一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法与流程

本发明涉及电力系统自动化技术领域，特别是一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法。

背景技术：

晶振时钟会受到器件老化、环境温度和短期扰动等因素影响，器件老化是指晶体和振荡电路长时间工作时引起的时钟漂移，环境温度变化引发晶振内部电路特性随温度变化而改变，形成温度漂移，短期扰动则是晶振时钟每次输出时的随机变化。在这些影响中器件老化是不可逆的趋势变化，温度漂移是可逆的阶段性变化，晶振随机扰动很小，一般可以忽略，因此晶振时钟稳定度较高，而准确度会受到时间与环境的影响。目前基于GPS与晶振的授时方案提高了GPS时钟精度，也保存了GPS失步时的授时精度，但均忽略了测量值间的频率变化，即将某时间段内晶振的计数值直接作为时间值，而没有考虑此段时间内晶振频率漂移造成的时间偏差，当晶振频漂较大或测量值间隔较长时，模型准确性也将下降。针对上述问题开展基于GPS的高精度时钟在线校频与授时方案的研究，可为广域测量、故障测距等应用提供精确时标，满足电网监控系统在线广域授时要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法，能够在晶振频漂较大或测量值间隔较长的情况下，保持模型准确性。

本发明采用以下方案实现：一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法，提供主控模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、鉴相器；具体包括以下步骤；

步骤S1：校频：所述GPS高精度校频模块通过量测GPS有效时秒脉冲GPS_PPS间的高频时钟计数值，估计当前高频时钟的精确频率并实现校频；

步骤S2：授时：所述秒脉冲生成模块根据频率校正值和相位估计差生成新的秒脉冲GEN_PPS实现授时功能；鉴相器跟踪GPS_PPS与GEN_PPS的相位差，所述相位估计模块估计GEN_PPS与国际协调时间UTC的时间差，并反馈给所述秒脉冲生成模块进行校正；

步骤S3：倍频：所述倍频模块根据频率校正值将GEN_PPS倍频到1MHz，实现微秒级时钟输出。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：采集测量值N_k，在N_k有效的前提下令频率估计值f_k-1＝N_k；

步骤S12：判断是否第N+n个测量值，若否，则返回步骤S11；若是，则进入步骤S13；

步骤S13：采用广义最小二乘估计模型估计得到频率估计值y_k，其中所述广义最小二乘估计模型为：

y_k+1＝b₂x_k+b₁x_k-1+v_k＝b₂x_k-1+b₁x_k-1+c₁v_k-1+Υ_k；

其中，b₁,b₂,c₁分别为成形滤波器的系数，y_k＝ln(N_k)，x_k＝k，v_k为噪声序列，Υ_k为白噪声序列，k为鉴相器计数值；

步骤S14：再次采集测量值N_k，在N_k有效的前提下，更新第N+n个测量值，并返回步骤S13。

进一步地，本发明根据晶振模型与GPS时钟模型互补的特性设计授时方案，增加数字锁相环改善信号跟踪性能，并利用恒温晶振可进一步提高GPS正常时的授时精度，而由现场可编程门阵列FPGA搭建的实现方案则提高了GPS异常时的授时精度。本发明重构互补回归模型，根据GPS时钟与晶振时钟的不同特性，建立互补时钟的广义回归模型，并利用广义最小二乘法对晶振频率进行估计，算法修正了已有回归模型中因量测值频率漂移而造成的误差，实现了在晶振频率漂移较大或量测值间隔较长时的精确估计，在此基础上生成可与UTC同步的授时秒脉冲，通过相位补偿算法，校正生成秒脉冲与UTC秒脉冲的相位差，实现精确授时，并给出高精度时钟在线校频与授时实现方案，包括GPS接收模块、主控单元模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、输入输出执行模块等组成。高精度时钟在线校频与授时功能在FPGA平台上实现，晶振时钟(50MHz)由数字锁相环倍频到高频时钟(250MHz),

与现有技术相比，本发明可实现在GPS信号异常时改用恒温晶振授时，在GPS失步12h后，授时误差不超过50us；可实现在GPS接收正常时授时误差不超过0.1us，丢失GPS信号6h温补晶振授时误差不超过55us。

附图说明

图1为本发明的原理结构框图。

图2为本发明实施例中高精度时钟在线校频流程图。

图3为本发明实施例中相位误差估计流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于GPS的高精度时钟在线校频与授时的方法，提供主控模块、现场可编程门阵列FPGA、GPS高精度校频模块、相位估计模块、秒脉冲生成模块、倍频模块、鉴相器；具体包括以下步骤；

