一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法及装置与流程

1.本发明涉及钟差修正技术领域，尤其涉及一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法及装置。


背景技术：

2.受内在和外在各方面因素影响，单台原子钟用于保持本地时间存在很大的不可靠性。为了提高本地时间保持能力的可靠性，通常利用多台原子时进行综合原子时计算，产生一个持续稳定可靠的本地综合原子时，钟差是计算本地综合原子时最基本最关键的元素。但是由于诸多因素影响，如系统断电、钟失锁、线路热噪声、器件老化等，原始钟差数据总是不尽理想，存在数据缺失、错误数据、相位跳变等现象，无法直接用于综合原子时计算，需要对钟差数据进行修正。尤其是在实时综合原子时计算时，更需要对钟差数据进行及时检测并修正。
3.现有的钟差数据异常情况的检测方法主要有门限阈值法、3σ准则、小波分析法、中位数法、相邻数据窗均值比较法。门限阈值法的经验门限值只能反映过去长期数据分布规律，不能适应短期数据变化。3σ准则适用于符合正态分布的数据序列，当数据序列存在个别异常点时，利用3σ准则可以有效检测，但原子钟比对数据相当复杂，有时会出现相位跳变，3σ无法准确定位相位跳变的位置。小波分析法具有多分辨分析的特点，在时频域都有表征信号局部特征的能力，但小波分析算法复杂，不易实现。中位数法是riley提出来的，针对数据量大的序列，它可有效提高计算效率，是一种简单有效的数据探测方法，常用来进行异常值检测。相位跳变是一种特殊的异常现象，其表象为原子钟相位由一个值跳到另一个值上运行，造成相位数据的不连续；对其探测，多数算法是通过比较在相关数据上移动的相邻两个窗口的均值来实现的，也有人使用累计求和曲线图或是其他类似方法。对用于实时原子时计算的钟差数据进行异常检测与修正，需要满足两个要求：对异常值的检测需要具有实时性，以满足原子时实时计算需求；对异常值的修正要符合原子钟的自身运行特性。现有的所有异常值检测与修正算法均各有优劣，目前尚未有一种算法可以将所有异常情况修正到最理想的效果。
4.因此，需要一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法及装置。


