机动条件下时间保持方法研究

论文摘要

机动时频系统是地面固定时频系统的备份和补充,在战时或特殊情况下,替代固定时频系统提供高精度的时间频率信号,满足导航系统各类导航业务的需求。机动时频系统除具有与地面固定时频系统相似的功能外,由于机动条件下的工作环境较为恶劣、原子钟数量少,这就对时间保持方法提出了更高的要求。机动条件下,时间保持方法主要要解决以下几个方面的问题:1.综合时间尺度是机动时频系统时间产生的依据,而且机动条件下原子钟数量少,因此,研究适合的时间尺度算法是机动时频系统时间保持中首先要解决的问题;2.由外界温度变化及震动等引起的噪声、频率跳变、相位跳变及频率漂移等问题;3.为了保证在工作环境差和系统规模受限制等诸多不利因素的条件下,仍然能够提供高精度的时间频率信号,需要设计出一套机动条件下的系统时间监控方法。论文针对以上问题,研究了机动条件下的综合时间尺度产生算法、基于HHT的消噪方法和奇异点检测方法、频率预报方法和主钟监控方法,同时研究了时频基准配置等关键技术,利用中国科学院时间频率基准重点实验室的原子钟资源和相关时频设备,建立了时间保持实验系统,并对机动条件下系统时间的产生和保持进行仿真实验。论文的主要内容包括:研究了机动时频系统中综合时间尺度TAs的产生算法。针对机动条件下钟数量少的特点,对ALGOS算法中的权重计算和钟异常检测作了改进,提出了改进的ALGOS算法。为了满足机动条件下,对综合时间尺度TAs实时性和稳定性的要求,提出了改进ALGOS方法与Kalman算法相结合的算法。研究了噪声平滑滤波方法。机动条件下的工作环境差,使原子钟信号噪声变大、出现频率跳变和相位跳变等问题,因此,在建立时间尺度之前,必须对信号进行消噪和奇异点检测等预处理。论文首次将HHT中的时空滤波器,用于机动条件下,恶劣工作环境引起的原子钟噪声的消噪。研究了机动条件下的时间监控方法。主钟频率源频率预报方法是系统时间监控的关键,根据原子钟的统计特性,提出了基于EMD分解的原子钟频率预报新方法,该方法比传统的频率预报方法更高效、更准确。通过分析原子钟的稳定度指标、主备主钟切换方案、数据采集及对环境的要求,根据机动时频系统的功能和特点,提出了机动时频基准的配置方案。最后,建立了机动时间保持仿真实验系统,开发了系统时间自动监控软件,并利用该软件实现了不同时间保持模式下,系统时间ST的自动监控,达到了预期指标。创新点:1.根据机动时频系统的任务与功能,将改进ALGOS方法与Kalman算法相结合,产生综合时间尺度TAs。改进ALGOS方法解决了原子时Kalman算法的发散性问题,同时Kalman算法弥补了改进ALGOS方法τ<30d时稳定度较差的缺陷。2.时空滤波器基于局部特征时间尺度参数,不需要人为指定中心频率、带宽等各种参数,避免了人为因素的影响。首次将时空滤波器用于原子钟噪声的平滑滤波,并根据远程时间比对结果的特征,提出了时空滤波器+Vondrak平滑的消噪方法,提高了比对结果的精度。3.频率预报方法取决于钟的统计特性和有效的预报间隔。当τ≤10d时,噪声主要表现为白色调频噪声,利用EMD可以提取信号趋势项的功能,提出了基于EMD分解的原子钟频率预报新方法。该方法比目前使用的频率预报方法更准确。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 目的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 机动条件下的时间保持方法
• 1.5 主要成果及内容安排
• 第二章 机动时频系统中的时间尺度算法研究
• 2.1 时间尺度算法基本原理
• 2.2 ALGOS 算法
• 2.3 原子时 Kalman 算法
• 2.3.1 Kalman 算法的基本原理
• 2.3.2 ALGOS 算法与 Kalman 算法比较
