CN102023567A - 一种多时间源综合计算的高精度授时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多时间源综合计算的高精度授时方法，用以提高接收时间的准确度、稳定度和可靠性。时间接收设备首先测量各个时间源与本地时间之差，经过卡尔曼滤波算法处理后得到一组平滑的样值，根据样值判定该源时间信号状态，并对状态进行评估，符合条件的时间源参与加权平均算法的处理得到计算结果并对本地时间进行调整，使本地时间与源时间保持固定的同步关系。本发明克服了采取主备切换策略的多时间源接收系统在时间刚性切换时所导致的输出时间信号抖动问题；克服了主时间源信号劣化而造成的输出时间精度下降的问题。

Description

一种多时间源综合计算的高精度授时方法

技术领域

本发明涉及时间同步技术领域，特别涉及电力系统大范围高精度高可靠性授时技术。

背景技术

随着电力系统大范围高精度测量系统的建立，例如，功角测量系统，广域电网同步状态监测系统，统一高精度标准时间问题的解决显得越来越重要。高精度、高可靠的授时技术对电力系统自动化的发展有十分重要的意义。

早期电力系统普遍采用的授时方法是利用卫星授时。在调度中心或者某一变电站中架设GPS或北斗卫星接收机，接收卫星时间对各用时设备进行授时。该方法缺点较明显：受天气和环境的影响较大，授时的稳定度和可靠性较差。

利用光通信网络传递高精度时间技术的出现解决了卫星空间授时给电力系统带来的隐患，由于是以地面有线通信网络为承载，提高了授时的安全性和稳定性。目前以地面有线授时为主、GPS/北斗空间授时为辅的授时系统已经成为电力系统大范围授时的主流技术。当授时设备同时具有地面系统、GPS系统、北斗系统等多个时间源时，如何选择其中的时间源作为输出时间且保证输出时间的稳定性和连续性则成为授时系统的关键技术。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于提供一种基于多个已知时间源剩余误差综合计算提高时间接收精度的计算方法，将来自不同的时间基准系统(如中国国家时间中心、国家电网时间中心、北斗系统、GPS系统等等)的时间，经过该方法的处理后得到时间接收机内统一的本地时间，用来统一本地时间参量。时间源应为UTC时间，且多个时间源互相之间的相位偏差应小于某一门限值。多时间源处理方法所要解决的主要问题是如何在多个时间源中计算判断得到精确稳定的时间脉冲信号输出，其效果示意图详见图1。

本方法与传统的多时间源互为主备的，主备根据运行状态切换方法具有本质的区别。传统的多源切换方法的实质是开关选择的方法。首先为多个时间按照信号质量差异赋予不同的优先等级，然后根据优先级选择等级较高的一个源时间输出。当前被选择的源时间信号质量稳定时输出其时间；若当前的源时间信号质量劣化超过一定门限时切换输出时间。新切换输出的时间在剩余的源中按照优先级来选择。该方法存在诸多弊端：a)时间源切换时会引起时间输出信号大幅度抖动。b)在切换之前，当前源时间的劣化会导致输出时间精度下降。多源切换方法的示意图详见图2。

基于多个已知时间源剩余误差综合计算提高时间接收精度的计算方法的实质是计算生成方法。参与综合计算的各个时间源信号处于同等优先等级。在经过一系列的测量、滤波、统计和加权平均计算后，生成一个新的本地时间信号输出。若某一个时间源信号在计算期间发生了劣化或中断，则由计算评估和判别机制令其退出，始终保证由质量稳定的时间源参与计算生成时间信号。退出的时间源信号恢复稳定后可重新返回到综合计算过程中。该计算方法完全避免了由于切换时间源所带来的输出时间信号抖动和劣化等问题。多源综合计算的示意图详见图3。

技术方案为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案，

1)时间接收装置测量各个时间源脉冲信号与本地输出时间脉冲信号之间的相位差q_i。

利用高速时钟计数器对各时间源脉冲信号和本地待输出脉冲信号(由高性能频率源生成，有很高的稳定性)之间的相位差进行测量，得到q₁，q₂，q₃...q_n，其中n＝时间源数目。

