CN113377009B - 基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法及系统，本发明基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法包括：从脉冲星观测数据中提取同步信号；基于同步信号计算累积时间误差，根据累积时间误差自适应调节采样控制参数；基于采样控制参数动态设置采样计数器阈值，若达到预设的采样计数阈值，则触发执行指定的数据采样任务。本发明能够减小网络攻击和采样误差对电网同步相量测量的影响，本发明能够自适应调整采样控制参数，动态设置采样计数器阈值，减小晶振频率漂移带来的不利影响，实现更精确的采样间隔控制。
Description
技术领域
本发明涉及广域测量系统，具体涉及一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法及系统。
背景技术
广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)，是一种基于同步测量技术的新一代电网监控系统，其利用同步相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)实时采集电网相量参数（幅值、相位和频率），通过统一的时间标签使各PMU的测量结果进行比较、补充和融合，形成电网同步大数据，为电力系统动态监测、势态感知、故障定位、保护与控制提供了坚实基础数据支持。
电网同步测量的一个关键因素是同步信号的稳定性。国外研制的PMU均通过美国的全球定位系统（Global Position System，GPS）实现同步。然而，工业GPS信号属于民用编码，基于GPS的同步测量技术易受到恶意网络攻击，其可靠性难以得到保障。因GPS攻击导致的同步信号丢失会产生较大的测量误差并影响电网状态估计的结果。为解决这一问题，有学者提出了一种补偿算法，减小了同步信号丢失时的相角测量误差，然而当同步信号丢失时长超过30分钟时，该算法相角补偿效果将大大降低。Fan X等人的《Synchrophasor datacorrection under GPS spoofing attack: A state estimation-based approach [J]》（IEEE Transactions on Smart Grid, 2017, 9(5): 4538-46）采用状态估计法对受网络攻击的PMU数据进行校正，但当多台PMU被同时攻击时该算法将失效。Wang Y等人的《Distributed estimation of power system oscillation modes under attacks onGPS clocks [J]》（IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018,67(7): 1626-37）提出了一种分布式同步信号丢失检测算法，该算法可以有效检测并抵御协同攻击，然而实际相量测量会得到大量坏数据，该方法在实际应用中可能并不奏效。Zhang H等人的《et al. Review on GPS spoofing-based time synchronisation attackon power system [J]》（IET Generation, Transmission & Distribution, 2020, 14(20): 4301-9）通过监测时间抖动判断GPS信号是否受到攻击，并通过卫星信号加密方法提高同步信号的可靠性，但该方法无法处理时间抖动小、持续时间长的网络攻击类型。可见，现有方法仅能一定程度地减轻同步信号丢失的影响。为避免同步信号丢失，本发明采用脉冲星信号长期频率稳定度可与原子钟相媲美且免疫于现有网络攻击的特点，建立一种全新的广域电网同步测量机制。
电网同步测量的另一个关键因素是ADC采样控制。Open-UGA(Open UniversalGrid Analyzer，Open-UGA)通过秒脉冲信号(Pulse Per Second, PPS)实现每秒采样控制，然而，晶振实际频率可能会发生漂移，很难保证实际频率为采样频率的整数倍，这会引入采样时间误差。为解决上述问题，Zhan L等人提出了一种新的同步采样控制方法，利用变采样间隔控制方法对文中的采样时间误差进行补偿。然而，这两种方法都未能有效利用晶振频率的历史信息，在晶振频率波动较大时，晶振频率的实时监测效果较差。
