时间频率科学数据管理控制与应用
點擊上方藍字關注我們
時間頻率科學數據管理控制與應用
章宇1,2,?袁海波1,2,3,?王燕平1,2,?董紹武1,2,3,?張繼海1,2,3
1?中國科學院國家授時中心，陜西 西安 710600
2?中國科學院時間頻率基準重點實驗室，陜西 西安 710600
3?中國科學院大學，北京 100049
?摘要：時間頻率系統已經成為國家的戰略資源，時間頻率科學數據的應用涉及通信、電力、交通、戰事等方面，因此時間頻率科學數據的統籌梳理、管理控制、應用分析具有重要的現實意義。首先對時間頻率科學數據進行分類分級，同時制定數據共享策略，詳述時間頻率科學數據管理系統的組成架構以及時間頻率科學數據的質量控制方法；然后分析時間頻率科學數據開放共享面臨的問題，給出解決方案；最后闡述時間頻率科學數據的若干應用方向，對時間頻率科學數據的管理控制進行總結并展望。
關鍵詞：時間頻率科學數據?;?分類分級?;?系統架構?;?質量控制
論文引用格式：
章宇, 袁海波, 王燕平, 等. 時間頻率科學數據管理控制與應用[J]. 大數據, 2021, 7(6): 120-127.
ZHANG Y, YUAN H B, WANG Y P, et al. Management control and application of the time-frequency scientific data[J]. Big Data Research, 2021, 7(6): 120-127.
1 引言
高精度時間頻率是國家重要的戰略資源，精密時間/頻率信號對國民經濟建設、科學研究、社會生活等方面產生了至關重要的影響。從科技研究領域（如天文學、地球動力學、物理學等）到工程技術領域（如信息傳遞、電力輸配、深空探測、空間旅行、導航定位、武器實驗、地震監測、計量測試等），再到民生領域（如交通運輸、金融證券、郵電通信）等，時間頻率涉及生活的方方面面。
中國科學院國家授時中心（National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences，NTSC）作為我國標準時間、標準頻率的發播單位，在長期的時間保持過程中，積累了大量的時間頻率科學數據，這些數據包含國家標準時間基準系統原子鐘測量比對數據、遠程溯源比對數據、授時監測數據、國際原子時合作數據等與時間頻率信號的產生、保持、發播過程相關的數據。本文探討如何對時間頻率科學數據進行統籌管理、科學運用，以期為進一步提高我國守時、授時發播水平提供支撐，為多模導航系統兼容及互操作提供基礎保障，同時為我國參與國際標準時間——協調世界時（coordinate universal time，UTC）的計算提供更有效的依據。
2 時間頻率科學數據的管理控制及共享機制
2.1 時間頻率科學數據的分類分級管理與共享
國務院辦公廳于2018年3月印發的《科學數據管理辦法》要求要遵循分級管理、安全可控、充分利用的原則，對時間頻率科學數據進行分級管控，以提高時間頻率科學數據的管理效率。時間頻率科學數據的分類分級分為如下兩步。
首先對時間頻率科學數據進行類型劃分。時間頻率科學數據主要分為國家標準時間基準系統測量比對數據、時間頻率公報數據、國際權度局（Bureau International des Poids et Mesures， BIPM）公布數據、國際地球自轉服務（international earth rotation service， IERS）數據、國際全球衛星導航系統服務（international global navigation satellite system service，IGS）數據。其中，國家標準時間基準系統測量比對數據包括守時系統原子鐘測量比對數據、國際時間同步鏈路比對數據；時間頻率公報數據包括長/短波授時監測相關數據、時號改正數及國際時間頻率相關科學數據資料、國內外主要授時服務系統的授時監測結果；BIPM公布數據主要包括UTC數據、國際原子時（international atomic time， TAI）數據以及原子鐘權重、速率、頻率漂移數據，其中，國際原子時是由全球80多個實驗室500多臺原子鐘運用加權平均算法計算得到的自由原子時通過基準鐘校準后獲得的；IERS數據主要包括地球自轉相關參數、閏秒等信息，其中閏秒可保障UTC與世界時的偏差不超過一定的范圍；IGS數據主要包括GPS、北斗導航的精密星歷、極移日常變化量等。
