CN102004441A - 自适应晶振频率守时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自适应晶振频率守时方法，本方法既可利用本时钟的GPS卫星信号守时，也可利用接收的备用时钟或上一级时钟发送的IRIG-B码信号守时，在锁星状态时，对时服务器输出时钟信号以GPS模块输出时钟信号为基准，同时测量晶振的频率；在失星状态时，检测接收的IRIG-B码信号，如为正常同步信号，对时服务器输出时钟信号以IRIG-B码信号为基准，同时测量晶振的频率；在基准信号失步时，对时服务器根据同步时测量的晶振频率，采用自适应晶振频率守时方式输出时钟信号；守时方法对晶振计数的余数采用了智能均匀分摊策略，根据情况自适应地输出秒脉冲，提高了对时服务器的守时精度和时钟信号的均匀性，在晶振频率温度稳定为10-8级别时，能保证秒脉冲时间偏差小于10μs/小时。
Description
技术领域
本发明涉及自适应晶振频率守时方法，属于电力系统对时技术领域。
背景技术
随着电力系统规模的不断扩大，大容量、超高压、远距离输电日益增多，系统结构也日趋复杂，从而电力系统的时钟同步就显得越来越重要。由此，时钟同步技术在电力系统中得到广泛应用。目前，时钟同步已应用于电力调度系统、继电保护装置、EMS能量管理系统、故障录波器、分布式RTU（远动终端）、变电站综合自动化系统及遥测、遥信的数据处理以及高压输电线路故障测距等。
时间同步包括绝对时间同步和相对时间同步。前者是指与国际标准时间UTC（Universal Time Coordinated）同步，后者是指一个系统内的各部分时钟同步。对于广域时间同步系统来说，主要用到的是相对时间同步，但是如果能够保证时钟达到绝对时间同步，那么自然就能满足相对时间同步了，这样要建立统一的广域同步时间系统就必须依赖于一个公共时间基准。
全球定位系统GPS作为世界上传播范围最广精度最高的授时系统，在电力系统时间同步系统得到广泛应用。对时服务器的主要原理是利用GPS信号接收机从GPS卫星系统获取GPS时钟秒脉冲和该脉冲跳变时刻对应的国际标准时间（UTC），并由GPS信号预处理模块将接收的GPS基准信号转化为内部的时钟信号，再由信号发生模块将时钟信号调制成所需的时钟信号，如IRIG-B码、秒脉冲、分脉冲等。当GPS信号正常时，对时服务器输出的时钟信号与GPS模块输出的秒脉冲同步；但GPS接收机有偶尔失星的不正常现象，此时GPS接收机输出的秒脉冲不可靠，不能使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高同步时钟的均匀性和守时性能的自适应晶振频率守时方法。
为实现上述目的，本发明的自适应晶振频率守时方法包括以下步骤：
（a）对时服务器接收GPS卫星信号，并调制成所需的IRIG-B码信号；
（b）在GPS锁星状态时，对时服务器输出时钟信号以GPS模块输出时钟信号为基准，同时用计数器监测晶振在时间N秒内的计数值C，计算得到晶振的振荡频率f， ；
（c）在GPS失星状态时，对时服务器检测接收的IRIG-B码信号，通过IRIG-B码中的时间质量信息判别是否为正常同步信号，若为正常同步信号，则对时服务器输出时钟信号以IRIG-B码信号为基准，同时用计数器监测晶振在时间N秒内的计数值C，计算得到晶振的振荡频率f，；若不是正常同步信号，则对时服务器根据同步时晶振在时间N秒内的计数值C所得到的晶振频率，设C除以N的商为A，余数为B，根据余数B与时间N的关系自适应地输出时钟信号。
进一步的，所述步骤（c）中根据余数B与时间N的关系自适应地输出时钟信号：
（i）当<时，在2B秒内，晶振计数
，交替使用输出秒脉冲；大于2B秒，秒脉冲晶振计数
；
（ii）当
>
时，在
秒内，晶振计数，
交替使用输出秒脉冲；大于秒，晶振计数
输出秒脉冲。
进一步的，所述晶振为恒温晶振OCXO。
本发明的守时方法对恒温晶振计数的余数采用了智能均匀分摊策略，提供了同步时钟的均匀性和守时性能，在晶振频率温度稳定为
级别时，能保证秒脉冲时间偏差小于10us/小时。
附图说明
图1是本发明对时方法的流程图；
图2是晶振计数余数小于0.5N时对时服务器秒脉冲输出示意图；
图3是晶振计数余数大于0.5N时对时服务器秒脉冲输出示意图。
具体实施方式
本发明的自适应晶振频率守时方法的特点在于，既可利用GPS卫星信号守时，也可利用接收的IRIG-B码信号守时，且根据情况不同自适应地输出秒脉冲，改善了对时服务器的守时精度和时钟信号的均匀性。
本发明的自适应晶振频率守时方法实施例流程图如图1所示，步骤如下：
（1）对时服务器接收GPS卫星信号，并调制成所需的IRIG-B码信号；
