CN109541931A - 一种纳秒级授时系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及授时技术领域，特别是涉及一种纳秒级授时系统，包括北斗接收模块、输入信号单元、传输信号单元和输出信号单元，北斗接收模块接收北斗卫星的时间信号并将其输入到输入信号单元中，输入信号单元对时间信号进行线性修定，然后输出精度满足20纳秒要求的秒脉冲基准时间信号到传输信号单元进行传输，传输信号单元对得到的时间信号进行修补并最后将时间信号输出到输出信号单元，输出信号单元对时间信号进行基于时间连续性的判别和修补异常信号，最后解析出精度满足20纳秒要求的时间信号并输出。本技术核心在于对授时过程及晶振性能的优化控制上，并基于此对输出信号波形和传输路径进行优化处理，以达到20纳秒授时精度。

Description

一种纳秒级授时系统
技术领域
本发明涉及授时技术领域，特别是涉及一种纳秒级授时系统。
背景技术
电力系统中对于时间同步信号精度的要求各装置/系统各有不同。在输电线路故障在线测距(定位)技术领域中，传统的双端输电线路(架空)行波测距，对误差要求不高(一般要求在500米内)，卫星时钟信号在1微秒以内即可保障测距精度。而对高压电缆的在线故障定位，误差一般要求在2米以内，因此，双端对卫星时钟误差需控制在20纳秒以内。目前电力系统时间同步装置提供的时间精度一般不会高于100纳秒，且采用信号上升沿来进行时间同步。
发明内容
本发明为解决上述存在的技术缺陷，提出了一种基于北斗导航系统的电力系统纳秒级授时技术，授时精度可优于20纳秒，本技术核心在于对授时过程及晶振性能的优化控制上，并基于此对输出信号波形和传输路径进行优化处理，以达到20纳秒授时精度。
本发明的技术方案是；一种纳秒级授时系统，包括北斗接收模块、输入信号单元、传输信号单元和输出信号单元，所述北斗接收模块接收北斗卫星的时间信号并将其输入到所述输入信号单元中，所述输入信号单元对时间信号进行线性修定，然后输出精度满足20纳秒要求的秒脉冲基准时间信号到所述传输信号单元进行传输，所述传输信号单元对得到的时间信号进行修补并最后将时间信号输出到所述输出信号单元，所述输出信号单元对时间信号进行基于时间连续性的判别和修补异常信号，最后解析出精度满足20纳秒要求的时间信号并输出。
进一步，输入信号单元和输出信号单元的结构相同，均包括中央处理器、原子钟、恒温晶振，所述原子钟、恒温晶振均输出频率信号到所述中央处理器。
进一步，输入信号单元中的中央处理器对时间信号的处理过程为；
中央处理器接收北斗时间信号、原子钟信号、晶振信号，并对三种信号进行两两比对测量，计算出三者之间的相对误差，并以三者之间和其他两者误差最小的信号作为参考信号，以相对误差进行线性修定，公式如下；
Tout＝TB+ΔT
公式中，Tout是输出的基准时间信号，TB是参考信号，ΔT是两两中相对误差最小的值；
通过如上计算处理并修补，最终输出精度满足20纳秒要求的秒脉冲基准时间信号，并通过中央处理器生成IRIG-B码信号。
进一步，传输信号单元包括第一FPGA、第二FPGA、第一隔离器、第二隔离器、匹配器R1和匹配器R2；
IRIG-B码信号输入到第一FPGA，第一FPGA通过对IRIG-B码信号的连续性对比，验证检验IRIG-B码信号的正确性，并对传输过程中由于传输路径带来的延时进行修补，IRIG-B码信号从第一FPGA输出，经第一隔离器隔离输出后再经匹配器R1送出，到达传输末端，IRIG-B码信号再经匹配器R2到达第二隔离器隔离并进行电平处理，最后IRIG-B码信号输入第二FPGA进行最后处理，以修补传输路径带来延时并对信号准确性进行检查，最终输出到所述输出信号单元。
进一步，输出信号单元中的中央处理器对时间信号的处理过程为；
被所述传输信号单元处理后的IRIG-B码信号输入到中央处理器后，中央处理器首先对IRIG-B码信号的准确性进行基于时间连续性的判别，同时，中央处理器接入原子钟信号和晶振信号，并对输入的IRIG-B码信号、原子钟信号、晶振信号三者进行两两比对，测量计算出三者之间的相对误差，采用如下公式计算；
Tout＝TB+ΔT
公式中，Tout是输出的基准时间信号，TB是参考信号，ΔT是两两中相对误差最小的值；
经计算处理、修补异常信号后，解析出精度满足20纳秒要求的时间信号并输出。
进一步，第一隔离器、第二隔离器均采用型号为SI8652的数字隔离器。隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。将输入、输出和工作电源三者相互隔离，特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。SI8652数字隔离器是具备高性能、宽通道数系列的单向和双向隔离器，支持高达5kVrms的加强隔离电压，适用于有高压电缆的环境进行信号隔离，增强信号抗干扰能力和防止信号发生衰减。
进一步，匹配器R1和匹配器R2是阻抗匹配器。阻抗匹配器是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。即在时间信号进行传输时，增加了阻抗匹配，可防止传输线路的噪音、干扰等，以完成时间信号在接收端的优化与信号波形重生，提高了对授时信号的识别能力，最终实现了20纳秒的时间精度。
