卫星授时信号的智能抗干扰技术在时间同步中的防御方法与流程

本发明涉及时间同步技术领域，具体涉及一种卫星授时信号的智能抗干扰技术在时间同步中的防御方法。

背景技术：

时间同步系统设备，是电力监控系统的重要设备，也是保障电网调控运行安全、支撑智能电网调控一体化发展的基础设备。随着智能电网建设提速，电网规模不断扩大，电网互联越来越紧密，时间同步系统设备安全、稳定、精准运行对电网的重要程度不断提升。

时间信号通常从gps/bd等卫星系统获取，但由于卫星信号在传输过程中，传输链路上各环节由于环境因素、设备或人为等原因有可能导致干扰信号的产生，因此如何去除时间信号中的异常信号是时间同步系统中的一个重要课题。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种卫星授时信号的智能抗干扰技术在时间同步中的防御方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种卫星授时信号的智能抗干扰装置，包括时间窗单元，时间窗单元分别与上升沿检测单元、计数器、时间窗控制单元连接，上升沿检测单元与计数器连接；

所述上升沿检测单元用于检测1pps信号的上升沿；

所述计数器用于实现一个1pps信号周期的计数，周期计数值为时间窗单元的一个参数；

所述时间窗控制单元用于设置时间窗单元的另一个参数，1pps信号的容错范围，即1pps在这个范围内的抖动都被认为有效的，该参数根据驯服时钟的状态进行调节，驯服时钟精度越高，设置的容错范围越小；

所述时间窗单元用于判断在时间窗设置的时间范围内通过的1pps上升沿才是有效的时间沿。

一种卫星授时信号的智能抗干扰方法，包括如下步骤：

s01、检测1pps信号的上升沿；

s02、实现一个1pps信号周期的计数，周期计数值为时间窗的一个参数；

s03、设置时间窗的另一个参数，1pps信号的容错范围，即1pps在这个范围内的抖动都被认为有效的，该参数根据驯服时钟的状态进行调节，驯服时钟精度越高，设置的容错范围越小；

s04、判断在时间窗设置的时间范围内通过的1pps上升沿才是有效的时间沿。

一种卫星导航高精度授时系统，包括依次连接的gps/bd装置、智能抗干扰装置、驯服时钟；

所述gps/bd装置用于输出1pps信号；

所述智能抗干扰装置用于当gps/bd装置输出的1pps信号出现干扰信号时，将干扰信号进行自动滤除，从而输出标准1pps信号；

所述驯服时钟用于利用标准1pps信号对自身的恒温晶振进行校准，提供高精度的频率信号和时钟信号。

进一步地，所述智能抗干扰装置包括时间窗单元，时间窗单元分别与上升沿检测单元、计数器、时间窗控制单元连接，上升沿检测单元与计数器连接；

所述上升沿检测单元用于检测1pps信号的上升沿；

所述计数器用于实现一个1pps信号周期的计数，周期计数值为时间窗单元的一个参数；

所述时间窗控制单元用于设置时间窗单元的另一个参数，1pps信号的容错范围，即1pps在这个范围内的抖动都被认为有效的，该参数根据驯服时钟的状态进行调节，驯服时钟精度越高，设置的容错范围越小；

所述时间窗单元用于判断在时间窗设置的时间范围内通过的1pps上升沿才是有效的时间沿。

进一步地，所述驯服时钟包括：

卫星信号接收模块，用于跟踪接收多颗导航卫星发出的标准1pps信号；

工作状态判断模块，用于实时监控卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量，进而判断驯服时钟的工作状态为授时状态或守时状态；

晶振控制模块，用于通过一控制参数，控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；

恒温晶振，用于在晶振控制模块的控制下输出本地时钟信号；

采样模块，用于对本地时钟信号进行采样，反馈给晶振控制模块和基准信号输出模块；

基准信号输出模块，用于向外部输出pps基准信号；

恒温模块，用于监控恒温晶振、晶振控制模块和采样模块的温度变化，并将其控制在恒定温度；

其中，当驯服时钟工作于授时状态下时，晶振控制模块根据标准1pps信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为标准1pps信号的标称频率，同时，记录控制参数的变化情况；基准信号输出模块对调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到pps基准信号进行输出；

当驯服时钟工作于守时状态下时，晶振控制模块根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整；基准信号输出模块对补偿调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到pps基准信号进行输出。

进一步地，所述恒温模块、恒温晶振、晶振控制模块和采样模块通过一外壳密封在一个密闭空间内，所述恒温模块包括环境温度传感器、恒温控制模块和加热模块；

所述环境温度传感器用于检测密闭空间的温度；

所述加热模块用于工作使密闭空间温度上升；

所述恒温控制模块包括一比较器，用于比较环境传感器温度与比较器自身设定温度值；若环境传感器检测温度低于比较器设定温度值，恒温控制模块控制加热模块工作，使密闭空间温度稳定；若环境传感器检测温度高于比较器设定温度值时，停止加热模块的工作。