2)对测得的相位差q_i进行卡尔曼滤波处理。

因为各个时间源脉冲信号会有一定程度的抖动，所以需要对测得的q_i值进行一系列的去异常值、卡尔曼滤波等处理。经过处理后会得到一组平滑、收敛性较好的q值样值。卡尔曼滤波算法中系统噪声与观测噪声系数的选择取决于各个具体的时间源，是建立在对各时间源大量观测值长时间统计的基础之上。

3)对相位差q_i进行均值处理，根据相位平均值Eq评估计算各个时间源信号的状态：跟踪、锁定、等待。

根据累计得到的样值平均值Eq计算各个时间源的状态。时间源的状态被划分为跟踪、锁定、等待三个状态。在系统上电后经过一定时间延迟后自动进入跟踪状态，在跟踪状态若监测到时间源信号长期收敛性良好则会进入锁定状态。在锁定状态时，若发生中断或劣化等状况则该时间源状态进入等待状态。处于等待状态的时间源若恢复信号质量后可重新进入锁定状态，否则超时则进入跟踪状态。其状态转换图详见图4。

4)根据各个时间源状态选择参与综合计算的时间源。

选择第一个进入锁定状态的时间源信号作为初始参考时间源，并调整输出脉冲信号与参考时间源信号同步。若该参考时间源进入等待或跟踪状态则退出参考时间源，同时选择其他处于锁定状态的时间源作为参考时间源。

5)计算各个时间源与当前输出脉冲信号的初始相位偏差Aq。

当其他时间源从跟踪状态进入锁定状态或从等待状态返回到锁定状态时，计算各个时间源与当前输出脉冲信号的初始相位偏差Aq，计算公式为Aq＝Eq。参考时间源的初始相位偏差为0。该初始相位偏差只有在状态发生变化重新进入锁定状态时才发生更新，其他正常情况下保持不变。

6)计算各个时间源脉冲信号与输出脉冲信号的剩余误差Δq。

将各个时间源信号测得的绝对相位差q值减去初始相位偏差Aq值即可得到各时间源的剩余误差Δq。其计算公式为：Δq_i＝q_i-Aq_i。该Δq表征各个时间源脉冲信号相对于输出脉冲信号的剩余抖动偏差，要根据该值来计算锁定状态输出时间脉冲信号的调整值。

7)根据Δq计算加权平均值E_Δq。

只有处于锁定状态的源才可以参与计算加权平均值，其计算公式为

在计算加权平均值的同时，评估出Δq最大的某一时间源，如果连续m次为同一时间源且每次该时间源的Δq均超过一定门限则令其退出锁定状态。当该时间源恢复质量后可返回到综合计算过程重新参与计算。

8)利用综合计算值E_Δq调整本地待输出时间脉冲信号。

将加权平均计算的结果E_Δq用来调整本地输出时间脉冲信号，使得加权剩余偏差平均值E_Δq趋于零。因为E_Δq是根据各个锁定时间源的相位差综合得到，并不单独依赖于某一时间源，所以本地输出的时间脉冲信号具有较好的稳定性。

9)利用累积综合计算值∑E_Δq调整本地频率。

因为本地时间脉冲信号是由本地频率分频计数所产生的，本地频率和各个时间源系统频率之间存在着细微的频率偏差。可以利用累计的综合计算值∑E_Δq来得到此频率偏差并以此为依据校准本地频率与时间源系统频率同步。

本发明的有益效果在于，完全避免了由于切换时间源所带来的输出时间信号抖动和劣化等问题。

附图说明

图1多时间源综合计算效果图

图2多时间源切换方法示意图

图3多时间源综合计算示意图

图4时间源信号状态转换图

图5多源综合计算方法实现示意图

图6多源综合计算方法接受装置应用示例

具体实施方式

在本发明中，各个时间源可以是地面时间源、GPS时间源、北斗时间源或者外部时间源(特指外部输入的可以作为时间基准的某一时间源，比如BITS时间或者其他授时设备的输出时间)等。最多可以支持7个时间源。具体的时间源选择视具体的应用而定。本地输出时间脉冲信号可以直接为各种用时设备进行授时服务。其整个实现的示意图详见图5。

