CN103269262A

CN103269262A - 一种时间同步装置的守时方法

Info

Publication number: CN103269262A
Application number: CN2013101107942A
Authority: CN
Inventors: 甘智全; 覃朝东; 邓志强; 宋建立
Original assignee: GUANGZHOU LANDMARK INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd; LIUZHOU DADI TELECOMMUNICATION EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Guangzhou Landmark Information Technology Co., Ltd.; Liuzhou Dadi telecommunication technology Limited by Share Ltd
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103269262B

Abstract

本发明公开了一种时间同步装置的守时方法，包括：A、接收第一秒脉冲信号；B、获取恒温晶振倍频后的输出信号频率，从而得到内部工作频率；C、以所述第一秒脉冲信号为基准，采用PID算法对内部工作频率进行调整；D、根据调整后的内部工作频率产生与第一秒脉冲信号同步的第二秒脉冲信号。本发明引入PID算法，应用PID策略对内部工作频率进行调整，并根据调整后的内部工作频率产生第二秒脉冲信号，所产生的第二秒脉冲信号不仅具有稳定性好和同步性高的优点，而且其实现过程简单，能以较低的成本来实现高精度的守时。本发明一种时间同步装置的守时方法可广泛应用于通信技术领域。

Description

一种时间同步装置的守时方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种时间同步装置的守时方法。

背景技术

时间和频率与人类的生活息息相关，对国民经济建设和发展起着重要作用。各个国家都建立有自己的时间基准（标准时间）和守时机构，以向用户发布或传递准确的时间，这种传递准确时间的过程叫做授时。

电力和通信等企业都需要使用基于卫星定位系统（北斗和GPS系统）的时间同步技术。卫星时间同步装置的时间源依赖于卫星定位系统，但天气等环境因素可能会使得卫星信号出现时间信号偏差和短时中断等，从而严重影响时间同步装置的授时精度。因此，时间同步装置对时钟需要使用高稳定的时钟，如恒温晶振和原子钟等。但时钟稳定度越高，成本也越高：原子钟频率稳定，但价格较高；恒温晶振价格较低，但稳定度较低（影响恒温度晶振的因素主要包括环境温度和工作电压）。

综上所述，现有的时间同步装置实现高精度守时的成本较高，未能以低成本实现高精度守时。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种低成本和高精度的时间同步装置的守时方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种时间同步装置的守时方法，包括：

A、接收第一秒脉冲信号；

B、获取恒温晶振倍频后的输出信号频率，从而得到内部工作频率；

C、以所述第一秒脉冲信号为基准，采用PID算法对内部工作频率进行调整；

D、根据调整后的内部工作频率产生与第一秒脉冲信号同步的第二秒脉冲信号。

进一步，所述步骤C，其包括：

C1、对环境的温度进行测量和存储；

C2、判断接收的第一秒脉冲信号是否有效，若有效，则执行步骤C3，反之，则执行步骤C4；

C3、对内部工作频率进行测量与存储，并采用增量算法对测量的内部工作频率进行调整；

C4、根据测量的温度从存储的历史数据中取出相近温度的频率数据，进而根据取出的数据对内部工作功率进行调整。

进一步，所述步骤C2，其包括：

C21、从接收的第一秒脉冲信号数据中获取接收卫星的数量和时间报文的有效位；

C22、判断所述有效位是否正确，且接收卫星的数量是否大于或等于2颗，若所述有效位正确且接收卫星的数量大于或等于2颗，则表示接收的第一秒脉冲信号有效，此时执行步骤C3；反之，则表示接收的第一秒脉冲信号无效，此时执行步骤C4。

进一步，所述步骤C3，其包括：

C31、以所述第一秒脉冲信号为基准，对恒温晶振倍频后的输出信号进行计数，记录和存储计数的时间间隔△T和相应的计数值N_△T；

C32、根据以下公式计算当前内部工作频率f，计算的公式为：

f=N_△T/△T；

C33、采用增量算法对计算出的当前内部工作频率f进行调整。

进一步，所述步骤C31，其具体为：

第一秒脉冲信号触发时间同步装置，对恒温晶振倍频后的输出信号进行计数，直至下一个第一秒脉冲信号到来时停止计数，并记录和存储时间间隔△T和相应的计数值N_△T。

进一步，所述步骤C33依据下式对计算出的当前内部工作频率f进行调整：

△N=K_p*(N(t)-N(t-1))+K_i*N(t)+K_d*(N(t)-2*N(t-1)+N(t-2))

