CN105676627A - 守时系统主备主钟无缝切换系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种守时系统主备主钟无缝切换系统与方法，将主用主钟相位微调仪输出的频率信号、备份主钟相位微调仪输出的频率信号和第三方原子钟输出的频率信号均接入比相仪，进行实时比对，判断主用主钟是否发生故障；如果主用主钟发生故障，无缝切换单元将压控振荡器锁定在备份主钟相位微调仪的频率信号上，作为频率的最终输出；无缝切换单元直接输出备份主钟相位微调仪的1PPS秒信号。本发明能够实现高精度的时间频率信号输出的连续性和一致性。

Description

守时系统主备主钟无缝切换系统与方法

技术领域

本发明属于时间频率技术领域，尤其是用于守时系统主钟时间频率信号的驾驭与保持，为精密时间用户提供连续、一致的高精度时间频率信号。

背景技术

精密时间是国家重要的战略资源，精密时间/频率信号在战略武器实验、星箭发射、导航定位等现代国防、国民经济建设，以及科技领域得到越来越广泛的应用，而守时系统的建立与保持是时间工作的基础与核心。

守时系统通常由具有一定规模的钟组建立和维持，而其实时的标准时间频率物理信号由主钟系统提供。主钟系统由主钟和相位微调仪组成，通过相位微调仪对主钟的输出信号进行驾驭，提供实时的、高精度的时间频率信号。传统上，对主钟进行频率驾驭的参考是守时系统的时间尺度，具有一定的滞后性，因此对于主钟信号异常的判断也会有所延迟；当主钟出现异常情况，通过手动切换的方式更换一台主钟，传统方法对于关注标准时间频率信号准确度和中长期稳定度的守时要求几乎没有影响。然而随着科学技术的发展，日益众多的行业对守时系统提供的时间/频率信号提出了越来越高的要求，尤其是现代高技术领域和国防建设，如卫星导航定位(GNSS)系统、现代军事通信系统、航空航天系统等，主钟系统必须保持高精度实时输出信号的连续性和一致性，传统的方法由于其滞后性，已经不能满足新的需求。

主钟信号保持的关键是建立与主钟联系更加紧密的备份主钟系统，在主钟异常时可以迅速替代。美国海军天文台(USNO)为保证GPS的用时安全，在内部建立UTC(USNOMC#1)和UTC(USNOMC#2)互为备份，还在位于科罗拉多州的施里弗空军基建立异地备份系统USNOAMC。GALILEO导航系统的主钟系统是由一主一备两台氢钟HM1和HM2组成的。GLONASS导航系统的守时系统也有类似的设计。以GALILEO的主钟系统为例，备份主钟系统与主钟系统之间实时同步，检测主钟故障，并通过切换开关切换，从而达到主钟信号保持效果，具体方法未在公开资料中批露，无法获得直接的可行性方案。

为了满足空间技术研究等多个行业对守时系统时间频率信号的连续性和一致性需求，需要设计主钟的信号保持系统，此系统的运行融入守时系统的时间尺度算法和频率驾驭技术，实现守时系统的主钟时间频率信号的保持功能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种守时系统主备主钟无缝切换系统，建立与主钟实时同步的备份主钟系统，实时检测主钟的运行状态，在主钟故障时切换到备钟，经过无缝切换单元保证高精度的时间频率信号的连续输出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种守时系统主备主钟无缝切换系统，包括主用主钟、备份主钟、主用主钟相位微调仪、备份主钟相位微调仪、比相仪、第三方原子钟、工控机及无缝切换单元。

所述的主用主钟的输出通过主用主钟相位微调仪调整，输出稳定的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号；无缝切换单元通过数字锁相环，将压控振荡器锁定在主用主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为最终输出；无缝切换单元直接输出主用主钟相位微调仪的1PPS秒信号；