步骤S1：校频：所述GPS高精度校频模块通过量测GPS有效时秒脉冲GPS_PPS间的高频时钟计数值，估计当前高频时钟的精确频率并实现校频；

步骤S2：授时：所述秒脉冲生成模块根据频率校正值和相位估计差生成新的秒脉冲GEN_PPS实现授时功能；鉴相器跟踪GPS_PPS与GEN_PPS的相位差，所述相位估计模块估计GEN_PPS与国际协调时间UTC的时间差，并反馈给所述秒脉冲生成模块进行校正；

步骤S3：倍频：所述倍频模块根据频率校正值将GEN_PPS倍频到1MHz，实现微秒级时钟输出。

在本实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：采集测量值N_k，在N_k有效的前提下令频率估计值f_k-1＝N_k；

步骤S12：判断是否第N+n个测量值，若否，则返回步骤S11；若是，则进入步骤S13；

步骤S13：采用广义最小二乘估计模型估计得到频率估计值y_k，其中所述广义最小二乘估计模型为：

y_k+1＝b₂x_k+b₁x_k-1+v_k＝b₂x_k-1+b₁x_k-1+c₁v_k-1+Υ_k；

其中，b₁,b₂,c₁分别为成形滤波器的系数，y_k＝ln(N_k)，x_k＝k，v_k为噪声序列，Υ_k为白噪声序列，k为鉴相器计数值；

步骤S14：再次采集测量值N_k，在N_k有效的前提下，更新第N+n个测量值，并返回步骤S13。

特别的，在本实施例中，校频算法要求算法尽量简化，且估计对象为时钟短时模型，序列确定性趋势变化平稳，因而采用确定趋势模型分析。确定趋势分析直接建立在非平稳时间序列基础上，利用最小二乘和极大似然等优化算法估计确定性趋势模型。引入白化滤波器，对数据进行预处理后，将相关噪声转换为白噪声，进而采用普通最小二乘法得到模型参数。时钟频率的稳定度通常由阿伦方差表征，交叠式阿伦方差的计算公式为

f₀为晶振额定频率，m为数据长度，{ε_k}为时钟偏差序列。由分析已知互补时钟模型为

可计算出序列{1+ε_k-ε_k-1}的自相关系数：

可见量测值N_k与时钟频率估计值f_k之商的自相关系数也应满足，时钟频率估计值越逼近真实值，该自相关系数的1阶截尾特性越显著，p(1)的值越接近-0.5，因此互补时钟频率的准确度可由自相关系数的特性表征。

对于有限样本序列{u₁,u₂,···,u_N},其自相关系数可计算如下：

由于序列的样本数量N不可能无限大，不相关样本的自相关系数也不可能完全为0，因此若自相关函数满足

则为0的概率为95％，即接受样本不存在相关性的假设。

为满足在线实时校频的需求，频率估计基于较短时间范围，同时考虑到晶振特性变化近似为线性，本实施例设计广义最小二乘估计模型为：

y_k+1＝b₂x_k+b₁x_k-1+v_k＝b₂x_k+b₁x_k-1+c₁v_k-1+γ_k

其中y_k＝ln(N_k)，x_k＝k，v_k为噪声序列，γ_k为白噪声序列。

算法获取N+n个有效量测值之前，令频率估计值等于量测值，当量测数据量达到N+n个，应用广义最小二乘估计得频率估计值，再次采集到有效量测值后，使新数据成为N+n个数据中的首数据，并去掉末尾数据，以保持数量不变，循环估计互补时钟模型，实现频率的实时跟踪，如图2所示。

通过基于GPS的时钟校频算法获得晶振时钟的准确频率后，授时模块即可由晶振时钟生成与UTC秒脉冲同步的脉冲信号GEN_PPS，如图3所示，假设晶振频率估计值为理想值，则生成秒脉冲GEN_PPS与UTC秒脉冲完全同步，而由于UTC秒脉冲不可见，GEN_PPS在生成时必然会存在与UTC秒脉冲的相位差a，为消除该相位差，利用鉴相器记录GEN_PPS与GPS_PPS的相位差序列{q_k}。通过计算可获得相位误差a的值，理想状态下，初始相位误差只需校正1次即可，实际上由于晶振频率估计值不可能完全准确，极小的频率估计误差在长时间运行时也将累计出较大相位误差，因此相位误差校正需每隔若干时间进行一次，以保证生成秒脉冲的授时精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。