进一步地，所述驯服时钟还包括一恒温补偿模块，所述恒温补偿模块包括一数字温度传感器，所述数字温度传感器紧贴恒温晶振的金属表面，用于检测恒温晶振的温度，数字温度传感器连接晶振控制模块，晶振控制模块通过读取数字传感器温度变化监控恒温晶振内部的电压变化，其对应监控公式为：

f(y)＝cy³+dy²+ey+f0

式中，f(y)为对应温度下的恒温晶振的频率，a，b，c分别为固定参数，y为数字温度传感器检测到的温度值。

进一步地，所述晶振控制模块包括数据处理模块、补偿控制模块、dac控制模块和dac；

dac控制模块用于向dac输出控制参数；

dac用于将dac控制模块提供的控制参数转换为对应的压控电压，输出给恒温晶振，以控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；

数据处理模块用于在授时状态下提取标准1pps信号的标称频率，提供给dac控制模块；

补偿控制模块用于在授时状态下记录dac控制模块输出的控制参数的变化情况；还用于在守时状态下，根据控制参数在授时状态下的变化情况，向dac控制模块发出补偿指令；

dac控制模块还用于在授时状态下，根据标称频率和本地时钟信号频率之间的差异，对输出的控制参数进行调整，使本地时钟信号的频率趋向于标称频率；还用于在守时状态下，根据补偿控制模块的补偿指令，对输出的控制参数进行补偿调整。

进一步地，所述驯服时钟在授时状态下，所述补偿控制模块每间隔一段固定时间，对dac控制模块输出的控制参数进行一次存储；

在守时状态下，补偿控制模块根据授时状态下存储的控制参数，计算出控制参数每改变1的时间周期；每经过一个所述时间周期，补偿控制模块向dac控制模块发送一个补偿指令，使dac控制模块输出的控制参数对应加1或减1。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过本发明所设计的防御方法，可去除卫星传输的时间信号中的干扰信号，从而提供一个稳定、可靠的时间同步系统，有效保障电网调控运行安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明卫星授时信号的智能抗干扰装置的结构示意图；

图2是本发明卫星授时信号的智能抗干扰装置的工作流程图；

图3是本发明卫星授时信号的智能抗干扰装置的原理图；

图4是本发明卫星授时信号的智能抗干扰方法的流程图；

图5是本发明卫星导航高精度授时系统的结构示意图；

图6是本发明驯服时钟的结构示意图；

图7是本发明恒温模块调整过程中温度随时间变化的曲线图；

图8是本发明恒温控制模块的实现原理图；

图9是本发明恒温晶振的频率随环境温度变化的曲线图；

图10是本发明晶振控制模块的结构示意图；

图11是本发明的恒温晶振的控制结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种卫星授时信号的智能抗干扰装置，包括时间窗单元，时间窗单元分别与上升沿检测单元、计数器、时间窗控制单元连接，上升沿检测单元与计数器连接；

gps/bd装置：输出1pps信号；

上升沿检测单元：检测1pps信号的上升沿；

计数器：实现一个1pps信号周期的计数，周期计数值为时间窗单元的一个参数；

时间窗控制单元：输出时间窗单元的另一个参数，1pps信号的容错范围，即1pps在这个范围内的抖动都被认为有效的，该参数根据驯服时钟的状态进行调节，驯服时钟精度越高，可设置的容错范围越小；

时间窗单元：在时间窗设置的时间范围内通过的1pps上升沿才是有效的时间沿；

驯服时钟：利用gps/bd的1pps信号对自身的恒温晶振进行校准，提供高精度的频率信号和时钟信号。恒温晶振具有短期稳定性高的特点，所以在锁定卫星信号后，短时间内可以做为一个基准源，以供系统对gps/bd装置输入的1pps信号进行检测。

如图2所示，工作过程：

刚开始上电时，驯服时钟未进行驯服，本身的精度约在e-7量级，此时设置时间窗的开窗时间为1us(e-7频率精度对应的时间精度为0.1us)，系统判断gps/bd的状态，当gps/bd收星正常可用时，以接收到的1pps信号的上升沿为起点开始计数，计数周期为1s，当下一个1pps信号的上升沿在1s±1us(计数器的计数周期±时间窗的开窗时间)这个时间段到来时则判断这个1pps信号的上升沿是正确可用的。