所述的备份主钟的输出通过备用主钟相位微调仪调整，输出稳定的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号；主用主钟相位微调仪输出的频率信号、备份主钟相位微调仪输出的频率信号和第三方原子钟输出的频率信号均接入比相仪，进行实时比对，得到主备钟差、主用主钟与第三方原子钟钟差、备份主钟与第三方原子钟钟差，判断主用主钟是否发生故障；

所述的工控机根据主备钟差计算备份主钟相位微调仪的驾驭量，调整备份主钟相位微调仪的频率，输出与主用主钟同步的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号；

如果主用主钟发生故障，工控机发生切换指令到无缝切换单元，将压控振荡器锁定在备份主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为频率的最终输出；无缝切换单元直接输出备份主钟相位微调仪的1PPS秒信号。

本发明还提供一种守时系统主备主钟无缝切换方法，包括以下步骤：

(1)，搭建守时系统主备主钟无缝切换系统，连续采集150个主用主钟相位微调仪输出的频率信号和备份主钟相位微调仪输出的频率信号；采用最小二乘法进行线性拟合，计算斜率a，即备份主钟相对于主用主钟的频率偏差a；给备份主钟设置-a的频率偏差调整，完成初同步中的频率同步；向备份主钟的相位微调仪发送同步指令，实现备份主钟与主用主钟的1PPS秒信号小于200ns的粗同步；

(2)守时系统主备主钟无缝切换系统的运行过程中，实现备份主钟与主用主钟的时间同步，包括以下步骤：

2.1)采集主备钟差，并进行Vondrak滤波降噪；

2.2)根据滤波降噪以后的数据，采用二阶多项式模型，预测下一时刻的钟差D和频偏offset1；

2.3)在设定的T₁时间内将主备钟差拉回，计算备份主钟频率的驾驭量

2.4)调节备份主钟相位微调仪的输入数据offset＝offset1+offset2，实现备份主钟与主用主钟的时间同步；

(3)进行故障判断，包括以下步骤：

3.1)采用主备钟差的前N个数据点，利用最小二乘法进行拟合，得到当前时刻的拟合值与当前时刻的实测值e0(k)比较，作差得到对比设定的阈值C，如果|u(k)|＞C，则相位数据异常；

3.2)顺序扫描频率数据，当某频率数据大于设定的频率跳变阈值时，则将该频率数据作为可疑数据点并给予一个特定标记。若连续N次发生频率数据大于频率跳变阈值，则频率数据异常；

3.3)计算设定时间段内主、备和第三方钟相互比对数据的Allan方差/频率方差，并采用三角帽法计算单台钟Allan方差/频率方差，若Allan方差/频率方差大于设定的阈值，则性能数据异常；

3.4)当主备钟差、主用主钟与第三方原子钟钟差、备份主钟与第三方原子钟钟差都存在数据异常，而主备钟差数据正常，则第三方原子钟存在数据异常；

当主用主钟与第三方原子钟钟差、主备钟差都存在数据异常，而备份主钟与第三方原子钟钟差数据正常，则主用主钟存在数据异常；

当备份主钟与第三方原子钟钟差数据异常、主用主钟与第三方原子钟钟差均存在数据异常，而主用主钟与第三方原子钟钟差数据正常时，则备份主钟存在数据异常；

(4)如果主用主钟存在数据异常，则在备份主钟的1PPS秒信号处于负电平区域时，使用备份主钟替代主用主钟工作，根据备份主钟的鉴相值，调整压控振荡器锁定在备份主钟上。

本发明的有益效果是：通过建立与主钟高精度同步的备钟系统，通过故障检测方法实时检测主钟故障，并控制无缝切换单元，实现高精度的时间频率信号输出的连续性和一致性。主要具有以下优点：