综上所述，基于传统GPS/北斗信号的广域同步测量技术存在以下几个缺点：1.国外研制的PMU均通过美国的全球定位系统（Global Position System，GPS）实现同步。然而，工业GPS信号属于民用编码，基于GPS的同步测量技术易受到恶意网络攻击，其可靠性难以得到保障，同理基于北斗卫星信号的PMU也具有上述缺点。2.由于晶振实际频率可能会发生漂移，很难保证实际频率为采样频率的整数倍，这会引入采样时间误差。在晶振频率波动较大时，晶振频率的实时监测效果较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术存在的问题，提供一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法及系统，本发明能够减小网络攻击和采样误差对电网同步相量测量的影响，本发明能够自适应调整采样控制参数，动态设置采样计数器阈值，减小频率漂移带来的不利影响，实现更精确的采样间隔控制。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，包括：
从脉冲星观测数据中提取同步信号；
基于同步信号计算累积时间误差，根据累积时间误差自适应调节采样控制参数；
基于采样控制参数确定采样计数器阈值，若达到预设的采样计数阈值，则触发执行指定的数据采样任务；
所述基于同步信号自适应调节晶振的控制电压包括：
2.1）通过同步信号触发晶振频率测量，得到晶振的实际输出频率f osc ；
2.2）根据晶振的实际输出频率f osc 与脉冲星信号的周期P得到累积时间误差e(t)；
2.3）将累积时间误差e(t)通过PID控制得到采样控制参数u(t)。
可选地，所述从脉冲星观测数据中提取同步信号的步骤包括：
1.1）利用射电望远镜观测指定脉冲星，得到稳定的脉冲星信号；
1.2）将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带；
1.3）对每一个频带的脉冲星信号消除色散延迟；
1.4）对消除色散延迟后的各个频带的脉冲星信号进行周期折叠处理以提高信噪比，从而实现从脉冲星信号中提取同步信号。
可选地，步骤1.1）包括：利用射电望远镜观测指定脉冲星的脉冲星信号，依次进行放大、滤波、转换至中频信号以及模数转换，得到脉冲星信号s(n)，其中n表示第n个采样点的序号。
可选地，步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式如下式所示：
上式中，y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，k为频带编号，s(n)为脉冲星信号，j为虚数单位，ω k 为第k个频带的本振角频率，n表示第n个采样点的序号，h(n)为FIR低通滤波器脉冲响应，n=Mm表示以M为间隔对原始信号进行抽样，M为频带数量，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内；
或步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式如下式所示：
上式中，y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，p为求和时使用的中间变量，M为频带数量，k为频带编号，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内，j为虚数单位，s(Mm-p) 表示第Mm-p个采样点对应的脉冲星信号，h(Mm-p)为FIR低通滤波器脉冲响应，Mm表示以M为间隔对原始信号进行抽样，n表示第n个采样点的序号。
可选地，步骤1.3）中对每一个频带的脉冲星信号消除色散延迟是指对每一个频带的脉冲星信号计算延迟时间Δt，并在该频带内对该频带m对应的脉冲星信号进行延迟补偿以实现校正色散延迟，其中延迟时间Δt的函数表达式为：
上式中，D为色散常数，f ref 为参考频率，参考频率为观测频带的中心频率，所述观测频带是指射电望远镜能观测到的脉冲星信号的频率范围，f chan 为该频带的中心频率，DM为色散量，所述色散量是指信号传播途径中的自由电子密度的积分。
可选地，步骤1.4）中进行周期折叠处理的函数表达式为：
上式中，S f (n)表示周期折叠处理后得到的同步信号，n表示第n个采样点的序号，K为折叠的脉冲周期数，S d 为校正色散延迟后的信号，i为求和时使用的中间变量，P表示脉冲星信号的周期，脉冲星信号的周期等于同步信号周期。
可选地，步骤2.3）中PID控制得到采样控制参数u(t)的函数表达式如下式所示：
上式中，K p 表示比例系数，t表示时间，T i 表示积分时间常数，T d 表示微分时间常数，e(t)表示累积时间误差，其函数表达式如下：
上式中，P表示脉冲星信号的周期，脉冲星信号的周期等于同步信号周期， f osc (t)为晶振在t时刻的实际输出频率，C L 和C H 分别表示一个同步周期内定时器阈值取下整数和取上整数的次数；N L 表示定时器阈值取下整数，N H 表示定时器阈值取上整数，计算公式如下：
上式中，f osc 为晶振的实际输出频率，f s 为采样频率；
