CN114578679B - 一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时间同步技术领域，尤其涉及一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，基于授时压控技术，通过在隧道口两端分别布设一台授时型接收机，并将定位后输出的标准秒脉冲分别通过光纤进行传输，再通过滑动平均滤波和离散增量式PID算法，实现了对标准秒脉冲的快速跟踪，使本地晶振保持较高的频率准确度和稳定度，利用高精度时间间隔测量的方法，解决了光纤传输秒脉冲信号的延时精度问题以及光纤受温度等环境因素变化后对信号延迟影响的问题，解决了传统方式授时精度低、组建系统复杂、信号受严重遮挡而无法授时的问题。

Description

一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法

技术领域

本发明涉及时间同步技术领域，尤其涉及一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法。

背景技术

时间同步是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。时间同步系统不仅在金融、交通、航天航空、电子通讯等重大工程中得到广泛的应用，同时也与人们的生活息息相关。在一些对时间同步精度要求较高的领域中，如果不能与系统时间保持高度同步，那造成的损失将是无法估量的。隧道定位便是如此，想要了解隧道内各种车况的实时信息，就必须要建立一套精准的时间同步系统。

通常解决时间同步的方法有三类：第一类是基于无线电传播时间信息，即利用电磁波在空间中快速完成时间信息的传播，其传递的时间由授时型接收机接收并与时本地钟比对，通过建立电磁波在传播路径上时延及各种误差因素的数学模型，从而使影响时延的各种误差减小，实现时钟的同步。但由于短波传播路径很容易受到噪声影响，使授时精度仅能达到ms级，使其不适合应用在铁路、隧道等对时间同步精度要求较高的场景。第二类是基于网络授时，它通过NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)协议在国际互联网上传递统一标准的时间，具体通过在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度，但在铁路、隧道等环境下，存在布设施工困难、施工强度大、组建系统困难等一系列问题。第三类是基于卫星授时，它是实现全球性时钟精密同步的最为有效的办法，利用卫星可在全球范围内用超短波传播授时，不仅具有高传递精度，而且能提高时钟比对精度，同样的对于在室内、隧道、地下室等相对封闭的环境中，卫星信号传播到目标接收机受到严重的削弱，使其无法直接利用卫星信号进行定位，也因此无法为其提供授时与位置服务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，旨在解决现有的应用于隧道的时间同步方法授时精度低、组建系统复杂、信号受严重遮挡而无法授时的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，包括下列步骤：

搭建隧道时间同步系统；

分别传输标准秒脉冲；

测量信号延时并作相应的延时补偿；

进行时间间隔测量，获得测量值；

对所述测量值进行处理计算获得修正值；

基于修正值调节所述隧道时间同步系统的晶振输出频率；

完成隧道内外时间同步。

其中，所述隧道时间同步系统包括若干个信号节点、授时型接收机、高精度时间间隔测量模块、时钟信号生成模块、压控晶振驯服模块、离散增量式PID算法模块和数模转换模块，若干个所述信号节点均匀布设于隧道内并通过光纤进行连接，其中位于隧道口两端的所述信号节点分别与所述授时型接收机连接，时钟信号生成模块、高精度时间间隔测量模块、离散增量式PID算法模块、压控晶振驯服模块和数模转换模块依次相连接。

其中，在分别传输标准秒脉冲的过程中，利用隧道两端布设的授时型接收机将定位后输出的标准秒脉冲分别通过光纤进行传输。

其中，在测量信号延时并作相应的延时补偿的过程中，高精度时间间隔测量模块计算出标准秒脉冲在整个隧道中传输的信号延时，同时计算出秒脉冲从授时型接收机到隧道内各信号节点的传播延时。

其中，在进行时间间隔测量，获得测量值的过程中，所述测量值通过高精度时间间隔测量模块对标准秒脉冲上升沿与本地秒脉冲上升沿进行时间间隔测量获得。

其中，对所述测量值进行处理计算获得修正值的过程中，首先对所述测量值进行滑动平均滤波处理，然后将处理后的结果送入离散增量式PID算法模块，再通过每秒计算一次得到修正值。

其中，在基于修正值调节所述隧道时间同步系统的晶振输出频率的过程中，将修正值送入数模转换模块转换为相应的模拟电压值，通过压控晶振驯服模块调节晶振输出频率，使晶振保持频率准确度和稳定度。

