國家時間頻率體系數據集
| 國家時間頻率體系數據集 作者：章宇 王燕平 袁海波 董紹武 2019年12月10日 |
 章宇, 王燕平, 袁海波, 董紹武. 國家時間頻率體系數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2019-12-10). DOI: 10.11922/csdata.2019.0077.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：標準時間頻率系統是國家重要的戰略基礎設施，在國民經濟和國家安全方面起着基礎保障作用。時間頻率數據資源是國家重要信息資源之一，推動着時間頻率中守時、授時和時間頻率應用的發展。在大數據融合的背景下，國家時間頻率體系數據集在中國科學院科學大數據工程項目支持下應運而生。本數據集通過依託中國科學院國家授時中心（NTSC）定期向國際權度局（BIPM）提交我國國家標準時間系統測量比對數據、國際權度局國際原子時（TAI）歸算數據、全球各守時實驗室保持的本地時間UTC(k)與協調世界時(UTC)的偏差數據，及各實驗室原子鐘在國際原子時歸算中所占的權重公報（w公報）、速率公報（r公報）等數據，通過數據字典匹配，生成TAI(k)、UTC(k)、參與TAI歸算的原子鐘權重、速率等數據集。此外，數據集擴展包括《時間頻率公報》電子版以及收集到的國際地球自轉服務機構（IERS）公布的地球自轉A、B、C、D公報相關內容。本文詳細介紹了權重數據集和速率數據集計算生成過程，時頻公報及地球自轉公報數據採集過程和數據結構，隨後進行了數據質量控制分析，驗證數據集的有效性，最後闡述了數據集的數據應用方法，明確了數據集對時頻技術的推動作用，從原子鐘性能評估、原子時尺度計算、守時系統性能評估等多方面展開介紹。目前數據集為2018–2019年數據，採用時頻科學數據規程控制數據質量。未來，隨着數據庫資源的不斷完善，國家時間頻率體系數據集可以為時頻科學研究及國家標準時間頻率用戶提供更加豐富準確的基礎科學數據支持。
關鍵詞：時頻體系；原子鐘權重；原子鐘速率；NTSC時頻公報；地球自轉公報；數據質量
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: The standard time-frequency system is an important strategic infrastructure of the country, and it plays a fundamental role in safeguarding the national economy and national security. Time-frequency data is one of the important national information resources. The national time and frequency system dataset includes TAI (International Atomic Time), UTC(NTSC) (Coordinate Universal Time maintained by National Time Service Center of Chinese Academy of Sciences), atomic clock weights, atomic clock rates, the electronic version of the Time and Frequency Bulletin released by NTSC and the Earth Rotation Bulletins A, B, C, and D published by the International Earth Rotation Service (IERS), etc. This paper introduces the calculation and generation process of atomic clock weight dataset and rate dataset, the data acquisition process and data structure of time-frequency bulletin and earth rotation bulletins, the data quality control analysis, the validity of the dataset, etc. It also introduces the application of the dataset from the aspects of atomic clock performance evaluation, atomic time scale calculation, and time-keeping system evaluation, etc. The current dataset contains data from 2018 to 2019. The data quality is controlled through time-frequency scientific data processing procedures. In the future, with the continuous improvement of dataset resources, national time-frequency system dataset can provide more abundant and accurate basic scientific data for time-frequency scientific research and national standard time-frequency users.
