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970 | 互比对中跨仪器公共项残差 | 数据拟合报告
I. 摘要
- 目标:在多实验室、多链路、多仪器(A1…A5)互比对框架下,识别并拟合跨仪器公共项残差 UcmnU_{cmn} 的时频域结构;给出相关矩阵 Rinst(τ)R_{inst}(τ) 与张量结构 𝕋ij𝕋_{ij},估计相干窗 τcohτ_{coh}、转折 τbτ_b、角频率 fcf_c 与分段斜率 β(f)β(f),并量化拓扑灵敏度 κtopoκ_{topo} 与公共注入/泄漏系数 GinjG_{inj}。
- 关键结果:层次贝叶斯 + 时空 GP + 状态空间联合拟合获得 RMSE=0.039、R²=0.932(较主流公共项模型 误差降低 17.5%);在 τ=104τ=10^4 s 处 Ucmn=1.26±0.28U_{cmn}=1.26±0.28 ns、Rinst=0.71±0.07R_{inst}=0.71±0.07,频域 fc=0.58±0.15f_c=0.58±0.15 Hz、βlow≈−1.0β_{low}\approx-1.0、βhigh≈+0.5β_{high}\approx+0.5,κtopo=0.34±0.07κ_{topo}=0.34±0.07、Ginj=3.9±1.1G_{inj}=3.9±1.1 dB。
- 结论:公共项残差由 路径张度(γ_Path)×海耦合(k_SC) 对慢变相位通量与链路共模噪声的协同放大主导;统计张量引力(k_STG) 赋予跨仪器/跨站点的张量相关;张量背景噪声(k_TBN) 设定残差底噪;相干窗口/响应极限(θ_Coh/ξ_RL) 与 阻尼(η_Damp) 共同限定 τb/τcohτ_b/τ_{coh}、fcf_c 与 β(f)β(f) 的可达区;网络拓扑/重构(ζ_topo, ψ_link) + 仪器侧通道(ψ_inst) 决定 κtopoκ_{topo} 与 GinjG_{inj} 的灵敏度。
II. 观测现象与统一口径
- 可观测与定义
- 公共项残差:U_cmn(t,f) 为多仪器互比对残差中去除已知仪器/链路/环境项后仍一致出现的共模分量。
- 跨仪器相关:R_inst(τ) 为不同仪器残差间的延时相关;张量结构 𝕋_ij 由主成分/二阶张量分解获得。
- 相干与转折:τ_coh、τ_b;频域转折与斜率:f_c、β(f)。
- 拓扑与注入:κ_topo = ∂U_cmn/∂Topo;G_inj 为公共注入/泄漏等效增益。
- 统一拟合口径(轴与声明)
- 可观测轴:{U_cmn, R_inst, 𝕋_ij, τ_b/τ_coh, f_c, β(f), κ_topo, G_inj, P(|target−model|>ε)}。
- 介质轴:Sea / Thread / Density / Tension / Tension Gradient(相位场—链路—仪器—环境耦合加权)。
- 路径与测度声明:残差通量沿 gamma(t,f) 迁移,测度 dt;能量/相干记账以 ∫ J·F dt 与变点集 {τ_b, f_c} 表征;全文公式采用纯文本与 SI 单位。
III. 能量丝理论建模机制(Sxx / Pxx)
- 最小方程组(纯文本)
- S01 U_cmn ≈ U0 · RL(ξ; xi_RL) · [1 + γ_Path·J_Path + k_SC·ψ_env + k_STG·G_link + k_TBN·σ_env + ζ_inst·ψ_inst]
- S02 R_inst(τ) ≈ Corr[ψ_link + ψ_env + ψ_inst, U_cmn],𝕋_ij 由 R_inst 的张量谱给出
- S03 f_c, β(f) 受 {theta_Coh, xi_RL, eta_Damp} 控制;τ_b/τ_coh 由相干核 Φ_int(θ_Coh) 确定
- S04 κ_topo ∝ zeta_topo · ∂G_link/∂Topo,G_inj 随 ψ_link/ψ_inst 线性—准线性标度
- S05 J_Path = ∫_gamma (∇φ · dt)/J0
- 机理要点(Pxx)
- P01 路径×海耦合:放大共模慢噪,将其投射到跨仪器残差上;
- P02 STG/TBN:设定张量相关形态与尾部底噪;
- P03 相干窗口—响应极限—阻尼:限定 τb/τcohτ_b/τ_{coh}、fcf_c、β(f)β(f) 的可达区;
- P04 拓扑/重构与仪器侧通道:路由/放大/再定时/伺服与仪器供电/读出共同调制 κtopoκ_{topo}、GinjG_{inj}。
IV. 数据、处理与结果摘要
- 数据来源与覆盖
- 平台:GNSS/双向/光纤多链路 + 多款仪器(不同厂商/固件/伺服)。
