CN201303334Y - 一种基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，实现电力行业的高精度的时间输出。其技术方案为：装置包括：中心控制管理模块；时间源模块，包括卫星导航系统、GPS系统、外接B码输入和本地晶振的时间源；时间源控制模块，对1PPS秒脉冲信号进行实时检测、比对，选择合适的时间源作为系统工作时间源信息，使用1PPS秒脉冲信号校对本地晶振，得到高精度时间输出；输出模块；时间源检测模块，对外部输入的时间源进行误差比对，输入外部时间源的1PPS秒信号及时间信息、包括B码信息的时间信息，通过计算比对得到外部输入时间源的秒脉冲收敛度和秒差信息，输出外部时间源的脉冲收敛度和秒差信息；显控模块。本实用新型应用于电力行业。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电力系统的电力授时装置，尤其涉及一种基于北斗卫星导航系统和GPS系统双模设计的卫星同步远程时间控制装置。
背景技术
目前电力行业普遍采用的是GPS的定位与授时系统，由于GPS系统送出的时间信息是固定不变的，它必须经过转换后才能满足系统内已经使用或将要使用的各种装置对同步时间源的要求；GPS系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能；GPS系统是全球性导航系统，并由美国军方控制等等原因。因此存着比较大的安全隐患，导致电力行业经常发生一些安全事故。目前电力行业应用的卫星同步时钟，主要以GPS为主，每一台设备都是一个自主系统，独立运行，没有实现不同设备之间的精确时间比对和校准。因此，存在不同设备系统之间的时间误差。
现有一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统，例如“北斗一号”系统。它由三颗地球同步卫星(其中一颗为备份星)、位于北京的地面中心站、分布全国的二十余个标校站和大量用户机组成；各部分之间由出站链路(地面控制中心-卫星-用户机)和入站链路(用户机-卫星-地面控制中心)相连接，如图2所示。两颗导航工作卫星和一颗备份卫星位于36000km赤道上空，分别定点于东经80°、140°和110.5°，卫星上带有转发器，用于转发地面控制中心的出站信号和标校站、用户机的入站信号。地面控制中心接收入站信号，完成定位、通信和定时信号的处理，发送导航电文，监视和控制整个系统的工作情况。标校站为卫星精密定轨、定位差分处理提供基准测量数据。用户机同时具有收发功能，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发送定位、通信或定时申请信号，不含定位解算处理器，设备比较简单。
“北斗一号”系统服务区由东经70度至东经145度，北纬5度到北纬55度，覆盖我国和周边地区，包括战略敏感区域，诸如台海、南沙等区域。系统在服务区内提供三项服务：
(1)定位(导航)：快速确定用户所在点的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。在标校站覆盖区定位精度可达到20米，无标校站覆盖区定位精度优于100米。
(2)通信：用户与用户、用户与中心控制系统之间均可实现最多120个汉字的双向简短数字报文通信，并可通过信关站与互联网、移动通信系统互通。
(3)授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。定时精度可达100ns(单向授时)和20ns(双向授时)。
定时是指接收机通过某种方式获得本地时间与卫星导航系统标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。精密定时在以通信、电力、控制等工业领域和国防领域都有着广泛和重要的应用。“北斗一号”卫星导航系统为用户机提供了两种定时方式：单向定时和双向定时。单向定时的精度为100ns，双向定时的精度为20ns。在单向定时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互，只需接收导航电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步；双向定时模式下，用户机与中心站进行交互，向中心站发射定时申请信号，由中心站来计算用户机的时差，再通过出站信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐。