其中，在完成隧道内外时间同步的过程中，将隧道的各个信号节点时间同步，并使各信号节点输出的本地秒脉冲上升沿与标准秒脉冲上升沿误差控制在50ns以内。

其中，所述隧道时间同步系统还包括串口通信模块，所述串口通信模块用于传输标准秒脉冲到各信号节点的传播延时以及接收机定位的当前时间。

本发明提供了一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，基于授时压控技术，通过在隧道口两端分别布设一台授时型接收机，并将定位后输出的标准秒脉冲分别通过光纤进行传输，再通过滑动平均滤波和离散增量式PID算法，实现了对标准秒脉冲的快速跟踪，使本地晶振保持较高的频率准确度和稳定度，利用高精度时间间隔测量的方法，解决了光纤传输秒脉冲信号的延时精度问题以及光纤受温度等环境因素变化后对信号延迟影响的问题，解决了传统方式授时精度低、组建系统复杂、信号受严重遮挡而无法授时的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法的流程示意图。

图2是本发明具体实施例的隧道时间同步系统的结构示意图。

图3是本发明的具体实施例的隧道的各信号节点内部组成示意图。

图4是本发明的PID闭环控制结构示意图。

图5是本发明的增量式离散PID算法实现示意图。

图6是本发明的具体实施例的秒脉冲信号上升沿对比时域图。

图7是本发明的具体实施例的10MHZ晶振驯服前频谱图。

图8是本发明的具体实施例的10MHZ晶振驯服后频谱图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，本发明提出了一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，包括下列步骤：

S1：搭建隧道时间同步系统；

S2：分别传输标准秒脉冲；

S3：测量信号延时并作相应的延时补偿；

S4：进行时间间隔测量，获得测量值；

S5：对所述测量值进行处理计算获得修正值；

S6：基于修正值调节所述隧道时间同步系统的晶振输出频率；

S7：完成隧道内外时间同步。

所述隧道时间同步系统包括若干个信号节点、授时型接收机、高精度时间间隔测量模块、时钟信号生成模块、压控晶振驯服模块、离散增量式PID算法模块和数模转换模块，若干个所述信号节点均匀布设于隧道内并通过光纤进行连接，其中位于隧道口两端的所述信号节点分别与所述授时型接收机连接，时钟信号生成模块、高精度时间间隔测量模块、离散增量式PID算法模块、压控晶振驯服模块和数模转换模块依次相连接。

在分别传输标准秒脉冲的过程中，利用隧道两端布设的授时型接收机将定位后输出的标准秒脉冲分别通过光纤进行传输。

在测量信号延时并作相应的延时补偿的过程中，高精度时间间隔测量模块计算出标准秒脉冲在整个隧道中传输的信号延时，同时计算出秒脉冲从授时型接收机到隧道内各信号节点的传播延时。

在进行时间间隔测量，获得测量值的过程中，所述测量值通过高精度时间间隔测量模块对标准秒脉冲上升沿与本地秒脉冲上升沿进行时间间隔测量获得。

对所述测量值进行处理计算获得修正值的过程中，首先对所述测量值进行滑动平均滤波处理，然后将处理后的结果送入离散增量式PID算法模块，再通过每秒计算一次得到修正值。

在基于修正值调节所述隧道时间同步系统的晶振输出频率的过程中，将修正值送入数模转换模块转换为相应的模拟电压值，通过压控晶振驯服模块调节晶振输出频率，使晶振保持频率准确度和稳定度。

