一种基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法

本发明属于脉冲星时间尺度建立领域，涉及脉冲星计时模型建立，尤其是建立综合脉冲星时间尺度的方法。

背景技术：

1、时间是当前测量精度最高的基本物理量。精确的时间计量，是许多科学与工程领域的基础，高精度时间基准目前主要依赖于国际原子时(tai)。tai是由国际计量局bipm根据世界上守时实验室的数据计算得出，每月发布一次。而由tai导出的地球时tt(bipm)是目前基于原子频标实现的最精确时间尺度，国际计量局一般于次年初发布其与上一年tai的钟差数据。对于有高精度时间需求的部门，数据依赖于国外发布使得高精度时间服务的可靠性降低，因此，有必要寻找独立的高精度时间保持方法。

2、脉冲星是恒星演化末期形成的致密星体，具有自转与辐射特性，其中毫秒脉冲星是脉冲星自转加速后的演化产物，具有毫秒量级的自转周期与很高的自转稳定性。研究表明，一些毫秒脉冲星的自转稳定性在10年尺度上优于原子时。但直接观测得到的脉冲到达信号并不能作为时间信号使用，还需要依靠计时模型，即一系列描述脉冲星信号发射、传播时延以及时间改正的数学方程，以扣除各种物理过程对信号传播的影响。为了获得精确的模型参数，一般需要数年乃至10年以上的观测，而精确的计时模型一旦得到，就可以建立脉冲星时间。

3、作为一种天文信号，脉冲星辐射的脉冲在传播中受到多种因素的影响，导致以此确定的脉冲到达时存在波动，并使得建立起的脉冲星时间存在噪声。脉冲星时的噪声以白噪声与低频噪声为主，其中白噪声水平目前要高于原子钟信号及其导出时间尺度。为了提高脉冲星时的稳定度，需要使用某些方法降低噪声水平，这一般是通过对多颗星的观测数据进行综合来实现。综合脉冲星时的基本原理是基于不同脉冲星噪声生成过程的不相关性，使用某些算法消去不相关噪声，从而得到参考某种时间尺度下的共性信号，再通过加权平均，进一步降低噪声水平。根据已有研究，降低了噪声的综合脉冲星时能够成功检测出tai的波动，体现出其重要的应用价值。

4、当前，建立综合脉冲星时的基本方法有维纳滤波法、贝叶斯法等。维纳滤波法的计算相对简单，易于快速实现，其原理是通过对不同脉冲星计时残差做相关运算，得到被检测信号统计特性的估计，再利用其对每颗脉冲星的残差进行滤波，最后对滤波结果做加权平均。维纳滤波法存在的问题是当多颗脉冲星中有几颗具有较高噪声水平时，建立的综合脉冲星时亦会存在很高的噪声，导致直接淹没被检测信号。改进信号能量估计方法，并合理取权，是利用维纳滤波法构建综合脉冲星时的关键。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，根据低噪声脉冲星残差间的互相关对信号能量的估计，调整高噪声脉冲星残差互相关(互功率谱)量级，保证每组残差滤波结果的波动水平均不高于参考时信号的波动水平；同时，根据不同脉冲星残差对微小信号改变的敏感度确定权值，使综合脉冲星时能正确跟随参考时间的变化而变化。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

3、1)利用初始模型，将参考时改为tt(bipm)，利用已有数据拟合模型直至拟合前、后残差的均方根相等，得到精确的模型参数；更改参考时为被监测参考时，得到拟合前计时残差；

4、2)对第1)步得到的拟合前计时残差在连续的设定时长内做平均，得到若干个残差点；

5、3)对第2)步得到的残差点拟合并去除2次项；

6、4)估计互功率谱上界；根据互功率谱上界计算并调整所有互功率谱，使所有互功率谱在指定的低频区间内不超过所述上界；给出所有的互功率谱估计后，对确定互功率谱上界的两组残差，使用其所计算出的互功率谱进行滤波，而对其余残差，使用所有互功率谱的算术平均进行滤波；

