CN104460311A - 时间校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时间同步技术领域，公开了一种时间校准方法及装置，该方法包括：每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；根据所述校准电压值，校准所述本地时间。本发明的装置及方法采用了BD/GPS的双模制式，对标准1PPS和本地1PPS的差值进行了平滑滤波处理，既避免了复杂的运算，又提高了时钟的精度，获得更高精度的时钟输出。

Description

时间校准方法及装置

技术领域

本发明涉及时间同步技术领域，更具体地说，是涉及一种时间校准方法及装置。

背景技术

随着智能电网的发展，高精度、安全可靠的时间同步是当代电网乃至未来智能电网运行的一项基本要求，使得需要提供一种时间校准方法，对智能电网上设备的本地时间进行校准，实现智能电网内设备的时间同步。当前大部分的同步设备为了得到准确的时间，使用原子钟或者高精度的恒温晶振，但是这种方案的成本太高、尺寸大，不利于产品设计。如果使用一般的压控温补晶振或者压控晶振，那么在晶振频率的准确度上又有巨大限制。

现有技术提供一种时间校准方法，通过计算出GPS卫星信号中的标准时间和本地时间之间的时间间隔之后，不做任何处理，直接利用该时间间隔对本地时间进行校准操作。现有技术还提供一种时间校准方法，通过计算出GPS卫星信号中的标准时间和本地时间之间的时间间隔之后，利用kalman滤波算法对时间时间间隔进行处理，再直接利用处理后的时间间隔对本地时间进行校准操作。

由于GPS卫星信号在传输过程中存在各种干扰，这些干扰会造成GPS卫星信号中的标准时间存在一定的抖动，短期稳定性比较差，使得在采用现有技术提供的第一种方法时，造成时间校准精度的降低；而在采用现有技术提供的第二种方法时，由于kalman滤波算法较为复杂，在时间校准时运算量大，从而提高了时间校准的成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现高精度低复杂度且可靠的时间校准。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种时间校准方法，包括步骤：

每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；

对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；

根据所述校准电压值，校准所述本地时间。

优选地，所述对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值包括：

根据全部时间间隔，由移动窗口得到多个时差平均值；

从所述多个时差平均值中选取出至少两个得到频差；

根据所述频差生成校准电压值。

优选地，所述根据全部时间间隔，由移动窗口得到多个时差平均值包括：

记录全部时间间隔，以n为窗口长度移动窗口，由每n个时间间隔得到一个时差平均值。

优选地，所述从所述多个时差平均值中选取出至少两个得到频差包括：

从时差平均值的序列中每隔mn个取出一个进行计算，由取出的n个时差平均值得到频差。

优选地，所述方法还包括：

由校准后的本地时间反馈再次进行平滑滤波，形成循环的校准环路。

另一方面，本发明还同时提供一种时间校准装置，包括：

基准时间模块，用于每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；

平滑滤波模块，用于对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；

校准模块，用于根据所述校准电压值，校准所述本地时间。

优选地，所述基准时间模块包括卫星接收机，所述卫星接收机连接天线，用于捕获并接收卫星信号，解算出当前UTC时间，并输出基准1PPS作为所述基准时间。

优选地，所述平滑滤波模块包括时间隔测量模块，所述时间间隔测量模块包括start和stop端口，分别接收基准时间和本地时间，所述时间间隔测量模块计算基准时间和本地时间的时间间隔并输出。

优选地，所述平滑滤波模块包括还包括算法处理模块，所述算法处理模块包括平滑窗口模块、频差计算模块和电压计算模块，其中，

所述平滑窗口模块用于记录全部时间间隔，以n为窗口长度移动窗口，由每n个时间间隔得到一个时差平均值；

所述频差计算模块用于从时差平均值的序列中每隔n个取出一个进行计算，由取出的m个时差平均值得到频差；

所述电压计算模块用于根据所述频差生成校正电压值。

优选地，所述装置中，所述校准模块的输出还反馈给所述平滑滤波模块，由校准后的本地时间反馈再次进行平滑滤波，形成循环的校准环路。

本发明的技术方案采用了BD/GPS的双模制式，对标准1PPS和本地1PPS的差值进行了平滑滤波处理，即避免了复杂的运算，又提高了时钟的精度，获得更高精度的时钟输出。