隨后，進行時間頻率科學數據的分級。時間頻率科學數據的級別分為核心科研數據、臨時數據、公開發行數據3級。第一級為核心科研數據，主要指時間頻率科學數據分類中的國家標準時間基準系統測量比對數據，即守時系統原子鐘測量比對數據、國際時間同步鏈路比對數據，這部分數據是原始數據，在使用時需要進行預處理操作，普通用戶未對該數據結構及特性進行梳理就直接使用，分析得出的結論可能會有一定的偏差，因此這部分數據需要認證使用，同時使用后需進行歸檔處理。第二級為臨時數據，主要包括時間尺度計算、主鐘系統駕馭處理、穩定度計算等過程分析、實驗數據，其中，時間尺度指以原子鐘測量比對數據為基礎進行加權平均運算形成的更加穩定可靠的時間參考數據。實驗室通常選擇一臺性能優良的原子鐘作為主鐘，同時依據駕馭量對其輸出進行修正，使其更接近協調世界時，其中主鐘及駕馭設備構成了主鐘系統。第二級數據主要供專業時間頻率工作人員科學研究使用，因此不進行發布，用戶若有需求，需提出申請并得到認證后才能被授權使用。所有用戶在使用數據時需要按照規范標注引用。第三級為公開發行數據，包括時間頻率科學數據分類中的時間頻率公報數據、BIPM公布數據、IERS數據、IGS數據，這部分數據經過數據字典匹配得到本地實驗室數據后，進行共享發布，用戶可以下載查看并使用，這里的數據字典包括本地原子鐘鐘號、實驗室編號等字段。
2.2 時間頻率科學數據管理系統架構
時間頻率科學數據管理系統架構被劃分為表示層、應用層、數據訪問層3層，依據組件化方式進行系統的設計。數據訪問層模塊包含文件的導入導出模塊、數據庫訪問模塊、日志記錄模塊，應用層主要包含數據服務模塊和內部管理模塊，其中數據服務模塊包含數據分級后的比對數據、BIPM公布數據、公報數據，內部管理模塊主要涉及設備管理（原子鐘增加/退出）、用戶管理、系統配置等，具體如圖1所示。
圖1???時間頻率科學數據管理系統架構
表示層、應用層、數據訪問層3層體系結構將數據與程序、數據控制、應用邏輯分層獨立管理，能更嚴格地控制信息訪問，對權限的劃分更加準確、靈活、嚴格，數據庫位于底層（即數據訪問層）部分，不會直接暴露給用戶，可以有效地提高時間頻率科學數據管理系統的安全性。整個系統由表示層、應用層、數據訪問層3層以及每層中的各個組件構成，這些組件之間以及層與層之間的信息傳遞是完整的，但是對用戶是透明的。需要特別注意的是，應用層的數據服務模塊依據第2.1節的時間頻率科學數據的分類分級結果進行模塊劃分，對于用戶而言，搜索、查看、導出等功能使用便捷、流暢。
2.3 時間頻率科學數據的質量控制
為了保障時間頻率科學數據輸出的準確穩定、有效可靠，需要在時間頻率科學數據采集、處理、存儲、校驗各個環節進行質量控制。在采集數據時，對數據文件進行標識和備份（標識和備份依據約化儒略日（modified julian date，MJD）、原子鐘鐘號、鐘的不同類型等信息進行操作，其中MJD為時間頻率領域常用的日期時間表示方式），其一方面保障了數據采集的完整性，另一方面保障了數據采集過程的安全性。此外，數據采集的頻率依據數據比對頻率、公報公開發行頻率進行設定。數據采集后需要進行預處理，包括對數據進行異常值檢測以及缺失值判斷，隨后剔除奇異值，通過數學擬合算法補充缺失值、替換異常值，保障數據的連續性及有效性。最后將數據集中統一存儲并進行校驗，校驗主要針對的是數據文件是否缺失，可根據文件的版本號、流水號、公報編號、原子鐘編號、年月日/MJD等信息進行校驗。
3 時間頻率科學數據開放共享面臨的問題及解決方法
3.1 時間頻率科學數據開放共享面臨的問題
在推進時間頻率科學數據開放共享的過程中面臨一些困難挑戰，主要有以下幾個方面。
首先是數據集種類的局限性。目前生成的時間頻率科學數據集種類不夠豐富，主要側重的是對本地守時系統比對數據的采集，其中本地守時系統指本地守時實驗室實現原子鐘測量比對、駕馭控制，最終輸出時間頻率信號的時間系統。由國際鏈路比對結果形成的數據集相對較少，而這部分數據體量較大，種類也較為豐富，需要進一步加強該部分數據集的采集，這是守時工作的重要部分。