或者步骤2.3）中将误差e(t)通过PID控制得到控制电压u(t)的函数表达式如下式所示：
上式中，u(n)表示第n个采样点对应的采样控制参数，u(n-1)表示第n-1个采样点对应的采样控制参数，K p 表示比例系数，K i =K p T/T i ，K d 表示微分系数，K d =K p T d /T，T i 表示积分时间常数，T表示采样周期，T d 表示微分时间常数；e(n)表示第n个采样点对应的累积时间误差，e(n-1)表示第n-1个采样点对应的累积时间误差，e(n-2)表示第n-2个采样点对应的累积时间误差；
此外，本发明还提供一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明包括从脉冲星观测数据中提取同步信号，利用脉冲星信号长期频率稳定度可与原子钟相媲美且免疫于现有网络攻击的特点，减小网络攻击和采样误差对电网同步相量测量的影响。
2、晶振实际频率可能会发生漂移，很难保证实际频率为采样频率的整数倍，这会引入采样时间误差。在变采样间隔法的基础上，利用从脉冲星观测数据中提取出的周期性信号监测本地晶振频率，基于同步信号自适应调节采样控制参数，动态设置采样计数器阈值，减小频率漂移带来的不利影响，实现更精确的采样间隔控制。
3、本发明不仅可以适用于广域电网同步测量，同样还可以适用于其它各类同步电信号的测量方法，具有通用性好的优点。
附图说明
图1为本发明实施例一方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例一方法的完整流程示意图。
图3为本发明实施例一中自适应调节采样控制参数原理图。
图4为本发明实施例一中得到的周期折叠后的脉冲星信号。
图5为本发明实施例一中的相角测量实验结果。
图6为本发明实施例一中不同晶振频率预测方法误差对比。
图7为本发明实施例一中不同方法的晶振频率波动时相角误差对比。
图8为本发明实施例一中不同方法的晶振频率波动时频率误差对比。
具体实施方式
下文将以广域电网同步测量为例，对本发明基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法及系统进行进一步的详细说明。此外，本发明基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法及系统还可以适用于其它各类同步电信号的测量方法，具有通用性好的优点。
实施例一：
如图1所示，本实施例基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法包括：
从脉冲星观测数据中提取同步信号；
基于同步信号计算累积时间误差，根据累积时间误差自适应调节采样控制参数；
基于采样控制参数确定采样计数器阈值，若达到预设的采样计数阈值，则触发执行指定的数据采样任务。
参见图2，本实施例中从脉冲星观测数据中提取同步信号的步骤包括：
1.1）利用射电望远镜观测指定脉冲星，得到稳定的脉冲星信号；
1.2）将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带；
1.3）对每一个频带的脉冲星信号消除色散延迟；
1.4）对消除色散延迟后的各个频带的脉冲星信号进行周期折叠处理以提高信噪比，从而实现从脉冲星信号中提取出同步信号。
由于利用射电望远镜观测指定脉冲星的脉冲星信号为微弱信号，为例提高信号的信噪比，本实施例中步骤1.1）包括：利用射电望远镜观测指定脉冲星的脉冲星信号，依次进行放大、滤波、转换至中频信号以及模数转换，得到脉冲星信号s(n)，其中n表示第n个采样点的序号。其中，转换中频信号可减小信号在线路上传输时的能量损失小，本实施例中具体为采用混频器实现，将滤波后的高频的脉冲星信号转换为较低的中频信号。
本实施例中，步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式如下式所示：
上式中，y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，k为频带编号，s(n)为脉冲星信号，j为虚数单位，ω k 为第k个频带的本振角频率，n表示第n个采样点的序号，h(n)为FIR（有限脉冲响应）低通滤波器脉冲响应，n=Mm表示以M为间隔对原始信号进行抽样，M为频带数量，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内。本实施例中，上述函数表达式的具体实现是指应用数字信道化算法将脉冲星信号分割成M个带宽相同的频率通道，以便在每个通道上执行消色散。数字信道化的原理是将输入信号s(n)通过下变频移动至零中频，然后通过FIR低通滤波器组得到原信号的各子带信号。经过低通滤波器后，信号带宽被限制在2π/M以内，因此可以通过M倍抽取降低采样频率，以提高后续计算效率，最终得到输出信号y k (m)。