技术实现要素：

5.本发明提出一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法及装置，根据不同异常值所属的异常情况类型，选用合适的修正算法对该异常值进行修正，从而解决传统的钟差数据异常值检测与修正方法无法修正所有异常情况的问题。
6.本发明提供了如下技术方案：
7.第一方面，本说明书提供了一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法，包括：将钟差数据转换为频率数据；采用中位数检测法检测频率数据，得到异常值；根据所述钟差数据和所述频率数据的对应关系，得到时差数据的异常类型；根据所述异常类型，对所
述异常值进行修正。
8.可选的，所述采用中位数检测法检测频率数据，得到异常值，具体包括：根据频率数据的数据序列，得到频率数据中位数；根据所述频率数据中位数，得到频率数据探测中位数；根据所述频率数据探测中位数，得到异常值；采用标志位对所述异常值进行标记。
9.可选的，所述根据所述钟差数据和所述频率数据的对应关系，得到时差数据的异常类型，具体包括：计算异常标志位前后两个非异常标志位对应的时差数据之间的频差，得到异常频差；根据连续异常标志位个数，判断所述异常频差是否大于异常判定阈值；若连续异常标志位个数小于10且所述异常频差不大于异常判定阈值，则异常标志位对应的时差数据为粗大误差；若连续异常标志位个数不小于1、小于10且所述异常频差大于异常判定阈值，则在异常标志位对应的时差采集时刻出现跳相。
10.可选的，在判断所述异常频差是否大于异常判定阈值之后，还包括：若连续异常标志位个数不小于1、小于10且所述异常频差大于异常判定阈值，判断钟差连续正常个数是否不小于第二预设阈值，若是，则为长期跳相，若否，则为短期跳相。
11.可选的，在判断所述异常频差是否大于异常判定阈值之后，还包括：若连续异常标志位个数不小于10，则报警提醒用户系统钟差采集异常。
12.可选的，在根据连续异常标志位个数，判断所述异常频差是否大于异常判定阈值之后，还包括：判断钟差连续正常个数是否不小于第二预设阈值；若连续异常标志位个数不小于1、小于10、所述异常频差大于异常判定阈值且所述钟差连续正常个数小于第二预设阈值，则将所述异常类型更新为短期跳相；若连续异常标志位个数不小于1、小于10、所述异常频差大于异常判定阈值且所述钟差连续正常个数不小于第二预设阈值，则将所述异常类型更新为长期跳相。
13.可选的，在根据连续异常标志位个数，判断所述异常频差是否大于异常判定阈值之后，还包括：若连续异常标志位个数小于3且所述异常频差不大于异常判定阈值，则采用线性差值法修正异常值；若连续异常标志位个数大于3、小于10且所述异常频差不大于异常判定阈值，则采用最小二乘组合模型修正异常值；若连续异常标志位个数大于1、小于10且所述异常频差大于异常判定阈值，则采用常规的最小二乘法对其中的粗大误差进行修正。
14.可选的，在判断钟差连续正常个数是否不小于第二预设阈值后，还包括：若所述钟差连续正常个数大于所述第二预设阈值，采用相位补偿法进行异常修正。
15.可选的，按照以下公式将钟差数据转换为频率数据：
[0016][0017]
其中，yi表示频率数据，pi表示钟差数据，ti表示钟差数据对应的采集时刻。
[0018]
第二方面，本发明提供了一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正装置，包括：
[0019]
转换模块，用于将钟差数据转换为频率数据；
[0020]
检测模块，用于采用中位数检测法检测频率数据，得到异常值；
[0021]
判断模块，用于根据所述钟差数据和所述频率数据的对应关系，得到时差数据的异常类型；
[0022]
修正模块，用于根据所述异常类型，对所述异常值进行修正。
[0023]
本发明实施例提供的用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法及装置，通过采
用合适的修正算法对不同的异常值进行修正，从而进一步提高检测效率和修正效果。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例中的钟差检测与修正方法实施过程的示意图；
[0025]
图2为本发明实施例中的钟差检测与修正装置的组成示意图。
[0026]
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
具体实施方式
[0027]
为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书保护的范围。
[0028]
如本文所述，术语“包括”及其各种变体可以理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”，术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。
[0029]
实施例一
[0030]
发明人发现，现有的用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法，难以修正所有的异常情况，有鉴于此，本发明实施例通过针对不同类型的异常值选择合适的修正算法，从而能够满足不同异常情况下的异常值修正要求。
[0031]
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法，包括：
[0032]
步骤一、钟差数据转换为频率数据。
[0033]
具体实施时，相比于钟差数据，频率数据对异常现象更为灵敏。因此，为了更加及时精准检测到异常数据，需要先将钟差数据转换为频率数据。转换方法如下：
[0034][0035]
其中，yi——频率数据；pi——钟差数据，单位：s；ti——钟差数据对应的采集时刻，单位：s。
[0036]
步骤二、利用改进的中位数探测法检测频率数据的异常位置。
[0037]
在一个实施例中，首先，求取频率数据的中位数m，即处于数据序列
[0038]
{(t1,y1),(t2,y2),,(ti,yi)}中间位置的频率数据；其次，求取频率数据的探测中位数mad：
[0039][0040]
然后，利用mad探测频率数据的异常位置，设定异常判定阈值lim：
[0041]
lim＝m+n
×
mad
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0042]
其中，当观测量|yi|＞lim时(n为正整数，针对不同原子钟，n的取值不同)，认为其为异常值；
[0043]
最后，标记异常频率，为了不再引入新的异常值，对于检测出的异常频率数据，并非利用传统中位数法对其置零，而是使用一种标志位进行标记。