单向定时的时序关系如图1所示，北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间，用户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差ΔtU，则北斗时间和用户钟时间虽然读数相同均为tBD，其出现时刻却是不同的。单向定时就是用户机通过接收导航电文及相关信息，由用户机自主计算出钟差ΔtU并修正本地时间，使本地时间和北斗时间同步。
地面中心站在出站广播信号的每一超帧周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间(天、时、分信号与时间修正数据)和卫星的位置信息，同时把时标tBD信息通过一种特殊的方式调制在出站信号中，经过中心站到卫星的传输延迟τup、卫星到用户机的延迟τdown以及其它各种延迟τother(如对流层、电离层、sagnac效应等)之后传送到用户机，也就是说用户机在本地钟面时间为tBD+τdelay观测到卫星时间为tBD，由图1的关系可知：
τdelay＝τup+τdown+τother+ΔtU
或ΔtU＝τdelay-(τup+τdown+τother) (1)
式(1)中，τdelay由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间的时延获得，τup、τdown和τother则根据导航电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先获取的自身位置信息计算。这样式(1)等式右边的所有量均已知，从而可以计算出本地时间与系统标准时间的钟差。
一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测1颗卫星，就可以实现精密的时间测量或者同步。若观测2颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性。
而双向定时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即可。为了说明方便，我们给出了双向定时的简化模型，如图2所示。中心站系统10在T0时刻发送时标信号ST0，该时标信号经过延迟τ1后到达卫星12，经卫星转发器转发后经τ2到达定时用户机14，用户机14对接收到的信号进行的处理也可看作信号转发，经τ3的传播时延到达卫星12，卫星12把接收的信号转发，经τ4的传播时延传送回中心站系统10。也即表示时间T0的时标信号ST0，最终在T0+τ1+τ2+τ3+τ4时刻重新回到中心站系统10。中心站系统10把接收时标信号的时间与发射时刻相差，得到双向传播时延τ1+τ2+τ3+τ4，除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延。中心站系统10把这个单向传播时延发送给用户机14，定时用户机14接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值Δε，修正本地钟，使之与中心控制系统的时间同步。
此外，北斗卫星导航系统提供双向数据通讯的功能，北斗用户终端按照事先分配的服务等级，采用CDMA码分多址的数据通讯技术，实现实时的双向数据通讯。每次数据通讯最多可以发送220Byte的数据包，可以满足电力全网时间同步系统终端设备的数据远程监测和控制的功能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供了一种基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，实现电力行业的高精度的时间输出，解决提高电力行业全网分布在全国的卫星同步时钟的准确度，实现了电力行业各个厂站的卫星同步时钟的监测和控制功能，实现了目前电力行业时间同步系统的远程集中管理功能。
本实用新型的技术方案为：本实用新型揭示了一种基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，包括：
中心控制管理模块，对装置中的各个模块进行控制和管理；
时间源模块，包括卫星导航系统、GPS系统、外接B码输入和本地晶振的时间源；
时间源控制模块，对该时间源模块的1PPS秒脉冲信号进行实时检测、比对，选择合适的时间源作为系统工作的时间源信息，使用该1PPS秒脉冲信号对本地晶振进行校对，得到高精度的时间输出；
输出模块，将该时间源控制模块输出的1PPS秒脉冲信号和时间信息进行格式转换后输出，该输出格式包括秒脉冲、分脉冲、时脉冲的脉冲格式，光纤、差分、交流、直流的B码格式和RS232/422/485的串口格式；
时间源检测模块，对外部输入的时间源进行误差比对，输入外部时间源的1PPS秒信号及时间信息、包括B码信息的时间信息，通过计算比对得到外部输入时间源的秒脉冲收敛度和秒差信息，输出外部时间源的脉冲收敛度和秒差信息；
