本發(fā)明屬于原子時(shí)標(biāo)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差值數(shù)據(jù)通過(guò)支持向量機(jī)方法得到噴泉鐘停運(yùn)時(shí)的預(yù)估數(shù)據(jù)。

背景技術(shù)：

時(shí)間頻率的研究是基礎(chǔ)科學(xué)研究中的一個(gè)重要分支，時(shí)間頻率在科研、定位系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、軍事和國(guó)家安全等方面處于舉足輕重的地位。為此世界各國(guó)大都建有自己的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)生本國(guó)的原子時(shí)標(biāo)，并參與國(guó)際比對(duì)。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院守時(shí)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)際上首次利用噴泉鐘駕馭氫鐘組產(chǎn)生地方原子時(shí)的守時(shí)實(shí)驗(yàn)室。自2007年開(kāi)始，地方原子時(shí)以氫鐘作為參考鐘，通過(guò)算法產(chǎn)生TA(NIM)，它的頻率有噴泉鐘直接駕馭。由于噴泉鐘運(yùn)行是不連續(xù)的，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院守時(shí)實(shí)驗(yàn)室用直線預(yù)估算法預(yù)估噴泉鐘停運(yùn)時(shí)的數(shù)據(jù)，使得噴泉鐘可以連續(xù)的駕馭TA(NIM)。但是真實(shí)數(shù)據(jù)并不是理想的直線，造成直線擬合的數(shù)據(jù)精度不夠，與真實(shí)數(shù)據(jù)存在較大偏差。因此，本課題研究支持向量機(jī)預(yù)估算法，旨在提高預(yù)估數(shù)據(jù)的精度，從而提高TA(NIM)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，噴泉鐘駕馭氫鐘系統(tǒng)框圖如圖1所示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，利用噴泉鐘的歷史數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)的方法預(yù)測(cè)銫原子噴泉鐘停運(yùn)時(shí)與氫鐘的頻差的數(shù)據(jù)，以提供連續(xù)的噴泉鐘數(shù)據(jù)用來(lái)駕馭氫鐘組，可得到較高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的TA(NIM)。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種利用支持向量機(jī)的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)的預(yù)估方法具體內(nèi)容如下：

第一步，在噴泉鐘運(yùn)行過(guò)程時(shí)，通過(guò)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)得銫原子噴泉鐘與氫鐘的頻差值。

第二步是對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即離群值檢測(cè)和缺失數(shù)據(jù)處理。由于原子鐘系統(tǒng)的維護(hù)、主氫鐘跳頻跳相、相位微躍器是否鎖定、溫度、濕度等都會(huì)影響原子鐘的運(yùn)行狀態(tài)，因此得到的數(shù)據(jù)并不一定是實(shí)際的頻差數(shù)據(jù)，會(huì)有一些數(shù)據(jù)點(diǎn)有較大的誤差。通過(guò)萊特準(zhǔn)則，對(duì)頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得到較好的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)，對(duì)剔除的數(shù)據(jù)用該剔除數(shù)據(jù)的前15天和后15天數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合得出該剔除數(shù)據(jù)；例如第7天的數(shù)據(jù)缺失，則用該數(shù)據(jù)的前15天和后15天數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合得出第7天的數(shù)據(jù)，有利于后續(xù)工作的進(jìn)行。

第三步，在研究原子鐘系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立頻差數(shù)據(jù)的支持向量機(jī)模型，以銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)作為輸入，對(duì)噴泉鐘停運(yùn)時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第四步，評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)誤差，利用預(yù)測(cè)誤差公式：

其中y_i表示真實(shí)值，表示預(yù)測(cè)值，E為預(yù)測(cè)誤差，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

第五步，時(shí)間頻率領(lǐng)域使用哈德瑪方差評(píng)價(jià)原子鐘鐘差數(shù)據(jù)，哈德瑪方差公式為：

其中，τ為數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間間隔，z為數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，比直線擬合預(yù)測(cè)誤差要小，其相對(duì)預(yù)測(cè)誤差從0.6614％降為0.2203％,哈德瑪方差從3.4359e-15降到1.8429e-15，預(yù)測(cè)誤差離散型也小，具有實(shí)用價(jià)值。

進(jìn)一步，所述離群值檢測(cè)是利用萊特準(zhǔn)則，檢測(cè)的原子鐘頻差數(shù)據(jù)為{x₁,x₂,x₃,…x_N-1,x_N}，樣本均值是標(biāo)準(zhǔn)偏差為萊特準(zhǔn)則是若測(cè)量值則該值為離群值，應(yīng)剔除，得到了離群值檢測(cè)之后的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，支持向量機(jī)輸入中核函數(shù)選用RBF核函數(shù)。

本發(fā)明的特征如下：

(1)能夠?qū)︿C原子噴泉鐘和氫鐘頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即離群值檢測(cè)和缺失數(shù)據(jù)擬補(bǔ)。

(2)能夠根據(jù)頻差數(shù)據(jù)的特征動(dòng)態(tài)選擇最佳的核函數(shù)和參數(shù)。

(3)對(duì)噴泉鐘駕馭氫鐘組預(yù)測(cè)中，首次使用支持向量機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)精度比直線擬合預(yù)測(cè)精度大大提高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提出了一種基于支持向量機(jī)的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，該方法與現(xiàn)行的直線擬合算法相比，其銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差預(yù)測(cè)誤差更小，數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，為提高銫原子噴泉鐘駕馭氫鐘組產(chǎn)生穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度更高的TA(NIM)提供了更高的依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1噴泉鐘駕馭氫鐘系統(tǒng)框圖