7、5)向每组残差中加入一个微小信号，信号的幅度取为参考时信号波动的量级估计，计算各组残差加入微小信号前后的相关系数，并以非相关系数的归一化值作为每颗星的权重；

8、6)利用得到的权重，对每颗星的滤波结果进行加权，最终得到综合脉冲星时。

9、所述的第2)步平均残差点位于每个区间的中点，得到等间隔分布的若干个残差点。

10、所述的第4)步使用ar模型或使用周期图法估计互功率谱上界。

11、所述的第4)步中如果两种方法给出的互功率谱上界一致，或两种方法给出的互功率谱上界不一致但残差中无明显低频周期成分，即在低频区间内的谱形未均呈尖峰型，则使用ar模型法；如果两种方法给出的估计不一致，且残差中存在明显低频周期成分，即在低频区间内的谱形均呈尖峰型，则使用周期图法。

12、所述的第4)步中低频区间根据互功率谱上界与计算出的各互功率谱的谱形确定，取为0频率点至转折频率，转折频率指超过该频率后互功率谱上界为白噪声谱，或取为互功率谱上界主峰的半高频率区间，使得最终计算出的互功率谱在低频区间内与上界的量值之差小于设定值。

13、所述的第4)步中滤波公式为其中modulus{sk}表示从残差xk恢复出的信号sk的模值估计，是一个单位复数，对每颗星的残差是一个常数。

14、所述的第5)步向每组残差中加入一个单位周期正弦波。

15、本发明的有益效果是：降低了传统维纳滤波法中综合脉冲星时噪声偏高的现象，使得综合脉冲星时相对参考时间的波动量级处在正确的范围，并对参考时间的改变具有良好的敏感度。

技术特征：

1.一种基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，所述的第2)步平均残差点位于每个区间的中点，得到等间隔分布的若干个残差点。

3.根据权利要求1所述的基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，所述的第4)步使用ar模型或使用周期图法估计互功率谱上界。

4.根据权利要求1所述的基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，所述的第4)步中如果两种方法给出的互功率谱上界一致，或两种方法给出的互功率谱上界不一致但残差中无明显低频周期成分，即在低频区间内的谱形未均呈尖峰型，则使用ar模型法；如果两种方法给出的估计不一致，且残差中存在明显低频周期成分，即在低频区间内的谱形均呈尖峰型，则使用周期图法。

5.根据权利要求1所述的基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，所述的第4)步中低频区间根据互功率谱上界与计算出的各互功率谱的谱形确定，取为0频率点至转折频率，转折频率指超过该频率后互功率谱上界为白噪声谱，或取为互功率谱上界主峰的半高频率区间，使得最终计算出的互功率谱在低频区间内与上界的量值之差小于设定值。

6.根据权利要求1所述的基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，所述的第4)步中滤波公式为其中modulus{sk}表示从残差xk恢复出的信号sk的模值估计，是一个单位复数，对每颗星的残差是一个常数。

7.根据权利要求1所述的基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，其特征在于，所述的第5)步向每组残差中加入一个单位周期正弦波。

技术总结
本发明提供了一种基于维纳滤波建立综合脉冲星时的优化方法，参考时为TT(BIPM)，利用已有数据拟合模型得到精确模型参数；更改参考时为被监测参考时，得到拟合前计时残差并在设定时长内做平均，得到若干残差点；根据互功率谱上界计算并调整所有互功率谱，对确定互功率谱上界的两组残差使用其所计算出的互功率谱进行滤波，而对其余残差使用所有互功率谱的算术平均进行滤波；计算各组残差加入微小信号前后的相关系数，并以非相关系数的归一化值作为每颗星的权重；对每颗星的滤波结果进行加权，最终得到综合脉冲星时。本发明使得综合脉冲星时相对参考时间的波动量级处在正确的范围，对参考时间的改变具有良好的敏感度。

技术研发人员：张哲浩,童明雷,高玉平,赵成仕,朱幸芝
受保护的技术使用者：中国科学院国家授时中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15