CN109581856B - 一种基于高性能晶振频率校准的对时守时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高性能晶振频率校准的对时守时方法，该方法适用于特高压输电线路分布式故障诊断终端的时钟系统：选取北斗/GPS双模授时模块作为对时源，并计算所有授时模块的固定偏差，有效降低授时模块固定偏移。采用改进滑动平均滤波对授时模块输出1PPS进行处理，抑制授时模块1PPS抖动的同时不影响系统动态响应；采用加权最小二乘估算法，权重系数充分权衡各影响因素，使用系统估计误差得到的频率实时输出1PPS，完成整个时钟系统的对时守时方案。
Description
技术领域
本发明属于系统时钟校准技术领域，具体涉及一种基于高性能晶振频率校准的对时守时方法。
背景技术
高精度同步时钟广泛地应用在电力、通信、军工等领域。以电力二次设备为例，高精度同步时钟一方面能够提高设备采样精度，另一方面实现系统的时钟同步，从而保障整个二次系统的稳定运行。
随着导航和测控技术的发展，基于卫星授时的高精度频标驯服技术目前被广泛地应用到高精度时钟系统中，具体为：当授时模块对星成功时，利用卫星授时标准信号周期地校准高精度频标；当授时模块对星失败时，依靠高精度频标进入守时状态。
针对适用于特高压输电线路分布式故障诊断终端的高精度时钟系统，诊断终端安装于特高压线缆上，要求体积小、重量轻、功耗低、故障定位误差小于300米。这些都对时钟系统提出新的要求。
针对时钟系统的新要求，现有技术从两方面来实现：
(1)从频标选取方面：选择精度极优(优于0.1ns)的原子频标(铷钟、氢钟、铯钟等)。
(2)对授时模块1PPS信号处理方面：1PPS受到电离层和中性层折射、相对论效应、气候影响、卫星授时模块的位置和时钟偏差等，存在符合高斯分布的离散抖动和误差较大的随机跳变。为了对频标输出频率进行精确校准，需要对噪声和随机跳变进行滤波。目前基于无偏FIR、小波变换、神经网络、Kalman算法等信号处理方法的滤波算法应用较广。
现有的解决方案还存在的技术问题有：
(1)从频标选取方面：原子频标(铷钟、氢钟、铯钟等)价格十分昂贵，体积较大，功耗较大。
(2)对授时模块1PPS信号处理方面：无偏FIR、小波变换、神经网络存在模型复杂，软硬件实现成本高等问题。另外目前的很多算法对误差较大的随机跳变都没有很好的处理，存在随机跳变影响对时精度或者响应速度较慢等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于高性能晶振频率校准的对时守时方法，利用授时模块对晶振频率校准对时守时。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，其特征是，包括以下过程：
获取授时模块输出的秒脉冲与标准时钟源输出的秒脉冲之间的时间偏差值，作为授时模块的固定偏差值；
计算授时模块输出的秒脉冲与晶振输出的秒脉冲之间的时间偏差值，并对时间偏差值进行滑动滤波处理获取晶振的采样偏差值；
将采样偏差值减去固定偏差值，得到当前时刻授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差；
对秒脉冲时间差进行加权最小二乘处理得到此刻的时间差值估计值，以此时间差值估计值作为补偿值对晶振的秒脉冲进行补偿，得到最终的秒脉冲，完成对时。
进一步的，授时模块的固定偏差值取为：统计一段时间内时间偏差值的平均值。
进一步的，对时间偏差值进行滑动滤波处理获取晶振的采样偏差值具体包括：
构建一个滑动平均滤波队列；
若时间偏差值小于设定的最大采样偏差值，则将时间偏差值存入滑动平均滤波队列，并且此时间偏差值记为此刻晶振的采样偏差值；
若时间偏差值大于最大采样偏差值，则选择滑动平均滤波队列的算术平均值作为本次采样偏差值。
进一步的，若连续多个周期，时间偏差值大于最大采样偏差值，则将滑动平均滤波队列中的数据清空，并把当前采样偏差值存入滑动平均滤波队列。
进一步的，时间偏差值存入滑动平均滤波队列按照先进先出原则。
进一步的，对秒脉冲时间差进行加权最小二乘处理得到此刻的时间差值估计值包括：
加权最小二乘估计算法的权重矩阵W满足公式(1)：
N是加权最小二乘估计选择的样本个数，bi是第i个样本的可视卫星数目；
时间间隔观测值矩阵S由最近的N个授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差(s1,s2,…sN)组成，表示为公式(2)：
S＝[s1,s2,…sN]T(2)
根据以下公式(3)，计算出最近时刻的时间差值估计值
C是时间间隔观测参数矩阵。
相应的，本发明的一种基于高性能晶振频率校准的守时方法，其特征是，包括以下过程：
根据上述对时方法完成对时；