[0044]
步骤三、判断异常类型。
[0045]
本步骤中，根据频率数据和钟差数据的对应关系，以及连续异常标志位的个数判断时差数据的异常类型。这里设定两个参数，连续异常标志位的个数f_count，以及钟差连续正常个数t_count，具体判断方法如下：
[0046]
1)f_count《10，根据公式(1)计算异常标志位前后两个非异常标志位对应的时差数据之间的频差，若频差不大于公式(3)中的lim，则只有异常标志位所对应的时差数据为粗大误差；
[0047]
2)f_count＝1，根据公式(1)计算异常标志位前后两个非异常标志位对应的时差数据之间的频差，若频差大于公式(3)中的lim，则在异常标志位所对应的时差采集时刻出现跳相；
[0048]
3)f_count》1且f_count《10，根据公式(1)计算异常标志位前后两个非异常标志位对应的时差数据之间的频差，若频差大于公式(3)中的lim，则异常标志位所对应的时差数据为粗大误差，且异常标志位对应的时差采集时刻之后出现跳相；
[0049]
4)在异常情况2)和异常情况3)之后，若t_count《10，则认为是短期跳相；
[0050]
5)在异常情况2)和异常情况3)之后，若t_count≥10，则认为是长期跳相，给出告警提醒用户钟差出现跳相；
[0051]
6)f_count≥10，说明钟差长期连续异常，不再按照偶然异常处理，而是报警提醒用户系统钟差采集异常。
[0052]
步骤四、异常值修正。
[0053]
在一个实施例中，根据不同的异常情况对异常值进行修正，具体方法如下：
[0054]
1)对于步骤三中的异常情况1)，当f_count《3时，选用线性差值法修正异常值，即
[0055][0056]
其中，y
pre
、y
next
分别表示异常点前后相邻两个正常点的值，ti、t
pre
、t
next
分别表示异常时差、异常时差前后相邻两个正常时差值对应的采样时刻。
[0057]
2)对于步骤三中的异常情况1)，当f_count》3且f_count《10时，选用最小二乘组合模型修正异常值。最小二乘组合模型算法过程如下：
[0058]
a)设异常值之前的k组正常数据点为{(t1,y1),(t2,y2),,(tk,yk)}，异常值之后的k组正常数据点为
[0059]
{(t
k+f_count+1
,y
k+f_count+1
),(t
k+f_count+2
,y
k+f_count+2
),,(t
2k+f_count
,y
2k+f_count
)}，这两组数据点均已知；
[0060]
b)利用最小二乘拟合对前向k组数据建模，并利用该模型计算f_count组异常时刻对应的预测值和后向k组正常数据时刻对应的预测值
[0061][0062]
c)求解后向k组数据点预测值
[0063]
与实测值{(t
k+f_count+1
,y
k+f_count+1
),(t
k+f_count+2
,y
k+f_count+2
),
…
,(t
2k+f_count
,y
2k+f_count
)}对应时刻的残差{(t
k+f_count+1
,δy
k+f_count+1
),(t
k+f_count+2
,δy
k+f_count+2
),
…
,(t
2k+f_count
,δy
2k+f_count
)}；
[0064]
d)利用最小二乘拟合对后向k组数据点的残差{(t
k+f_count+1
,δy
k+f_count+1
),(t
k+f_count+2
,δy
k+f_count+2
),,(t
2k+f_count
,δy
2k+f_count
)}建模，并利用该模型预测f_count组异常值的预测残差
[0065]
e)f_count组异常值的最终修正值为
[0066]
实际应用中，k值选择48，而且铯原子钟时差数据选用最小二乘线性拟合进行建模，氢原子钟时差数据选用最小二乘二次拟合进行建模，修正效果最佳。
[0067]
3)对于步骤三中的异常情况3)，选用常规的最小二乘法对其中的粗大误差进行修正。修正过程为：设异常值之前的k组正常数据点为{(t1,y1),(t2,y2),
…
,(tk,yk)}，利用最小二乘拟合对这k组数据建模，并利用该模型计算f_count组异常时刻对应的预测值作为修正结果。实际应用中，k值选择48，而且铯原子钟时差数据选用最小二乘线性拟合进行建模，氢原子钟时差数据选用最小二乘二次拟合进行建模，修正效果最佳。
[0068]
4)对于步骤三中的异常情况4)，选用相位补偿法进行异常修正。设(ti,yi)为相位跳变起始点，(t
i-1
,y
i-1
)和(t
i+1
,y
i+1
)分别为跳相数据点前后相邻的两个正常数据点，则
[0069][0070]
其中，y
i,new
为跳相点相位补偿后的值。
[0071]
上述实施例中，选用改进的中位数法对原子钟比对数据进行异常值检测，根据异常值判断异常情况类型选择合适的修正算法，进而对该异常值进行修正，解决了传统的钟差数据异常值检测与修正方法无法修正所有异常情况的问题。
[0072]
实施例二
[0073]
基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种用于实时原子时计算的钟差检测与修正装置，由于上述装置解决问题的原理与用于实时原子时计算的钟差检测与修正方法相似，因此，上述装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
[0074]
图2示意性地展示了本技术一实施方式的用于实时原子时计算的钟差检测与修正装置的组成示意图，包括：
[0075]
转换模块，用于将钟差数据转换为频率数据；
[0076]
检测模块，用于采用中位数检测法检测频率数据，得到异常值；
[0077]
判断模块，用于根据所述钟差数据和所述频率数据的对应关系，得到时差数据的异常类型；
[0078]
修正模块，用于根据所述异常类型，对所述异常值进行修正。
[0079]
综上所述，本发明实施例采用改进的中位数法对原子钟比对数据进行异常值检
测，检测到异常值位置后根据异常值的具体现象分析其属于哪类异常情况，再结合各种修正算法的优势，灵活选择合适的修正算法，其特点在于异常位置检测精准、检测实时性强、修正算法针对性强、修正效果优良。
[0080]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0081]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元既可以视为硬件部件内的结构，也可以视为既可以是实现方法的软件模块。
[0082]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。