專利名稱：一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及時(shí)間同步技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電力系統(tǒng)大范圍高精度高可靠性授時(shí) 技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)大范圍高精度測量系統(tǒng)的建立，例如，功角測量系統(tǒng)，廣域電網(wǎng) 同步狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)一高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間問題的解決顯得越來越重要。高精度、高可靠 的授時(shí)技術(shù)對電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展有十分重要的意義。早期電力系統(tǒng)普遍采用的授時(shí)方法是利用衛(wèi)星授時(shí)。在調(diào)度中心或者某一變電 站中架設(shè)GPS或北斗衛(wèi)星接收機(jī)，接收衛(wèi)星時(shí)間對各用時(shí)設(shè)備進(jìn)行授時(shí)。該方法缺點(diǎn)較 明顯受天氣和環(huán)境的影響較大，授時(shí)的穩(wěn)定度和可靠性較差。利用光通信網(wǎng)絡(luò)傳遞高精度時(shí)間技術(shù)的出現(xiàn)解決了衛(wèi)星空間授時(shí)給電力系統(tǒng)帶 來的隱患，由于是以地面有線通信網(wǎng)絡(luò)為承載，提高了授時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。目前以 地面有線授時(shí)為主、GPS/北斗空間授時(shí)為輔的授時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)大范圍授時(shí)的 主流技術(shù)。當(dāng)授時(shí)設(shè)備同時(shí)具有地面系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等多個(gè)時(shí)間源時(shí)，如何 選擇其中的時(shí)間源作為輸出時(shí)間且保證輸出時(shí)間的穩(wěn)定性和連續(xù)性則成為授時(shí)系統(tǒng)的關(guān) 鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種基于多個(gè)已知時(shí)間源剩余誤差綜合計(jì)算提高時(shí)間接 收精度的計(jì)算方法，將來自不同的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)(如中國國家時(shí)間中心、國家電網(wǎng)時(shí)間 中心、北斗系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)等等)的時(shí)間，經(jīng)過該方法的處理后得到時(shí)間接收機(jī)內(nèi)統(tǒng)一的 本地時(shí)間，用來統(tǒng)一本地時(shí)間參量。時(shí)間源應(yīng)為UTC時(shí)間，且多個(gè)時(shí)間源互相之間的相 位偏差應(yīng)小于某一門限值。多時(shí)間源處理方法所要解決的主要問題是如何在多個(gè)時(shí)間源 中計(jì)算判斷得到精確穩(wěn)定的時(shí)間脈沖信號輸出，其效果示意圖詳見圖1。本方法與傳統(tǒng)的多時(shí)間源互為主備的，主備根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)切換方法具有本質(zhì)的 區(qū)別。傳統(tǒng)的多源切換方法的實(shí)質(zhì)是開關(guān)選擇的方法。首先為多個(gè)時(shí)間按照信號質(zhì)量差 異賦予不同的優(yōu)先等級，然后根據(jù)優(yōu)先級選擇等級較高的一個(gè)源時(shí)間輸出。當(dāng)前被選擇 的源時(shí)間信號質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)輸出其時(shí)間；若當(dāng)前的源時(shí)間信號質(zhì)量劣化超過一定門限時(shí)切 換輸出時(shí)間。新切換輸出的時(shí)間在剩余的源中按照優(yōu)先級來選擇。該方法存在諸多弊 端a)時(shí)間源切換時(shí)會(huì)引起時(shí)間輸出信號大幅度抖動(dòng)。b)在切換之前，當(dāng)前源時(shí)間的劣 化會(huì)導(dǎo)致輸出時(shí)間精度下降。多源切換方法的示意圖詳見圖2?；诙鄠€(gè)已知時(shí)間源剩余誤差綜合計(jì)算提高時(shí)間接收精度的計(jì)算方法的實(shí)質(zhì)是 計(jì)算生成方法。參與綜合計(jì)算的各個(gè)時(shí)間源信號處于同等優(yōu)先等級。在經(jīng)過一系列的測 量、濾波、統(tǒng)計(jì)和加權(quán)平均計(jì)算后，生成一個(gè)新的本地時(shí)間信號輸出。若某一個(gè)時(shí)間源信號在計(jì)算期間發(fā)生了劣化或中斷，則由計(jì)算評估和判別機(jī)制令其退出，始終保證由質(zhì) 量穩(wěn)定的時(shí)間源參與計(jì)算生成時(shí)間信號。退出的時(shí)間源信號恢復(fù)穩(wěn)定后可重新返回到綜 合計(jì)算過程中。該計(jì)算方法完全避免了由于切換時(shí)間源所帶來的輸出時(shí)間信號抖動(dòng)和劣 化等問題。多源綜合計(jì)算的示意圖詳見圖3。
