基于奇异谱分析的守时方法研究

The NTSC (National Time Service Center) is responsible for the generation, maintenance and dissemination of national standard time signals. Since May 2011, the difference between the UTC (Coordinated Universal Time) and UTC(NTSC), namely |UTC－UTC(NTSC)|, is kept within 20ns. The NTSC has been one of the most important time labs all around world. However, variations in the UTC(NTSC) phase is relatively rapid. This lead to poor frequency stability of the UTC(NTSC). The phenomenon is associated with the time-scale algorithm, frequency prediction and frequency steering strategies for a master clock which are used by NTSC at present. Utilizing the atomic clocks and experiment platform for time-keeping at the NTSC time-keeping lab, we will propose a novel method for the generation and maintenance of the UTC(NTSC) based on the singular spectrum analysis (SSA) technology. The objective of this project is to enhance both the accuracy and the frequency stability of the UTC(NTSC). On the basis, The NTSC can provide the more accurate and stable standard time signals for various fields including satellite navigation, communication, and finance. In addition, this project can proved an alternative approach for generation and maintenance of the UTC(NTSC). The research contents of this project include the time-scale algorithm, frequency prediction and frequency steering methods for a master clock.

自2011年5月开始，国家授时中心(NTSC)产生的标准时间UTC(NTSC)与协调世界时UTC的偏差保持在±20ns以内，这是高精度时间保持研究的结果。然而，UTC(NTSC)的相位波动较频繁，短期稳定度有待进一步提高。这与原子时计算中氢钟取权过低，无法将其优良的短期稳定性传递到UTC(NTSC)，以及主钟频率源的频率预报和频率驾驭方法有关。本项目根据氢钟短稳好而铯钟长稳好的不同特性取长补短，通过研究氢钟和铯钟共同参与的原子时算法、主钟频率源的频率预报以及频率驾驭方法等方面的内容，将奇异谱分析(SSA)用于UTC(NTSC)监控方法研究，提出UTC(NTSC)产生和保持新方法，目的是充分发挥这两种类型原子钟的性能，使UTC(NTSC)保持中既能保持氢钟优良的短期稳定性，又能保持铯钟良好的长期稳定性。最终可以：提高我国时间基准的稳定性；为UTC(NTSC)的产生和保持提供参考。

标准时间在国防建设、国民经济和社会生活等方面具有不可或缺的作用，以北斗卫星导航系统为代表的国家重要基础设施对精密时间提出了更高的要求。本项目基于国家授时中心（NTSC）的守时钟组资源，将一种新的信号分析方法—奇异谱分析（SSA）应用于UTC(NTSC)产生和保持中，开展了基于SSA的原子钟信号异常检测、数据补缺、信号消噪和频率预报等原子钟数据处理方法的研究。为改善UTC(NTSC)准确度和稳定度，开展了氢钟与铯钟联合时间尺度算法、主钟频率源频率预报和频率驾驭以及UTC(NTSC)监测与控制方法的研究。首先，针对原子钟信号由趋势项和噪声项构成的特点，借助SSA强大的信号提取能力，建立了基于SSA的原子钟精密信息处理模型，解决了原子钟信号异常检测、缺失数据插补、噪声污染和频率高精度预报等原子钟数据处理难题；其次，为充分利用守时钟组资源，提出了氢钟和铯钟联合的原子时尺度算法，新算法充分发挥了氢钟短稳好和铯钟长稳好的优势，提高了原子时尺度的短期和长期稳定度；再次，根据氢钟短稳优良特性，提出了氢钟为主钟频率源的频率驾驭算法，新算法改善了UTC(NTSC)准确度和稳定度；最后，开发了UTC(NTSC)产生和保持软件，并开展了UTC(NTSC)监测和控制试验。试验结果表明， UTC(NTSC)相对于协调世界时（UTC）的相位偏差保持在±10ns以内，且UTC(NTSC)短期与长稳得到了不同程度的改善。