[发明专利]一种基于改进的卡尔曼滤波的铷原子钟参数估计算法

说明书

本发明公开了一种基于改进的卡尔曼滤波的铷原子钟参数估计算法，本发明包括参与计算的数学模型的建立，并运用建立的数学模型按照一定的步骤与流程进行计算。本发明对调整参数a进一步处理，通过加入惩罚措施和幅值限制，解决参数预测可能出现较大跳变的问题。本发明具有以下有益效果：本发明通过对调整参数加入惩罚措施和幅值限制，从而在卡尔曼滤波算法的基础上提高了钟差预测精度，一定程度上抑制了滤波发散的问题。

技术领域

本发明属时间频率、信号处理技术领域，特别是涉及一种基于改进的卡尔曼滤波的铷原子钟参数估计算法。

背景技术

目前，时间频率标准以铯钟和氢钟为主，由于他们昂贵的价格和对环境的高要求，大多数用户无法接受。但在实际应用中，很多地方都需要高精度的时频标准。如在电力传输网要求时刻准确度小于±1us，频率准确度优于±1×10^-11。因此价格相对较低的铷原子钟便成了首选。

但是，铷原子存在频率偏移和老化的问题，导致输出结果逐渐偏离标准时间，不能满足时间频率精度的要求。因此，现有技术中通过卡尔曼滤波算法对铷钟进行控制，分析GPS接收机输出的信号的噪声的特性，提出适应控制铷原子钟的卡尔曼滤波器初始化参数。但现有的卡尔曼滤波算法中的预测调整参数a可能出现较大的误差，最终导致卡尔曼滤波发散，造成预测可能出现较大跳变的问题。

发明内容

本发明通过对调整参数加入惩罚措施和幅值限制，从而在卡尔曼滤波算法的基础上提高了钟差预测精度，一定程度上抑制了现有技术中的卡尔曼滤波发散的问题。

本发明的基于改进的卡尔曼滤波的铷原子钟参数估计算法采用以下技术方案进行：

一种基于改进的卡尔曼滤波的铷原子钟参数估计算法，所述铷原子钟参数估计方法包括以下模型：

S1，钟差特性

钟差数据的噪声特性会随数据采样间隔δ的不同而发生变化；原子钟的噪声有白色相位噪声、闪变相位噪声、白色频率噪声、闪变频率噪声、随机游走频率噪声5种；铷原子钟与标准参考源的差表现为如式(1)所示规律：

其中ξ(t)是噪声，受各种不确定因素的影响；a是初始时刻铷原子钟与参考源的钟差；b是初始时刻原子钟的频率与参考频率的偏差，即频率偏移；c是老化系数，它是由于铷原子钟本身参数老化引起的，在频率上表现为线性的偏离参考频率，在时间上呈二次方的趋势偏离参考时间源；

S2，传统卡尔曼滤波算法

传统卡尔曼滤波算法通过上一时刻的估计值和当前时刻的测量值对当前时刻的调整参数a，b，c进行估计；根据估计值得到铷原子钟的频率调整量，最终实现对原子钟系统的驾驭；

调整参数a，b，c构成了状态向量x_i＝[a(i) b(i) c(i)]^T，系统从第i-1次采样到第i次采样的递推公式为：

x_i＝Ax_i-1+q_i-1

(2)

其中，A表示状态转移矩阵，q_i-1为输入到系统的三维噪声，零均值正态分布且时间上互不相关；

测量向量y_i的矩阵方程表示如下：

y_i＝Hx_i+r_i

(3)

其中H为量测矩阵；r_i为一维白噪声；