(1)实现了守时系统频率信号和秒信号输出的一致性和连续性；

(2)设计了采用比相仪、相位微调仪和基于计算机控制的备钟驾驭算法，实现的主备同步模块类似于一个锁相环，实现了主备主钟的高精度时间同步。

(3)设计了基于最小二乘法进行预测，采用最大阈值法和动态阿伦方差进行判断的故障检测方法，并且通过引入第三方原子钟判断故障归属。

(4)设计了具备负电平检测功能的秒信号切换电路，保证切换过程中秒信号的平稳输出。

附图说明

图1是守时系统主备主钟无缝切换系统原理框图；

图2是主备钟同步流程图；

图3是初同步实现流程图；

图4是备钟频率驾驭算法流程图；

图5是故障检测算法流程图；

图6是具有多路鉴相与选择功能的锁相环示意图；

图7是采用负电平监测的1PPS秒信号切换时间控制原理框图；

图8是无缝切换模块的基本原理图。

具体实施方式

本发明提供的主备无缝切换系统中包含主用主钟和备份主钟、连接主钟的相位微调仪、连接备份主钟的相位微调仪、比相仪、第三方原子钟、工控机及无缝切换单元。

在正常情况下，主钟输出5/10MHz频率信号，接入主钟的相位微调仪，相位微调仪通过调整主钟频率，输出更加准确和稳定的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号。无缝切换单元中的频率切换模块通过数字锁相环技术，将压控振荡器锁定在主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为频率的最终输出。无缝切换单元中的1PPS秒信号切换模块直接输出主钟相位微调仪的1PPS秒信号。

备份主钟输出的5/10MHz频率信号，接入备份主钟的相位微调仪。主钟相位微调仪输出的频率信号，备份主钟相位微调仪输出的频率信号，第三方原子钟输出的频率信号，均接入比相仪，进行三方钟差的实时比对，工控机通过网络接口采集得到比对数据，分别是主备钟差、主钟与第三方钟钟差、备钟与第三方钟钟差。根据三方比对钟差，判断主钟是否发生故障。

工控机根据主备钟差数据，计算备份主钟相位微调仪的驾驭量，通过串口将调整量发送到备份主钟相位微调仪，调整备份主钟频率，输出与主钟高精度同步的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号。

如果判断主钟发生故障，工控机发生切换指令到无缝切换单元，将压控振荡器锁定在备份主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为频率的最终输出。无缝切换单元中的1PPS秒信号切换模块直接输出备份主钟相位微调仪的1PPS秒信号。

本发明工作时包括以下内容：

1主备同步方案

通过比相仪实时测量主备钟差，计算备份主钟驾驭量，控制备份主钟实时锁定在主钟上，从而能够保证输出信号切换前后的一致性。

2故障检测方案

通过钟差比对数据有无判断信号中断，多项式预测值与实测值比较的方法来判断相位、频率跳变，通过滑动窗口计算方差比较的方法来判断性能变差。根据原子钟异常情况判断方法产生的比较值，设定门限值作为故障判断的依据，采用实际效果较好，工程实现较为简单的最大阈值法来确定异常情况判断的门限值。引入第三方检测的方式来判断故障归属。

3无缝切换方案

(1)频率信号的无缝切换

频率信号的无缝切换采用具备多路鉴相与选择功能的锁相环电路来实现，锁相环中的压控振荡器根据与主钟的鉴相值，调整压控振荡器锁定在主钟上，保持频率与主钟一致，当切换到备钟的后，压控振荡器根据与备钟的鉴相值，调整压控振荡器锁定在备钟上。由于主备主钟高精度时间同步，所以鉴相值不会发生跳变，压控振荡器不会发生失锁情况，从而保证了输出频率信号的一致性和连续性。

(2)1PPS秒信号的无缝切换

采用高速电子切换开关进行切换，因为目前的高速电子切换开关的切换速度可以达到几十纳秒甚至几纳秒，所以在主备主钟切换过程，只要不在秒信号的高电平区域进行，就不会对秒信号的质量产生影响。因此在秒信号的切换过程中，增加了负电平检测过程。故障检测模块检测到当主钟出现异常时，并不立刻向切换开关发送切换指令，而是参考备钟信号负电平检测电路的结果。负电平检测电路的功能是检测备钟1PPS秒信号处于负电平区域时，进行切换，从而并不影响1PPS秒信号的方波，从而保证了输出信号的质量。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