• 2.3.2.1 Kalman 算法中参数的确定
• 2.3.2.2 ALGOS 算法与Kalman 算法比较
• 2.3.3 Kalman 算法稳定性分析
• 2.4 原子时的小波算法
• 2.4.1 小波分析的理论基础
• 2.4.2 原子时的小波分解算法
• 2.4.3 小波分解算法与ALGOS 算法比较
• 2.4.4 原子时小波分解算法分析
• 2.5 机动时频系统中的时间尺度算法
• 2.5.1 改进的 ALGOS 算法
• 2.5.1.1 权重的确定
• 2.5.1.2 最大权确定
• 2.5.1.3 参与钟选取原则
• 2.5.2 改进ALGOS 算法与ALGOS 算法比较
• 2.5.3 改进ALGOS 算法与Kalman 算法结合在机动时频系统的应用
• 2.6 本章小结
• 第三章 机动条件下的时间同步技术及其数据处理
• 3.1 引言
• 3.2 高精度远程时间比对技术
• 3.2.1 GPS CV 时间传递
• 3.2.2 GPS 全视法
• 3.2.3 GPS 载波相位时间传递
• 3.2.4 卫星双向时间比对
• 3.3 机动时频系统中的时间同步技术及其数据处理
• 3.3.1 共视时间比对数据处理
• 3.3.2 卫星双向时间比对数据处理
• 3.4 机动条件下同步设备的快速定标
• 3.5 本章小结
• 第四章 HHT 及其在机动时频系统时间保持中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 Hilbert—Huang 变换的基本原理
• 4.2.1 特征时间尺度
• 4.2.2 本征模态函数
• 4.2.3 EMD 分解方法
• 4.2.4 EMD 分解的完备性
• 4.3 HHT 在机动式时间尺度建立中的应用
• 4.3.1 基于HHT 的原子钟信号奇异点检测
• 4.3.2 基于HHT 的滤波与去噪
• 4.3.2.1 基于EMD 分解的时空滤波器
• 4.3.2.2 时空滤波器在原子钟比对数据消噪中的应用
• 4.3.2.3 与小波阈值消噪的比较
• 4.3.2.4 时空滤波器＋Vondrak 平滑
• 4.4 本章小节
• 第五章 机动时频系统时间的监控方法
• 5.1 引言
• 5.2 机动时频系统时间保持模式
• 5.2.1 被动时间保持模式
• 5.2.2 自主时间保持模式
• 5.2.3 准自主时间保持模式
• 5.3 机动时频系统时间监控方法
• 5.3.1 主钟频率源的频率预报方法
• 5.3.1.1 传统频率预报方法
• 5.3.1.2 基于EMD 的频率预报方法
• 5.3.2 主钟驾驭方法
• 5.4 本章小结
• 第六章 机动时频基准系统配置方案
• 6.1 机动时频基准系统的任务和功能
• 6.2 机动时频系统时间的指标要求
• 6.3 机动时频基准系统的架构
• 6.3.1 守时钟的选择与配置
• 6.3.2 机动时频基准系统的数据采集
• 6.3.3 机动时频系统综合时间尺度算法
• 6.3.4 机动时频系统时间的监控
• 6.3.5 环境对原子钟的影响
• 6.3.5.1 温度对原子钟的影响
• 6.3.5.2 电源对原子钟的影响
• 6.3.5.3 震动对原子钟的影响
• 6.4 相关时频设备
• 6.5 主钟系统主备切换
• 6.6 机动时频基准配置方案
• 6.7 本章小结
• 第七章 机动时频系统时间自动监控仿真
• 7.1 引言
• 7.2 实验系统硬件组成
• 7.3 系统时间自动监控软件
• 7.3.1 数据采集及其预处理软件
• 7.3.2 综合时间尺度TAs 计算软件
• 7.3.3 主钟监控软件
• 7.4 实验系统时间ST 自动监控结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 博士在读期间发表的文章
• 致谢