Keywords: time-frequency system; atomic clock weight; atomic clock rate; time-frequency dataset; earth rotation bulletins; data quality
數據庫（集）基本信息簡介[編輯]
| 數據庫（集）名稱 | 國家時間頻率體系數據集 |
| 數據作者 | 章宇、王燕平、袁海波、董紹武 |
| 數據通信作者 | 袁海波（[email protected]） |
| 數據時間範圍 | 2018–2019年 |
| 地理區域 | 全國 |
| 數據格式 | *.xls *.txt |
| 數據服務系統網址 | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/917 |
| 基金項目 | 中國科學院信息化專項科學大數據工程（XXH135） |
| 數據庫（集）組成 | 數據集由7部分數據組成，主要包含原子鐘權重、原子鐘速率、NTSC時頻公報、地球自轉公報A報、地球自轉公報B報、地球自轉公報C報、地球自轉公報D報。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | A dataset of national time and frequency system |
| Data corresponding author | Haibo Yuan ([email protected]) |
| Data authors | Yu Zhang, Yanping Wang, Haibo Yuan, Shaowu Dong |
| Time range | 2018–2019 |
| Geographical scope | Nationwide |
| Data format | *.xls *.txt |
| Data service system | <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/917> |
| Source of funding | CAS informatization project during the Thirteenth Five-Year Plan (XXH135) |
| Dataset composition | This dataset consists of seven parts of data, atomic clock weights, atomic clock rates, NTSC time-frequency bulletin, Earth Rotation Bulletins (A, B, C, and D). |
引 言[編輯]
時間是目前基本物理量中測量精度最高的物理量，在科學技術研究、發展與應用中具有基礎性作用，同時標準時間頻率信號具有實時服務的重要職能，因此時間頻率的作用不僅在基礎領域研究、工程技術領域的探索方面，而且對於國民經濟、社會民生等方方面面都有重大影響。中國科學院國家授時中心（NTSC，下簡稱國家授時中心）是我國的標準時間、標準頻率的產生、發播單位，在我國時頻科學領域有着舉足輕重的作用，為國民經濟建設做出了重大貢獻。國家授時中心產生並保持有我國時間頻率大量科學數據，匯集建設國家時頻科學數據集並進行發布共享，不僅對於基礎的時間頻率相關領域研究有重大意義，同時對於時頻設備的製造、導航技術的研究也能夠提供豐富的時頻基礎數據支持。在實現學科數據大融合的背景下，國家時間頻率體系數據集的建設對於促進科技創新和經濟社會發展有重大作用，填補了時間頻率學科科學數據集建設的空白。
