賀瑞珍，屈俐俐，董紹武，趙書紅,3

?

時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢錯(cuò)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(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

為減少時(shí)間比對(duì)結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算的紙面時(shí)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(cè)與修正異常數(shù)據(jù)的方法是必要的。采用3種方法：3準(zhǔn)則法、最大差值法和3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的方法，對(duì)時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的檢測(cè)與修正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這3種方法均可實(shí)時(shí)檢測(cè)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(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的異常數(shù)據(jù)檢測(cè)與修正算法最優(yōu)。

實(shí)時(shí)檢錯(cuò)；異常數(shù)據(jù)；原子鐘；時(shí)間保持

0 引言

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（NTSC）承擔(dān)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)生、保持與發(fā)播[1]，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)由一個(gè)頻率源經(jīng)頻率駕馭獲得，而駕馭頻率源參考的時(shí)間尺度標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)時(shí)計(jì)算的紙面時(shí)間TA′(NTSC)，它的穩(wěn)定度與連續(xù)性對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的產(chǎn)生與保持有不可忽視的影響。多種因素的影響會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的相位比對(duì)數(shù)據(jù)異常[2]，即出現(xiàn)奇異點(diǎn)，如跳相、數(shù)據(jù)缺失、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等。為降低時(shí)間尺度TA′(NTSC)的出錯(cuò)率，提高UTC(NTSC)的控制精度及可靠性，通過(guò)對(duì)相位比對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，即時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)[3]并進(jìn)行實(shí)時(shí)修正是獲得正確的TA′(NTSC)的首要條件。實(shí)時(shí)解算TA′(NTSC)前，需對(duì)相位比對(duì)數(shù)據(jù)（UTC(NTSC)-Clock()）的奇異點(diǎn)進(jìn)行判斷、甄別并作合理的處理，確保比對(duì)數(shù)據(jù)的正確性、完好性。目前對(duì)奇異點(diǎn)的處理方法主要有：對(duì)大量原子鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，W. J. Riley等采用基于中位數(shù)的奇異點(diǎn)探測(cè)法[4-7]；而相頻跳變的處理中，多數(shù)算法都是通過(guò)比較在相關(guān)數(shù)據(jù)上移動(dòng)的相鄰兩個(gè)窗口的均值來(lái)實(shí)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(jì)算時(shí)，算法需在自動(dòng)檢測(cè)相位時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)的奇異點(diǎn)并盡可能反映數(shù)據(jù)的真實(shí)趨勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)時(shí)粗差剔除修正。本文提出3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法，并與最大差值法進(jìn)行分析比較，表明該算法可用于時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)中奇異點(diǎn)的實(shí)時(shí)檢錯(cuò)修正。

1 算法原理

1.1 3σ準(zhǔn)則基本原理

若隨機(jī)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(nèi)包含了99.73%的樣本空間。這就是著名的3原理（3準(zhǔn)則）[9]。

1.2 多項(xiàng)式擬合原理

2.2.4 患者意見(jiàn)未及時(shí)得到反饋 護(hù)士長(zhǎng)只有每天在早上查房時(shí)才有機(jī)會(huì)跟患者接觸，其他時(shí)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(jiàn)。