其中，FIR低通滤波器脉冲响应的函数表达式为：
上式中，b n 是指FIR低通滤波器在第n时间的脉冲响应。若FIR低通滤波器是直接型的FIR滤波器，则b n也就是FIR低通滤波器的系数，系数是根据脉冲星信号观测频率预先设定好的。N是指FIR低通滤波器的阶数。
其中，第k个频带的本振角频率ω k 的函数表达式为：
上式中，k为频带编号，M为频带数量。
研究发现脉冲星信号在星际介质中传播时，与途中带电粒子和自由电子相互作用，使信号中低频部分更晚到达观测点，即低频脉冲在相位上滞后于高频脉冲。因此，本实施例中采用步骤1.3）对信号进行消色散处理。非相干消色散是一种简单直接的消色散方法，其原理是计算每个频道内的延迟时间并在该频道内实现相应的延迟补偿。本实施例中，步骤1.3）中对每一个频带的脉冲星信号消除色散延迟是指对每一个频带的脉冲星信号计算延迟时间Δt，并在该频带内对该频带m对应的脉冲星信号进行延迟补偿以实现校正色散延迟，其中延迟时间Δt的函数表达式为：
上式中，D为色散常数，（反映了脉冲星与地球的距离和信号传播路径中的电子体密度，其数值为4.15×103MHz2∙pc-1∙cm3∙s），f ref 为参考频率，参考频率为观测频带的中心频率，观测频带是指射电望远镜能观测到的脉冲星信号（频带分割前的原始脉冲星信号）的频率范围，f chan 为该频带（频带分割后得到的频带）的中心频率，DM为色散量，所述色散量是指信号传播途径中的自由电子密度的积分。对于已发现的脉冲星，DM可以通过天文观测资料获得。
由于背景噪声的影响，消色散信号的单个脉冲仍然非常微弱，为了提高信噪比，本实施例中采用步骤1.4）折叠叠加多个周期。
本实施例中，步骤1.4）中进行周期折叠处理的函数表达式为：
上式中，S f (n)表示周期折叠处理后得到的同步信号，n表示第n个采样点的序号，K为折叠的脉冲周期数（折叠的次数由脉冲星的通量密度决定，一般来说，较亮的脉冲星或较大的射电望远镜需要较少的叠加），S d 为校正色散延迟后的信号，i为求和时使用的中间变量，P表示脉冲星信号的周期，即同步信号周期（脉冲星信号的周期等于同步信号周期）。对于已知脉冲星，P可以通过查询天文观测资料得到。最后提取出的同步信号，将发送至ADC采样模块用于同步采样。
本实施例中，基于同步信号自适应调节采样控制参数的基本原理为：实际采样过程中，由于晶振频率很难维持一个恒定值，实际晶振频率与标称频率间总有一定的误差，因此很难保证晶振频率是采样频率的整数倍。但定时器阈值只能设置为整数，当晶振频率不是采样频率的整数倍时，实际定时器阈值和理想定时器阈值之间的误差会随着时间逐渐累积。为减小累计时间误差，本发明以脉冲星信号为基准信号，实时监测晶振输出频率，根据晶振频率动态调整采样控制参数。具体地，如图3所示，本实施例中基于同步信号自适应调节采样控制参数包括：
2.1）通过同步信号触发晶振频率测量，得到晶振的实际输出频率f osc ；
2.2）根据晶振的实际输出频率f osc 与脉冲星信号的周期P得到累积时间误差e(t)；
2.3）将累积时间误差e(t)通过PID控制得到采样控制参数u(t)。
本实施例中，步骤2.3）中PID控制得到采样控制参数u(t)的函数表达式如下式所示：
上式中，K p 表示比例系数，t表示时间，T i 表示积分时间常数，T d 表示微分时间常数，e(t)表示累积时间误差，其函数表达式如下：
上式中，P表示脉冲星信号的周期，即同步信号周期（脉冲星信号的周期等于同步信号周期）， f osc (t)为晶振在t时刻的实际输出频率，C L 和C H 分别表示一个同步周期内定时器阈值取下整数和取上整数的次数；N L 表示定时器阈值取下整数，N H 表示定时器阈值取上整数，计算公式如下：
上式中，f osc 为晶振的实际输出频率，f s 为采样频率；
本实施例中基于采样控制参数u确定采样计数器阈值H，若达到预设的采样计数阈值，则触发执行指定的数据采样任务并将计数器清零以重新进行计数。本实施例中，预设的采样计数阈值H的计算函数表达式为：
上式中，H表示预设的采样计数阈值；N L 表示定时器阈值取下整数，N H 表示定时器阈值取上整数；C L 和C H 分别表示一个同步周期内定时器阈值取下整数和取上整数的次数，u表示采样控制参数。每当计数器超过阈值或检测到同步信号时，测量装置对电网电压采样，最终，同步采样的电网电压数据通过递归DFT算法计算得到相角和频率。
为验证所提算法有效性，本实施例中采用澳大利亚联邦科学与工业研究组织(TheCommonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CASPER)数据库网站中脉冲星观测数据生成同步信号。所选脉冲星编号为PSR-J0437-4715，该脉冲星是目前所有已知脉冲星中最明亮的毫秒脉冲星。58s的脉冲星观测数据经过处理后，得到脉冲轮廓如图4所示。在折叠步骤之后，脉冲信号周期约为0.575745193s，生成的同步信号如图4所示。