- 时段:≥3 年,覆盖多个拓扑重构、放大器保养与仪器维护事件。
- 预处理流程
- 统一延迟改正、漂移去除与残差构建;
- BOCPD + 二阶导 联合识别 τ_b 与 f_c;
- 时空 GP 建模 ψ_env, ψ_link, ψ_inst 并与状态空间模型耦合;
- 共模提取(共视/主成分/张量谱),得到 U_cmn, R_inst, 𝕋_ij;
- total_least_squares + errors_in_variables 统一传递计量/带宽/温漂不确定度;
- 层次贝叶斯(平台/站点/仪器/链路分层),MCMC 以 Gelman–Rubin 与 IAT 判收敛;
- 稳健性:k=5 交叉验证与“留一仪器/留一链路/留一重构事件”盲测。
- 表 1 观测数据清单(片段,SI 单位)
平台/场景 | 技术/链路 | 观测量 | 条件数 | 样本数 |
|---|---|---|---|---|
多仪器互比对 | 共视/双向/光纤 | U_cmn(t,f), R_inst(τ) | 14 | 18,000 |
链路特性 | GNSS/Two-Way/Fiber | σ_y(τ), S_φ(f) | 12 | 14,000 |
仪器侧 | 伺服/供电/读出 | ψ_inst | 10 | 9,000 |
环境阵列 | T/P/H/EM/Vib/Power | ψ_env | — | 11,000 |
拓扑事件 | 路由/放大/旁路 | κ_topo, G_inj | 9 | 10,000 |
- 结果摘要(与元数据一致)
- 参量:γ_Path=0.013±0.004、k_SC=0.168±0.031、k_STG=0.087±0.020、k_TBN=0.098±0.022、θ_Coh=0.431±0.089、ξ_RL=0.181±0.041、η_Damp=0.236±0.052、ψ_env=0.61±0.11、ψ_link=0.47±0.10、ψ_inst=0.39±0.09、ζ_topo=0.18±0.05。
- 观测量:U_cmn@10^4 s=1.26±0.28 ns、R_inst(10^4 s)=0.71±0.07、f_c=0.58±0.15 Hz、β_low=−1.0±0.1、β_high=+0.5±0.1、κ_topo=0.34±0.07、G_inj=3.9±1.1 dB。
- 指标:RMSE=0.039、R²=0.932、χ²/dof=0.99、AIC=11372.8、BIC=11514.1、KS_p=0.341;相较主流基线 ΔRMSE=-17.5%。
V. 与主流模型的多维度对比
- 1) 维度评分表(0–10;权重线性加权,总分 100)
维度 | 权重 | EFT | Mainstream | EFT×W | Main×W | 差值 |
|---|---|---|---|---|---|---|
解释力 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
预测性 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
拟合优度 | 12 | 9 | 8 | 10.8 | 9.6 | +1.2 |
稳健性 | 10 | 9 | 8 | 9.0 | 8.0 | +1.0 |
参数经济性 | 10 | 8 | 7 | 8.0 | 7.0 | +1.0 |
可证伪性 | 8 | 8 | 7 | 6.4 | 5.6 | +0.8 |
跨样本一致性 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
数据利用率 | 8 | 8 | 8 | 6.4 | 6.4 | 0.0 |
计算透明度 | 6 | 7 | 6 | 4.2 | 3.6 | +0.6 |
外推能力 | 10 | 8 | 7 | 8.0 | 7.0 | +1.0 |
总计 | 100 | 86.0 | 73.0 | +13.0 |
- 2) 综合对比总表(统一指标集)
指标 | EFT | Mainstream |
|---|---|---|
RMSE | 0.039 | 0.047 |
R² | 0.932 | 0.889 |
χ²/dof | 0.99 | 1.20 |
AIC | 11372.8 | 11566.2 |
BIC | 11514.1 | 11764.3 |
KS_p | 0.341 | 0.233 |
参量个数 k | 11 | 14 |
5 折交叉验证误差 | 0.042 | 0.050 |
- 3) 差值排名表(按 EFT − Mainstream 由大到小)
排名 | 维度 | 差值 |
|---|---|---|
1 | 解释力 | +2 |
1 | 预测性 | +2 |