显控模块，对系统运行状态的显示和设备配置信息的配置和控制。
上述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其中，该中心控制管理模块进一步包括通信管理单元、扩展模块管理单元、外接管理程序的接口管理单元。
上述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其中，该输出模块进一步包括：
时间脉冲空接点单元，输入和输出均为1PPS秒脉冲和时间信息；
B码光纤输出单元，输入1PPS秒脉冲和时间信息，输出光纤B码；
B码差分输出单元，输入1PPS秒脉冲和时间信息，输出差分B码；
B码交流输出单元，输入1PPS秒脉冲和时间信息，输出交流B码。
上述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其中，该装置还包括：
扩展控制模块，对外接设备进行管理控制。
上述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其中，该中心控制管理模块接收的系统输入信息包括模块ID、模块类别、模块状态、数据、通信应答；该中心控制管理模块输出的系统输出信息包括模块数量、模块信息、通信应答。
本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型通过主要通过接收北斗/GPS卫星定时信号，实时的判断北斗卫星导航系统的时间和GPS时间源信号的准确度，利用准确的时间源信号，不停的校准本地晶振，从而输出高精度的时间信息，同时在没有外接时间源信息的时候利用本地晶振完成时间保持功能。相对于现有技术，本实用新型的装置具有以下功能：(1)输出满足电力行业需求的高精度的时间信息；(2)远程终端的集中监控和管理；(3)远程终端的时间校准功能。
附图说明
图1是现有的“北斗一号”卫星导航系统的时间单向测量的示意图。
图2是现有的“北斗一号”卫星导航系统的双向定时的简化工作原理图。
图3是本实用新型的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置的较佳实施例的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。
图3示出了本实用新型的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置的较佳实施例的原理。请参见图3，本实施例的装置包括时间源模块20、时间源控制模块21、中心控制管理模块22、输出模块23、显控模块24、扩展控制模块25和时间源检测模块26。在图3中，“-”表示1PPS信号，
表示控制信号，
表示数据。
中心控制管理模块22实现对装置的各个模块的控制和管理，包括用于卫星导航系统通信管理的通信管理单元，以及扩展模块管理单元和外接管理程序的接口管理单元等。每一个插入系统的模块，向中心控制管理模块22发送以下信息：
| 模块ID | 模块类别 | 模块状态 | 数据 | 通讯应答 | 其他 |
而中心控制管理模块22向外输出的信息是：
| 模块数量 | 模块信息1 | ... | 模块信息2 | 通讯应答 | 其他 |
时间源模块20包括各类的外部时间源，比如卫星导航系统(例如北斗卫星导航系统)、GPS系统、外接B码输入和本地晶振等。时间源模块20的输入信息为1PPS秒脉冲信号、时间信息、时间源检测模块26的信息，输出信息为1PPS秒脉冲信号和时间信息。
时间源控制模块21对时间源模块20的1PPS秒脉冲信号进行实时检测、比对，选择合适的时间源作为系统工作的时间源信息，使用这一1PPS秒脉冲信号对本地晶振进行校对，得到高精度的时间输出。时间源控制模块21的输入为1PPS秒脉冲信号和时间信息，输出为1PPS秒脉冲信号和时间信息。
输出模块23将时间源控制模块21输出的高精度1PPS秒脉冲信号按照需要进行格式转换后输出，输出格式包括秒脉冲、分脉冲、时脉冲的脉冲格式，光纤、差分、交流、直流的B码格式以及RS232/422/485的串口格式。输出模块23主要包括以下类别的单元：时间脉冲空接点单元，其输入和输出均为1PPS秒脉冲和时间信息；B码光纤输出单元，其输入为1PPS秒脉冲和时间信息，输出为光纤B码；B码差分输出单元，其输入为1PPS秒脉冲和时间信息，输出为差分B码；B码交流输出单元，其输入为1PPS秒脉冲和时间信息，输出为交流B码。
时间源检测模块26主要实现对外部输入的时间源进行误差比对，输入为外部时间源的1PPS秒脉冲信号、时间信息和包括B码信息的时间信息，输出为外部时间源的脉冲收敛度和秒差信息。
显控模块24是装置的显示控制系统，主要实现对系统运行状态的显示和设备配置信息的配置和控制，其输入信息为：