圖2 SVM預(yù)測(cè)流程圖

圖3第一組兩種預(yù)測(cè)算法結(jié)果比較

圖4第一組數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與預(yù)估值之差

圖5第二組兩種預(yù)測(cè)方法結(jié)果比較

圖6第二組數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與預(yù)估值之差

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

步驟1、對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行離群值檢測(cè)。

所述離群值檢測(cè)是利用萊特準(zhǔn)則，檢測(cè)的原子鐘頻差數(shù)據(jù)為{x₁,x₂,x₃,…x_N-1,x_N}，樣本均值是標(biāo)準(zhǔn)偏差為萊特準(zhǔn)則是若測(cè)量值則該值為離群值，應(yīng)剔出，得到了離群值檢測(cè)之后的銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)。

步驟2、由于在鐘差獲取的過(guò)程中，每個(gè)通道代表著一個(gè)型號(hào)的鐘，相同時(shí)刻不同通道的值才可以相減經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化得到鐘差，因此如果某臺(tái)鐘因?yàn)槟承┰騺G失數(shù)據(jù)，則在該時(shí)刻鐘差值也是沒(méi)有的。前對(duì)缺失值得補(bǔ)償主要擬合的方式來(lái)補(bǔ)償，具體使用的方法是利用缺失點(diǎn)的前15天數(shù)據(jù)和后15天數(shù)據(jù)做直線擬合得到。

步驟3、確定支持向量機(jī)模型的核函數(shù)和參數(shù)。根據(jù)步驟1得到的頻差數(shù)據(jù)作為支持向量機(jī)輸入。設(shè)置初始核函數(shù)，SVM關(guān)鍵是選取核函數(shù)的類型，對(duì)主要的核函數(shù)(線性內(nèi)核，多項(xiàng)式內(nèi)核，徑向基內(nèi)核(RBF)和sigmoid)分析后，認(rèn)為RBF核函數(shù)最合適，這是因?yàn)镽BF核函數(shù)可以將一個(gè)樣本映射到一個(gè)更高維的空間，比多項(xiàng)式核函數(shù)需要確定的參數(shù)少；而且對(duì)某些參數(shù)，RBF和sigmoid具有相似的性能。對(duì)輸入數(shù)據(jù)采用不同的核函數(shù)和參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，得到訓(xùn)練模型。

步驟4、設(shè)置RBF的參數(shù)。即設(shè)置c,g,e的初始值：其中，c是懲罰參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同取得值不同，默認(rèn)為1，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，c取值在2^-5～2⁵之間，通過(guò)循環(huán)判斷確定c的取值；g是RBF核函數(shù)中的參數(shù)，核函數(shù)中的σ²反映了數(shù)據(jù)的波動(dòng)性記作為g(默認(rèn)為1/k，k輸入數(shù)據(jù)中的屬性數(shù))，x是輸入的頻差數(shù)據(jù)，x_i是核函數(shù)的中心；e是SVM所允許的終止判據(jù)(默認(rèn)0.0001)，選擇規(guī)則是得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之差最小。即e是0.0001，用循環(huán)的方法選定c和g，選定c和g的范圍是2^-5～2⁵，設(shè)定步長(zhǎng)例如0.1；逐步更改參數(shù)值，得到預(yù)測(cè)值，選擇規(guī)則是得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之差最小對(duì)應(yīng)的c和g。本發(fā)明選擇的參數(shù)如表1所示。

步驟5、根據(jù)步驟3設(shè)置的核函數(shù)以及訓(xùn)練得到的參數(shù)，用每一組的訓(xùn)練模型對(duì)銫原子噴泉鐘與氫鐘頻差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)值。

步驟6、計(jì)算實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的預(yù)測(cè)誤差，同時(shí)比較了支持向量機(jī)與線性擬合的預(yù)測(cè)誤差。利用公式：評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)誤差。結(jié)果如表2所示。

步驟7、分別計(jì)算了線性預(yù)測(cè)和支持向量機(jī)哈德瑪方差，其結(jié)果如表2所示。線性擬合與支持向量機(jī)預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的比較圖如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

表1是經(jīng)過(guò)循環(huán)找到的預(yù)測(cè)誤差最小的SVM參數(shù)。其中t代表選擇的核函數(shù)類型，c,g,e均是對(duì)應(yīng)的核函數(shù)所設(shè)置的參數(shù)。

表1 SVM預(yù)測(cè)模型參數(shù)

表2兩種預(yù)估算法數(shù)據(jù)比較

本發(fā)明特征在于：

1、在數(shù)據(jù)預(yù)處理方面有離群值檢測(cè)和剔除數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)補(bǔ)償。對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，用支持向量機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生了良好的效果。

2、支持向量機(jī)使用RBF核函數(shù)，針對(duì)原子鐘鐘差數(shù)據(jù)有良好的作用。

3、參數(shù)的選擇，確定參數(shù)的范圍，使用循環(huán)比較的方法得到最適合的參數(shù)。

以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例性實(shí)施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書(shū)限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。