CN106527113A - 一种基于gps的高精度时钟在线校频与授时的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法,提供主控模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、鉴相器。本发明能够在晶振频漂较大或测量值间隔较长的情况下,保持模型准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统自动化技术领域,特别是一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法。
背景技术
晶振时钟会受到器件老化、环境温度和短期扰动等因素影响,器件老化是指晶体和振荡电路长时间工作时引起的时钟漂移,环境温度变化引发晶振内部电路特性随温度变化而改变,形成温度漂移,短期扰动则是晶振时钟每次输出时的随机变化。在这些影响中器件老化是不可逆的趋势变化,温度漂移是可逆的阶段性变化,晶振随机扰动很小,一般可以忽略,因此晶振时钟稳定度较高,而准确度会受到时间与环境的影响。目前基于GPS与晶振的授时方案提高了GPS时钟精度,也保存了GPS失步时的授时精度,但均忽略了测量值间的频率变化,即将某时间段内晶振的计数值直接作为时间值,而没有考虑此段时间内晶振频率漂移造成的时间偏差,当晶振频漂较大或测量值间隔较长时,模型准确性也将下降。针对上述问题开展基于GPS的高精度时钟在线校频与授时方案的研究,可为广域测量、故障测距等应用提供精确时标,满足电网监控系统在线广域授时要求。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提出一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法,能够在晶振频漂较大或测量值间隔较长的情况下,保持模型准确性。
本发明采用以下方案实现:一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法,提供主控模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、鉴相器;具体包括以下步骤;
步骤S1:校频:所述GPS高精度校频模块通过量测GPS有效时秒脉冲GPS_PPS间的高频时钟计数值,估计当前高频时钟的精确频率并实现校频;
步骤S2:授时:所述秒脉冲生成模块根据频率校正值和相位估计差生成新的秒脉冲GEN_PPS实现授时功能;鉴相器跟踪GPS_PPS与GEN_PPS的相位差,所述相位估计模块估计GEN_PPS与国际协调时间UTC的时间差,并反馈给所述秒脉冲生成模块进行校正;
步骤S3:倍频:所述倍频模块根据频率校正值将GEN_PPS倍频到1MHz,实现微秒级时钟输出。
进一步地,所述步骤S1具体包括以下步骤:
步骤S11:采集测量值Nk,在Nk有效的前提下令频率估计值fk-1=Nk;
步骤S12:判断是否第N+n个测量值,若否,则返回步骤S11;若是,则进入步骤S13;
步骤S13:采用广义最小二乘估计模型估计得到频率估计值yk,其中所述广义最小二乘估计模型为:
yk+1=b2xk+b1xk-1+vk=b2xk-1+b1xk-1+c1vk-1+Υk;
其中,b1,b2,c1分别为成形滤波器的系数,yk=ln(Nk),xk=k,vk为噪声序列,Υk为白噪声序列,k为鉴相器计数值;
步骤S14:再次采集测量值Nk,在Nk有效的前提下,更新第N+n个测量值,并返回步骤S13。
进一步地,本发明根据晶振模型与GPS时钟模型互补的特性设计授时方案,增加数字锁相环改善信号跟踪性能,并利用恒温晶振可进一步提高GPS正常时的授时精度,而由现场可编程门阵列FPGA搭建的实现方案则提高了GPS异常时的授时精度。本发明重构互补回归模型,根据GPS时钟与晶振时钟的不同特性,建立互补时钟的广义回归模型,并利用广义最小二乘法对晶振频率进行估计,算法修正了已有回归模型中因量测值频率漂移而造成的误差,实现了在晶振频率漂移较大或量测值间隔较长时的精确估计,在此基础上生成可与UTC同步的授时秒脉冲,通过相位补偿算法,校正生成秒脉冲与UTC秒脉冲的相位差,实现精确授时,并给出高精度时钟在线校频与授时实现方案,包括GPS接收模块、主控单元模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、输入输出执行模块等组成。高精度时钟在线校频与授时功能在FPGA平台上实现,晶振时钟(50MHz)由数字锁相环倍频到高频时钟(250MHz),
与现有技术相比,本发明可实现在GPS信号异常时改用恒温晶振授时,在GPS失步12h后,授时误差不超过50us;可实现在GPS接收正常时授时误差不超过0.1us,丢失GPS信号6h温补晶振授时误差不超过55us。
附图说明
图1为本发明的原理结构框图。
图2为本发明实施例中高精度时钟在线校频流程图。
图3为本发明实施例中相位误差估计流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示,本实施例提供了一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法,提供主控模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、鉴相器;具体包括以下步骤;
步骤S1:校频:所述GPS高精度校频模块通过量测GPS有效时秒脉冲GPS_PPS间的高频时钟计数值,估计当前高频时钟的精确频率并实现校频;