技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，
1)時(shí)間接收裝置測量各個(gè)時(shí)間源脈沖信號與本地輸出時(shí)間脈沖信號之間的相位差
利用高速時(shí)鐘計(jì)數(shù)器對各時(shí)間源脈沖信號和本地待輸出脈沖信號(由高性能頻 率源生成，有很高的穩(wěn)定性)之間的相位差進(jìn)行測量，得到Cl1, q2, q3...qn，其中η=時(shí) 間源數(shù)目。
2)對測得的相位差Ci1進(jìn)行卡爾曼濾波處理。
因?yàn)楦鱾€(gè)時(shí)間源脈沖信號會(huì)有一定程度的抖動(dòng)，所以需要對測得的Cl1值進(jìn)行一 系列的去異常值、卡爾曼濾波等處理。經(jīng)過處理后會(huì)得到一組平滑、收斂性較好的q值 樣值?？柭鼮V波算法中系統(tǒng)噪聲與觀測噪聲系數(shù)的選擇取決于各個(gè)具體的時(shí)間源，是 建立在對各時(shí)間源大量觀測值長時(shí)間統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)之上。
3)對相位差Cll進(jìn)行均值處理，根據(jù)相位平均值Eq評估計(jì)算各個(gè)時(shí)間源信號的狀 態(tài)跟蹤、鎖定、等待。
根據(jù)累計(jì)得到的樣值平均值Eq計(jì)算各個(gè)時(shí)間源的狀態(tài)。時(shí)間源的狀態(tài)被劃分為 跟蹤、鎖定、等待三個(gè)狀態(tài)。在系統(tǒng)上電后經(jīng)過一定時(shí)間延遲后自動(dòng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，在 跟蹤狀態(tài)若監(jiān)測到時(shí)間源信號長期收斂性良好則會(huì)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)時(shí)，若發(fā) 生中斷或劣化等狀況則該時(shí)間源狀態(tài)進(jìn)入等待狀態(tài)。處于等待狀態(tài)的時(shí)間源若恢復(fù)信號 質(zhì)量后可重新進(jìn)入鎖定狀態(tài)，否則超時(shí)則進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖詳見圖4。
4)根據(jù)各個(gè)時(shí)間源狀態(tài)選擇參與綜合計(jì)算的時(shí)間源。
選擇第一個(gè)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的時(shí)間源信號作為初始參考時(shí)間源，并調(diào)整輸出脈沖 信號與參考時(shí)間源信號同步。若該參考時(shí)間源進(jìn)入等待或跟蹤狀態(tài)則退出參考時(shí)間源， 同時(shí)選擇其他處于鎖定狀態(tài)的時(shí)間源作為參考時(shí)間源。
5)計(jì)算各個(gè)時(shí)間源與當(dāng)前輸出脈沖信號的初始相位偏差A(yù)q。
當(dāng)其他時(shí)間源從跟蹤狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)或從等待狀態(tài)返回到鎖定狀態(tài)時(shí)，計(jì)算 各個(gè)時(shí)間源與當(dāng)前輸出脈沖信號的初始相位偏差A(yù)q，計(jì)算公式為Aq = Eq。參考時(shí)間源 的初始相位偏差為0。該初始相位偏差只有在狀態(tài)發(fā)生變化重新進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)才發(fā)生更 新，其他正常情況下保持不變。
6)計(jì)算各個(gè)時(shí)間源脈沖信號與輸出脈沖信號的剩余誤差A(yù)q。
將各個(gè)時(shí)間源信號測得的絕對相位差q值減去初始相位偏差A(yù)q值即可得到各時(shí) 間源的剩余誤差Δ q。其計(jì)算公式為Aq1 = Cll-AC^該Δ q表征各個(gè)時(shí)間源脈沖信號 相對于輸出脈沖信號的剩余抖動(dòng)偏差，要根據(jù)該值來計(jì)算鎖定狀態(tài)輸出時(shí)間脈沖信號的調(diào)整值。
7)根據(jù)Δ q計(jì)算加權(quán)平均值E,q。
