原子時算法分析與對比

王 銳, 袁 靜, 班 亞, 楊 帆,羅 浩, 江 力, 羅亞雄

(1.重慶市計量質量檢測研究院,重慶 401123; 2.瑞士洛桑聯邦理工大學, Lausanne, CH 1015，Switzerland)

1 引 言

計算國際原子時的算法是為了保證得到一個可靠,長期穩定和準確的時間尺度。近些年隨著全球各地的高性能原子鐘的引入,使得地方原子時時間尺度以及國際原子時(international atomic time，TAI)的準確程度越來越高。但是隨著硬件設備的性能瓶頸，原子時的算法改進則成為提高原子時的主要方向之一。ALGOS是最經典的加權算法,Kalman濾波算法解決了噪聲強弱的影響,AT1(NIST)算法具有實時性的預測。本文從理論上分析對比了這3種算法。

2 原子時ALGOS算法

原子時的經典算法ALGOS是由國際計量局(BIPM)設計與開發的一種時間尺度算法，其測量了全球各地實驗室的原子鐘時間尺度,然后進行加權平均,從而保證優化時間尺度的可靠性、頻率的長時間穩定性以及頻率的準確性。

2.1 ALGOS算法基本理論

國際計量局計算原子時(TAI)的算法[1～6]主要有以下兩個步驟：

(1)計算自由原子時的時間尺度(EAL)。利用ALGOS算法,對世界各地超過400臺原子鐘的數據進行計算,得出權重平均數。

(2)利用基準頻標PFS/SFS校準EAL的頻率,從而得到原子時(TAI)。

ALGOS算法是經典的加權平均法,定義原子自由時間尺度EAL見式(1)。

xj(t)=[EAL(t)-hj(t)]

(1)

式中:N代表在周期1個月中參與測試的鐘的數量;wi是鐘Hi對應的權重值,權重的設定是為了反映長時間的穩定性;hi是鐘Hi在時刻t的測量值,為了保障時間尺度的連續性,h′i是對鐘Hi的測量值的預測修正量;xi,j是鐘j和鐘i的相位差。

2.1.1 頻率預測算法

頻率的預測是為了在有新的鐘加入或移出時,避免頻率的跳躍和不穩定。……