CN107566105A - 时间同步设备补偿方法、装置、存储介质及其计算机设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种时间同步设备补偿方法、装置、存储介质及其计算设备，其具体包括：获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频偏数据，根据本振晶体的老化率与频偏数据，构建本振晶体的老化率计算表，当时间同步设备的时频参考源失效时，根据老化率计算表，对本振晶体进行校频与调相补偿。整个过程中，考虑到不同同步设备中本振晶体出厂时老化特性存在个体差异，通过本振晶体老化率计算表对本振晶体进行校频与调相补偿，能够有效补偿本振晶体老化特性个体差异对时间同步设备输出时间性能的影响，提高守时阶段时间设备时间信号输出的稳定性，实现良好的补偿效果。

Description

时间同步设备补偿方法、装置、存储介质及其计算机设备

技术领域

本发明涉及时间同步技术领域，特别是涉及时间同步设备补偿方法、装置、 存储介质及其计算机设备。

背景技术

时间同步设备为电信、电力通信等行业提供可靠的时间、频率基准。在没 有可用参考跟踪或溯源时，时间或时钟同步设备将进入守时状态，同时必须满 足应用场景守时/保持性能要求。根据电力行业标准《DL/T 1100.1-2009电力系 统的时间同步系统》，当外部时间源丢失时，守时性能的偏差应小于为55μs/h。 目前电力系统里的时间同步设备通常OCXO(恒温晶振)，精度为1×10^-9μs/s， 当时间源丢失时，故障录波器等业务装置可以在11天内保证时间同步准确度≤ 1×10^-3s，可以满足上述规定的守时精度要求。但是广域控制保护、线路行波故 障测距等部分时间同步准确度较高的业务装置最多只能在17分钟内满足时间同 步准确度≤1×10^-6s的要求，很多时候难以在这么短的时间段内完成装置故障的处理和参考源的恢复。

目前，一般都采用失去参考源前最后一次控制值来校正晶体钟，维系时间 同步设备的时频输出。如果控制值计算不准，将存在较大误差的初始频偏，影 响设备的守时性能。时间或时钟同步设备守时/保持性能除了受初始频偏的影响， 还取决于内部振荡器特性，尤其是老化特性的影响。常用老化率来评价老化特 性的优劣，老化指振荡器晶体连续运行过程中，频率值或相位值随时间的变化， 而老化率是频率变化或相位漂移的斜率。设备常用的铷钟与晶体钟振荡器，内 部设有晶体都存在老化的问题。

为了延长设备的守时时间，实现最佳的补偿效果，设备的钟控软件需采用 老化补偿算法，将振荡器老化带来的影响降至最低。传统的老化补偿算法往往 只考虑振荡器晶体的通用特性，补偿效果差。

发明内容

基于此，有必要针对传统时间同步设备补偿效果差的问题，提供一种补偿 效果佳的时间同步设备补偿方法、装置、存储介质及其计算机设备。

一种时间同步设备补偿方法，包括步骤：

获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据；

根据鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频偏数据；

根据本振晶体的老化率与频偏数据，构建本振晶体的老化率计算表；

当时间同步设备的时频参考源失效时，根据老化率计算表，对本振晶体进 行校频与调相补偿。

一种时间同步设备补偿装置，包括：

第一数据获取模块，用于获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相 数据；

第二数据获取模块，用于根据鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频 偏数据；

计算表构建模块，用于根据本振晶体的老化率与频偏数据，构建本振晶体 的老化率计算表；

补偿模块，用于当时间同步设备的时频参考源失效时，根据老化率计算表， 对本振晶体进行校频与调相补偿。

本发明时间同步设备补偿方法与装置，获取采集的时间同步设备中本振晶 体的鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频偏数据，根据本振晶体的老化 率与频偏数据，构建本振晶体的老化率计算表，当时间同步设备的时频参考源 失效时，根据老化率计算表，对本振晶体进行校频与调相补偿。整个过程中， 考虑到不同同步设备中本振晶体出厂时老化特性存在个体差异，通过本振晶体 老化率计算表对本振晶体进行校频与调相补偿，能够有效补偿本振晶体老化特 性个体差异对时间同步设备输出时间性能的影响，提高守时阶段时间设备时间 信号输出的稳定性，实现良好的补偿效果。

另，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该 程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

另，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储 器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述方法的 步骤。