进一步，中央处理器采用MCU。
进一步，北斗接收模块、输入信号单元、传输信号单元和输出信号单元组成集成电路，该集成电路采用多层板，电源采用多电源设计，以减少信号传输过程中受到的干扰，时间信号的传输格式以IRIG-B码形式进行发送、传递。
可将整个系统用集成电路内置在高压电缆定位故障测试装置中，提高定位故障测试装置(如双端输电线路行波测距装置)接收的时间精度，使其对高压电缆的故障定位更准确，便于检修人员快速进行处理。
本发明的有益效果是；
开发专用的纳秒级授时系统，可以独立运行，也可以集成在其他装置之中，利用北斗卫星信号来实现高精度的时间信号源接收，对信号接收、信号输出进行优化，保证20纳秒的精度；对时间信号传输路径进行优化，保证了时间信号在传输过程的可控和可计算性；引入对传输路径对于时间信号传输在噪音、干扰进行定性，对频散及衰减方面进行修补，以完成时间信号在接收端的优化与的信号波形重生，提高了对授时信号的识别能力，最终实现了20纳秒的时间精度。
附图说明
图1是本发明的系统示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
本技术采用中国北斗卫星导航系统实现优于20纳秒的信号源接收，并配合自身高精度精振保证了信源的稳定性和可靠性。
本技术首先基于星历信息及卫星信源对时间同步空间位置进行精准定位，同时利用多星信源优化算法，对锁定的卫星信号进行综合比对，最后采用精度晶振作为辅助，进行时间积累计算，以此对卫星信号漂移等因素进行补偿，保证了信源的稳定性和可靠性。
如图1所示，采用北斗接收模块接收北斗卫星信号，北斗接收模块对所接收到的时间信号进行预处理，同时输入信号单元配置原子钟，此原子钟输出高稳定度频率信号，还配置恒温晶振，此晶振输出相对稳定频率信号；输入信号单元的中央处理器接收北斗时间信号、原子钟信号、晶振信号，并对三种信号进行两两比对测量，计算出三者之间的相对误差，并以三者之间和其他两者误差最小的信号做为参考信号，以相对误差进行线性修定，公式如下；
Tout＝TB+ΔT
通过如上计算处理并修补，最终输出精度满足20纳秒要求的秒脉冲基准时间信号，并中央处理器生成IRIG-B码信号。
公式中，Tout是输出的基准时间信号，TB是参考信号，ΔT是两两中相对误差最小的值。
本技术对时间信号传输路径进行优化设计，保证了信号过程中衰减和频散受控，使得信号在传输中的变化可以计算。在传输信号单元中的中央处理器对时间信号的处理过程为；首先，IRIG-B码信号输入到第一FPGA，第一FPGA通过对IRIG-B码信号的连续性对比，验证检验IRIG-B码信号的正确性，并对传输过程中由于传输路径带来的延时进行修补，IRIG-B码信号从第一FPGA输出，经第一隔离器隔离输出后再经匹配器R1送出，到达传输末端，IRIG-B码信号再经匹配器R2到达第二隔离器隔离并进行电平处理，最后IRIG-B码信号输入第二FPGA进行最后处理，以修补传输路径带来延时并对信号准确性进行检查，最终输出到所述输出信号单元。
本设计的输出信号单元与输出信号单元结构相同，对接收到的时间信号进行波形优化和再生，保证了时间信号和初始信号的一致性，实现了20纳秒的授时精度。
输出信号单元中的中央处理器对时间信号的处理过程为；被传输信号单元处理后的IRIG-B码信号输入到中央处理器后，中央处理器首先对IRIG-B码信号的准确性进行基于时间连续性的判别，同时，中央处理器接入原子钟信号和晶振信号，并对输入的IRIG-B码信号、原子钟信号、晶振信号三者进行两两比对，测量计算出三者之间的相对误差，采用如下公式计算；
Tout＝TB+ΔT
公式中，Tout是输出的基准时间信号，TB是参考信号，ΔT是两两中相对误差最小的值；
经计算处理、修补异常信号后，解析出精度满足20纳秒要求的时间信号并输出。
将北斗接收模块、输入信号单元、传输信号单元和输出信号单元组成集成电路，在通过集成电路板进行传输时，减少时间单元和授时单元之间信号传输距离，整体加强信号的屏蔽，主要是采用多层板，电源采用多电源设计，以减少信号过程中受到的干扰，时间信号的传输格式以IRIG-B码形式进行的发送、传递。
在本实施例中，第一隔离器、第二隔离器均采用型号为SI8652的数字隔离器。隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。将输入、输出和工作电源三者相互隔离，特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。SI8652数字隔离器是具备高性能、宽通道数系列的单向和双向隔离器，支持高达5kVrms的加强隔离电压，适用于有高压电缆的环境进行信号隔离，增强信号抗干扰能力和防止信号发生衰减。
在本实施例中，匹配器R1和匹配器R2是阻抗匹配器。阻抗匹配器是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。即在时间信号进行传输时，增加了阻抗匹配，可防止传输线路的噪音、干扰等，以完成时间信号在接收端的优化与信号波形重生，提高了对授时信号的识别能力，最终实现了20纳秒的时间精度。