式中，△N为频率偏差的调整值，N(t)为t时刻内部工作频率单次测量的偏差值，K_p为比例放大系数，K_i为积分放大系数，K_d为微分放大系数。

进一步，所述步骤C4，其具体为：

根据测量的温度从存储的历史数据中取出相近温度的频率数据—时间间隔△T和相应的计数值N_△T，进而根据取出的数据△T和N_△T对内部工作功率进行调整，从而保证时间同步装置在间隔△T内输出脉冲的计数为N_△T个。

进一步，所述步骤D，其具体为，所述步骤D，其具体为，根据调整后的内部工作频率对恒温晶振倍频后的输出信号进行分频处理，从而产生与第一秒脉冲信号同步的第二秒脉冲信号。

本发明的有益效果是：引入PID算法，应用PID策略对内部工作频率进行调整，并根据调整后的内部工作频率产生第二秒脉冲信号，所产生的第二秒脉冲信号不仅具有稳定性好和同步性高的优点，而且其实现过程简单，能以较低的成本来实现高精度的守时。进一步，本发明在接收的第一秒脉冲信号无效时，能通过测量的温度从存储的历史数据中取出相近温度的频率数据，从而保证时间同步装置在第一秒脉冲信号无效也能稳定输出第二秒脉冲信号。

附图说明

图1为本发明一种时间同步装置的守时方法的步骤流程图；

图2为本发明时间同步装置的原理框图；

图3为本发明步骤C的具体步骤流程图；

图4为本发明步骤C2的具体步骤流程图；

图5为本发明步骤C3的具体步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

参照图1，本发明一种时间同步装置的守时方法，包括：

A、接收第一秒脉冲信号；

其中，第一秒脉冲信号为卫星接收机接收的1PPS信号，第二秒脉冲信号为时间同步装置输出的1PPS信号。

如图2所示，本发明的时间同步装置包括可编程逻辑控制器、卫星接收模块、恒温晶振、处理器、温度传感器、处理器和输出模块。其中，恒温晶振的频率为10MHz,恒温晶振经可编程逻辑控制器倍频后的输出信号频率为100MHz，即时间同步装置的内部工作频率为100MHz。从卫星接收模块获取的1PPS信号（第一秒脉冲信号）输入至可编程逻辑控制器作为基准，通过PID算法调整内部工作频率，从而使时间同步装置的输出模块输出稳定的1PPS信号（第二秒脉冲信号）。同时可编程逻辑控制器输出当前的内部工作频率等信息至处理器，由处理器完成信息的记录和存储等后续处理。

现有技术的时间同步实现方法一般是将晶振分频后产生的秒脉冲信号与卫星接收模块输出的秒脉冲信号作比较，然后根据比较的结果对晶振分频后产生的秒脉冲信号进行调整，从而输出同步信号。由于其比较的对象均是秒脉冲信号（1PPS信号），信号的频率较低，在实现时需要高精度的鉴相器，成本较高。而本发明则以卫星接收模块输出的第一秒脉冲信号为基准，对恒温晶振倍频后产生的信号进行调整，并根据调整后的信号产生输出模块的第二秒脉冲信号。与现有技术相比，本发明的实现过程简单，成本较低且产生的第二秒脉冲信号具有稳定性好和同步性高的优点。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤C，其包括：

C1、对环境的温度进行测量和存储；

由温度传感器对环境的温度进行实时测量，而测量后的温度信息送至处理器存储起来。而接收的第一秒脉冲信号有两种情况：有效和无效，所以要首先对接收的第一秒脉冲信号的有效性进行判断。若第一秒脉冲信号有效，则对当前的内部工作频率进行测量与存储，并采用增量算法（PID算法的一种）对测量的内部工作频率进行调整；若第一秒脉冲信号无效，则根据测量的温度从存储的历史数据中取出相近温度的频率数据，进而根据取出的数据对内部工作功率进行调整。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述步骤C2，其包括：