若授时模块对星失败，则用上个时刻的时间差值估计值作为当前时刻的时间差值估计值，并将该估计值作为补偿值对晶振的秒脉冲进行补偿，得到最终的秒脉冲，完成守时。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明提出了一种基于高性能晶振频率校准的对时守时方法，该方法适用于特高压输电线路分布式故障诊断终端的时钟系统：选取北斗/GPS双模授时模块作为对时源，并计算所有授时模块的固定偏差，有效降低授时模块固定偏移。采用改进滑动平均滤波对授时模块输出1PPS进行处理，抑制授时模块1PPS抖动的同时不影响系统动态响应；采用加权最小二乘估算法，权重系数充分权衡各影响因素，使用系统估计误差得到的频率实时输出1PPS，完成整个时钟系统的对时守时方案。
附图说明
图1为本发明方法的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，参见图1所示，包括以下过程：
步骤S1，获取授时模块输出的秒脉冲与标准时钟源输出的秒脉冲之间的时间偏差值，作为授时模块的固定偏差值。
为了提高授时模块的准确性，本实施例中采用北斗/GPS双模授时模块作为对时源实现校时。在北斗/GPS双模授时模块(简称为“授时模块”)对星成功(锁定到的卫星数大于等于6颗时，认为该时刻授时模块对星成功)条件下，获取授时模块输出的1PPS(秒脉冲)与标准时钟源装置输出的1PPS，计算授时模块输出的1PPS相对标准时钟源的1PPS的时间偏差值。
并统计一段时间(例如5分钟)内该时间偏差值，进行算术平均处理，获取授时模块的固定偏差值，此固定偏差值可以理解为是授时模块的理论性固定值，只需在设备出厂前计算一次，将结果保存到flash。
步骤S2，计算授时模块输出的秒脉冲与晶振输出的秒脉冲之间的时间偏差值，并对时间偏差值进行滑动滤波处理获取晶振的采样偏差值。
在本实施例中，频标采用温补晶振(简称为晶振)，此温补晶振为现有技术中的高性能晶振芯片。在授时模块对星成功条件下，计算授时模块输出的1PPS与晶振输出的1PPS之间的时间偏差值，并采用改进滑动滤波方法对时间偏差值进行预处理：
首先建立一个固定长度(本实施例选择2分钟，长度为120)的滑动平均滤波队列；
若时间偏差值小于设定的最大采样偏差值(根据精度要求，本实施例选择100ns)时认为该时刻授时模块的1PPS有效，将时间偏差值按照先进先出原则存入滑动平均滤波队列，并且此时间偏差值记为此刻晶振的采样偏差值；
若时间偏差值大于最大采样偏差值，则认为本次时间偏差值无效，选择滑动平均滤波队列的算术平均值作为本次采样偏差值。若连续多个(本实施例中为5个)周期，时间偏差值大于最大采样偏差值，则将滑动平均滤波队列中的数据清空，并把当前采样偏差值存入滑动平均滤波队列。
步骤S3，将步骤S2中获取的采样偏差值减去步骤S1中获取的固定偏差值，得到当前时刻授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差。
此步骤处理，可以消除授时模块存在的固定偏差，有效抑制授时模块1PPS抖动，同时具有较快的动态响应。
步骤S4，对步骤S3获取的秒脉冲时间差进行加权最小二乘处理得到此刻的时间差值估计值，以此时间差值估计值作为补偿值定时对晶振的秒脉冲进行补偿，得到最终的秒脉冲，完成对时。
由于环境和老化的影响，晶振存在频率漂移问题。结合晶振短期稳定度高和授时模块1PPS没有累积误差的优点，使用授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差定时校准晶振输出频率。
本发明采用加权最小二乘估计算法，权重系数考虑如下：时间序列各项数据对未来的影响作用应是不同，距离时间越近的测量误差值对估计贡献越大；另外，根据已有文献可知：可视卫星越多，授时模块输出的1PPS相位越精确。
权重矩阵W满足公式(1)：
N是加权最小二乘估计选择的样本个数，bi是第i个样本的可视卫星数目。
时间间隔观测值矩阵S由最近的N个授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差(s1,s2,…sN)组成，表示为公式(2)：
S＝[s1,s2,…sN]T (2)
根据以下公式(3)，计算出最近时刻的时间差值估计值
C是时间间隔观测参数矩阵，本发明取值为单位矩阵1。
计算出当前时刻的时间差值估计值，并将该估计值作为补偿值来校准晶振的秒脉冲(如提供给系统的RTC时钟模块)，最终输出系统的1PPS。
用时间差值估计值代替观测值，能够进一步减少授时模块1PPS的随机抖动、高性能晶振的频率漂移以及时间间隔测量误差对频率校准系统的影响，提高测量精度。
定时执行步骤S2-S4步骤，完成利用授时模块对晶振频率校准对时。