为对比本实施例方法与基于GPS的同步采样算法，分别在GPS同步信号正常、GPS同步信号丢失以及使用脉冲星同步信号的情况下，通过固定间隔采样方法得到采样数据，采用递归DFT算法计算相角，实验结果如图5所示。可以看到，当GPS同步信号正常时，两种方法的测量精度相近。然而当GPS信号受到攻击造成同步信号丢失时，基于GPS的同步采样数据的相角测量误差将在短时间快速累积。
为对比本实施例方法和现有AS(Adaptive Sampling, AS)算法的性能，通过频率计数器监测20MHz晶振的频率，并在500s内不断改变环境温度，获得如图6中所示的晶振频率观测值，并测试了DOFM(Dynamic Oscillator Frequency Monitor, DOFM)、GOFM(General Oscillator Frequency Monitor, GOFM)及本实施例方法的晶振频率预测效果，实验结果如图6所示。从图6中可以看出，当晶振频率快速变化时，DOFM和GOFM的最大误差超过40Hz。本实施例方法最大误差小于20Hz，说明本实施例方法能更有效的预估晶振频率。
最后，本实施例方法在MATLAB中生成初相角为0°、信号幅值存在10%的波动、含有60dB白噪声的50Hz正弦信号。设置晶振频率波动为100ppm，采用DOFM-AS、GOFM-AS和本实施例方法对仿真正弦信号进行采样。采样数据均使用递归DFT算法计算相角和频率，实验结果如图7和图8所示。从图7和图8中可见，基于GOFM算法的采样数据计算得到的相角误差出现了明显的“锯齿状”，在单个同步信号周期内相角误差可累积到3.0×10-3°，而基于本实施例方法（图中标识为本文算法）的采样数据计算得到的相角误差在整个实验阶段表现得都很平稳。这是因为基于本实施例方法的采样数据更精确的预估了晶振频率，从而更高效地控制了采样间隔。同时从表1可知，在本地晶振频率波动较大时，基于本实施例方法计算得到的相角和频率平均测量误差分别为-9.75×10-5°和9.83×10-7Hz，小于DOFM-AS算法和GOFM-AS算法，说明本实施例方法采样精度更优。
表1：晶振频率波动时不同算法平均误差。
| 误差 | DOFM-AS | DOFM-AS | 本实施例方法 |
| 相角(°) | -9.81×10-4 | -2.87×10-4 | -9.75×10-5 |
| 频率(Hz) | -1.56×10-5 | -3.23×10-6 | -9.83×10-7 |
综上所述，本实施例基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，利用从脉冲星观测数据中提取出的周期性信号作为采样同步信号。减小了网络攻击和采样误差对电网同步相量测量的影响。在变采样间隔法的基础上，利用从脉冲星观测数据中提取出的周期性信号监测本地晶振频率。同时，将单个同步信号周期内的累积时间误差作为PID算法输入，动态调整采样控制参数，减小频率漂移带来的不利影响，实现更精确的采样间隔控制。此外，本实施例还提供一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的步骤。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的计算机程序。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为步骤1.2）的实施方式不同。
实施例一步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式抽取过程在滤波过程之后，即参与滤波运算的M-1个样值将被丢弃，计算效率很低。为了解决上述技术问题，本实施例步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式如下式所示：
上式中，y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，p为求和时使用的中间变量，M为频带数量，k为频带编号，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内，j为虚数单位，s(Mm-p) 表示第Mm-p个采样点对应的脉冲星信号，h(Mm-p)为FIR低通滤波器脉冲响应，Mm表示以M为间隔对原始信号进行抽样，n表示第n个采样点的序号。上式可等效于多相滤波器组结构，由于该结构将抽取器置于滤波器之前，其与传统数字滤波器组信道化方法相比，运算量大大降低。
此外，令：
则上式还可以简化为：
