向时间比对，溯源的更新频率较快，原子时的计算频度便可以以较快的频率进行计算，若采用bipm公报的utc或utc(r)来进行溯源，原子时的计算频度不宜太快；采用直连物理信号进行溯源，故设定综合原子时的计算频度为1小时；使用历史数据长度过长会导致原子时的计算无法准确反应原子钟近期的波动情况，过短则会导致原子时的稳定性下降，本发明选择36条历史数据；

18、2.2)原子时计算；

19、原子钟的权重取决于原子钟的可预测性，也就是原子钟对一个模型的符合程度，本发明采用一次多项式作为计算模型：

20、y＝a+b*t

21、在获取36条mc-clocki的小时比对数据后，对每个数据扣除该原子钟的在该时刻的模型值得到残差，初始计算时a和b为0，并上次计算获得的原子钟权重对残差进行加权平均得到原子时mc-ta，并将最后一条mc-ta保存在本地文件中，作为本次计算的原子时，初始计算时每台钟的权重为1/n，n为参与计算的原子钟数目，取n为3；

22、由mc-clocki与mc-ta得到每台钟的36条ta-clocki，采用最小二乘法更新每台钟的a和b值，并从ta-clocki减去新的模型值，依照得到残差的平方和大小计算每台钟的权重，权重计算公式如下：

23、

24、权重计算公式需要进行迭代，以保障计算的稳定性，本发明迭代3次，同时原子钟的权重设定一个上限，以防止单台原子时完全却决于每台原子钟的运行，影响原子时的可靠性，本发明权重上限为2/n，对于超出上限的原子钟，超出的权重部分需要按照比例重新分配至其他原子钟，同时某台原子钟的权重过低时，说明原子钟的可预测性极差，需要在本次计算中设置权重为0，本发明权重的下限为1％；

25、2.3)原子时频率校准；

26、步骤2.2)中计算的mc-ta仅由本地原子钟比对数据进行加权计算，原子时需要与外部的溯源保持相对一致，需要对原子时进行相位和频率校准；

27、由mc-utck与mc-ta得到ta-utck，数据的条数选择24条，采用最小二乘法对24条ta-utck进行一次多项式建模y＝a+b*t，并从mc-ta中扣除拟合值即为较频后的mc-ta，每新产生的mc-ta均需要扣除拟合值y，模型中的a,b值的更新频度与外部溯源的更新频度和原子时计算频度有关，本发明中为1小时更新一次；

28、每次完成原子时相位和频率校准后，由mc-ta与mc-clocki得到ta-clocki，存储至本地文件中；

29、3)主钟频率驾驭量计算；

30、主钟的频率驾驭量与最新的mc-ta相位差值、当前主钟相对于ta的频率偏差和驾驭频度有关，主钟的驾驭频度应大于外部溯源和原子时的更新频度，本发明的主钟驾驭频度为1小时，与原子时的计算频度一致，确定好当前主钟后，驾驭量offset的计算公式为：

31、

32、ta-clockm为最近获得的原子时与主钟的相位差值，k为调整系数，为经验常数，本发明取2，bm为主钟相对于原子时的频率偏差，对最近的24条ta-clockm采用最小二乘法进行一次多项式建模获得，数据条数可根据实际的需要进行调整；

33、4)主钟的切换控制；

34、主钟的切换判断需要根据当前主钟的性能状态来进行，当主钟发生相位跳频或频率跳变等异常行为时，需要及时对主钟信号进行切换，保障稳定的本地物理信号输出；本发明采用动态allan方差法来完成原子钟的异常判断，实现步骤如下：

35、4.1)对于每秒获取的mc-clocki，由两两比对获取clocki-clockj计算，与100s前的clocki-clockj之差，统计最近的50条差值，计算clocki-clockj的100s稳定度，当前时刻计算的100s稳定度超出使用原子钟的标称100s稳定度的2倍时，认为i和j中有一台原子钟发生异常，3组比对值判断完成后便可确定发生异常的原子钟；稳定度的平均时间和判断的放大倍数根据实际的原子钟性能进行确定；

36、4.2)主钟发生异常后，将主钟切换至未发生异常的原子钟即可，本发明中原子钟仅有3台，若同时有两台原子钟发生异常，则无法判断具体的原子钟，此时则不进行主钟切换；

37、4.3)主钟切换时需及时依照步骤3)中的驾驭量计算公式更正相位微调器的频率驾驭量。

38、本发明的有益效果在于主钟的性能不再由单一原子钟决定，能够在多个原子钟频率信号中灵活选择；主钟切换过程与以往的切换方式不同，在主钟信号经过频率控制之前进行切换，是在守时系统频率源上的切换，能够减少相位微调仪的使用数量；同时该方法提供的主钟选择策略也保障了系统时间不会因为单台钟的噪声波动而出现较大的相位偏差。