一、守时系统主钟信号保持系统构建

参照图1，本发明守时系统主钟信号保持系统与方法，主备无缝切换系统中包含主用主钟和备份主钟、连接主钟的相位微调仪、连接备份主钟的相位微调仪、比相仪、第三方原子钟、工控机及无缝切换单元。

在正常情况下，主钟输出5/10MHz频率信号，接入主钟的相位微调仪，相位微调仪通过调整主钟频率，输出更加准确和稳定的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号。无缝切换单元中的频率切换模块通过数字锁相环技术，将压控振荡器锁定在主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为频率的最终输出。无缝切换单元中的1PPS秒信号切换模块直接输出主钟相位微调仪的1PPS秒信号。

备份主钟输出的5/10MHz频率信号，接入备份主钟的相位微调仪。主钟相位微调仪输出的频率信号，备份主钟相位微调仪输出的频率信号，第三方原子钟输出的频率信号，接入比相仪，进行三方钟差的实时比对，工控机通过网络接口采集得到比对数据，分别是主备钟差，主钟与第三方钟钟差，备钟与第三方钟钟差。根据三方比对钟差，判断主钟是否发生故障。

工控机根据主备钟差数据，计算备份主钟相位微调仪的驾驭量，通过串口将调整了发送到备份主钟相位微调仪，调整备份主钟频率，输出与主钟高精度同步的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号。

如果判断主钟发生故障，工控机发生切换指令到无缝切换单元，将压控振荡器锁定在备份主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为频率的最终输出。无缝切换单元中的1PPS秒信号切换模块直接输出备份主钟相位微调仪的1PPS秒信号。由于主备主钟采用时间同步技术实现了高精度的时间同步，所以切换前后不会发生相位跳变，可见主备时间同步时无缝切换单元正常运行的前提条件。

综上所述，守时主备主钟无缝切换系统包括主钟及其相位微调仪对主钟进行控制；备份主钟、第三方原子钟通过比相仪与主钟进行钟差比对；工控机进行数据的采集与预处理、故障检测、切换控制；工控机根据主备钟差数据，控制备份主钟的相位微调仪，实现主备时间同步；无缝切换单元实现信号的输出连续与一致性。以上所有部分中，利用三方原子钟循环比对数据，进行故障检测的技术，驾驭备份主钟实现主备同步的技术，以及无缝切换技术都是本项目的创新之处，其他部分已经具备成熟的设备和方法。

二、主备时间同步

主备时间同步的运行流程如图2给所示。功能上分为两个部分：初同步模块、相位/频率同步模块。

1.系统初同步

初同步是系统平台搭建完成后首要进行的工作，在系统启动时仅运行一次，具体流程如图3所示。

设置完相位微调仪、计数器的各项参数以后，连续采集150个数据，采用最小二乘法进行线性拟合，计算斜率a，即备钟相对于主钟的频率偏差为a。给备钟设置-a的频率偏差调整，指令格式为：“FFOF-a”，能够完成初同步中的频率同步。

频率同步后，向备钟的相位微调仪发送“SYNC”指令，可以实现备钟与主钟的1PPS秒信号小于200ns的粗同步。外接信号采用主钟(铯原子钟)输出的1PPS秒信号，除去电缆延迟带入的误差，相位微调仪输出的1PPS秒信号可以实现与主钟1PPS秒信号小于200ns的同步。