接收的第一秒脉冲信号包含接收卫星的数目和时间报文等表示第一秒脉冲信号是否有效的信息。

参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述步骤C3，其包括：

C32、根据以下公式计算当前内部工作频率f，计算的公式为：

f=N_△T/△T；

C33、采用增量算法对计算出的当前内部工作频率f进行调整。

时间同步装置正常工作即接收的第一秒脉冲信号有效时，以所述第一秒脉冲信号为基准，对恒温晶振倍频后的输出信号（100MHz信号）进行计数，同时记录工作温度、相应的恒温晶振频率和内部工作频率，并制作成表格存储。记录方式为T0时刻至T1时刻的△T时间间隔内，100MHz信号的连续计数值N_△T。然而，100MHz信号用于记时,产生的误差为10nS，直接用该计数值来产生第二秒脉冲，会因累积而形成较大误差。因此还需要应用增量算法对测量的当前内部工作频率进行调整。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C31，其具体为：

卫星接收模块输出的第一秒脉冲触发可编程逻辑控制器对100MHz信号进行计数，下一个第一秒脉冲来时，保存当前计数值N0，并触发下一次计数。同时处理器产生中断，读取并保存计数值N0。从而得到连续计数值N0,N1,N2,…,Nt。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C33依据下式对计算出的当前内部工作频率f进行调整：

△N=K_p*(N(t)-N(t-1))+K_i*N(t)+K_d*(N(t)-2*N(t-1)+N(t-2))

t时刻内部工作频率与标准频率（标准的100MHz频率）相比的单次测量偏差值为N(t)，正数表示频率偏小，负数表示频率偏大。累积偏差为N(0)+N(1)+N(2)+…+N(t)。根据PID算法，频率偏差调整值为：

△N=K_p*(N(t)-N(t-1))+K_i*N(t)+K_d*(N(t)-2*N(t-1)+N(t-2))。调整的快慢及系统稳定度取决于三个系数K_p、K_i和K_d。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C4，其具体为：

失去卫星接收模块信号的外部时间基准（即接收的第一秒脉冲信号失效）时，时间同步装置通过测量当前温度，根据历史记录，取得合适的N_△T值和△T值（相近温度对应的N_△T值和△T值）。之后，每经过N_△T/△T个脉冲计数值输出模块产生一个标准1PPS脉冲（即第二秒脉冲信号）。并适当调整，使得经过时间△T后，100MHz的信号恰好累计产生N_△T个脉冲计数值。若时间同步装置的工作温度和工作电压等保持恒定，稳定度等级为10^-9的恒温晶振，频率准确度有可能达到10^-11。即△T足够大时，第一与第二秒脉冲信号的频率偏差仅取决于恒温晶振的短期稳定度。如△T为1小时，频率偏差为10nS/3600=2.8x10^-12S。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D，其具体为，所述步骤D，其具体为，根据调整后的内部工作频率对恒温晶振倍频后的输出信号进行分频处理，从而产生与第一秒脉冲信号同步的第二秒脉冲信号。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种时间同步装置的守时方法，其特征在于包括：

A、接收第一秒脉冲信号；

2.根据权利要求1所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于：所述步骤C，其包括：

C1、对环境的温度进行测量和存储；

3.根据权利要求2所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于：所述步骤C2，其包括：

4.根据权利要求3所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于所述步骤C3，其包括：

C32、根据以下公式计算当前内部工作频率f，计算的公式为：

f=N_△T/△T；

C33、采用增量算法对计算出的当前内部工作频率f进行调整。

5.根据权利要求4所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于：

所述步骤C31，其具体为：

6.根据权利要求5所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于：

所述步骤C33依据下式对计算出的当前内部工作频率f进行调整：

△N=K_p*(N(t)-N(t-1))+K_i*N(t)+K_d*(N(t)-2*N(t-1)+N(t-2))

7.根据权利要求6所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于：所述步骤C4，其具体为：

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种时间同步装置的守时方法，其特征在于：所述步骤D，其具体为，所述步骤D，其具体为，根据调整后的内部工作频率对恒温晶振倍频后的输出信号进行分频处理，从而产生与第一秒脉冲信号同步的第二秒脉冲信号。