只有處于鎖定狀態(tài)的源才可以參與計(jì)算加權(quán)平均值，其計(jì)算公式為&9=(ΣΔ《)/ 。在計(jì)算加權(quán)平均值的同時(shí)，評估出Aq最大的某一時(shí)間源，如果連續(xù)m
i=\
次為同一時(shí)間源且每次該時(shí)間源的Aq均超過一定門限則令其退出鎖定狀態(tài)。當(dāng)該時(shí)間 源恢復(fù)質(zhì)量后可返回到綜合計(jì)算過程重新參與計(jì)算。8)利用綜合計(jì)算值Em調(diào)整本地待輸出時(shí)間脈沖信號。將加權(quán)平均計(jì)算的結(jié)果Em用來調(diào)整本地輸出時(shí)間脈沖信號，使得加權(quán)剩余偏差 平均值Em趨于零。因?yàn)镋m是根據(jù)各個(gè)鎖定時(shí)間源的相位差綜合得到，并不單獨(dú)依賴 于某一時(shí)間源，所以本地輸出的時(shí)間脈沖信號具有較好的穩(wěn)定性。9)利用累積綜合計(jì)算值ΣΕμ調(diào)整本地頻率。因?yàn)楸镜貢r(shí)間脈沖信號是由本地頻率分頻計(jì)數(shù)所產(chǎn)生的，本地頻率和各個(gè)時(shí)間 源系統(tǒng)頻率之間存在著細(xì)微的頻率偏差?？梢岳美塾?jì)的綜合計(jì)算值ΣΕΜ來得到此頻率 偏差并以此為依據(jù)校準(zhǔn)本地頻率與時(shí)間源系統(tǒng)頻率同步。本發(fā)明的有益效果在于，完全避免了由于切換時(shí)間源所帶來的輸出時(shí)間信號抖 動(dòng)和劣化等問題。


圖1多時(shí)間源綜合計(jì)算效果2多時(shí)間源切換方法示意3多時(shí)間源綜合計(jì)算示意4時(shí)間源信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換5多源綜合計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)示意6多源綜合計(jì)算方法接受裝置應(yīng)用示例
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中，各個(gè)時(shí)間源可以是地面時(shí)間源、GPS時(shí)間源、北斗時(shí)間源或者外 部時(shí)間源(特指外部輸入的可以作為時(shí)間基準(zhǔn)的某一時(shí)間源，比如BITS時(shí)間或者其他授 時(shí)設(shè)備的輸出時(shí)間)等。最多可以支持7個(gè)時(shí)間源。具體的時(shí)間源選擇視具體的應(yīng)用而 定。本地輸出時(shí)間脈沖信號可以直接為各種用時(shí)設(shè)備進(jìn)行授時(shí)服務(wù)。其整個(gè)實(shí)現(xiàn)的示意 圖詳見圖5。在具體的變電站應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)多源綜合計(jì)算的變電站主鐘可作為全站的最高時(shí) 間基準(zhǔn)，通過光纖、以太網(wǎng)等傳送介質(zhì)組成的授時(shí)網(wǎng)絡(luò)與PTP主鐘、時(shí)鐘擴(kuò)展裝置等設(shè) 備組成變電站時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)。其中變電站主鐘用來接收GPS通道、北斗通道、SDHEl 通道、SDH開銷通道、專用光纖通道等各種時(shí)間源通道的時(shí)間脈沖信號，經(jīng)綜合計(jì)算后 得到輸出時(shí)間脈沖信號通過授時(shí)網(wǎng)絡(luò)給PTP主鐘或時(shí)鐘擴(kuò)展設(shè)備授時(shí)，再由后者為各種 用時(shí)設(shè)備進(jìn)行授時(shí)服務(wù)，其具體的應(yīng)用示例圖詳見圖6。實(shí)施例一現(xiàn)有A、B、G、D四個(gè)時(shí)間源信號，其中A為SDH El通道時(shí)間源、B為裸光
纖通道時(shí)間源、G為GPS通道時(shí)間源、D為北斗通道時(shí)間源。四個(gè)時(shí)間源與本地輸出秒 脈沖信號實(shí)際測得的相位差均值分別為+20ns、-10ns、+30ns、+50ns。按照綜合計(jì)算的計(jì)算流程，若A通道時(shí)間源首先進(jìn)入鎖定，則選擇A通道為參考時(shí)間源，并調(diào)整本地 輸出秒脈沖信號與A通道對齊，調(diào)整值應(yīng)為+20ns。調(diào)整后的各個(gè)時(shí)間源實(shí)際測得的相 位差會(huì)有所變化，假設(shè)其均值為+0ns、-40ns、+12ns、+27ns。此時(shí)若其他幾個(gè)通道相 繼鎖定，計(jì)算四個(gè)時(shí)間源通道的初始相位偏差A(yù)q，則Aq (A)= 0ns，Aq(B) = -40ns, Aq(C)=+12ns，Aq(D) =+27ns。假設(shè)下一個(gè)采樣周期四個(gè)通道與本地秒脈沖信號絕 對相位差分別為5ns、-37ns、+15ns、+30ns,則可算得剩余誤差為5ns、3ns、3ns、3ns。 根據(jù)剩余誤差求得其加權(quán)平均值為(5+3+3+:3)/4 = 3.5ns。則最后需要調(diào)整的本地秒相位 偏差為3.5ns，此值比單純依賴A通道時(shí)間源偏差去調(diào)整更為精確，且可靠性更高，不會(huì) 因?yàn)槟骋煌ǖ赖拇蠓秶秳?dòng)而發(fā)生誤調(diào)整動(dòng)作。