上式中，DFT是指离散傅里叶变换。y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，p为求和时使用的中间变量，M为频带数量，k为频带编号，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内，j为虚数单位，x’ p (m)为计算过程中的中间变量。
此外，本实施例还提供一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的步骤。此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的计算机程序。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为步骤2.3）的实施方式不同。
由于计算机更善于处理离散化的信号，本实施例中，步骤2.3）中将实施例一中控制电压u(t)的函数表达式中的积分和微分项进行离散化处理，可得到：
上式中，e(t)表示t时刻对应的晶振实际输出频率y(t)与晶振标称频率r(t)之间的误差，e(i)表示第i个采样点对应的晶振实际输出频率y(i)与晶振标称频率r(i)之间的误差，T表示采样周期。微分项可以改写为：
上式中，e(t)表示t时刻对应的晶振实际输出频率y(t)与晶振标称频率r(t)之间的误差，e(i)表示第i个采样点对应的晶振实际输出频率y(i)与晶振标称频率r(i)之间的误差，e(i-1)表示第i-1个采样点对应的晶振实际输出频率y(i-1)与晶振标称频率r(i-1)之间的误差。基于上述积分和微分项进行离散化处理，可得到控制电压u(t)的函数表达式如下式所示：
上式中，u(n)表示第n个采样点对应的采样控制参数，u(n-1)表示第n-1个采样点对应的采样控制参数，K p 表示比例系数，K i =K p T/T i ，K d 表示微分系数，K d =K p T d /T，T i 表示积分时间常数，T表示采样周期，T d 表示微分时间常数；e(n)表示第n个采样点对应的累积时间误差，e(n-1)表示第n-1个采样点对应的累积时间误差，e(n-2)表示第n-2个采样点对应的累积时间误差；实际应用中，需要通过采样控制参数与累积时间误差的关系作为参考，调整K p 、K i 和K d 的大小，从而保证控制系统稳定不发散，同时使系统响应快且系统稳态误差小。
此外，本实施例还提供一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／的处理器执行的指令产生用于实现在流程图的一个流程或多个流程和／或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图的一个流程或多个流程和／或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图的一个流程或多个流程和／或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，其特征在于，包括：
从脉冲星观测数据中提取同步信号；
基于同步信号计算累积时间误差，根据累积时间误差自适应调节采样控制参数；
基于采样控制参数确定采样计数器阈值，若达到预设的采样计数阈值，则触发执行指定的数据采样任务；
所述基于同步信号自适应调节采样控制参数包括：
2.1）通过同步信号触发晶振频率测量，得到晶振的实际输出频率f osc ；
2.2）根据晶振的实际输出频率f osc 与脉冲星信号的周期P得到累积时间误差e(t)；
2.3）将累积时间误差e(t)通过PID控制得到采样控制参数u(t)；
所述从脉冲星观测数据中提取同步信号的步骤包括：
1.1）利用射电望远镜观测指定脉冲星，得到稳定的脉冲星信号；
1.2）将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带；
1.3）对每一个频带的脉冲星信号消除色散延迟；
1.4）对消除色散延迟后的各个频带的脉冲星信号进行周期折叠处理以提高信噪比，从而实现从脉冲星信号中提取出同步信号；
步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式如下式所示：
上式中，y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，k为频带编号，s(n)为脉冲星信号，j为虚数单位，ω k 为第k个频带的本振角频率，n表示第n个采样点的序号，h(n)为FIR低通滤波器脉冲响应，n=Mm表示以M为间隔对原始信号进行抽样，M为频带数量，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内；
或步骤1.2）中将观测得到的脉冲星信号分割成多个频带的函数表达式如下式所示：