本设计可将整个系统用集成电路内置在高压电缆定位故障测试装置中，提高定位故障测试装置(如双端输电线路行波测距装置)接收的时间精度，使其对高压电缆的故障定位更准确，便于检修人员快速进行处理。
同时可以本系统为基础开发专用的时间同步单元，可以独立运行，也可以集成在其他装置之中，对信号接收、信号生成模块进行优化，保证20纳秒的精度；对时间信号传输路径(回路)进行优化，保证了时间信号在传输过程的可控和可计算性；对需要授时装置/单元的被授时电路进行优化设计，引入对传输路径对于时间信号传输在噪音、干扰进行定性分析，对频散及衰减方面进行定量计算，以完成时间信号在接收端的优化与的信号波形重生，提高了对授时信号的识别能力，最终实现了20纳秒的时间精度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纳秒级授时系统，其特征在于，包括北斗接收模块、输入信号单元、传输信号单元和输出信号单元，所述北斗接收模块接收北斗卫星的时间信号并将其输入到所述输入信号单元中，所述输入信号单元对时间信号进行线性修定，然后输出精度满足20纳秒要求的秒脉冲基准时间信号到所述传输信号单元进行传输，所述传输信号单元对得到的时间信号进行修补并最后将时间信号输出到所述输出信号单元，所述输出信号单元对时间信号进行基于时间连续性的判别和修补异常信号，最后解析出精度满足20纳秒要求的时间信号并输出。
2.根据权利要求1所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述输入信号单元和输出信号单元的结构相同，均包括中央处理器、原子钟、恒温晶振，所述原子钟、恒温晶振均输出频率信号到所述中央处理器。
3.根据权利要求2所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述输入信号单元中的中央处理器对时间信号的处理过程为；
中央处理器接收北斗时间信号、原子钟信号、晶振信号，并对三种信号进行两两比对测量，计算出三者之间的相对误差，并以三者之间和其他两者误差最小的信号作为参考信号，以相对误差进行线性修定，公式如下；
Tout＝TB+ΔT
公式中，Tout是输出的基准时间信号，TB是参考信号，ΔT是两两中相对误差最小的值；
通过如上计算处理并修补，最终输出精度满足20纳秒要求的秒脉冲基准时间信号，并通过中央处理器生成IRIG-B码信号。
4.根据权利要求3所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述传输信号单元包括第一FPGA、第二FPGA、第一隔离器、第二隔离器、匹配器R1和匹配器R2；
IRIG-B码信号输入到第一FPGA，第一FPGA通过对IRIG-B码信号的连续性对比，验证检验IRIG-B码信号的正确性，并对传输过程中由于传输路径带来的延时进行修补，IRIG-B码信号从第一FPGA输出，经第一隔离器隔离输出后再经匹配器R1送出，到达传输末端，IRIG-B码信号再经匹配器R2到达第二隔离器隔离并进行电平处理，最后IRIG-B码信号输入第二FPGA进行最后处理，以修补传输路径带来延时并对信号准确性进行检查，最终输出到所述输出信号单元。
5.根据权利要求4所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述输出信号单元中的中央处理器对时间信号的处理过程为；
被所述传输信号单元处理后的IRIG-B码信号输入到中央处理器后，中央处理器首先对IRIG-B码信号的准确性进行基于时间连续性的判别，同时，中央处理器接入原子钟信号和晶振信号，并对输入的IRIG-B码信号、原子钟信号、晶振信号三者进行两两比对，测量计算出三者之间的相对误差，采用如下公式计算；
Tout＝TB+ΔT
公式中，Tout是输出的基准时间信号，TB是参考信号，ΔT是两两中相对误差最小的值；
经计算处理、修补异常信号后，解析出精度满足20纳秒要求的时间信号并输出。
6.根据权利要求4所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述第一隔离器、第二隔离器均采用型号为SI8652的数字隔离器。
7.根据权利要求4所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述匹配器R1和匹配器R2是阻抗匹配器。
8.根据权利要求2所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述中央处理器采用MCU。
9.根据权利要求1—8任一所述的一种纳秒级授时系统，其特征在于，所述北斗接收模块、输入信号单元、传输信号单元和输出信号单元组成集成电路，该集成电路采用多层板，电源采用多电源设计，以减少信号传输过程中受到的干扰，时间信号的传输格式以IRIG-B码形式进行发送、传递。
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