其次是數據個性化服務問題。不同行業的人群對時間頻率科學數據的訴求深度不同，因此需要為用戶提供個性化服務，如普通用戶更側重于科普數據的需求，如世界時（universal time，UT1）、UTC、TAI、閏秒、不同類型守時型原子鐘的特性參數等數據；時間頻率相關科學研究更注重需求原子鐘的比對結果，如本地原子鐘的權重、速率、頻率漂移等數據。然而目前未對數據共享進行個性化的區分。
再次，由于時間頻率科學數據本身的特殊性，用戶在不了解數據結構特性的前提下使用數據，可能會造成計算結果的偏差。因此，指導用戶了解并合理使用時間頻率科學數據也是至關重要的。目前此部分未有相關的服務。
最后，時間頻率科學數據的安全也需進一步保障。目前數據的備份操作僅依靠系統自動備份軟件，一旦出現存儲介質失效、服務器故障等情況，備份過程將中斷、備份數據會缺失，導致守時系統的可靠性、穩定性大大降低。
3.2 解決方法
下面針對上述問題提出相應處理方案。對于國際鏈路比對數據集較少的問題，未來將增加標準RINEX觀測數據集（一種標準的數據格式）、全球衛星導航時間比對標準（common GNSS generic time transfer standard，CGGTTS）共視數據集、GNSS精密單點定位（precise point positioning，PPP）數據集等國際鏈路數據集，以促進遠距離時間比對研究。
對于用戶個性化服務問題，在統籌用戶權限時進行規劃，依據科研用戶和非科研用戶進行大類的權限劃分，隨后依據時間頻率科學數據分級分類的結果進行權限的細化，用戶在注冊申請訪問時注明用戶類型，管理員審核申請并給用戶分配相應權限。
針對時間頻率科學數據本身的特殊性導致用戶不了解數據結構特性的問題，在數據共享的同時，并行發布不同類型的時間頻率科學數據結構介紹、時間頻率科學數據詳細說明、時間頻率科學數據的分析方法，也可以以數據服務網站公告的形式發布。此外，還可以設定觸發郵件，管理員對不同問題進行針對性回復，保障用戶合理有效地使用時間頻率科學數據。
對于時間頻率科學數據的安全問題，定期進行數據的備份操作。備份計劃采取雙機熱備份，定期檢查數據備份介質是否有效，特別要求在操作系統配置更新升級的時候必須進行數據的備份。此外，針對時間頻率科學數據的風險防控，還需要對數據全生命周期進行記錄，以保障數據能夠被溯源。
4 時間頻率科學數據的應用
4.1 守時系統的相關應用
針對守時系統，時間頻率科學數據的應用主要包括守時系統狀態監測，守時系統時間預報、駕馭參考，守時實驗室時間保持能力評估3個方面，具體如下。
首先，時間頻率科學數據可被應用于守時系統狀態監測。基于時間頻率比對大數據進行分析，對原子鐘、主鐘系統、駕馭控制系統中的異常數據特征進行挖掘提取，分析并歸納總結系統關鍵部分的數據異常類型，這些故障類型一般包括原子鐘測量比對數據的缺失、頻率跳變、相位跳變，主鐘系統的頻率突變、相位突變，駕馭控制系統控制命令的有效性，系統輸出信號的穩定度、準確度變化等。先具體分析，再詳細分類，然后依據原子鐘類型、駕馭控制設備類型、原子鐘測量比對類型（頻差、相差）、主鐘類型等進行劃分，最后將劃分結果作為守時系統狀態監測的重要參考，當系統出現異常的時候，依據分析結果快速鎖定問題源頭，及時、高效地處理故障，保障守時系統的連續、穩定運轉。
其次，時間頻率科學數據可被應用于守時系統的時間預報、駕馭參考。守時實驗室的主鐘頻率源常常是一臺運行穩定、性能良好的原子鐘，原子鐘是自由運轉的，其相對于BIPM發布的UTC[6]可能有一定的頻率偏差，為了獲得接近UTC的頻率輸出，需要對主鐘系統的輸出頻率UTC(k)進行駕馭控制，即需要計算頻率駕馭量，運用原子鐘比對數據進行鐘差預報[7-8]，結合BIPM公布的交互數據（即權重、速率、頻率漂移數據）可以計算駕馭量，其中通過調節權重可充分發揮不同類型原子鐘的性能優勢。此外，BIPM公布的UTC與UTC(k)偏差（數據每五天產生一個點，每個月公布滯后的值）可分別作為主鐘系統長期駕馭量、外部駕馭量。
最后，時間頻率科學數據可被應用于對守時實驗室時間保持能力的評估。守時實驗室可通過BIPM發布的Circular-T數據、權重w報、速率r報、頻率漂移d報，匹配本地實驗室數據字典，獲得本地守時原子鐘權重數據、原子鐘相對TA I速率數據、頻率漂移數據，并結合時間頻率公報數據，利用本地原子時算法及本地時間頻率信號控制技術，產生并保持標準時間UTC(k)，UTC(k)與國際標準時間的偏差可作為評估守時實驗室守時能力的重要指標。2020年至今，UTC與UTC(NTSC)的偏差（UTC-UTC（NTSC））情況如圖2所示。