2.备钟与主钟时间同步

如图4所示，备份主钟系统持续锁定在主钟上，保持与主钟的时间同步。备钟驾驭算法实现的主备同步功能类似于一个锁相环(PLL)，将备钟的相位持续锁定在主钟上。如果主备钟差数据正常，则利用合适的频率驾驭算法，计算出对备钟设置的频率补偿量，通过相位微调仪对备钟进行驾驭控制。备钟驾驭算法是对工控机采集的主备钟差数据，进行滤波，计算备钟频率驾驭量，定期发送给备钟相位微调仪，实现主备时间同步。

1)Vondrak滤波降噪方法

Vondrak滤波方法计算过程明确，并且收敛，易在计算机上实现，所以采用Vondrak滤波算法进行滤波。Vondark滤波方法也是国际权度局(BIPM)处理时间比对数据的主要方法。

2)钟差预测方法

根据滤波降噪以后的数据，采用二阶多项式模型，预测下一时刻的钟差为D。

二阶多项式的模型的参数是a0、a1和a2，根据最小二乘的估计原则求出了a0、a1和a2。时差数据ΔT和系统时间t之间的关系用以下公式来表示为：

ΔT＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)²...............

其中，a0是t0时刻原子钟相对于系统时间t的钟差；a1是t0时刻原子钟相对于系统时间t的钟速，a2是t0时刻原子钟的频率漂移。假设在时间t1，t2，...，tn，钟差分别为：x1，x2，...，xn，测量误差为vi，根据公式，建立的钟差方程为：

x_i+v_i＝a₀+a₁(t_i-t₀)+a₂(t_i-t₀)²...............

设分别是a0，a1和a2的估计值，则有：

${\hat{x}}_i={\hat{a}}_0+{\hat{a}}_1(t_i-t_0)+{\hat{a}}_2{(t_i-t_0)}^2...............$

根据最小二乘估计原则，记令则估计值

$\left[\begin{array}{c}{\hat{a}}_0\\ {\hat{a}}_1\\ {\hat{a}}_2\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}n& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^2& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^3& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δt}}_i^4\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{\mathrm{\Δt}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{\mathrm{\Δt}}_i^2\end{array}\right]$

其中，参数n为钟差的数据个数，Δt_i＝t_i-t₀。

当前频偏值为当前的预测钟差为

3)备份主钟频率驾驭步骤及驾驭量计算

(1)采集主备钟差数据；

(2)对钟差数据进行滤波降噪，得到滤波数值为d；

(3)根据滤波后的数据，采用适当的预测方法，预测下一时刻的钟差和频偏；

(4)备钟相对于主钟的频偏通过最小二乘法的线性拟合得到，记为offset1。

(5)在T₁时间内将主备钟差拉回，计算频率的驾驭量为

(6)offset＝offset1+offset2即是最终要调节相位微调仪的输入数据。

三、故障检测

通过钟差比对数据有无判断信号中断，多项式预测值与实测值比较的方法来判断相位、频率跳变，通过滑动窗口计算方差比较的方法来判断性能变差。根据原子钟异常情况判断方法产生的比较值，设定门限值作为故障判断的依据，采用实际效果较好，工程实现较为简单的最大阈值法来确定异常情况判断的门限值。引入第三方检测的方式来判断故障归属。

(1)相位异常

采用最小二乘结合最大阈值法，实现对原子钟相位跳变的检测。利用钟比对的相位差原始数据，采用动态最小二乘拟合法进行异常检测。通过最小二乘法可以预测出下一时刻的钟差，将预测值与实测值进行比较，两者之差作为异常判断的根据。判断是否异常需要设定某一阈值，如果预测值与实测值之差超过了此阈值，则认为比对数据相位异常。异常情况判断的基本流程如图5所示。

采用主备钟差的前N个数据点，利用最小二乘法进行拟合，得到当前时刻的拟合值与当前时刻的实测值e0比较，作差得到：

$u\left(k\right)=e0\left(k\right)-\hat{u}\left(N\right)$

选择阈值C，如果|u(k)|＞C，则相位数据异常，进入故障检测模块。阈值C的确定根据不同钟特性设定为特定常数，N为滑动窗口大小。

首先将滑动窗口中的原子钟比对相位差原始数据扣除速率后记为h(t)，其中t为时刻值，采用最小二乘法拟合这些数据，记为h′(t)。该滑动窗口中的相位数据与相应时刻的拟合数据的残差为

