CN107765546A - 一种基于gps、bd和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法，包括卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。本发明能够利用GPS、BD二代时钟信息对铷原子钟进行高精度实时同步，通过光纤接口、PTP网络接口、串口等输出时钟信号。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的时间同步技术领域，特别涉及一种基于GPS、BD二代和铷原子钟多源授时的高精度时间同步系统及方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，在国防、通信、航天、电力、环境监测等领域，要求测试和处理的信息量越来越大、速度越来越高，而且测试对象的空间位置分散，测试任务复杂，测试系统庞大，只有把构成系统的各种测试设备单元分布于地理位置分散的各个测试节点，构建一个分布式的测试系统，才能适应这类信息采集的需要。时间是测试系统需要的十分重要的参数。对于跨越了时间和空间界限的分布式测试，需要众多仪器和设备，甚至包括天基测量系统共同参与完成。为了使由各种设备单元组成的完整的测试系统能协调一致地工作，必须实现全系统的时间统一。时间同步装置是一个向分布式测试任务提供标准的时间和频率信号，以实现整个测试系统时间的统一，由时间源、时间传递与保持、时钟再生与应用等相关的所有软硬件及其协议算法组成的装置。
目前主要的时钟同步方法有：广播式时钟同步、GPS时钟同步、石英晶体同步等。广播式时钟同步是基于NTP或SNTP的一种网络同步方式，早期的国内外变电站主要使用此种同步方式，但其同步精度只能达到毫秒级。GPS时钟同步需要在测量节点配置一个GPS接收器，从而达到所有测量节点的同步。但是在重要领域中，大量使用GPS授时(授时是指利用无线电波发播标准时间信号的工作)模块，对其依赖性过大会对我国的国家安全造成不利影响；由于美国采用的SA政策，导致目前市场上提供的商用GPS系统授时精度只达到微秒级。采用石英晶体方式同步时，对工作环境的温度稳定性要求较高，且长时间使用老化率较高，需每隔一段时间进行误差校准。
综上所述，如何将GPS、BD二代和铷原子钟相结合形成多源授时的高精度时间同步系统及方法，仍是待解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法，能够利用GPS、BD二代时钟信息对铷原子钟进行高精度实时同步，通过光纤接口、PTP网络接口、串口等输出时钟信号。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，包括：
卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；
卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；
主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；
原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。
进一步的，所述卫星时间信号源模块包括GPS时间信号源模块和BD时间信号源模块；所述GPS时间信号源模块包括GPS天线和GPS卫星信号接收机，所述GPS天线实时接收GPS卫星时间信息，并传送至GPS卫星信号接收机，GPS卫星信号接收机将接收到的GPS卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块；所述BD时间信号源模块包括BDII天线和BDII卫星信号接收机，所述BDII天线实时接收BD二代卫星时间信息，并传送至BDII卫星信号接收机，BDII卫星信号接收机将接收到的BD二代卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块。
进一步的，所述卫星时间信号调理模块包括GPS时间信号调理模块和BD II时间信号调理模块，所述GPS时间信号调理模块与GPS卫星信号接收机连接，用于对接收到的GPS卫星时间信息进行调理解析出GPS时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块；BD II时间信号调理模块与BDII卫星信号接收机连接，用于对接搜到的BD二代卫星时间信息进行调理解析出BD II时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块。
进一步的，所述原子钟同步调整模块包括FPGA和铷原子钟驱动电路模块，所述FPGA通过铷原子钟驱动电路模块驱动和同步调整铷原子钟。
进一步的，所述主控制模块还连接有若干时间信号输出模块，通过若干时间信号输出模块输出高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；所述若干时间信号输出模块包括PTP网络输出模块、串口输出模块、TTL秒脉冲输出模块、IRIG-B光纤输出模块、IRIG-B光纤输出模块、OC门输出模块和OC门输出模块。
进一步的，所述主控制模块还分别连接有电源供电模块、液晶显示及按键模块和告警输出模块；其中，所述电源供电模块包括电源模块和冗余电源模块。