圖2???2020年至今UTC與UTC(NTSC)的偏差
此外，前面提到的原子鐘權重數據也可以從另一方面反映本地守時系統運行的穩定性，如果原子鐘普遍權重較大，則說明本地原子鐘性能穩定、可預測性良好，產生的時間尺度具有可靠性。
4.2 遠距離時間比對應用
為了保障本地時間與國際標準時間同步，遠距離時間比對常用的方法有衛星雙向時間頻率傳遞（two way satellite time and frequency transfer，TWSTFT）、GNSS共視（common view，CV）、GNSS全視（all in view，AV）、PPP、遠距離光纖比對、遠距離激光比對等。不同的比對方法具有不同的特性，通過大數據分析可以總結不同遠距離時間比對技術對應的特點以及比對精度，從而在對精度、實時性要求不同的應用場景，選擇或自由設計相應的遠距離時間比對手段或多種手段的組合。目前生成的遠距離時間比對數據集為TWSTFT數據集，該數據精度高、實時性強，對精度、實時性要求較高的應用場景具有良好的適用性。
未來，將增加PPP、遠距離光纖比對、遠距離激光比對等比對數據集，通過對其特性進行分析挖掘，將滿足更多遠距離時間比對鏈路的應用需求。
4.3 時間同步應用
在計量與校準方面，可使用時間頻率科學數據研究遠程標準時間的復現以及相關復現方法，基于分析結果實現遠距離的計量與校準。
在通信信息傳遞方面，以通信基站布設（含時間頻率同步系統）為基礎，通過通信基站與中心站或國家標準時間服務系統的遠程比對控制模塊，實現基站間相對同步，或者與國家標準時間絕對同步，從而支撐移動通信的實現。
在軍事方面，時間頻率科學數據可被應用于目標的精確打擊、目標方位追蹤、目標定位、分布式雷達系統，包括聯網觀測雷達的時間同步應用、基站間的時間同步應用等。
5 結束語
綜上，時間頻率科學數據不同于其他科學數據資源，時間頻率本身具有一定的特殊性：一是時間是目前測量最準確的物理量，二是標準時間和頻率信號具有實時應用和服務的功能。因此，開展時間頻率科學數據管理及共享應用研究旨在進一步促進國內時間頻率領域的科學研究，改進時間頻率科學數據單文本服務方式，為國家科學數據資源建設做出更大的貢獻。
作者簡介
章宇（1992-），男，中國科學院國家授時中心研究實習員，主要研究方向為時間保持技術與方法、數據處理方法。
袁海波（1974-），男，博士，中國科學院國家授時中心研究員、博士生導師，主要研究方向為時間尺度計算、高精度時間傳遞等。
王燕平（1963-），男，中國科學院國家授時中心高級工程師，主要研究方向為守時技術。
董紹武（1963-），男，博士，中國科學院國家授時中心研究員、博士生導師，主要研究方向為中國標準標準時間UTC(NTSC)產生保持。
張繼海（1988-），男，中國科學院大學博士生，中國科學院國家授時中心助理研究員，主要研究方向為全球導航衛星系統高精度時間比對與時差監測。
聯系我們:
Tel:010-81055448
? ? ? ?010-81055490
? ? ? ?010-81055534
E-mail:bdr@bjxintong.com.cn?
http://www.infocomm-journal.com/bdr
http://www.j-bigdataresearch.com.cn/
轉載、合作：010-81055537
大數據期刊
《大數據（Big Data Research，BDR）》雙月刊是由中華人民共和國工業和信息化部主管，人民郵電出版社主辦，中國計算機學會大數據專家委員會學術指導，北京信通傳媒有限責任公司出版的期刊，已成功入選中國科技核心期刊、中國計算機學會會刊、中國計算機學會推薦中文科技期刊，并被評為2018年、2019年國家哲學社會科學文獻中心學術期刊數據庫“綜合性人文社會科學”學科最受歡迎期刊。
關注《大數據》期刊微信公眾號，獲取更多內容
總結
以上是生活随笔為你收集整理的时间频率科学数据管理控制与应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