權(quán)利要求
1.一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法，其特征在于，包含如下步驟1)時(shí)間接收裝置測量各個(gè)時(shí)間源脈沖信號與本地輸出時(shí)間脈沖信號之間的相位差q> ；2)對測得的qi采用卡爾曼濾波算法處理；3)對相位差^進(jìn)行均值處理，根據(jù)相位平均值Eq評估計(jì)算各個(gè)時(shí)間源信號的狀態(tài)；4)根據(jù)各個(gè)時(shí)間源狀態(tài)選擇參與綜合計(jì)算的時(shí)間源；5)計(jì)算各個(gè)時(shí)間源與當(dāng)前輸出脈沖信號的初始相位偏差A(yù)q；6)計(jì)算各個(gè)時(shí)間源脈沖信號與輸出脈沖信號的剩余相位差A(yù)q1;7)綜合計(jì)算Aqi的加權(quán)平均值Em，根據(jù)值Em調(diào)整本地待輸出時(shí)間脈沖信號相位， 使得加權(quán)剩余偏差平均值Em趨于零。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法，其特征在于，多個(gè) 時(shí)間源包括中國國家時(shí)間中心時(shí)間源、電網(wǎng)自主時(shí)間中心時(shí)間源、GPS時(shí)間源、北斗時(shí) 間源、外部時(shí)間源中的一個(gè)以上即可以稱為多個(gè)時(shí)間源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法， 時(shí)間源處于同等優(yōu)先等級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法， 卡爾曼濾波算法濾除源時(shí)間中的噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法， 利用累積相位平均值Eq來評估計(jì)算各個(gè)時(shí)間源信號的狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法， 各個(gè)時(shí)間源的剩余誤差Δ qi來綜合計(jì)算加權(quán)平均綜合偏差值E,q。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法， 時(shí)間源需滿足以下條件才可以參與加權(quán)平均計(jì)算只有處于鎖定狀態(tài)的源才可以參與計(jì)算加權(quán)平均值； 在計(jì)算加權(quán)平均值的同時(shí)，評估出大的時(shí)間源； 如果同一時(shí)間源連續(xù)m次為Aqi最大的時(shí)間源，且每次該時(shí)間源的Aqi均超過一定 門限則令其退出計(jì)算；當(dāng)該時(shí)間源恢復(fù)質(zhì)量后可重新返回綜合計(jì)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法，其特征在于，利用 E.q對輸出脈沖信號進(jìn)行調(diào)整，使得加權(quán)剩余偏差平均值趨于零。其特征在于，多個(gè) 其特征在于，采用 其特征在于，可以 其特征在于，計(jì)算 其特征在于，各個(gè)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多時(shí)間源綜合計(jì)算的高精度授時(shí)方法，用以提高接收時(shí)間的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和可靠性。時(shí)間接收設(shè)備首先測量各個(gè)時(shí)間源與本地時(shí)間之差，經(jīng)過卡爾曼濾波算法處理后得到一組平滑的樣值，根據(jù)樣值判定該源時(shí)間信號狀態(tài)，并對狀態(tài)進(jìn)行評估，符合條件的時(shí)間源參與加權(quán)平均算法的處理得到計(jì)算結(jié)果并對本地時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，使本地時(shí)間與源時(shí)間保持固定的同步關(guān)系。本發(fā)明克服了采取主備切換策略的多時(shí)間源接收系統(tǒng)在時(shí)間剛性切換時(shí)所導(dǎo)致的輸出時(shí)間信號抖動(dòng)問題；克服了主時(shí)間源信號劣化而造成的輸出時(shí)間精度下降的問題。
文檔編號G04G7/00GK102023567SQ20101051483
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者何迎利, 焦群, 馬濤 申請人:南京南瑞集團(tuán)公司, 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院