上式中，y k (m)为第k个频带、第m个采样值对应输出的脉冲星信号，p为求和时使用的中间变量，M为频带数量，k为频带编号，每一个频带的信号带宽相同且被限制在2π/M以内，j为虚数单位，s(mM-p) 表示第mM-p个采样点对应的脉冲星信号，h(mM-p)为FIR低通滤波器脉冲响应，n表示第n个采样点的序号。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，其特征在于，步骤1.1）包括：利用射电望远镜观测指定脉冲星的脉冲星信号，依次进行放大、滤波、转换至中频信号以及模数转换，得到脉冲星信号s(n)，其中n表示第n个采样点的序号。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，其特征在于，步骤1.3）中对每一个频带的脉冲星信号消除色散延迟是指对每一个频带的脉冲星信号计算延迟时间Δt，并在该频带内对该频带m对应的脉冲星信号进行延迟补偿以实现校正色散延迟，其中延迟时间Δt的函数表达式为：
上式中，D为色散常数，f ref 为参考频率，参考频率为观测频带的中心频率，所述观测频带是指射电望远镜能观测到的脉冲星信号的频率范围，f chan 为该频带的中心频率，DM为色散量，所述色散量是指信号传播途径中的自由电子密度的积分。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，其特征在于，步骤1.4）中进行周期折叠处理的函数表达式为：
上式中，S f (n)表示周期折叠处理后得到的同步信号，n表示第n个采样点的序号，K为折叠的脉冲周期数，S d 为校正色散延迟后的信号，i为求和时使用的中间变量，P表示脉冲星信号的周期，脉冲星信号的周期等于同步信号周期。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，其特征在于，步骤2.3）中PID控制得到采样控制参数u(t)的函数表达式如下式所示：
上式中，K p 表示比例系数，t表示时间，T i 表示积分时间常数，T d 表示微分时间常数，e(t)表示累积时间误差，其函数表达式如下：
上式中，P表示脉冲星信号的周期，脉冲星信号的周期等于同步信号周期，f osc (t)为晶振在t时刻的实际输出频率，C L 和C H 分别表示一个同步周期内定时器阈值取下整数和取上整数的次数；N L 表示定时器阈值取下整数，N H 表示定时器阈值取上整数，计算公式如下：
上式中，f osc 为晶振的实际输出频率，f s 为采样频率。
6.根据权利要求1所述的基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法，其特征在于，步骤2.3）中将累积时间误差e(t)通过PID控制得到控制电压u(t)的函数表达式如下式所示：
上式中，u(n)表示第n个采样点对应的采样控制参数，u(n-1)表示第n-1个采样点对应的采样控制参数，K p 表示比例系数，K i =K p T/T i ，K d 表示微分系数，T i 表示积分时间常数，K d = K p T d /T，T表示采样周期，T d 表示微分时间常数；e(n)表示第n个采样点对应的累积时间误差，e(n-1)表示第n-1个采样点对应的累积时间误差，e(n-2)表示第n-2个采样点对应的累积时间误差。
7.一种基于脉冲星信号的自适应同步采样控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于脉冲星信号的自适应同步采样控制方法的计算机程序。
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| "Impact of GPS Signal loss and its mitigation in power system synchronized measurement devices";Wenxuan Yao ETC;《IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID》;20180331;第9卷(第2期);正文第1141-1149页 * |
| "Pulstar based timing for Grid Synchronization";Wei Qiu etc;《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS》;20210630;第57卷(第3期);正文第2067-2076页 * |
| 基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计;张国琴等;《仪表技术》;20101231(第4期);全文 * |
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