附图说明

图1是本发明的优选实施例中时间校准装置的结构示意图；

图2是本发明的优选实施例中时间校准方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术的时间同步主要依赖单一的GPS卫星信号，且缺少有效率的校准手段，可靠性、精度、效率及成本均很不理想。本发明中通过接收北斗和GPS卫星信号，两时间源互为备用，解决了单一依赖GPS存在的重大安全隐患，为实现真正意义的全网同步、数字化电站和未来智能电网打下坚实的基础。本发明提供的“北斗时间”以我国自行研制和建立的“北斗卫星导航定位系统”为基础，通过精确校准授时实现安全可靠、高精度时钟的时间同步。

在本发明的一个实施例中，时间校准方法包括步骤：

每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；

对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；

根据所述校准电压值，校准所述本地时间。

进一步结合附图1、2对本发明的优选实施例进一步说明如下。其中，系统首先接上天线，对BD/GPS模块进行初始化；

捕获并接收卫星信号，解算出当前UTC时间，并输出1PPS(1Pulse PerSecond，秒脉冲)，该1PPS的精度优于100ns，所以作为调节本地时钟的基准时间；

将基准1PPS发送至FPGA并滤除杂波，由本地晶振产生的信号经分频器得到本地1PPS。

将基准1PPS和本地1PPS分别连接至TDC_GP21时间间隔测量模块的start和stop端口，上升沿触发，测量两个1PPS上升沿之间的时间间隔，即两个1PPS之间的时间差。由于1PPS存在比较大的随机抖动，所以测量出的时间间隔存在随机误差。

由于卫星信号在传输过程中存在各种干扰，这些干扰会造成基准1PPS存在一定的抖动，短期稳定性比较差。为了减小随机抖动，降低系统随机误差。将两个1PPS之间的时间间隔进行平滑滤波处理。

平滑滤波处理的原理是：本地时钟的频率准确度计算见公式(1)所示，其中Δt₂、Δt₁分别为t2和t1时刻的到的本地1PPS和基准1PPS之间的时差值(即上述时间间隔)。取TDC_GP21测量得到的时差数据Δt₁,Δt₂,......,Δt_n,......，以n为窗口长度对其中的n个测量值取平均，如公式(2)所示，通过移动窗口得到新的时差数据序列ΔT₁,ΔT₂,......,ΔT_n,......。为了使频率准确度测量更准确，取ΔT_j,ΔT_n+j,ΔT_2n+j,......,ΔT_mn+j,......作为实际测量序列进行计算，如公式(3)所示。

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_2-{\mathrm{\ΔT}}_1}{T_2-T_1}$     公式(1)

${\mathrm{\ΔT}}_j=\frac{1}{n}\underset{i=j}{\overset{n+j-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i$     公式(2)

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{mn}+j}-{\mathrm{\ΔT}}_j}{\mathrm{mn}+j-j}$     公式(3)

将公式(2)带入公式(3)，得公式(4)

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=\frac{\frac{1}{n}\underset{i=\mathrm{mn}+j}{\overset{\mathrm{mn}+n+j-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i-\frac{1}{n}\underset{i=j}{\overset{n+j-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i}{\mathrm{mn}}$     公式(4)

其中，f为基准时钟频率，Δf为本地时钟频率和基准时钟频率之差，n为每个滑动窗口长度(n≥1)，m为滑动窗口编号(m≥1)，j为每个滑动窗口选取起点(j≥0)，根据公式(4)可得到频差。

根据得到的时钟频差计算出校正电压值。

将电压值发送至DAC，DAC输出连接至时钟的控制管脚，实现对本地时钟的校正。

由校正后的本地时钟再返回得到本地1PPS，形成一个测量驯服回路。即先测量，再调节，在测量，再调节，循环往复，从而实现对本地时钟的准确驯服。

与上述方法相对应地，本发明还同时提供一种时间校准装置，包括：

基准时间模块，用于每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；

平滑滤波模块，用于对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；

校准模块，用于根据所述校准电压值，校准所述本地时间。

其中，基准时间模块还包括卫星接收机，所述卫星接收机连接天线，用于捕获并接收卫星信号，解算出当前UTC时间，并输出基准1PPS作为基准时间。

平滑滤波模块还包括时间隔测量模块、算法处理模块，其中时间间隔测量模块用于计算基准时间和本地时间的时间间隔，其包括start和stop端口，分别接收基准时间和本地时间；本地时间为本地1PPS，由本地晶振产生的信号通过分频器得到。算法处理模块包括平滑窗口模块、频差计算模块和电压计算模块，其中，平滑窗口模块用于以n为窗口长度移动计算时差平均值，频差计算模块用于根据所述n个时差平均值得到时钟频差；电压计算模块用于根据时钟频差生成校正电压值。优选地，平滑滤波模块采用一片FPGA实现，在所述FPGA平台上搭建NIOS II软核处理器作为其CPU处理器，从而使整个系统更易裁剪。