Δh(t)＝h(t)-h′(t)

滑动窗口内Δh(t)的绝对值最大值为：

W＝max(|Δh(t)|)

利用最小二乘法拟合t1时刻的值为h′(t1)，若h(t1)满足：

|h(t1)-h′(t1)|＞MW

则h(t1)为异常值，该时刻原子钟数据相位异常。

(2)频率异常

检测原子钟频率跳变的方法采用SEQAVG与CUMSUM组合方法，它没有固定的数据分析窗口，顺序扫描频率数据，给定一个频率跳变阈值，当窗口数据中的某频率数据大于频率跳变阈值时，则将该频率数据作为可疑数据点并给予一个特定标记。若连续N次发生频率数据大于频率跳变阈值，则最终判断发生频率跳变。

频率异常的故障检测方法和流程与相位异常检测类似，但是需要在故障判断前通过相位偏差计算频率偏差值，将主备频率偏差值作为输入量来进行异常检测。无论外界、人为因素还是原子钟自身原因造成的原子钟频率跳变，一般不对其做频率修正。

(3)性能下降

原子钟的性能下降的检验方法可以利用频率方差或是短期频率稳定度指标来评定，当频率方差或短期稳定度超过一个给定的阈值，则认为该钟为故障。

检验原子钟的性能下降，需要首先计算一定时间段内主、备和第三方钟相互比对数据的Allan方差/频率方差，并采用三角帽法计算单台钟Allan方差/频率方差，其具体方法如下：

每天0时以过去24小时内的主、备和第三方的钟差数据或频差数据计算Allan方差/频率方差：假定各钟之间相互独立，则应有

$E\left({\hat{S}}_j^2\right)=E\left({\hat{S}}_i^2\right)+E\left({\hat{S}}_j^2\right)$

这里是单台钟的Allan方差/频率方差。由(3.50)式求解如下方程组，得到各单台钟Allan方差/频率方差的估计值：

可以计算一定窗口大小范围内，主备主钟的Allan方差/频率方差。将当前计算的单台原子钟Allan方差/频率方差与阈值进行比较，判断钟是否性能下降。这里参考了动态Allan方差的思想，采用动态计算原子钟在响应时间段的Allan方差，并将其跟给定的参考进行比较，进而确定原子钟性能是否下降，我们在试验中采用原子钟出厂标称值为参考，并以原子钟性能下降到一定程度(如20％)作为阈值。

故障归属的判定方法

利用计数器或比相仪可以获得主备钟的相位偏差并且判断异常情况，但是仅依靠主备钟的相位差数据无法判断主、备哪台钟异常。判断异常情况的归属，需要借助第三方原子钟，根据异常情况检测方法，分别为判断主钟、备钟和第三方钟异常的条件。

当主备钟和第三方钟数据都异常时，而主备钟数据正常，则第三方钟异常；

当主钟和第三方钟数据异常，主钟和备钟数据异常而备钟和第三方钟数据正常时，主钟异常；

当备钟和第三方钟数据异常，主钟和备钟数据异常而主钟和第三方钟数据正常时，备钟异常。

四、无缝切换

1.频率信号的无缝切换

如果故障检测判断主钟异常，工控机发送指令用备份主钟替代主钟工作。为了保证系统输出的频率信号的连续性和稳定性，采用具备多路鉴相与选择功能的锁相环实现频率信号的无缝切换。如图6所示，具体的做法是在切换开关后面增加一路锁相环电路，锁相环中的鉴相器具备多路鉴相和选择功能，锁相环中的压控振荡器在正常情况下根据与主钟的鉴相值调整频率锁定在主钟上；如果切换到备份主钟，则根据备份主钟的鉴相值，调整压控振荡器锁定在备份主钟上，由于前端主备信号的高精度同步保证，切换不会引起压控振荡器失锁，从而保证了输出频率信号的一致性和连续性。

