時間比對數(shù)據(jù)的實時檢錯與修正算法研究

賀瑞珍，屈俐俐，董紹武，趙書紅,3

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時間比對數(shù)據(jù)的實時檢錯與修正算法研究

賀瑞珍1,2，屈俐俐1,3，董紹武1,3，趙書紅1,2,3

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院時間頻率基準重點實驗室，西安 710600）

為減少時間比對結果中的異常數(shù)據(jù)對計算的紙面時間TA′（NTSC）（它是UTC（NTSC）控制的參考）的穩(wěn)定度與連續(xù)性的影響，尋求更好的檢測與修正異常數(shù)據(jù)的方法是必要的。采用3種方法：3準則法、最大差值法和3準則結合多項式擬合的方法，對時間比對數(shù)據(jù)進行異常數(shù)據(jù)的檢測與修正。實驗結果表明，這3種方法均可實時檢測并修正異常數(shù)據(jù)，從而確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和正確性，其中3準則結合多項式擬合的異常數(shù)據(jù)檢測與修正算法最優(yōu)。

實時檢錯；異常數(shù)據(jù)；原子鐘；時間保持

0 引言

中國科學院國家授時中心（NTSC）承擔我國標準時間的產生、保持與發(fā)播[1]，標準時間UTC(NTSC)由一個頻率源經頻率駕馭獲得，而駕馭頻率源參考的時間尺度標準是實時計算的紙面時間TA′(NTSC)，它的穩(wěn)定度與連續(xù)性對標準時間UTC(NTSC)的產生與保持有不可忽視的影響。多種因素的影響會導致測量系統(tǒng)產生的相位比對數(shù)據(jù)異常[2]，即出現(xiàn)奇異點，如跳相、數(shù)據(jù)缺失、錯誤數(shù)據(jù)等。為降低時間尺度TA′(NTSC)的出錯率，提高UTC(NTSC)的控制精度及可靠性，通過對相位比對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，即時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)[3]并進行實時修正是獲得正確的TA′(NTSC)的首要條件。實時解算TA′(NTSC)前，需對相位比對數(shù)據(jù)（UTC(NTSC)-Clock()）的奇異點進行判斷、甄別并作合理的處理，確保比對數(shù)據(jù)的正確性、完好性。目前對奇異點的處理方法主要有：對大量原子鐘數(shù)據(jù)進行處理，W. J. Riley等采用基于中位數(shù)的奇異點探測法[4-7]；而相頻跳變的處理中，多數(shù)算法都是通過比較在相關數(shù)據(jù)上移動的相鄰兩個窗口的均值來實現(xiàn)的，也有使用累積求和曲線圖及其他工具的[8]?？紤]TA′(NTSC)的計算時，算法需在自動檢測相位時間比對數(shù)據(jù)的奇異點并盡可能反映數(shù)據(jù)的真實趨勢的基礎上進行實時粗差剔除修正。本文提出3準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法，并與最大差值法進行分析比較，表明該算法可用于時間比對數(shù)據(jù)中奇異點的實時檢錯修正。

1 算法原理

1.1 3σ準則基本原理

若隨機序列服從高斯（正態(tài)）分布，其正態(tài)均值記為，描述分布的集中位置；其正態(tài)方差記為，描述分布的分散程度，那么在±3范圍內包含了99.73%的樣本空間。這就是著名的3原理（3準則）[9]。

1.2 多項式擬合原理

2.2.4 患者意見未及時得到反饋 護士長只有每天在早上查房時才有機會跟患者接觸，其他時間都是在處理病區(qū)的事情，每天工作繁忙，很難做到去病房征求病人意見。