上述计算机可读存储介质与计算机设备，其中时间同步设备补偿方法考虑 到不同同步设备中本振晶体出厂时老化特性存在个体差异，通过本振晶体老化 率计算表对本振晶体进行校频与调相补偿，能够有效补偿本振晶体老化特性个 体差异对时间同步设备输出时间性能的影响，提高守时阶段时间设备时间信号 输出的稳定性，实现良好的补偿效果。

附图说明

图1为典型的振荡器输出相位漂移曲线示意图；

图2为本发明时间同步设备补偿方法技术原理示意图；

图3为本发明时间同步设备补偿方法第一个实施例的流程示意图；

图4为本发明时间同步设备补偿方法第二个实施例的流程示意图；

图5为本发明时间同步设备补偿方法其中一个应用实例的流程示意图；

图6为本发明时间同步设备补偿装置第一个实施例的结构示意图；

图7为本发明时间同步设备补偿装置第二个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为详细解释本发明时间同步设备补偿方法与系统的技术方案及其带来的显 著效果，下面将先描述一些相关内容。

时间或时钟同步设备都内置有振荡器，常用的振荡器有铷钟与晶体钟。一 般情况，铷钟的振荡器特性最优，OCXO晶体钟次之，TCXO(温补晶振)晶体 钟相对要差。研究发现，振荡器特性主要分类有负载特性、电源特性，温稳特 性、老化特性。在负载、电源、温度正常变化范围内，振荡器对应的负载特性、 电源特性，温稳特性呈窄带波动。电力系统的时间或时钟同步设备大部分为室 内空调环境应用，负载、电源供电、环境温度恒定，振荡器负载特性、电源特 性，温稳特性的对设备守时影响基本可以忽略，而振荡器中晶体老化特性对设 备守时性能影响最大。

在晶体使用初期，老化主要受元件内部应力释放影响，频率向升高方向变 化，前期的老化的第一天相当是第二天到第十一天的老化值，而后期受电极膜 吸附的影响，振荡器老化特性的频偏变化呈对数曲线。为减小出厂时的老化率， 生产商大都对产品进行了预老化，消除了前期老化的影响。后期的老化特性， 可在短时间观测期内，比如一天，振荡器老化特性输出频率或相位变化为单调、 线性的，按照线性拟合方法，老化率a可以用最小二乘法表征，具体公式可见 下式：

f_(i)是观测期内第i个取样周期，被测振荡器输出频率频偏值，t_i为取样时刻； 是观测期内第i个取样周期前的被测振荡器输出频率平均频偏值；为计算平 均频偏值的截止时刻。

上述公式(1)换算成用相位变化表示如下式：

ΔX(t_i)是观测期内第i个取样周期被测振荡器输出频率相位变化值，t_i为取样 时刻；是观测期内第i个取样周期前被测振荡器输出频率平均相位变化值。

时间设备守时阶段，需对振荡器输出校频与补偿的参数有两个，一是频率 偏差，二是相位漂移。频率偏差实际为守时初始频偏在老化作用的一个累积。a_j为第j个观测周期内的振荡器老化率。

典型的振荡器输出相位漂移曲线见图1，纵坐标为频偏，横坐标为观测时间， 曲线覆盖区域则为振荡器输出的相位漂移，可以导出它的数学模型(t_τ为取样周 期)：

从振荡器输出数学模型可以看到，设备的守时性能取决于三个参数，一是 初始频偏f₀，二是各观测周期振荡器的老化率a_j，三是噪声随机项n(t_τ)，此项不 确定性最大，噪声随机项与设备的应用环境和振荡器品质有关系。虽然通过将 应用环境EMI(电磁干扰)干扰最小化和工作环境温湿度的恒定，可以降低该 项对设备守时的影响，但由于振荡器个体的品质差异，始终无法消除。

基于上述研究，本发明时间同步设备补偿方法基本原理框图见图2。时频参 考有效期间，设备处于跟踪阶段。经动态自适应的低通滤波技术滤除抖动后， 时频参考与本振信号鉴频鉴相，结果定期发送两处，一是本振模块，用于设备 跟踪阶段的校频调相，二是老化学习模块，学习各观测周期本振晶体的老化率a_j与频偏f_(j)，一旦时频参考失效，快速查找已学习到的参数，锁定老化率a_j和初 始频偏f₀，通过振荡器输出相位漂移、频偏数学模型估算出校频及调相的最佳 值，并完成设备守时期间本振晶体的校频调相。