相应的，本发明的一种基于高性能晶振频率校准的守时方法，在完成以上对时过程后，若授时模块对星失败，进入守时模式，则用上个时刻的时间差值估计值作为当前时刻的时间差值估计值，并将该估计值作为补偿值提供给系统的RTC时钟模块，调整系统输出1PPS。
本发明提出了一种基于高性能晶振频率校准的对时守时方法，该方法适用于特高压输电线路分布式故障诊断终端的时钟系统：本系统选取北斗/GPS双模授时模块作为对时源，并计算所有授时模块的固定偏差，有效降低授时模块固定偏移。采用改进滑动平均滤波对授时模块输出1PPS进行处理，抑制授时模块1PPS抖动的同时不影响系统动态响应；采用加权最小二乘估算法，权重系数充分权衡各影响因素，使用系统估计误差得到的频率实时输出1PPS，完成整个时钟系统的对时守时方案。
实施例
选择两台硬件电路和软件程序完全相同的诊断终端，在相同的工作环境下，用示波器(MSO7104A)同时测量两台诊断终端的授时模块输出1PPS信号和PL输出1PPS(即系统输出1PPS)信号，记录授时模块输出1PPS信号和系统输出1PPS信号时间差值，串口打印信息监视终端信息状态，测试时长为14小时。
测试结果如下：
表1授时模块输出1PPS信号和系统输出1PPS信号时间差值
| 测量 | 平均值 | 最小 | 最大 | 标准偏差 | 计数 |
| t4-t3 | -90.257ns | -116ns | -24ns | 5.6838ns | 50.64k |
| t2-t1 | -90.189ns | -156ns | -70ns | 6.4308ns | 50.64k |
t1：终端1的授时模块输出1PPS；
t2：终端1的系统输出1PPS；
t3：终端2的授时模块输出1PPS；
t4：终端2的系统输出1PPS。
由此试验结果可知，采用本发明方法，系统1PPS偏差小于100ns，具有精度高、功耗低、稳定性好等优点。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，其特征是，包括以下过程：
获取授时模块输出的秒脉冲与标准时钟源输出的秒脉冲之间的时间偏差值，作为授时模块的固定偏差值；
计算授时模块输出的秒脉冲与晶振输出的秒脉冲之间的时间偏差值，并对时间偏差值进行滑动滤波处理获取晶振的采样偏差值；
将采样偏差值减去固定偏差值，得到当前时刻授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差；
对秒脉冲时间差进行加权最小二乘处理得到此刻的时间差值估计值，以此时间差值估计值作为补偿值对晶振的秒脉冲进行补偿，得到最终的秒脉冲，完成对时；
对秒脉冲时间差进行加权最小二乘处理得到此刻的时间差值估计值包括：
加权最小二乘估计算法的权重矩阵W满足公式(1)：
N是加权最小二乘估计选择的样本个数，bi是第i个样本的可视卫星数目；
时间间隔观测值矩阵S由最近的N个授时模块和晶振之间的秒脉冲时间差s1,s2,…sN组成，表示为公式(2)：
S＝[s1,s2,…sN]T (2)
根据以下公式(3)，计算出最近时刻的时间差值估计值
C是时间间隔观测参数矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，其特征是，授时模块的固定偏差值取为：统计一段时间内时间偏差值的平均值。
3.根据权利要求1所述的一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，其特征是，对时间偏差值进行滑动滤波处理获取晶振的采样偏差值具体包括：
构建一个滑动平均滤波队列；
若时间偏差值小于设定的最大采样偏差值，则将时间偏差值存入滑动平均滤波队列，并且此时间偏差值记为此刻晶振的采样偏差值；
若时间偏差值大于最大采样偏差值，则选择滑动平均滤波队列的算术平均值作为本次采样偏差值。
4.根据权利要求3所述的一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，其特征是，若连续多个周期，时间偏差值大于最大采样偏差值，则将滑动平均滤波队列中的数据清空，并把当前采样偏差值存入滑动平均滤波队列。
5.根据权利要求3所述的一种基于高性能晶振频率校准的对时方法，其特征是，时间偏差值存入滑动平均滤波队列按照先进先出原则。
6.一种基于高性能晶振频率校准的守时方法，其特征是，包括以下过程：
根据权利要求1至5任一项所述的对时方法完成对时；
若授时模块对星失败，则用上个时刻的时间差值估计值作为当前时刻的时间差值估计值，并将该估计值作为补偿值对晶振的秒脉冲进行补偿，得到最终的秒脉冲，完成守时。
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