| 模块数量 | 模块信息1 | ... | 模块信息2 | 通讯应答 | 其他 |
显控模块24的输出信息为屏幕显示。
扩展控制模块25是中心控制管理模块22的功能延伸，主要是实现对外接设备的管理控制，输入输出信号格式与中心控制管理模块22相同。
结合以上的结构，本实施例的卫星同步远程控制装置的工作原理以及功能详述如下。
一、时间源检测：装置内置一高精度晶振，对GPS系统和卫星导航系统时间源(例如北斗时间源)进行逐秒检测。卫星时间源的特点在于存在由于误差引起的抖动而无时间积累误差。晶振时间源的特点在于存在由材料老化引起的频率漂移和频率误差的时间积累，但抖动误差却很小。两者相互结合互为补充，可滤去GPS接收器超过±100ns的抖动，保证设备输出的稳定秒脉冲信号，同时保证时间信息的发送不会出现中断和缺秒现象。
二、双时间源对比：装置内置两套完全独立的卫星系统的接收器，即GPS接收和北斗接收，并随时比较两个系统的时间接收误差。因GPS和北斗系统的完全独立性，因此一旦一个系统出现故障，必然引起超差告警。
三、远程时钟状态监测：本地终端监测卫星完好性、设备各模块综合状态信息，并通过北斗短消息形式发回控制中心处理；主要有监测以下几个方面的信息：
(1)接收各地时钟的双时间源超差告警信号；
(2)接收各地时钟的GPS和北斗的卫星接收状态；
(3)接收各地时钟的GPS和北斗的时间接收状态；
(4)装置各模块的状态。
四、远程时间控制：控制中心通过北斗共视获得各终端时间精度信息，一旦超出告警范围，通过北斗短消息形式向终端发送时间调制指令，终端接收到该指令后通过移相器调整本地时间系统；控制中心也可发送北斗、GPS或其他时间源切换指令，终端根据该指令完成相应动作。控制指令包括：
(1)GPS与北斗时间源的切换；
(2)GPS与北斗时间源的精度补偿；
(3)汇报中心站信息频度控制。
五、时钟检测功能：本系统的时间源检测功能还可以用来对电力系统目前所使用的时钟进行检测。钟的检测主要分为两个方面，一是对秒脉冲的收敛程度进行检测，即测试1PPS的抖动，这能反映出一个卫星时钟的质量；另一方面是绝对误差的测试，即使用本系统为标准时间源与被测时间源进行对比，这主要是用来检测时钟的故障。
综合以上描述，中心站控制和双星系统以及时间源检测功能，该装置具备了误差过滤、精度调整、故障检测及维修指导等各项功能，可以有效地提高系统的保障强度，提高时间同步系统的可靠性，达到全网或全国的时间同步。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本实用新型的，本领域普通技术人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (4)
1、一种基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其特征在于，包括：
中心控制管理模块，对装置中的各个模块进行控制和管理；
时间源模块，包括卫星导航系统、GPS系统、外接B码输入和本地晶振的时间源；
时间源控制模块，对该时间源模块的1PPS秒脉冲信号进行实时检测、比对，选择合适的时间源作为系统工作的时间源信息，使用该1PPS秒脉冲信号对本地晶振进行校对，得到高精度的时间输出；
输出模块，将该时间源控制模块输出的1PPS秒脉冲信号和时间信息进行格式转换后输出，该输出格式包括秒脉冲、分脉冲、时脉冲的脉冲格式，光纤、差分、交流、直流的B码格式和RS232/422/485的串口格式；
时间源检测模块，对外部输入的时间源进行误差比对，输入外部时间源的1PPS秒信号及时间信息、包括B码信息的时间信息，通过计算比对得到外部输入时间源的秒脉冲收敛度和秒差信息，输出外部时间源的脉冲收敛度和秒差信息；
显控模块，对系统运行状态的显示和设备配置信息的配置和控制。
2、根据权利要求1所述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其特征在于，该中心控制管理模块进一步包括通信管理单元、扩展模块管理单元、外接管理程序的接口管理单元。
3、根据权利要求1所述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其特征在于，该输出模块进一步包括：
时间脉冲空接点单元，输入和输出均为1PPS秒脉冲和时间信息；
B码光纤输出单元，输入1PPS秒脉冲和时间信息，输出光纤B码；
B码差分输出单元，输入1PPS秒脉冲和时间信息，输出差分B码；
B码交流输出单元，输入1PPS秒脉冲和时间信息，输出交流B码。
4、根据权利要求1所述的基于双模设计的卫星同步远程时间控制装置，其特征在于，该装置还包括：
扩展控制模块，对外接设备进行管理控制。
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