如图3所示，一种时间同步设备补偿方法，包括步骤：

S200：获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据。

在时间同步设备中内置有本振晶体提供本地的时钟信号，本地的时钟信号 于外部时频参考源同步，以实现多个时钟同步设备之间的相对同步。在时间同 步设备具有外部时频参考源时，对时间同步设备中本振晶体进行鉴频鉴相操作， 采集这部分数据，当需要使用时，直接获取采集的时间同步设备中本振晶体的 鉴频鉴相数据。具体来说，这个部分采集的数据可以是实时采集得到的。获取 实时采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据，可以准确获取当前存在 时频参考源的情况下，时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相的相关数据。

S400：根据鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频偏数据。

针对时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据进行分析，具体分析计算过 程可以参见上述公式(1)、公式(2)、公式(3)以及附图1相关内容，分析处 理后得出本振晶体的老化率与频偏数据。具体来说，可以基于鉴频鉴相数据绘 制如图1所示的振荡器频率输出相位漂移曲线，其中，老化率可以采用上述公 式(1)计算获得，频偏数据可以基于图1中表征的数据以及上述公式(3)计 算获得，在此不再赘述。

S600：根据本振晶体的老化率与频偏数据，构建本振晶体的老化率计算表。

根据步骤S400得到的本振晶体的老化率与频偏数据，构建本振晶体的老化 率计算表，老化率计算表能够清楚表明本振晶体在不同阶段对应的老化率。

S800：当时间同步设备的时频参考源失效时，根据老化率计算表，对本振 晶体进行校频与调相补偿。

一段时间之后，若时间同步设备失去时频参考源时，需要尽可能的延长时 间设备守时时间，确保时间同步设备的时频参考源失效情况下能够继续正常运 行较长时间。由于时间同步设备中本振晶体存在老化现象，若不对其进行老化 补偿，时间同步设备的守时时间会比较短，进一步的，不同时间同步设备中本 振晶体老化情况不同，因此，我们需要基于步骤S600得到的老化率计算表，对 本振晶体进行校频与调相补偿。

本发明时间同步设备补偿方法，获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴 频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频偏数据，根据本振晶体的老化率与频 偏数据，构建本振晶体的老化率计算表，当时间同步设备的时频参考源失效时， 根据老化率计算表，对本振晶体进行校频与调相补偿。整个过程中，考虑到不 同同步设备中本振晶体出厂时老化特性存在个体差异，通过本振晶体老化率计 算表对本振晶体进行校频与调相补偿，能够有效补偿本振晶体老化特性个体差 异对时间同步设备输出时间性能的影响，提高守时阶段时间设备时间信号输出 的稳定性，实现良好的补偿效果。

在其中一个实施例中，根据鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与频偏 数据的步骤包括：

根据鉴频鉴相数据，通过设备跟踪算法学习观测本振晶体的老化率与频偏 情况，得到本振晶体的老化率与频偏数据。

具体来说，学习观测过程可以基于预设观测周期进行，从鉴频鉴相数据中 抽取单个观测周期内的数据进行学习，并且在学习过程中具体采用设备跟踪算 法，由于观测周期内的数据已经能够清楚表征本振晶体老化与频偏情况，因此， 针对单个观测周期内的鉴频鉴相数据，通过设备跟踪算法学习观测可以得到准 确的本振晶体的老化率与频偏数据。

如图4所示，在其中一个实施例中，步骤S600包括：

S620：根据本振晶体的老化率与频偏数据，建立基于本振晶体的老化模型；

S640：根据老化模型，构建本振晶体的老化率计算表。

根据采集的数据学习各观测周期的老化率与频偏数据，构建基于该本振晶 体的老化模型，该老化模型可以表征该本振晶体频率输出频率偏移与相位漂移 的情况。基于构建的老化模型，将模型数据转换为图表数据，构建本振晶体的 老化率计算表，以便后续处理过程中只需进行相应的查表操作即可得到所需老 化率以及频偏数据。在本实施例中，先建立老化模型再构建本振晶体的老化率 计算表，由于老化模型是基于严谨的数据构建的，并且老化模型具有通用性可 以适用于多种类型晶振，因此，一方面可以针对不同类型晶振构建相应的本振 晶体的老化率计算表；另一方面，构建的老化率计算表准确，能够最终提高时 间设备补偿效果。

如图4所示，在其中一个实施例中，步骤S800包括：

S820：当时间同步设备的时频参考源失效时，锁定当前时频参考源晶体钟 的初始频偏；

S840：根据初始频偏以及老化率计算表，对本振晶体进行校频与调相补偿。

当时间同步设备的时频参考源失效时，为延长时间同步设备守时时间，需 要对时间同步设备中本振晶体进行校频与调相补偿。具体来说，当时间同步设 备的时频参考源失效时，快速锁定当前时频参考源晶体钟的初始频偏，以初始 频偏作为基础，根据步骤S600得到的老化率计算表，对本振晶体进行校频与调 相补偿。

