[发明专利]基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法

权利要求书

1.一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法，其特征是，

采用卡尔曼滤波算法与PID控制技术，利用卡尔曼滤波器对信号进行有效滤波，把滤波后的信号反馈给PID控制器，减小过程噪声和测量噪声对系统控制参数的影响，从而实现控制参数的最优化，改善控制效果，使控制系统快速趋于平稳状态，由此大幅提高原子钟系统的频率稳定度；

通过卡尔曼滤波技术对控温精度需求高的原子钟进行控温，显著改善温度对原子跃迁频率的影响，抑制系统中长期频率稳定度的漂移，由此极大提高原子钟系统的中长期稳定度；

所述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟包括：卡尔曼滤波模块、匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器、匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路、原子鉴频器、高速探测器、匹配卡尔曼滤波功能的PID控制器；

所述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法包括以下步骤：

1)将匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器发出的电磁振荡信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路，得到频率接近于原子频率的电磁波信号；

2)原子鉴频器在接收到步骤1)中产生的电磁波信号时做出响应，发射或吸收相应频率的电磁波信号；发射或吸收的电磁波信号被高速探测器接收；

3)经高速探测器输出的电信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的PID控制器中进行解算后的电信号，与对匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的电磁波信号进行测量得到的电信号，一起输入至卡尔曼滤波模块中进行滤波；

4)卡尔曼滤波模块具体利用递推的方式对每一时刻的测量值和预测值求出最小均方误差，在得出上一时刻预测值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻对下一时刻更为精确的最佳预测值估计；

5)经步骤3)卡尔曼滤波模块滤波后的信号反馈至匹配卡尔曼滤波功能的PID控制器，对PID控制参数进行最优化估计，由此产生的卡尔曼滤波伺服信号用于反馈调节步骤1)中匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器的输出频率，从而实现高频率稳定度的信号输出。

2.如权利要求1所述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法，其特征是，步骤2)中，原子鉴频器发射或吸收的相应频率的电磁波被称为共振信号；当原子鉴频器接收到电磁波信号的频率与自身频率完全相同时，共振信号最强；接收到电磁波信号的频率偏离时则共振信号减弱；根据共振信号的大小及其距离峰值的位置判断外来电磁波信号频率是否与原子频率相符及其偏离的程度。

3.如权利要求1所述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法，其特征是，步骤3)中，卡尔曼滤波模块中的滤波算法采用贝尔斯估计、回归算法或指数平滑预测方法。

4.如权利要求1所述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法，其特征是，卡尔曼模块中的滤波算法是一种递推的线性最小方差估计方法，在上一时刻得出的估计值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻的最优状态估计值；

卡尔曼滤波算法分为预测和更新过程；

预测过程具体为：假设k时刻为当前时刻，按照k-1时刻的预测值来估计k时刻系统的状态，得出系统在k时刻的预先估计值；

更新过程具体为：在k时刻通过测量仪器测量出系统的当前值，并对其预先估计值进行校正更新，得出k时刻的预测值，并计算下一时刻(k+1时刻)的预先估计值。