进一步的，所述主控制模块包括电源转换模块、卫星时钟接收模块、PLL锁相环模块、时钟优先级处理模块和时钟输出协议转换模块，所述电源转换模块将电源电压转换为主控模块所需的电源电压，所述卫星时钟接收模块接收卫星时间信号调理模块发送的卫星时间信息以及原子钟同步调整模块发送的铷原子钟时间信息，并发送至PLL锁相环模块，所述PLL锁相环模块对卫星时间信息和铷原子钟时间信息进行同步处理，将处理后的时间信息发送至时钟优先级处理模块，时钟优先级处理模块选择卫星时间信息优先级，通过时钟输出协议转换模块将卫星时钟信号传输至原子钟同步调整模块。
所述卫星时钟接收模块接收卫星时间信息，发送至PPL锁相环模块，通过PPL锁相环模块将卫星时钟信号发送至时钟优先级处理模块，时钟优先级处理模块选择卫星时间信息优先级，通过时钟输出协议转换模块将卫星时钟信号传输至原子钟同步调整模块。
一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步方法，包括以下步骤：
(1)通过卫星时间信号源模块接收卫星时间信息，利用卫星信号调理模块解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲；
(2)判断卫星时间信息和对应的秒脉冲是否正常，若正常，则进入步骤(3)；所述不正常，则以铷原子钟时间信息为基准，进行守时；
(3)以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart；
(4)基于不同时间间隔下卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦi，采用PID算法对铷原子钟时标进行调整，并记录铷原子钟调整参数Ψi，其中i＝1,2,…,9；
(5)再次测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦfinal，判断相位差ΔΦfinal是否在预设的误差允许范围内；如果是，则存储该原子钟调整参数Ψi，结束调整；否则，重复步骤(2)，重新开始调整。
进一步的，所述以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart，包括：
通过FPGA进行时间信息优先级选择，设高优先级时间信息秒脉冲经分频后的频率信号为v1，其相位为Φ1，铷原子钟产生的频率信号为v2，其相位为Φ2；
将信号v1和v2分别输入到一对双平衡混频器H1和H2的一个输入端，同时利用一个公共频率发生器产生两路频率信号v0，并分别输入双平衡混频器的另一个输入端；
调整公共频率发生器的输出频率v0，使其与高优先级时间信息和铷原子钟信号产生的拍频频差(v1-v0)与(v2-v0)近似相等；
将这两个拍频信号经低通滤波器滤波后，输入FPGA时间间隔计数模块，一个拍频信号作为时间间隔计数模块的开门信号，另一个拍频信号作为时间间隔计数模块的关门信号，从而测量出两个拍频信号的信号差；即高优先级时间信息与铷原子钟信号的相位差与两个拍频的信号的信号差相等，从而得到相位差ΔΦstart。
进一步的，所述基于步骤(3)得到的相位差，采用PID算法对铷原子钟时标进行调整，并记录铷原子钟调整参数，包括：
在不同时间间隔下，以卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦi为输入，采用PID算法对铷原子钟时标进行2步粗调、1步中调和6步细调，并记录原子钟调整参数Ψi，其中i＝1,2,…,9。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用2路卫星时间信号源模块及其卫星时间信号调整装置，1路铷原子钟时间信号源装置及其同步调整装置，构建了基于BD二代、GPS和铷原子钟多源守时高精度时间同步系统，实现了以BD二代卫星时间为主的高精度授时，提高了电力系统装置的授时精度，解决了电力系统长期以GPS为授时时钟的安全隐患，满足了电力系统各装置对时间同步系统的授时精度和安全性的要求；
(2)本发明基于双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差，利用PID算法，结合多级原子钟调节方法，降低了原子钟驯服算法的计算复杂度，提高了原子钟驯服算法的精度；
(3)本发明通过若干时间信号输出模块输出高精度卫星时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；若BDII卫星信号或者GPS卫星信号丢失时，主控制模块将通过若干时间信号输出模块输出原子钟时间信号源模块的高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例公开的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统结构图；
图2是本发明实施例公开的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步方法流程图；