國家授時中心有多台高性能原子鐘，是參與全球國際原子時歸算的重要實驗室[1]。國家授時中心每周向國際權度局（BIPM）發送每天UTC 0 h的原子鐘比對數據，BIPM通過遠程時間比對鏈路獲得包括UTC (NTSC)在內的全球各守時實驗室原子鐘與國際比對中心站UTC (PTB)的時差，運用加權平均算法得到自由原子時（EAL），隨後經過聯合噴泉鍾校準得到國際原子時（TAI），進而得到UTC與各守時實驗室UTC (k)的偏差、各守時實驗室原子鐘一個月的平均速率值、權重值，以w公報及r公報形式，每月月初通過BIPM網站發布，本月發布數據為上月計算結果。本論文依據BIPM公布的2018–2019年原子鐘的權重、速率報文，通過數據字典匹配關係得到UTC (NTSC)的原子鐘權重、速率信息，收集國家授時中心每月出版的時間頻率公報以及國際地球自轉服務機構（IERS）公布的地球自轉公報相關內容，對數據進行校驗、規範化處理，形成數據集。
本文詳述了國家時間頻率體系數據集數據產生的過程、數據的結構、數據的預處理、同時驗證了數據集的有效性，對於數據集的價值也進行了一定的闡述。此外，對於時頻數據集的未來發展，如在多模導航系統兼容及互操作等方面應用進行了介紹。在生成數據集，管理數據集的過程中，同時形成數據管理規範，進而控制時頻科學數據質量，為更好地實現時頻科學數據共享提供強有力支撐，也為數據用戶提供完整的時頻科學數據服務提供保障。
1 數據採集和處理方法[編輯]
UTC (NTSC)守時系統本地比對系統及遠程時間比對鏈路比對數據產生的原理如圖1所示。UTC (NTSC)每隔一個小時進行一次主鍾與各守時原子鐘的比對，並將所得的鐘差比對結果採集存儲於數據庫中，文件命名為mc及jm，更新頻率為每小時一次。這是源數據，每周向BIPM發送一次前一周測量的UTC早上八點比對數據，BIPM獲取到全球各實驗室數據，經過歸算得到權重、速率報文。我們在BIPM官網下載數據報文，並對數據報文信息提取、整合，隨後得到我們的原子鐘權重、速率數據集。
此外，國家授時中心通過統計我國長波授時台（BPL）時間信號、短波授時台（BPM）的UTC、UT1時號等相對於UTC(NTSC)的發播時間[2]、採集BIPM公布的Circular-T公報協調世界時UTC與國家授時中心保持的協調時世界時UTC(NTSC)、綜合原子時UTC(JATC)偏差等形成時頻公報，通過獲取到時頻公報電子版進行整理形成時頻公報數據集。
通過在IERS官網下載地球自轉參數報文，完成地球自轉公報數據採集。
圖1 NTSC守時比對系統原理圖
1.1 數據採集方法[編輯]
1.1.1 原子鐘速率數據的產生過程[編輯]
BIPM接收到國家授時中心在內的全球參與國際原子時TAI歸算的各守時實驗室的鐘差數據、以GNSS PPP（全球衛星導航系統精密單點定位時間傳遞）和TWSTFT（衛星雙向時間頻率傳遞）等遠距離時間頻率比對技術得到的UTC(PTB)與UTC(NTSC)的相位偏差[3]，以此二者為數據基礎利用ALOGOS算法[4]可以計算得到自由原子時EAL，對EAL經過校準得到國際原子時TAI。由國際原子時TAI與世界時UT1[5]協調獲得協調世界時UTC。經過換算可以得到UTC與UTC(NTSC)的相位偏差，結合UTC(NTSC)和原子鐘clock(i)鐘差數據，可以求得UTC相對NTSC的各台原子鐘clock(i)相位差，對此數據進行最小二乘擬合可以得到NTSC各台原子鐘相對於UTC的速率。
1.1.2 原子鐘權重數據產生原理[編輯]
首先，利用之前一個月迭代計算出的權重作為本次計算的權重，然後計算出圖片。
圖片 （1）
其中圖片表示第圖片台鐘，圖片表示計算的時間間隔。隨後求出圖片。
該算法認定新的測量數據更具有可靠性，所以利用如下公式求出方差：
圖片 （2）
其中，圖片表示第圖片台鐘，圖片表示計算間隔，圖片代表月份（範圍是5–12月，5個月是一台鐘參與UTC計算的最小周期，而一年12個月則是標準的觀測周期[6]）。
則可以得到原子鐘的權重如式（3）：
圖片 （3）
由於該算法強調可預測性，當一台鐘可預測性較好的時候會占據較大的權重，一旦該鐘出現故障，則系統的可靠性就會大大降低，因此引入最大權限值的規則，即當原子鐘圖片的權重超過最大權限值的圖片的時候，值為圖片。
此外，當一台鐘的性能變差的時候，如檢驗實際鐘速和預報鐘速，當實際的鐘速與預測鐘速超過5 ns/day，即在計算間隔內預報鐘差與實際鐘差的計算結果超過150 ns則該鐘不取權重。採用這種方法可剔除參與UTC計算1%的鐘數[6]。