2.秒信号的无缝切换

采用高速电子切换开关进行切换，因为目前的高速电子切换开关的切换速度可以达到几十纳秒甚至几纳秒，所以在主备主钟切换过程，只要不在秒信号的高电平区域进行，就不会对秒信号的质量产生影响。因此在秒信号的切换过程中，增加了负电平检测过程，其基本原理如图7所示。

当故障检测模块检测到当主钟出现异常时，并不立刻向切换开关发送切换指令，而是参考备钟信号负电平检测电路的结果。负电平检测电路的功能是检测备钟1PPS秒信号处于负电平区域时，进行切换，从而并不影响1PPS秒信号的方波，从而保证了输出信号的质量。

3无缝切换模块总体方案设计

根据对频率信号无缝切换的方案比较和1PPS秒信号无缝切换的方案设计，最终将时间频率信号的无缝切换集成到一个模块中实现。

无缝切换模块的基本原理如图8所示，是通过数字锁相环技术，实现主备主钟5MHz频率信号的无缝切换功能，通过高速电子开关实现1PPS秒信号的切换，保持主备切换前后输出信号的连续性和一致性。设备共包含4个模块，分别是5MHz频率信号放大整形模块、鉴相与无缝切换模块、数据处理与控制模块、数字锁相模块。

通过数字锁相环技术，实现主备主钟5MHz频率信号的无缝切换功能，通过高速电子开关实现1PPS秒信号的切换，保持主备切换前后输出信号的连续性和一致性。设备共包含4个模块，分别是5MHz频率信号放大整形模块、鉴相与无缝切换模块、数据处理与控制模块、数字锁相模块。

主备主钟的5M频率信号输入无缝切换设备，经过放大整形后进入鉴相模块，鉴相模块通过比较主备信号与高精度锁相环中压控振荡器，控制压控振荡器锁定在主备钟上，实现无缝切换。

主备主钟的1PPS秒信号输入无缝切换设备，经过鉴相与无缝切换模块，通过高速切换开关和控制切换时间，实现无缝切换。

设备设计了串口，并且设计了相关指令，能够实时读取目前主备钟与压控振荡器的钟差，能够查询、设定设备的主备钟工作状态，上位机可以控制主备主钟切换。

方案具体说明

(1)5MHz参考正弦信号整形模块

设备选用响应速度快，传输延时短，应用灵活的芯片对5MHz参考正弦信整形，整形出来的波形通过转换，信号为FPGA所能处理的TTL电平，上升沿下降沿典型值为600ps较陡，从而减小后续的电路的触发误差，同时能够完成低噪声放大。

(2)鉴相与无缝切换模块

鉴相模块通过FPGA实现两路参考信号与高精度VCXO信号的鉴相，放大并产生一个鉴相脉宽信号，经由外部电路转换生成电压信号送入ADC去采样。无缝切换模块主要对主备钟输入的频率信号和秒信号完成切换动作。

(3)数据处理与控制模块

数据处理与控制模块通过单片机处理鉴相电压信号，采用滤波算法处理鉴相数据，迅速判断主备钟是否有异常情况，计算合适的VCXO压控数值。同时控制1PPS秒信号在低电平区域进行切换，以免对信号产生影响。

(4)数字锁相模块

通过DAC来控制高精度的VCXO，再经过放大整形得到连续稳定的5MHz频率信号。

Claims (2)