其中：1、铷原子钟，2、铷原子钟驱动电路，3、FPGA，4、GPS天线，5、GPS卫星信号接收机，6、GPS时间信号调理模块，7、BD II天线，8、BD II卫星信号接收机，9、BD II时间信号调理模块，10、电源模块，11、冗余电源模块，12、主控制模块，13、液晶显示机按键模块，14、告警输出模块，15、PTP网络输出模块，16、串口输出模块，17、TTL秒脉冲输出模块，18、IRIG-B光纤输出模块(820nm)，19、IRIG-B光纤输出模块(1310nm)，20、OC门输出模块(60VDC，21、OC门输出模块(250VDC)。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在大量使用GPS授时模块，对其依赖性过大会对我国的国家安全造成不利影响，采用石英晶体方式同步时，对工作环境的温度稳定性要求较高，且长时间使用老化率较高，需每隔一段时间进行误差校准的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，该系统包括卫星时间信号源模块、卫星时间信号调理模块、主控制模块、原子钟同步调整模块和铷原子钟；
其中，所述卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至卫星时间信号调理模块；
所述卫星时间信号调理模块，与主控制模块连接，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；
所述主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；
所述原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。
本发明实施例提出的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，通过卫星时间信号源模块实时卫星时间信息，并传送给卫星时间信号调理模块，卫星时间信号调理模块分别将调理分析出的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送给主控制模块，主控制模块将该卫星时间信息和对应的秒脉冲为输入到原子钟同步调整模块中，通过原子钟同步调整模块对铷原子钟进行同步调整。
为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，下面列举一个更为详细的实施例，本实施例提供了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，该系统包括卫星时间信号源模块、卫星时间信号调理模块、主控制模块、原子钟同步调整模块和铷原子钟。
在本实施例中，所述卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至卫星时间信号调理模块。
该卫星时间信号源模块包括GPS时间信号源模块和BD时间信号源模块；所述GPS时间信号源模块包括GPS天线4和GPS卫星信号接收机5，所述GPS天线4实时接收GPS卫星时间信息，并传送至GPS卫星信号接收机5，GPS卫星信号接收机5将接收到的GPS卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块；所述BD时间信号源模块包括BD II天线7和BD II卫星信号接收机8，所述BDII天线7实时接收BD二代卫星时间信息，并传送至BD II卫星信号接收机8，BDII卫星信号接收机8将接收到的BD二代卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块。
在本实施例中，为了更好地接收GPS卫星时间信息和BD二代卫星时间信息，将BD天线和GPS天线安装在室外高处且360°视野内无遮挡。
在本实施例中，所述卫星时间信号调理模块与主控制模块12连接，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块。
该卫星时间信号调理模块包括GPS时间信号调理模块6和BD II时间信号调理模块9，所述GPS时间信号调理模块6与GPS卫星信号接收机5连接，用于对接收到的GPS卫星时间信息进行调理解析出GPS时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块12；BD II时间信号调理模块9与BD II卫星信号接收8机连接，用于对接搜到的BD二代卫星时间信息进行调理解析出BD II时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块12。
所述GPS时间信号调理模块6包括GPS卫星时间信息接收模块、秒脉冲接收模块、GPS卫星时间信息解析模块、GPS卫星时间信息输出模块和秒脉冲输出模块，所述GPS卫星时间信息接收模块与GPS卫星信号接收机连接，接收GPS卫星信号接收机输出的GPS卫星时间信息，所述GPS卫星时间信息解析模块利用NMEA0183ASCII码接口协议解析出GPS卫星时间信息，通过GPS卫星时间信息输出模块发送到主控制模块；所述秒脉冲接收模块与GPS卫星信号接收机连接，接收GPS卫星信号接收机输出的秒脉冲，经双D触发器电路处理后，发送到秒脉冲输出模块；所述GPS卫星时间信息输出模块和秒脉冲输出模块与主控制模块连接，将GPS卫星时间信息和秒脉冲发送至主控制模块。