步骤S2:授时:所述秒脉冲生成模块根据频率校正值和相位估计差生成新的秒脉冲GEN_PPS实现授时功能;鉴相器跟踪GPS_PPS与GEN_PPS的相位差,所述相位估计模块估计GEN_PPS与国际协调时间UTC的时间差,并反馈给所述秒脉冲生成模块进行校正;
步骤S3:倍频:所述倍频模块根据频率校正值将GEN_PPS倍频到1MHz,实现微秒级时钟输出。
在本实施例中,所述步骤S1具体包括以下步骤:
步骤S11:采集测量值Nk,在Nk有效的前提下令频率估计值fk-1=Nk;
步骤S12:判断是否第N+n个测量值,若否,则返回步骤S11;若是,则进入步骤S13;
步骤S13:采用广义最小二乘估计模型估计得到频率估计值yk,其中所述广义最小二乘估计模型为:
yk+1=b2xk+b1xk-1+vk=b2xk-1+b1xk-1+c1vk-1+Υk;
其中,b1,b2,c1分别为成形滤波器的系数,yk=ln(Nk),xk=k,vk为噪声序列,Υk为白噪声序列,k为鉴相器计数值;
步骤S14:再次采集测量值Nk,在Nk有效的前提下,更新第N+n个测量值,并返回步骤S13。
特别的,在本实施例中,校频算法要求算法尽量简化,且估计对象为时钟短时模型,序列确定性趋势变化平稳,因而采用确定趋势模型分析。确定趋势分析直接建立在非平稳时间序列基础上,利用最小二乘和极大似然等优化算法估计确定性趋势模型。引入白化滤波器,对数据进行预处理后,将相关噪声转换为白噪声,进而采用普通最小二乘法得到模型参数。时钟频率的稳定度通常由阿伦方差表征,交叠式阿伦方差的计算公式为
f0为晶振额定频率,m为数据长度,{εk}为时钟偏差序列。由分析已知互补时钟模型为
可计算出序列{1+εk-εk-1}的自相关系数:
可见量测值Nk与时钟频率估计值fk之商的自相关系数也应满足,时钟频率估计值越逼近真实值,该自相关系数的1阶截尾特性越显著,p(1)的值越接近-0.5,因此互补时钟频率的准确度可由自相关系数的特性表征。
对于有限样本序列{u1,u2,···,uN},其自相关系数可计算如下:
由于序列的样本数量N不可能无限大,不相关样本的自相关系数也不可能完全为0,因此若自相关函数满足
则为0的概率为95%,即接受样本不存在相关性的假设。
为满足在线实时校频的需求,频率估计基于较短时间范围,同时考虑到晶振特性变化近似为线性,本实施例设计广义最小二乘估计模型为:
yk+1=b2xk+b1xk-1+vk=b2xk+b1xk-1+c1vk-1+γk
其中yk=ln(Nk),xk=k,vk为噪声序列,γk为白噪声序列。
算法获取N+n个有效量测值之前,令频率估计值等于量测值,当量测数据量达到N+n个,应用广义最小二乘估计得频率估计值,再次采集到有效量测值后,使新数据成为N+n个数据中的首数据,并去掉末尾数据,以保持数量不变,循环估计互补时钟模型,实现频率的实时跟踪,如图2所示。
通过基于GPS的时钟校频算法获得晶振时钟的准确频率后,授时模块即可由晶振时钟生成与UTC秒脉冲同步的脉冲信号GEN_PPS,如图3所示,假设晶振频率估计值为理想值,则生成秒脉冲GEN_PPS与UTC秒脉冲完全同步,而由于UTC秒脉冲不可见,GEN_PPS在生成时必然会存在与UTC秒脉冲的相位差a,为消除该相位差,利用鉴相器记录GEN_PPS与GPS_PPS的相位差序列{qk}。通过计算可获得相位误差a的值,理想状态下,初始相位误差只需校正1次即可,实际上由于晶振频率估计值不可能完全准确,极小的频率估计误差在长时间运行时也将累计出较大相位误差,因此相位误差校正需每隔若干时间进行一次,以保证生成秒脉冲的授时精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (2)
1.一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法,其特征在于:提供主控模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、鉴相器;具体包括以下步骤;
步骤S1:校频:所述GPS高精度校频模块通过量测GPS有效时秒脉冲GPS_PPS间的高频时钟计数值,估计当前高频时钟的精确频率并实现校频;
步骤S2:授时:所述秒脉冲生成模块根据频率校正值和相位估计差生成新的秒脉冲GEN_PPS实现授时功能;鉴相器跟踪GPS_PPS与GEN_PPS的相位差,所述相位估计模块估计GEN_PPS与国际协调时间UTC的时间差,并反馈给所述秒脉冲生成模块进行校正;
步骤S3:倍频:所述倍频模块根据频率校正值将GEN_PPS倍频到1MHz,实现微秒级时钟输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法,其特征在于:所述步骤S1具体包括以下步骤:
步骤S11:采集测量值Nk,在Nk有效的前提下令频率估计值fk-1=Nk;
步骤S12:判断是否第N+n个测量值,若否,则返回步骤S11;若是,则进入步骤S13;
步骤S13:采用广义最小二乘估计模型估计得到频率估计值yk,其中所述广义最小二乘估计模型为:
yk+1=b2xk+b1xk-1+vk=b2xk-1+b1xk-1+c1vk-1+Υk;
其中,b1,b2,c1为成形滤波器的系数,,yk=ln(Nk),xk=k,vk为噪声序列,Υk为白噪声序列,k为鉴相器计数值;
步骤S14:再次采集测量值Nk,在Nk有效的前提下,更新第N+n个测量值,并返回步骤S13。
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