2 時間比對數(shù)據(jù)實時檢錯與修正算法

2.1 最大差值法

如果下式成立：

2.2 3σ準則粗差剔除與修正算法

則當前時刻的比對數(shù)據(jù)異常，需剔除并修正為下式：

2.3 3σ準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法

3 實時異常檢測、修正結果分析

注：相鄰線間人為添加10 ns的相位偏差

圖2 UTC(NTSC)-Cs1823穩(wěn)定度比較

在UTC(NTSC)-Cs2145實時比對數(shù)據(jù)中存在速率變化的情況，加入一定數(shù)量的幅度5~10ns的壞點后，奇異點實時檢測、修正結果如圖3所示，曲線b，c，d相對于a添加的相位平移依次為10，20，30 ns。由圖3可看出3種算法檢測修正后的數(shù)據(jù)均可保持原始數(shù)據(jù)的變化趨勢，其中3準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法的檢測修正效果最好；當壞點出現(xiàn)而滑動窗口中的原始數(shù)據(jù)波動較大時，傳統(tǒng)的3準則對某些壞點的檢測修正效果不理想。對UTC(NTSC)-Cs2145比對數(shù)據(jù)實時粗差檢測修正前后的穩(wěn)定度分析結果如圖4所示，3種方法對原始比對數(shù)據(jù)進行實時粗差檢測修正后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度均優(yōu)于原始比對數(shù)據(jù)，其中3準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法檢測修正后比對數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度更好。

注：相鄰線間人為添加10 ns的相位偏差

圖4 UTC(NTSC)-Cs2145穩(wěn)定度比較

在UTC(NTSC)－Cs2096實時比對數(shù)據(jù)中，加入一定數(shù)量的幅度為5ns左右的奇異點后，奇異點實時檢測、修正結果如圖5所示，曲線b，c，d相對于a添加的相位平移依次為20，40，60ns。由圖5可看出3種方法都可以實時檢測出跳相點和壞點。3準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法可檢測出原始比對數(shù)據(jù)中的所有奇異點；當壞點出現(xiàn)時而滑動窗口中的原始數(shù)據(jù)波動較大時，最大差值法和3準則粗差剔除算法對某些壞點的檢測修正效果不理想。對UTC(NTSC)－Cs2096比對數(shù)據(jù)實時粗差檢測修正前后的穩(wěn)定度分析結果如圖6所示，3種方法對原始比對數(shù)據(jù)進行實時粗差檢測修正后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度均優(yōu)于原始比對數(shù)據(jù)，其中3準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法檢測修正后的比對數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度更佳。

注：相鄰線間人為添加20 ns的相位偏差

圖6 UTC(NTSC)-Cs2145穩(wěn)定度比較

4 結語

本文的分析及結果表明，對于相位比對數(shù)據(jù)中出現(xiàn)概率較高的異常數(shù)據(jù)，3種處理方法（3準則法、最大差值法和3準則結合多項式擬合的方法）均可實現(xiàn)奇異點的實時檢測和修正，其中3準則結合多項式擬合的粗差檢測與修正算法的檢測修正效果更好，并且該算法修正后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度更優(yōu)。

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Research on real-time error detecting/correcting algorithm for time measurement data

HE Rui-zhen1,2, QU Li-li1,3, DONG Shao-wu1,3, ZHAO Shu-hong1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of time and Frequency Primary Standard, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

It is necessary to seek better methods of detecting and correcting the anomalous data for reducing the influence of the anomalous data of the time-comparison results upon the stability and continuity of the computed paper time scale TA′(NTSC) which is used as the reference of standard time UTC(NTSC) control. Three methods, i.e., the 3-algorithm, the maximal difference methods and the 3-algorithm combined with polynomial fitting, are adopted to detect and correct the anomalous data in the time comparison data. The expermental results show that all the three methods are effective in detecting and correcting the anomalous data thereby ensuring the continuity and validity of the data, of which the 3-algorithm combined with polynomial fitting is the best one.

real-time error detecting; anomalous data; atomic clock; time keeping

P127.1

A

1674-0637(2014)04-0193-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0193-06

2013-12-30

國家自然科學基金資助項目（11303032）

賀瑞珍，女，碩士，主要從事守時理論與方法研究。