所述BD II时间信号调理模块9包括依次连接的BD II卫星时间信息接收模块、秒脉冲接收模块、BD II卫星时间信息解析模块、BD II卫星时间信息输出模块和秒脉冲输出模块，所述BD II卫星时间信息接收模块与BD II卫星信号接收机连接，接收BD II卫星信号接收机输出的BD II卫星时间信息，所述BD II卫星时间信息解析模块利用NMEA0183ASCII码接口协议解析出BD II卫星时间信息，通过BD II卫星时间信息输出模块发送到主控制模块；所述秒脉冲接收模块与BD II卫星信号接收机连接，接收BD II卫星信号接收机输出的秒脉冲，经双D触发器电路处理后，发送到秒脉冲输出模块，所述BD II卫星时间信息输出模块和秒脉冲输出模块与主控制模块连接，将BD II卫星时间信息和秒脉冲发送至主控制模块。
在本实施例中，所述主控制模块12，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块。
所述主控制模块12包括电源转换模块、卫星时钟接收模块、PLL锁相环模块、时钟优先级处理模块和时钟输出协议转换模块，所述电源转换模块将电源电压转换为主控模块所需的电源电压，所述卫星时钟接收模块接收卫星时间信号调理模块发送的卫星时间信息以及原子钟同步调整模块发送的铷原子钟时间信息，并发送至PLL锁相环模块，所述PLL锁相环模块对卫星时间信息和铷原子钟时间信息进行同步处理，将处理后的时间信息发送至时钟优先级处理模块，时钟优先级处理模块选择卫星时间信息优先级，通过时钟输出协议转换模块将卫星时钟信号传输至原子钟同步调整模块。
在本实施例中，所述原子钟同步调整模块与铷原子钟1连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。
所述原子钟同步调整模块包括FPGA3和铷原子钟驱动电路模块2，所述铷原子钟1与原子钟驱动电路模块2连接，所述原子钟驱动电路模块2与FPGA3连接；所述FPGA3通过原子钟驱动电路模块2驱动和同步调整铷原子钟1。
本发明提出的一个实施例中，所述主控制模块还连接有若干时间信号输出模块，在BDII卫星信号或者GPS卫星信号情况良好的情况下，主控制装置通过若干时间信号输出装置输出高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；若BDII卫星信号或者GPS卫星信号丢失时，主控制装置将通过若干时间信号输出装置输出原子钟时间信号源装置的高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准。
上述的若干时间信号输出模块包括PTP网络输出模块15、串口输出模块16、TTL秒脉冲输出模块17、IRIG-B光纤输出模块(820nm)18、IRIG-B光纤输出模块(1310nm)19、OC门输出模块(60VDC)20和OC门输出模块(250VDC)21。
本发明提出的一个实施例中，所述主控制模块还连接有电源供电模块、液晶显示及按键模块13和告警输出模块14；其中，通过电源供电模块给主控制模块提供所需电能，该电源供电模块包括电源模块10和冗余电源模块11。
本发明实施例提出的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，通过BD天线和GPS天线实时接收BD二代卫星和GPS卫星时间信息，并传送给对应的卫星信号接收机，BDII卫星信号接收机和GPS卫星信号接收机将时间信息传输给对应的卫星时间信号调理装置，对应的时间信号调理模块分别将调理分析出的GPS或者BD II时间信息和对应的秒脉冲发送给主控制模块，主控制模块将该GPS或者BD II时间信息和对应的秒脉冲为输入到原子钟同步调整模块中，采用先进的“时间驯服算法”对铷原子钟进行同步调整。在BDII卫星信号或者GPS卫星信号情况良好的情况下，主控制模块通过若干时间信号输出模块输出高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；若BDII卫星信号或者GPS卫星信号丢失时，主控制模块将通过若干时间信号输出模块输出铷原子钟的高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准。
本发明性能稳定、灵敏度高、方便实用且能批量生产，能够利用GPS、BD二代时钟信息对铷原子钟进行高精度实时同步调整，通过光纤接口、PTP网络接口、串口等输出时钟信号。
本申请的另一种典型的实施方式，如图2所示，提供了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步方法，该该方法适用于上述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，该方法包括以下步骤：
(1)通过卫星时间信号源模块接收卫星时间信息，利用卫星信号调理模块解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲；同时采用双D触发器电路消除秒脉冲噪声，提高其信噪比；
(2)判断卫星时间信息和对应的秒脉冲是否正常，若正常，则进入步骤(3)；所述不正常，则以铷原子钟时间信息为基准，进行守时；当GPS、BD卫星信号丢失后，12小时内守时精度优于300ns/h；
(3)以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart；
通过FPGA进行时间信息优先级选择，BD II时间信息优先级高于GPS时间信息，
设高优先级时间信息秒脉冲经分频后的频率信号为v1，其相位为Φ1，铷原子钟产生的频率信号为v2，其相位为Φ2；