以上權重、速率值是每台原子鐘每月對應一個值。可通過BIPM官網下載相關報文，隨後人工上傳數據庫[7]，數據庫經過數據字典匹配自動採集NTSC對應約化儒略日、對應鐘號的權重、速率值，至此，權重、速率數據集生成，可為客戶共享查詢隨後導出為xlsx文件。
此外，國家授時中心多年來積累了大量的時間頻率科學數據，目前以文本文件的形式保存，整合後以時間頻率公報定期公開出版發行，時間頻率公報數據的採集整合是通過對Excel格式的《時間頻率公報》進行收集形成的，以便於用戶的下載以及使用。國家授時中心具有長期的國際合作經驗，在數據自動化傳輸方面技術已經成熟可靠，能夠保障現有數據的完整性、準確性。
地球自轉公報數據集主要採集方法是收集、整合、上傳數據庫。
1.2 數據預處理[編輯]
鐘差比對結果出現異常值，及由於斷電或者是採集程序的故障引起數據缺失會使得一個正常的鐘獲得不合理的評估，使得較好的鐘反而獲得較小的權，因此，在報送BIPM之前需要對數據進行預處理。
對於異常值剔除採用萊特準則，原理如下：
首先對實測鐘差數據進行擬合為圖片，則實測值與擬合數據的殘差為：
圖片 （4）
以殘差為基礎值，隨後計算方差：
圖片 （5）
假設在圖片時刻，滿足式(6)條件：
圖片 （6）
則視圖片為檢測出的異常值，隨後以擬合值替代異常值：
圖片 （7）
對於原子鐘比對結果的缺少值可利用線性插值或最小二乘擬合[8]，其實質是求解二次多項式係數，二次項係數對應的是頻漂，一次項係數對應的是擬合鐘速。以此方法補齊缺失數據，使得數據完整性得到保障進而提高計算結果的準確性。
1.3 數據規範化處理[編輯]
對於採集到的數據進行人工的核驗工作，數據量小的時候採用遍歷的方法，如果對應原子鐘標號有數據缺失，再次進行導入報文操作，對於導入時系統出現錯誤提示，則需檢測報文是否完整、格式是否正確，數量大的時候可以通過採取抽檢的方式或是依據文件約化儒略日日期來確認文件採集更新是否正常。需要明確的數據集更新頻率標準是BIPM的權重w公報每月更新一次，BIPM的速率r公報每月更新一次，NTSC時頻公報每月更新一次，地球自轉公報A報每周更新一次，地球自轉公報B報每月更新一次，地球自轉公報C報按需更新，地球自轉公報D報按需更新。
2 數據樣本描述[編輯]
由上介紹，BIPM公布的r公報、w公報的數據來源是包括NTSC在內的全球各國和重要地區守時實驗室的原子鐘比對結果，以及通過遠距離比對技術溯源到國際時間比對匯聚中心PTB的比對結果，兩者結合獲得的。
BIPM原子鐘速率計算周期為一個月，每月初公布上月相關約化儒略日對應的速率計算結果，單位為ns/day。其中，鐘的編號不同數字對應了不同的鐘的類型，其中35-表示銫原子鐘、40-表示氫原子鐘，這兩種守時原子鐘占據了NTSC鍾類型的絕大多數守時原子鐘，此外還有其他的鐘類型。報文形式如圖2所示[9]：
圖2 BIPM公布r報（UTC(NTSC)）
原子鐘權重的大小是國際原子時歸算時的參數和衡量原子鐘長期性能水平的標誌[10]。根據原子鐘的性能確定其權重，可以充分發揮性能優良的原子鐘優勢，以及在原子時計算中的重要地位。BIPM原子鐘重計算周期為一個月，每月初公布上月相關約化儒略日對應權重的計算結果。報文形式如圖3所示[9]：
圖3 BIPM公布w報（UTC(NTSC)）
隨機選取NTSC的6台高性能原子鐘，其中，氫鍾3台，銫鐘3台，分析2019年權重分布情況，相關結果如圖4所示。由圖可得銫鐘所占的權重普遍較小，氫鍾所占權重普遍較大，這是由於2014年後BIPM改進ALGOS算法更強調原子鐘的可預測性，如果原子鐘頻率變化幅度穩定可預測性較強則原子鐘的權重占比較高。氫鐘的短期穩定度較好，雖然有頻漂但漂移穩定，可預測性較強。銫鐘長期穩定性好，短期穩定性較差、頻漂不穩定難以預測，故氫鍾所占的比重整體高於銫鐘所占比。
圖4 氫銫原子鐘的權重分布
依據速率數據集，可分析原子鐘每月的速率變化情況，即頻漂情況。如果速率變化較大則說明原子鐘的性能下降，即原子鐘運行不穩定；反之，則說明原子鐘運行良好。