（2）判断对时服务器的GPS信号接收机是否能及时从GPS卫星系统获取GPS时钟信号，即是否在GPS锁星状态，若是，则对时服务器输出时钟信号以GPS模块输出的信号为基准来输出时钟信号，同时用计数器监测恒温晶振OCXO（Ovr Controlled Crystals Oscillator）在时间N秒内的计数值C，计算得到恒温晶振OCXO的振荡频率f，
；若不是，则进入下一步；
（3）对时服务器检测接收的IRIG-B码信号，判断是否为正常同步信号，若是正常同步信号，则对时服务器输出时钟信号以IRIG-B码信号为基准来输出时钟信号，同时用计数器监测恒温晶振OCXO在时间N秒内的计数值C，计算得到恒温晶振OCXO的振荡频率f，
；若不是正常同步信号，则进入下一步；
（4）对时服务器根据得到的恒温晶振OCXO频率，由于N不一定能够被C整除，设商为A，余数为B，根据余数与时间N的关系，按照如下方式自适应地输出秒脉冲：
（a）当
<时，在2B秒内，秒脉冲晶振计数，
交替使用；大于2B秒，秒脉冲晶振计数
；
（b）当
>
时，在
秒内，秒脉冲晶振计数
，
交替使用；大于
秒，秒脉冲晶振计数
。
判断对时服务器守时，即利用锁星状态的GPS卫星信号或IRIG-B码同步信号，测量恒温晶振OCXO的频率，当外部基准信号失步时，以测量的恒温晶振OCXO频率为基准输出秒脉冲等时钟信号。由于恒温晶振OCXO具有相当高的稳定度，其随机误差远小于GPS秒时钟的随机误差，因此晶振秒时钟的随机误差可以忽略。GPS接收机输出的秒时钟与国际标准时间（UTC）存在一定的误差
，属于随机误差且服从正态分布，取样本数为n，则有：
不同的GPS接收机，
数值大小不同。
由于随机误差的存在，每个GPS秒时钟与实际时间存在误差，设n个秒时钟实际时间长度序列为，，
，每个秒时钟对应的随机误差为，， 
，标准秒时钟为
，则有：
由式（2）得随机误差平均值为：
由于当
，
，所以有：
可见GPS秒时钟具有一定的随机误差，在样本时间足够长时，其累计误差趋于0，可以利用该特性采用较长的样本时间（如4096秒）内的秒脉冲晶振计数来检测（由于长时间内秒脉冲的随机误差可忽略，即可利用长时间内的秒脉冲晶振计数来检测晶振的频率。）晶振的准确频率。
测得晶振频率以后，对时服务器就可以产生同步时钟。以锁星状态为例，以GPS时钟为基准，利用计数器累计长时间内多个秒脉冲的晶振计数监测晶振的振荡频率。如监测时间为N秒，计数器的计数值为C，则振荡频率为：
基准信号失步时，根据测量的晶振频率输出秒脉冲。由于（5）式中N不一定能够被C整除，设商为A，余数为B，则有：
将（6）式加AB，再减AB，有：
当
<
时（如图2所示）：
在2B秒内，秒脉冲晶振计数，
交替使用；
大于2B秒，秒脉冲晶振计数
。
当
>
时（如图3所示）：
在
秒内，秒脉冲晶振计数
，交替使用；
大于
秒，秒脉冲晶振计数
。
如上所述的自适应晶振频率守时方法，对晶振计数的余数采用了智能均匀分摊策略，提高了同步时钟的均匀性和守时性能。在恒温晶振频率温度稳定度为
级别时，能保证秒脉冲时间偏差小于10us/小时。
Claims (3)
1. 一种自适应晶振频率守时方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（a）对时服务器接收GPS卫星信号，并调制成所需的IRIG-B码信号；
（b）在GPS锁星状态时，对时服务器输出时钟信号以GPS模块输出时钟信号为基准，同时用计数器监测晶振在时间N秒内的计数值C，计算得到晶振的振荡频率f， ；
（c）在GPS失星状态时，对时服务器检测接收的IRIG-B码信号，通过IRIG-B码中的时间质量信息判别是否为正常同步信号，若为正常同步信号，则对时服务器输出时钟信号以IRIG-B码信号为基准，同时用计数器监测晶振在时间N秒内的计数值C，计算得到晶振的振荡频率f，
；若不是正常同步信号，则对时服务器根据同步时晶振在时间N秒内的计数值C所得到的晶振频率，设C除以N的商为A，余数为B，根据余数B与时间N的关系自适应地输出时钟信号。
2. 根据权利要求1所述的自适应晶振频率守时方法，其特征在于：所述步骤（c）中根据余数B与时间N的关系自适应地输出时钟信号：
（i）当
<
时，在2B秒内，晶振计数
，
交替使用输出秒脉冲；大于2B秒，秒脉冲晶振计数
；
（ii）当
>
时，在秒内，晶振计数
，
交替使用输出秒脉冲；大于
秒，晶振计数
输出秒脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的自适应晶振频率守时方法，其特征在于：所述晶振为恒温晶振OCXO。
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