将信号v1和v2分别输入到一对双平衡混频器H1和H2的一个输入端，同时利用一个具有对称隔离放大输出的公共频率发生器产生两路频率信号v0，其相位为Φ0，并分别输入双平衡混频器的另一个输入端；
调整公共频率发生器的输出频率v0，使其与高优先级时间信息和铷原子钟信号产生的拍频频差(v1-v0)与(v2-v0)近似相等；
将这两个拍频信号经低通滤波器滤波后，输入FPGA时间间隔计数模块，两个拍频信号的电压正过零用于触发时间间隔计数模块的闸门，一个拍频信号作为时间间隔计数模块的开门信号，另一个拍频信号作为时间间隔计数模块的关门信号，从而测量出两个拍频信号的信号差；
混频器H1和H2输出信号的相位分别为
ΦH1＝Φ1-Φ0
ΦH2＝Φ2-Φ0
上面两公式相减可得：
Φ2-Φ1＝ΦH2-ΦH1
即高优先级时间信息与铷原子钟信号的相位差与两个拍频的信号的信号差相等，从而得到相位差ΔΦstart。
(4)在不同时间间隔下，以卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦi为输入，采用PID算法对铷原子钟时标进行2步粗调、1步中调和6步细调，并记录原子钟调整参数Ψi，其中i＝1,2,…,9；
(5)再次测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦfinal，判断相位差ΔΦfinal是否在预设的误差允许范围内；如果是，则存储该原子钟调整参数Ψi，结束调整；否则，重复步骤(2)，重新开始调整。
本发明实施例提出的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步方法，通过GPS天线或BD II天线接收GPS卫星或BD II卫星时间信息，利用相应的卫星信号调理模块解析出GPS或者BD II时间信息和对应的秒脉冲，FPGA接收到GPS或者BD II时间信息及对用的秒脉冲后，判断其是否正常，若正常，FPGA进行时间信息优先级选择，以高优先级时间信息为基准，FBGA利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart；以不同时间间隔下的相位差ΔΦi，采用PID算法对原子钟时标进行调整，再次测量测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦfinal，若相位差ΔΦfinal在预设的误差允许范围内；则完成调整。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
(1)本发明采用2路卫星时间信号源模块及其卫星时间信号调整装置，1路铷原子钟时间信号源装置及其同步调整装置，构建了基于BD二代、GPS和铷原子钟多源守时高精度时间同步系统，实现了以BD二代卫星时间为主的高精度授时，提高了电力系统装置的授时精度，解决了电力系统长期以GPS为授时时钟的安全隐患，满足了电力系统各装置对时间同步系统的授时精度和安全性的要求；
(2)本发明基于双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差，利用PID算法，结合多级原子钟调节方法，降低了原子钟驯服算法的计算复杂度，提高了原子钟驯服算法的精度；
(3)本发明通过若干时间信号输出模块输出高精度卫星时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；若BDII卫星信号或者GPS卫星信号丢失时，主控制模块将通过若干时间信号输出模块输出原子钟时间信号源模块的高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，包括：
卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；
卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；
主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；
原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。
2.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述卫星时间信号源模块包括GPS时间信号源模块和BD时间信号源模块；所述GPS时间信号源模块包括GPS天线和GPS卫星信号接收机，所述GPS天线实时接收GPS卫星时间信息，并传送至GPS卫星信号接收机，GPS卫星信号接收机将接收到的GPS卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块；所述BD时间信号源模块包括BDII天线和BDII卫星信号接收机，所述BDII天线实时接收BD二代卫星时间信息，并传送至BDII卫星信号接收机，BDII卫星信号接收机将接收到的BD二代卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块。