在其中一个实施例中，获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数 据的步骤包括：

步骤一：以定时中断方式，读取时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据；

步骤二：判断读取次数是否满足单个预设采样周期对应的次数；

步骤三：当满足时，将单个预设采样周期内读取的数据作为采集的时间同 步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据。

定时中断的间隔可以根据需要预先设定，例如可以设定为1秒。即每隔1 秒读取一次时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据，假定预设采用周期为10 秒，则预设采用周期对应的次数为10次，循环判断步骤一累计读取的次数是否 达到10次，当未达到时，继续读取时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据， 并将读取次数累计加1；当达到时，说明当前采集的数据以满足单个预设采样周 期所需数据，将该单个预设采样周期内读取的数据作为采集的时间同步设备中 本振晶体的鉴频鉴相数据。

为更进一步详细解释本发明时间同步设备补偿方法的技术方案，下面将采 用具体应用实例，并结合附图5进行详细说明。

步骤1：启用时间同步设备，开启时间同步设备补偿的任务脚本；

步骤2：判断此时时间同步设备的所有时频参考源(GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)、北斗、上级时钟源等)是否都失效，如果是，执行步 骤3，否则，执行步骤9；

步骤3：判断当前观测周期，时频参考是否为新失效状态，如果是，执行步 骤4，如果不是，说明守时阶段已对初始频偏做过校频，勿需再校，执行步骤6；

步骤4：启用时间同步设备守时算法流程，快速锁定当前时间的参考源晶体 钟的初始频偏；

步骤5：用失去时频参考源前最后一次控制值来校正晶体钟，维系时间同步 设备的时频输出；

步骤6：定时(默认1秒1次)以中断方式通知软件读取，判断读取次数是 否满足了一个采样周期(可由软件设定，一般为100秒)，如果是，执行步骤7， 否则，继续等待；

步骤7：依据近期时间同步设备跟踪算法采集到的鉴频鉴相数据进行频偏学 习和相移学习；

步骤8：读取老化率计算表的历史数据，快速查找已学习到的参数，对时间 同步设备本振进行校频与调相；

步骤9：启用时间同步设备跟踪算法流程，时间同步设备硬件对输入的时频 参考源进行鉴频鉴相数据采集；

步骤10：定时(默认1秒1次)以中断方式通知软件读取，判断读取次数 是否满足了一个采样周期(可由软件设定，一般为100秒)，如果是，执行步骤 11，否则，继续等待；

步骤11：根据采集的数据学习各观测周期的老化率与频偏，采用振荡器晶 体频率输出频率偏移与相位漂移的数学模型，估算出各观察周期的最佳频偏与 相移值，实现校频与调相效果的最优；

步骤12：将根据当前采集到的鉴频鉴相数据，对时间同步设备晶振进行校 频调相，消除晶振个体差异以及受电极膜吸附等因素对时间同步设备输出时间 性能的影响，保证时间同步设备时间信号输出的稳定。

如图6所示，一种时间同步设备补偿装置，包括：

第一数据获取模块200，用于获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴 相数据；

第二数据获取模块400，用于根据鉴频鉴相数据，获取本振晶体的老化率与 频偏数据；

计算表构建模块600，用于根据本振晶体的老化率与频偏数据，构建本振晶 体的老化率计算表；

补偿模块800，用于当时间同步设备的时频参考源失效时，根据老化率计算 表，对本振晶体进行校频与调相补偿。

本发明时间同步设备补偿装置，第一数据获取模块200获取采集的时间同 步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据，第二数据获取模块400获取本振晶体的老 化率与频偏数据，计算表构建模块600根据本振晶体的老化率与频偏数据，构 建本振晶体的老化率计算表，当时间同步设备的时频参考源失效时，补偿模块 800根据老化率计算表，对本振晶体进行校频与调相补偿。整个过程中，考虑到 不同同步设备中本振晶体出厂时老化特性存在个体差异，通过本振晶体老化率 计算表对本振晶体进行校频与调相补偿，能够有效补偿本振晶体老化特性个体 差异对时间同步设备输出时间性能的影响，提高守时阶段时间设备时间信号输 出的稳定性，实现良好的补偿效果。