在完成隧道内外时间同步的过程中，将隧道的各个信号节点时间同步，并使，并使各信号节点输出的本地秒脉冲上升沿与标准秒脉冲上升沿误差控制在50ns以内。

所述隧道时间同步系统还包括串口通信模块，所述串口通信模块用于传输标准秒脉冲到各信号节点的传播延时以及接收机定位的当前时间。

在本实施方式中，首先利用隧道口两端布设的授时型接收机将定位后输出的标准秒脉冲分别通过光纤进行传输，通过隧道口信号节点的高精度时间间隔测量模块计算出秒脉冲在整个隧道中传输的信号延时，同时计算出秒脉冲从接收机到隧道内各信号节点的传播延时，然后将信号延时信息和时间信息通过串口通信模块传输至隧道内各节点，隧道内各节点收到信号延迟信息和时间信息后做相应的延时补偿并启动压控晶振驯服过程，通过隧道内各节点高精度时间间隔测量模块对秒脉冲上升沿与本地秒脉冲上升沿进行时间间隔测量，从而将得到的数字相位差送入压控晶振驯服模块，对得到的数据进行滑动平均滤波处理，然后将处理后的结果送入离散增量式PID算法模块，通过每秒计算一次得到的修正值送入数模转换模块，将数字修正值转换为相应的模拟电压值，从而调节晶振输出频率，使晶振保持较高的频率准确度和稳定度，并实现隧道内外信号节点时间同步，且各信号节点输出的本地秒脉冲上升沿与标准秒脉冲上升沿误差控制在50ns以内。

进一步地，本发明还提供了一个具体实施例作进一步说明与验证：

请参阅图2，本实施例中，所述授时型接收机为Ublox-m8n接收机，用于输出标准秒脉冲及时间信息。其中主用接收机输出的标准秒脉冲通过光纤1进行传输，备用接收机输出的标准秒脉冲通过光纤2进行传输，时间信息通过串口模块传输至相应隧道口两端的信号节点。

所述串口模块，用于传输标准秒脉冲到各信号节点的传播延时以及接收机定位的当前时间，使隧道内整个系统处于时间同步状态。

所述信号传输延时，主要通过隧道口两端的信号节点对光纤1和光纤2传输的标准秒脉冲信号进行实时检测。当检测到光纤1和光纤2传输的标准秒脉冲信号均存在时，启动主用接收机连接的信号节点的高精度时间间隔测量模块对两标准秒脉冲信号上升沿进行时间间隔测量，从而得到标准秒脉冲信号在整个隧道中的传输延时T。根据隧道内n个信号节点均匀分布的特点可以计算出标准秒脉冲信号传播到第x个信号节点的传输延时，其值为当仅检测到光纤1传输的标准秒脉冲信号存在或均未检测到标准秒脉冲信号存在时，通过利用标准秒脉冲信号在整个隧道中传输延时的最近一次历史数据T，计算出标准秒脉冲信号传播到第x个信号节点的传输延时，其值为/>当仅检测到光纤2传输的标准秒脉冲信号存在时，通过利用标准秒脉冲信号在整个隧道中传输延时的最近一次历史数据T，计算出标准秒脉冲信号传播到第x个信号节点的传输延时，其值为/>这种方法极大的提高了秒脉冲信号传输延时的测量精度，使其达到ns级，而且不必考虑光纤受温度等环境因素变化后对信号延迟影响的问题，极大的降低了时间同步系统的复杂度。

图3所示为基于授时压控技术应用在隧道时间同步的各节点内部组成框图，所述高精度时间间隔测量模块，用于测量秒脉冲在整个隧道中传输的信号延时以及测量秒脉冲与系统时钟分频得到的本地秒脉冲的数字相位差。主要通过将10MHZ恒温晶振通过PLL倍频至系统时钟，使其最小分辨率达到ns级，极大提高时间间隔测量精度。

所述本地秒脉冲信号，用于和标准秒脉冲信号进行对比，主要由系统时钟计数分频产生。

所述数字相位差，用于做离散增量式PID算法模块的输入参量。主要通过连续检测到三次秒脉冲信号上升沿有效，然后在秒脉冲信号上升沿有效时，开始启动本地秒脉冲信号生成。通过提取出秒脉冲和本地秒脉冲计数值，从而得到数字相位偏差。最后，对连续记录八次的数字相位偏差值做滑动平均滤波处理，使输出数据较为平滑，消除其随机误差。

所述离散增量式PID算法模块，用于计算出晶振修正值，从而快速跟踪标准秒脉冲。PID是一种结合比例、积分和微分控制量的自动控制器，具有其结构简单，稳定性强的优势。其模拟控制规律为其中，e(t)＝r(t)-y(t)为当前的秒脉冲计数偏差值，Kp为控制器比例增益，TI为控制器积分时间常数，TD为控制器微分时间常数。如图4所示的PID闭环控制结构，图中秒脉冲计数值r(t)作为目标值，本地秒脉冲y(t)作为控制对象的反馈输出值，偏差值e(t)是目标值与输出值的偏差，通过对偏差值进行比例、积分和微分控制量的计算，从而得到修正值u(t)，将该值送入数模转换模块，使其转换成相应的模拟电压控制量，从而使晶振保持较高的频率准确度和稳定度，并实现隧道内外信号节点时间同步且各信号节点输出的本地秒脉冲上升沿与标准秒脉冲上升沿误差控制在50ns以内。