3.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述卫星时间信号调理模块包括GPS时间信号调理模块和BD II时间信号调理模块，所述GPS时间信号调理模块与GPS卫星信号接收机连接，用于对接收到的GPS卫星时间信息进行调理解析出GPS时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块；BD II时间信号调理模块与BDII卫星信号接收机连接，用于对接搜到的BD二代卫星时间信息进行调理解析出BD II时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块。
4.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述原子钟同步调整模块包括FPGA和铷原子钟驱动电路模块，所述FPGA通过铷原子钟驱动电路模块驱动和同步调整铷原子钟。
5.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述主控制模块还连接有若干时间信号输出模块，通过若干时间信号输出模块输出高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；所述若干时间信号输出模块包括PTP网络输出模块、串口输出模块、TTL秒脉冲输出模块、IRIG-B光纤输出模块、IRIG-B光纤输出模块、OC门输出模块和OC门输出模块。
6.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述主控制模块还分别连接有电源供电模块、液晶显示及按键模块和告警输出模块；其中，所述电源供电模块包括电源模块和冗余电源模块。
7.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述主控制模块包括电源转换模块、卫星时钟接收模块、PLL锁相环模块、时钟优先级处理模块和时钟输出协议转换模块，所述电源转换模块将电源电压转换为主控模块所需的电源电压，所述卫星时钟接收模块接收卫星时间信号调理模块发送的卫星时间信息以及原子钟同步调整模块发送的铷原子钟时间信息，并发送至PLL锁相环模块，所述PLL锁相环模块对卫星时间信息和铷原子钟时间信息进行同步处理，将处理后的时间信息发送至时钟优先级处理模块，时钟优先级处理模块选择卫星时间信息优先级，通过时钟输出协议转换模块将卫星时钟信号传输至原子钟同步调整模块。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统的时间同步方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)通过卫星时间信号源模块接收卫星时间信息，利用卫星信号调理模块解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲；
(2)判断卫星时间信息和对应的秒脉冲是否正常，若正常，则进入步骤(3)；所述不正常，则以铷原子钟时间信息为基准，进行守时；
(3)以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart；
(4)基于不同时间间隔下卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦi，采用PID算法对铷原子钟时标进行调整，并记录铷原子钟调整参数Ψi，其中i＝1,2,…,9；
(5)再次测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦfinal，判断相位差ΔΦfinal是否在预设的误差允许范围内；如果是，则存储该原子钟调整参数Ψi，结束调整；否则，重复步骤(2)，重新开始调整。
9.根据权利要求8所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统的时间同步方法，其特征是，所述以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart，包括：
通过FPGA进行时间信息优先级选择，设高优先级时间信息秒脉冲经分频后的频率信号为v1，其相位为Φ1，铷原子钟产生的频率信号为v2，其相位为Φ2；
将信号v1和v2分别输入到一对双平衡混频器H1和H2的一个输入端，同时利用一个公共频率发生器产生两路频率信号v0，并分别输入双平衡混频器的另一个输入端；
调整公共频率发生器的输出频率v0，使其与高优先级时间信息和铷原子钟信号产生的拍频频差(v1-v0)与(v2-v0)近似相等；
将这两个拍频信号经低通滤波器滤波后，输入FPGA时间间隔计数模块，一个拍频信号作为时间间隔计数模块的开门信号，另一个拍频信号作为时间间隔计数模块的关门信号，从而测量出两个拍频信号的信号差；即高优先级时间信息与铷原子钟信号的相位差与两个拍频的信号的信号差相等，从而得到相位差ΔΦstart。
10.根据权利要求8所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统的时间同步方法，其特征是，所述基于步骤(3)得到的相位差，采用PID算法对铷原子钟时标进行调整，并记录铷原子钟调整参数，包括：
在不同时间间隔下，以卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦi为输入，采用PID算法对铷原子钟时标进行2步粗调、1步中调和6步细调，并记录原子钟调整参数Ψi，其中i＝1,2,…,9。
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