2 時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢錯(cuò)與修正算法

2.1 最大差值法

如果下式成立：

2.2 3σ準(zhǔn)則粗差剔除與修正算法

則當(dāng)前時(shí)刻的比對(duì)數(shù)據(jù)異常，需剔除并修正為下式：

2.3 3σ準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法

3 實(shí)時(shí)異常檢測(cè)、修正結(jié)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(shí)時(shí)比對(duì)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(diǎn)后，奇異點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、修正結(jié)果如圖3所示，曲線b，c，d相對(duì)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(cè)修正后的數(shù)據(jù)均可保持原始數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，其中3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法的檢測(cè)修正效果最好；當(dāng)壞點(diǎn)出現(xiàn)而滑動(dòng)窗口中的原始數(shù)據(jù)波動(dòng)較大時(shí)，傳統(tǒng)的3準(zhǔn)則對(duì)某些壞點(diǎn)的檢測(cè)修正效果不理想。對(duì)UTC(NTSC)-Cs2145比對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)粗差檢測(cè)修正前后的穩(wěn)定度分析結(jié)果如圖4所示，3種方法對(duì)原始比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)粗差檢測(cè)修正后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度均優(yōu)于原始比對(duì)數(shù)據(jù)，其中3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法檢測(cè)修正后比對(duì)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(shí)時(shí)比對(duì)數(shù)據(jù)中，加入一定數(shù)量的幅度為5ns左右的奇異點(diǎn)后，奇異點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、修正結(jié)果如圖5所示，曲線b，c，d相對(duì)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(shí)時(shí)檢測(cè)出跳相點(diǎn)和壞點(diǎn)。3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法可檢測(cè)出原始比對(duì)數(shù)據(jù)中的所有奇異點(diǎn)；當(dāng)壞點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)而滑動(dòng)窗口中的原始數(shù)據(jù)波動(dòng)較大時(shí)，最大差值法和3準(zhǔn)則粗差剔除算法對(duì)某些壞點(diǎn)的檢測(cè)修正效果不理想。對(duì)UTC(NTSC)－Cs2096比對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)粗差檢測(cè)修正前后的穩(wěn)定度分析結(jié)果如圖6所示，3種方法對(duì)原始比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)粗差檢測(cè)修正后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度均優(yōu)于原始比對(duì)數(shù)據(jù)，其中3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法檢測(cè)修正后的比對(duì)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(jié)語(yǔ)

本文的分析及結(jié)果表明，對(duì)于相位比對(duì)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(zhǔn)則法、最大差值法和3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的方法）均可實(shí)現(xiàn)奇異點(diǎn)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和修正，其中3準(zhǔn)則結(jié)合多項(xiàng)式擬合的粗差檢測(cè)與修正算法的檢測(cè)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)。

[1] 董紹武. 守時(shí)中的若干重要技術(shù)問(wèn)題研究[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2007: 59-62.

[2] 袁海波, 李瑋, 屈俐俐. 守時(shí)系統(tǒng)原子鐘測(cè)量比對(duì)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)和修正算法研究[C]//Proceedings of 2010 International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing. Xiamen: Proceedings of 2010 International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing, 2010: 253-256.

[3] 屈俐俐, 漆溢. 守時(shí)設(shè)備故障的自動(dòng)診斷和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2009, 32(1): 50-55.

[4] RILEYW J. Handbook of Frequency Stability Analysis[K]. Hamilton Technical Services, 2007: 86-96.

[5] RILEYW J. The Calculation of Time Domain Frequency Stability[K]. Hamilton Technical Services, 2002: 360-366.

[6] RILEYW J. Gaps, Outliers, Dead Time and Uneven Spacing in Frequency Stability Data[K]. Hamilton Technical Services, 2003: 5-10.

[7] RILEYW J. Frequency Jumps Detection in Stable32[K]. Hamilton Technical Services, 2008: 3-4.

[8] 馮遂亮. 原子鐘數(shù)據(jù)預(yù)處理與鐘性能分析方法研究[D]. 鄭州: 解放軍信息工程大學(xué), 2009: 1-3.

[9] 費(fèi)業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010: 44-51.

[10] 李慶揚(yáng), 王能超, 易大義. 數(shù)值分析[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2006: 68-74.

[11] BAILLIE D C, MATHEW J. A comparison of autoregressive modeling techniques for fault diagnosis of rolling element bearings [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 1996, 10(1): 1-17.

[12] BARNES J A. Tables of Bias Functions, B1 and B2, for Variances Based on Finite Samples of Processes with Power Law Spectral Densities[K]. NBS Technical Note 375, 1969.

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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11303032）

賀瑞珍，女，碩士，主要從事守時(shí)理論與方法研究。