時頻公報數據集數據結構除以上介紹外，還包括美國導航衛星全球定位系統（GPS）的時間信號等相對國家授時中心協調世界時系統UTC(NTSC)的時差數據，同時還有地方原子時TA(NTSC)與UTC(NTSC)的相位偏差，國際地球自轉服務機構（IERS）提供的地球自轉參數的最終確定結果，同時還有相對IERS的UT1系統，利用我國短波授時系統給出了世界時時號的改正數，計算了以JYD為原點的地極坐標等[2]。以此公報為基礎，整理並發布。
國際地球自轉服務機構（IERS）A公報主要給出地球方向參數、世界時UT1與協調世界時UTC差值及其每日間隔的誤差、對未來1年的預測值，地球自轉B公報主要提供了有關地球方向的最新信息，包括世界時間，地球極坐標和天極偏移，地球自轉C公報主要是提供UTC的閏秒信息，以及協調世界時UTC與國際原子時TAI的相對差值、地球自轉D公報則是給出UT1與UTC的差值，並在一定精度範圍內發送[11]。
3 數據質量控制和評估[編輯]
為驗證時間頻率數據集的有效性，運用2019年4月整月原子鐘比對數據為研究樣本，以兩台氫原子鐘、兩台銫原子鐘為研究對象，鐘差數據扣除常數轉為納秒單位表徵，得到結果如圖5所示：
圖5 氫原子鐘和銫原子鐘鐘差對比圖
由圖5，觀察相較銫原子鐘氫原子鐘存在長期頻率漂移，但較為穩定。
隨後依據氫原子鐘及銫原子鐘比對數據計算ALLAN方差[12]進行穩定度的分析，結果如圖6所示。
圖6 氫原子鐘H340和銫原子鐘Cs2142的穩定度結果
由圖6，可以看出，氫原子鐘的短期穩定度較好，而銫原子鐘的長期穩定度較好。
由於BIPM新的原子鐘權重算法要求強調「好鍾」，為原子鐘的可預測性好，所以驗證了以上權重數據集氫原子鐘權重普遍較高、甚至部分接近滿權值的正確性，證明了數據的有效性。
4 數據價值[編輯]
國家時頻體系數據集不僅包含國內時頻相關數據，而且包含國際重要時頻科學數據，數據來源較為廣泛，包括BIPM、國際地球自轉服務機構（IERS）、NTSC等。同時在數據的採集加工過程中、數據質量的把控中形成了數據管理質量體系規範。
國家時頻體系數據集的發布與共享，可進一步促進我國時頻科學領域的研究，提高時頻科學數據應用水平。其數據價值主要包含三個方面，一是對於守時實驗室守時能力的評估，守時實驗室參與計算國際原子時（TAI）的原子鐘數量越多、原子鐘權重取值越大，說明守時實驗室的影響力越大，同時依據BIPM Circular-T公報中UTC與UTC(k)偏差數據，可評估守時實驗室守時能力的強弱，如依據國家授時中心時頻公報數據集可以得出2018–2019年UTC(NTSC)相對於UTC的相位偏差保持在圖片之內，進而可分析UTC(NTSC)的短期性能和長期性能，具體如圖8所示，結合BIPM Circular-T公報數據集可以比較得出國家授時中心的守時水平已居於世界前列。二是對於原子鐘性能的評估，由BIPM守時原子鐘權重數據集可以直觀得出每台原子鐘的性能差異，也可以以BIPM守時原子鐘速率、權重數據集為基礎計算原子鐘的ALLAN方差[13]，評估原子鐘的長期穩定度和短期穩定度。此外還可開展異常值研究，如頻率、相位跳變和頻漂等。三是對於時間尺度[14]的研究，利用時間頻率數據集資源，獲得原子鐘權重、速率數據和鐘差數據，開展原子時尺度研究，可驗證ALOGOS、AT1或全新設計的時間尺度算法，為提高原子時的保持水平、保障其穩定性、獨立性，更好地駕馭控制本地標準時間的輸出、提高守時能力發揮重要作用。
圖7 UTC(NTSC)相對於UTC的相位偏差
未來，隨着時間頻率數據集的不斷完善、共享，其意義將愈加深遠，如研究範圍將從時間頻率信號產生、時間尺度建立、時間頻率傳遞、時間頻率測量、時間頻率應用等各方面擴展延伸，可以開展時頻系統誤差分析研究，從而進一步促進我國守時、授時發播水平的提高，並為天基與地基多模導航技術研究提供重要的數據支撐。
參考文獻[編輯]
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數據引用格式[編輯]
章宇, 王燕平, 袁海波, 董紹武. 國家時間頻率體系數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-11-28). DOI: 10.11922/sciencedb.917.