校准模块还包括数模转换器(DAC)和本地晶振，其中DAC接收所述校正电压值将其转换为对本地晶振的调整电压，以此来校准本地晶振的频率(从而校准由本地晶振产生的信号通过分频器得到的本地时间)。其中，由本地晶振得到的本地时间再一次提供给时间隔测量模块，因此平滑滤波模块和校准模块的各组件串联成为一个校正环路(测量驯服回路)，以循环迭代(循环反馈)的方式对时间进行校准。优选地，本地晶振采用10-100MHz高速时钟。

本发明提供了一种时间校准方法及装置，与现有技术相比，主要有以下几个特点：

(1)计算出标准1PPS和本地1PPS的差值之后，对差值进行了平滑滤波处理，有效消除了1PPS的随机抖动，降低随机误差。

(2)可靠性更高。采用北斗和GPS双模驯服时钟，可以保证在GPS或者北斗出现故障的情况下，仍然可以提供高精度的频率标准，从而大大提高驯服时钟的可靠性。

(3)可以校正三种不同精度的时钟，包括TCXO、OCXO和铷钟。不同时钟对应不同的校正曲线，各个时钟间可以相互切换。

(4)硬件上没有使用CPU芯片，只使用了一片FPGA，将在FPGA平台上搭建的NIOS II软核作为CPU处理器，使整个系统更易裁剪。

(5)系统采用100MHz的高速时钟，大大提高了运行效率。

本发明的关键技术是基于北斗和GPS的双模驯服时钟方法。该算法在NIOSII平台上进行开发验证。主要的实现步骤是：卫星接收机接收天上的卫星信号，捕获解算出当前UTC时间和高精度1PPS(基准1PPS)，将该1PPS作为基准产生本地1PPS，使用TDC_GP21时数转换模块测量基准1PPS和本地1PPS之间的时间差，将时间差进行平滑滤波处理，去除1PPS的随机抖动，得到二者的频差，根据频差计算出本地时钟的控制电压，发送控制电压值至时钟控制管脚进行控制，循环调整，直到本地时钟与基准时钟之差尽可能小。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种时间校准方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；

对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；

根据所述校准电压值，校准所述本地时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值包括：

根据全部时间间隔，由移动窗口得到多个时差平均值；

从所述多个时差平均值中选取出至少两个得到频差；

根据所述频差生成校准电压值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据全部时间间隔，由移动窗口得到多个时差平均值包括：

记录全部时间间隔，以n为窗口长度移动窗口，由每n个时间间隔得到一个时差平均值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从所述多个时差平均值中选取出至少两个得到频差包括：

从时差平均值的序列中每隔mn个取出一个进行计算，由取出的n个时差平均值得到频差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

由校准后的本地时间反馈再次进行平滑滤波，形成循环的校准环路。

6.一种时间校准装置，其特征在于，所述装置包括：

基准时间模块，用于每隔预设周期，根据获取的BD/GPS信号，生成基准时间；

平滑滤波模块，用于对所述基准时间与本地时间之间的时间间隔进行平滑滤波，生成校准电压值；

校准模块，用于根据所述校准电压值，校准所述本地时间。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述基准时间模块包括卫星接收机连接天线，所述卫星接收机连接天线，用于捕获并接收卫星信号，解算出当前UTC时间，并输出基准1PPS作为所述基准时间。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述平滑滤波模块包括时间间隔测量模块，所述时间间隔测量模块包括start和stop端口，分别接收基准时间和本地时间，并计算基准时间和本地时间的时间间隔并输出。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述平滑滤波模块包括还包括算法处理模块，所述算法处理模块包括平滑窗口模块、频差计算模块和电压计算模块，其中，

所述平滑窗口模块用于记录全部时间间隔，以n为窗口长度移动窗口，由每n个时间间隔得到一个时差平均值；

所述频差计算模块用于从时差平均值的序列中每隔mn个取出一个进行计算，由取出的n个时差平均值得到频差；

所述电压计算模块用于根据所述频差生成校正电压值。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置中，所述校准模块的输出还反馈给所述平滑滤波模块，由校准后的本地时间反馈再次进行平滑滤波，形成循环的校准环路。