在其中一个实施例中，第二数据获取模块400还用于根据鉴频鉴相数据， 通过设备跟踪算法学习观测本振晶体的老化率与频偏情况，得到本振晶体的老 化率与频偏数据。

如图7所示，在其中一个实施例中，计算表构建模块600包括：

模型构建单元620，用于根据本振晶体的老化率与频偏数据，建立基于本振 晶体的老化模型；

计算表构建单元640，用于根据老化模型，构建本振晶体的老化率计算表。

如图7所示，在其中一个实施例中，补偿模块800包括：

锁定单元820，用于当时间同步设备的时频参考源失效时，锁定当前时频参 考源晶体钟的初始频偏；

补偿单元840，用于根据初始频偏以及老化率计算表，对本振晶体进行校频 与调相补偿。

在其中一个实施例中，第一数据获取模块200包括：

读取单元，用于以定时中断方式，读取时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴 相数据；

判断单元，用于判断读取次数是否满足单个预设采样周期对应的次数；

获取单元，用于当读取次数满足单个预设采样周期对应的次数时，将单个 预设采样周期内读取的数据作为采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数 据。

另，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该 程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

另，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储 器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述方法的 步骤。

上述计算机可读存储介质与计算机设备，其中时间同步设备补偿方法考虑 到不同同步设备中本振晶体出厂时老化特性存在个体差异，通过本振晶体老化 率计算表对本振晶体进行校频与调相补偿，能够有效补偿本振晶体老化特性个 体差异对时间同步设备输出时间性能的影响，提高守时阶段时间设备时间信号 输出的稳定性，实现良好的补偿效果。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但 并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要 求为准。

Claims (10)

1.一种时间同步设备补偿方法，其特征在于，包括步骤：

获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据；

根据所述鉴频鉴相数据，获取所述本振晶体的老化率与频偏数据；

根据所述本振晶体的老化率与频偏数据，构建所述本振晶体的老化率计算表；

当时间同步设备的时频参考源失效时，根据所述老化率计算表，对所述本振晶体进行校频与调相补偿。

2.根据权利要求1所述的时间同步设备补偿方法，其特征在于，所述根据所述鉴频鉴相数据，获取所述本振晶体的老化率与频偏数据的步骤包括：

根据所述鉴频鉴相数据，通过设备跟踪算法学习观测所述本振晶体的老化率与频偏情况，得到所述本振晶体的老化率与频偏数据。

3.根据权利要求1所述的时间同步设备补偿方法，其特征在于，所述根据所述本振晶体的老化率与频偏数据，构建所述本振晶体的老化率计算表的步骤包括：

根据所述本振晶体的老化率与频偏数据，建立基于所述本振晶体的老化模型；

根据所述老化模型，构建所述本振晶体的老化率计算表。

4.根据权利要求1所述的时间同步设备补偿方法，其特征在于，所述当时间同步设备的时频参考源失效时，根据所述老化率计算表，对所述本振晶体进行校频与调相补偿的步骤包括：

当时间同步设备的时频参考源失效时，锁定当前时频参考源晶体钟的初始频偏；

根据所述初始频偏以及所述老化率计算表，对所述本振晶体进行校频与调相补偿。

5.根据权利要求1所述的时间同步设备补偿方法，其特征在于，所述获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据的步骤包括：

以定时中断方式，读取时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据；

判断读取次数是否满足单个预设采样周期对应的次数；

当满足时，将所述单个预设采样周期内读取的数据作为采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据。

6.一种时间同步设备补偿装置，其特征在于，包括：

第一数据获取模块，用于获取采集的时间同步设备中本振晶体的鉴频鉴相数据；

第二数据获取模块，用于根据所述鉴频鉴相数据，获取所述本振晶体的老化率与频偏数据；

计算表构建模块，用于根据所述本振晶体的老化率与频偏数据，构建所述本振晶体的老化率计算表；

补偿模块，用于当时间同步设备的时频参考源失效时，根据所述老化率计算表，对所述本振晶体进行校频与调相补偿。

7.根据权利要求6所述的时间同步设备补偿装置，其特征在于，第二数据获取模块还用于根据所述鉴频鉴相数据，通过设备跟踪算法学习观测所述本振晶体的老化率与频偏情况，得到所述本振晶体的老化率与频偏数据。

8.根据权利要求6所述的时间同步设备补偿装置，其特征在于，所述计算表构建模块包括：

模型构建单元，用于根据所述本振晶体的老化率与频偏数据，建立基于所述本振晶体的老化模型；

计算表构建单元，用于根据所述老化模型，构建所述本振晶体的老化率计算表。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任意一项所述方法的步骤。