为了实现PID控制器对恒温晶振的控制效果，本发明对模拟PID进行了增量式离散化处理。式中的积分项可近似为误差的累积和，微分项可近似为采样周期T内误差的变化量，即有Δu(k)＝u(k)-u(k-1)、 将该三式带入得：

经化简可得：Δu(k)＝E₀e(k)+E₁e(k-1)+E₂e(k-1)，其中KP＝K_P、 E₀＝(KP+KI+KD)、E₁＝-(KP+2KD)、E₂＝KD。

在Verilog HDL程序代码设计中，增量式离散PID算法模型仅需获得最近三次的偏差值以及做三次加法和三次乘法即可实现，如图5增量式离散PID算法实现框图。

依据以上设计原理，经过多次PID参数的调节，最终选取了一组控制效果最佳的设计参数，KP＝14.375,KI＝2.15,KD＝4.30,T＝1.0。系统上电经过一段时间后，本地秒脉冲已被秒脉冲快速驯服。如图6秒脉冲上升沿时间间隔测量示波器信号图所示，标准秒脉冲上升沿与本地秒脉冲上升沿误差小于50ns，实现了隧道内外各节点之间的时间同步。图7和图8为10MHZ晶振驯服前后频谱图，其中图7为驯服前晶振频率9.999985MHZ，图8为驯服后晶振频率为9.999999MHZ，可见本发明应用于隧道的时间同步方法效果非常显著。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，其特征在于，包括下列步骤：

搭建隧道时间同步系统；

所述隧道时间同步系统包括若干个信号节点、授时型接收机、高精度时间间隔测量模块、时钟信号生成模块、压控晶振驯服模块、离散增量式PID算法模块和数模转换模块，若干个所述信号节点均匀布设于隧道内并通过光纤进行连接，其中位于隧道口两端的所述信号节点分别与对应的授时型接收机连接，时钟信号生成模块、高精度时间间隔测量模块、离散增量式PID算法模块、压控晶振驯服模块和数模转换模块依次相连接；

利用隧道两端布设的授时型接收机将定位后输出的标准秒脉冲分别通过光纤进行传输；

测量信号延时并作相应的延时补偿；

在测量信号延时并作相应的延时补偿的过程中，高精度时间间隔测量模块计算出标准秒脉冲在整个隧道中传输的信号延时，同时计算出秒脉冲从授时型接收机到隧道内各信号节点的传播延时；

对标准秒脉冲上升沿与本地秒脉冲上升沿进行时间间隔测量，获得测量值；

对所述测量值进行处理计算获得修正值；

基于修正值调节所述隧道时间同步系统的晶振输出频率；

将隧道的各个信号节点时间同步，并使各信号节点输出的本地秒脉冲上升沿与标准秒脉冲上升沿误差控制在50ns以内。

2.如权利要求1所述的基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，其特征在于，

在进行时间间隔测量，获得测量值的过程中，所述测量值通过高精度时间间隔测量模块对标准秒脉冲上升沿与本地秒脉冲上升沿进行时间间隔测量获得。

3.如权利要求1所述的基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，其特征在于，

对所述测量值进行处理计算获得修正值的过程中，首先对所述测量值进行滑动平均滤波处理，然后将处理后的结果送入离散增量式PID算法模块，再通过每秒计算一次得到修正值。

4.如权利要求1所述的基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，其特征在于，

在基于修正值调节所述隧道时间同步系统的晶振输出频率的过程中，将修正值送入数模转换模块转换为相应的模拟电压值，通过压控晶振驯服模块调节晶振输出频率，使晶振保持频率准确度和稳定度。

5.如权利要求1所述的基于授时压控技术应用于隧道的时间同步方法，其特征在于，

所述隧道时间同步系统还包括串口通信模块，所述串口通信模块用于传输标准秒脉冲到各信号节点的传播延时以及接收机定位的当前时间。