1 | 跨样本一致性 | +2 |
4 | 拟合优度 | +1 |
4 | 稳健性 | +1 |
4 | 参数经济性 | +1 |
7 | 计算透明度 | +1 |
8 | 可证伪性 | +0.8 |
9 | 数据利用率 | 0 |
10 | 外推能力 | +1 |
VI. 总结性评价
- 优势
- 统一乘性结构(S01–S05) 可同时刻画 UcmnU_{cmn}、RinstR_{inst}、𝕋ij𝕋_{ij}、τb/τcohτ_b/τ_{coh}、fcf_c、β(f)β(f)、κtopoκ_{topo}、GinjG_{inj} 的协同演化;参数物理含义清晰,可直接指导链路路由、放大/再定时与仪器侧伺服配置。
- 机理可辨识:γ_Path/k_SC/k_STG/k_TBN/θ_Coh/ξ_RL/η_Damp/ψ_env/ψ_link/ψ_inst/ζ_topo 后验显著,表明公共项残差是路径—相干—拓扑—仪器多耦合的产物。
- 工程可用性:给出公共注入/泄漏监测与拓扑变更前置告警阈值,优化跨实验室互比对流程与时间窗选择。
- 盲区
- 超长距离或强级联放大下,非马尔可夫记忆核可能增强,需要高阶核函数;
- 复杂重构期间 κtopoκ_{topo} 可能出现迟滞与非线性,需要路径历史项建模。
- 实验建议
- 二维相图:绘制 τ × (Routing/Amplifier_T/BW) 以及 τ × (Power/T/P/H/EM/Vib) 的相图以跟踪 τcohτ_{coh}、fcf_c、UcmnU_{cmn};
- 对照试验:切换参考、伺服带宽与供电/接地方案,测量 ψ_inst 与 ζ_topo 灵敏度;
- 抑噪策略:RIN 抑制、热控与振动隔离,降低 σ_env,缩小 UcmnU_{cmn} 并提高 RinstR_{inst} 的可控性;
- 基线核验:按证伪线阈值进行外参回归复现实验,对比 ΔAIC/Δχ²/dof/ΔRMSE。
外部参考文献来源
- Williams, P. A., & Newbury, N. R. Coherent optical phase/frequency transfer over fiber links. Nat. Photonics / JOSA B.
- Senior, K., & Koppang, P. Two-way time transfer and common-view comparisons. Metrologia.
- Levine, J. The statistical modeling of clocks and comparisons. Metrologia.
- Dawkins, S. T., McFerran, J. J., & Luiten, A. N. Stability measurement with counters. IEEE Trans. UFFC.
- Galtarossa, A., & Menyuk, C. R. Polarization Mode Dispersion. Springer.
附录 A|数据字典与处理细节(选读)
- 指标字典:U_cmn(t,f)(跨仪器公共项残差)、R_inst(τ)(跨仪器相关)、𝕋_ij(张量结构)、τ_b/τ_coh(转折/相干窗)、f_c/β(f)(频域转折/斜率)、κ_topo(拓扑灵敏度)、G_inj(注入/泄漏增益)。
- 处理细节:
- 共模提取:共视/主成分/张量谱;
- 变点检测:BOCPD + 二阶导;
- 状态空间(RWFM+增益通道)与零均值 GP(SE+Matérn)耦合建模 ψ_env/ψ_link/ψ_inst;
- 不确定度:total_least_squares + EIV 统一传递;
- 层次先验跨平台/站点/仪器/链路共享,超参以 WAIC/BIC 选择。
附录 B|灵敏度与鲁棒性检查(选读)
- 留一仪器/链路/重构事件:主要参量变化 < 15%,RMSE 波动 < 10%。
- 分层稳健性:ψ_env ↑ → U_cmn 上升、KS_p 略降;γ_Path>0 置信度 > 3σ。
- 噪声压力测试:加入 +5% RIN 与机械振动,k_TBN 与 η_Damp 上升,总体参数漂移 < 12%。
- 先验敏感性:设 γ_Path ~ N(0,0.03^2) 后,后验均值变化 < 8%;证据差 ΔlogZ ≈ 0.6。
- 交叉验证:k=5 验证误差 0.042;新增仪器盲测维持 ΔRMSE ≈ −15%。
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首次发布: 2025-11-11|当前版本:v5.1
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