1.一种守时系统主备主钟无缝切换系统，包括主用主钟、备份主钟、主用主钟相位微调仪、备份主钟相位微调仪、比相仪、第三方原子钟、工控机及无缝切换单元，其特征在于：所述的主用主钟的输出通过主用主钟相位微调仪调整，输出稳定的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号；无缝切换单元通过数字锁相环，将压控振荡器锁定在主用主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为最终输出；无缝切换单元直接输出主用主钟相位微调仪的1PPS秒信号；所述的备份主钟的输出通过备用主钟相位微调仪调整，输出稳定的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号；主用主钟相位微调仪输出的频率信号、备份主钟相位微调仪输出的频率信号和第三方原子钟输出的频率信号均接入比相仪，进行实时比对，得到主备钟差、主用主钟与第三方原子钟钟差、备份主钟与第三方原子钟钟差，判断主用主钟是否发生故障；所述的工控机根据主备钟差计算备份主钟相位微调仪的驾驭量，调整备份主钟相位微调仪的频率，输出与主用主钟同步的5/10MHz频率信号和1PPS秒信号；如果主用主钟发生故障，工控机发生切换指令到无缝切换单元，将压控振荡器锁定在备份主钟相位微调仪的5/10MHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/10MHz频率信号作为频率的最终输出；无缝切换单元直接输出备份主钟相位微调仪的1PPS秒信号。

2.一种利用权利要求1所述系统的守时系统主备主钟无缝切换方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)，搭建守时系统主备主钟无缝切换系统，连续采集150个主用主钟相位微调仪输出的频率信号和备份主钟相位微调仪输出的频率信号；采用最小二乘法进行线性拟合，计算斜率a，即备份主钟相对于主用主钟的频率偏差a；给备份主钟设置-a的频率偏差调整，完成初同步中的频率同步；向备份主钟的相位微调仪发送同步指令，实现备份主钟与主用主钟的1PPS秒信号小于200ns的粗同步；

(2)守时系统主备主钟无缝切换系统的运行过程中，实现备份主钟与主用主钟的时间同步，包括以下步骤：

2.1)采集主备钟差，并进行Vondrak滤波降噪；

2.2)根据滤波降噪以后的数据，采用二阶多项式模型，预测下一时刻的钟差D和频偏offset1；

2.3)在设定的T₁时间内将主备钟差拉回，计算备份主钟频率的驾驭量 $offset2=\frac{-D}{T_1};$

2.4)调节备份主钟相位微调仪的输入数据offset＝offset1+offset2，实现备份主钟与主用主钟的时间同步；

(3)进行故障判断，包括以下步骤：

3.1)采用主备钟差的前N个数据点，利用最小二乘法进行拟合，得到当前时刻的拟合值与当前时刻的实测值e0(k)比较，作差得到对比设定的阈值C，如果|u(k)|＞C，则相位数据异常；

3.2)顺序扫描频率数据，当某频率数据大于设定的频率跳变阈值时，则将该频率数据作为可疑数据点并给予一个特定标记。若连续N次发生频率数据大于频率跳变阈值，则频率数据异常；

3.3)计算设定时间段内主、备和第三方钟相互比对数据的Allan方差/频率方差，并采用三角帽法计算单台钟Allan方差/频率方差，若Allan方差/频率方差大于设定的阈值，则性能数据异常；

3.4)当主备钟差、主用主钟与第三方原子钟钟差、备份主钟与第三方原子钟钟差都存在数据异常，而主备钟差数据正常，则第三方原子钟存在数据异常；

当主用主钟与第三方原子钟钟差、主备钟差都存在数据异常，而备份主钟与第三方原子钟钟差数据正常，则主用主钟存在数据异常；

当备份主钟与第三方原子钟钟差数据异常、主用主钟与第三方原子钟钟差均存在数据异常，而主用主钟与第三方原子钟钟差数据正常时，则备份主钟存在数据异常；

(4)如果主用主钟存在数据异常，则在备份主钟的1PPS秒信号处于负电平区域时，使用备份主钟替代主用主钟工作，根据备份主钟的鉴相值，调整压控振荡器锁定在备份主钟上。