在具体的变电站应用中，实现多源综合计算的变电站主钟可作为全站的最高时间基准，通过光纤、以太网等传送介质组成的授时网络与PTP主钟、时钟扩展装置等设备组成变电站时间统一系统。其中变电站主钟用来接收GPS通道、北斗通道、SDH E1通道、SDH开销通道、专用光纤通道等各种时间源通道的时间脉冲信号，经综合计算后得到输出时间脉冲信号通过授时网络给PTP主钟或时钟扩展设备授时，再由后者为各种用时设备进行授时服务，其具体的应用示例图详见图6。

实施例一

现有A、B、G、D四个时间源信号，其中A为SDH E1通道时间源、B为裸光纤通道时间源、G为GPS通道时间源、D为北斗通道时间源。四个时间源与本地输出秒脉冲信号实际测得的相位差均值分别为：+20ns、-10ns、+30ns、+50ns。按照综合计算的计算流程，若A通道时间源首先进入锁定，则选择A通道为参考时间源，并调整本地输出秒脉冲信号与A通道对齐，调整值应为+20ns。调整后的各个时间源实际测得的相位差会有所变化，假设其均值为+0ns、-40ns、+12ns、+27ns。此时若其他几个通道相继锁定，计算四个时间源通道的初始相位偏差Aq，则Aq(A)＝0ns，Aq(B)＝-40ns，Aq(C)＝+12ns，Aq(D)＝+27ns。假设下一个采样周期四个通道与本地秒脉冲信号绝对相位差分别为5ns、-37ns、+15ns、+30ns，则可算得剩余误差为5ns、3ns、3ns、3ns。根据剩余误差求得其加权平均值为(5+3+3+3)/4＝3.5ns。则最后需要调整的本地秒相位偏差为3.5ns，此值比单纯依赖A通道时间源偏差去调整更为精确，且可靠性更高，不会因为某一通道的大范围抖动而发生误调整动作。

Claims (8)

1.一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，包含如下步骤：

1)时间接收装置测量各个时间源脉冲信号与本地输出时间脉冲信号之间的相位差q_i；

2)对测得的q_i采用卡尔曼滤波算法处理；

3)对相位差q_i进行均值处理，根据相位平均值Eq评估计算各个时间源信号的状态；

4)根据各个时间源状态选择参与综合计算的时间源；

5)计算各个时间源与当前输出脉冲信号的初始相位偏差Aq；

6)计算各个时间源脉冲信号与输出脉冲信号的剩余相位差Δq_i；

7)综合计算Δq_i的加权平均值E_Δq，根据值E_Δq调整本地待输出时间脉冲信号相位，使得加权剩余偏差平均值E_Δq趋于零。

2.根据权利要求1所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，多个时间源包括中国国家时间中心时间源、电网自主时间中心时间源、GPS时间源、北斗时间源、外部时间源中的一个以上即可以称为多个时间源。

3.根据权利要求1所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，多个时间源处于同等优先等级。

4.根据权利要求1所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，采用卡尔曼滤波算法滤除源时间中的噪声。

5.根据权利要求1所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，可以利用累积相位平均值Eq来评估计算各个时间源信号的状态。

6.根据权利要求1所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，计算各个时间源的剩余误差Δq_i来综合计算加权平均综合偏差值E_Δq。

7.根据权利要求6所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，各个时间源需满足以下条件才可以参与加权平均计算：

只有处于锁定状态的源才可以参与计算加权平均值；

在计算加权平均值的同时，评估出Δq_i最大的时间源；

如果同一时间源连续m次为Δq_i最大的时间源，且每次该时间源的Δq_i均超过一定门限则令其退出计算；当该时间源恢复质量后可重新返回综合计算。

8.根据权利要求1所述一种多时间源综合计算的高精度授时方法，其特征在于，利用E_Δq对输出脉冲信号进行调整，使得加权剩余偏差平均值E_Δq趋于零。

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