当判断1pps信号正常用可用后，对驯服时钟进行驯服，驯服时钟锁定后，频率精度可达到e-10量级，此时可提高时间窗的开窗时间，因为gps/bd接收机本身输出的1pps抖动范围在20～300ns，可设置时间窗的开窗时间为500ns，这样既能保证正确的1pps信号通过，又能最大限度的滤除在此时间范围之外的干扰信号。

如图3所示，当gps/bd装置输出的1pps信号出现干扰信号时，经过智能抗干扰装置后，干扰信号会被自动滤除，从而输出标准1pps信号。

实施例2

如图4所示，本发明还提供一种卫星授时信号的智能抗干扰方法，包括如下步骤：

s01、检测1pps信号的上升沿；

s02、实现一个1pps信号周期的计数，周期计数值为时间窗的一个参数；

s03、设置时间窗的另一个参数，1pps信号的容错范围，即1pps在这个范围内的抖动都被认为有效的，该参数根据驯服时钟的状态进行调节，驯服时钟精度越高，设置的容错范围越小；

s04、判断在时间窗设置的时间范围内通过的1pps上升沿才是有效的时间沿。

实施例3

如图5所示，本发明还提供一种卫星导航高精度授时系统，包括依次连接的gps/bd装置、智能抗干扰装置、驯服时钟；

所述gps/bd装置用于输出1pps信号；

所述智能抗干扰装置用于当gps/bd装置输出的1pps信号出现干扰信号时，将干扰信号进行自动滤除，从而输出标准1pps信号；

所述驯服时钟用于利用标准1pps信号对自身的恒温晶振进行校准，提供高精度的频率信号和时钟信号。

所述智能抗干扰装置包括时间窗单元，时间窗单元分别与上升沿检测单元、计数器、时间窗控制单元连接，上升沿检测单元与计数器连接；

所述上升沿检测单元用于检测1pps信号的上升沿；

所述计数器用于实现一个1pps信号周期的计数，周期计数值为时间窗单元的一个参数；

所述时间窗控制单元用于设置时间窗单元的另一个参数，1pps信号的容错范围，即1pps在这个范围内的抖动都被认为有效的，该参数根据驯服时钟的状态进行调节，驯服时钟精度越高，设置的容错范围越小；

所述时间窗单元用于判断在时间窗设置的时间范围内通过的1pps上升沿才是有效的时间沿。

如图6所示，所述驯服时钟包括：

卫星信号接收模块，用于跟踪接收多颗导航卫星发出的标准1pps信号；

工作状态判断模块，用于实时监控卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量，进而判断驯服时钟的工作状态为授时状态或守时状态；

晶振控制模块，用于通过一控制参数，控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；

恒温晶振，用于在晶振控制模块的控制下输出本地时钟信号；

采样模块，用于对本地时钟信号进行采样，反馈给晶振控制模块和基准信号输出模块；

基准信号输出模块，用于向外部输出pps基准信号；

恒温模块，用于监控恒温晶振、晶振控制模块和采样模块的温度变化，并将其控制在恒定温度；

其中，当驯服时钟工作于授时状态下时，晶振控制模块根据标准1pps信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为标准1pps信号的标称频率，同时，记录控制参数的变化情况；基准信号输出模块对调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到pps基准信号进行输出；

当驯服时钟工作于守时状态下时，晶振控制模块根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整；基准信号输出模块对补偿调整后的本地时钟信号进行分频处理，得到pps基准信号进行输出。

作为优选的，所述恒温模块、恒温晶振、晶振控制模块和采样模块通过一外壳密封在一个密闭空间内，在本实施例中采用金属外壳进行密封；所述恒温模块包括环境温度传感器、恒温控制模块和加热模块；

所述环境温度传感器用于检测密闭空间的温度；

所述加热模块用于工作使密闭空间温度上升；

所述恒温控制模块包括一比较器，用于比较环境传感器温度与比较器自身设定温度值；若环境传感器检测温度低于比较器设定温度值，恒温控制模块控制加热模块工作，经过反复震荡，最终稳定在一个理想数据,使密闭空间温度稳定，温度的变化规律如图7所示；若环境传感器检测温度温度高于比较器设定温度值时，停止加热模块的工作。

在本实施例中，恒温控制模块的实现原理如图8所示，温度传感器的电阻值随着温度的变化，加在运放的4脚电压(vtemp)发送变化；而r20与r24产生的电压v常(r24×(vcc/(r20+r24)))不变；

运放的输出电压：

vout＝v常-vtemp；

当外界温度变小时，温度传感器电阻的电阻增大,如下面公式vtemp的电压增大；

vtemp＝r17×(vcc/(r17+r16))

当温度降到一定的程度，vout的电压输出0v，打开加热管，相反当温度升到一定程度时，vout的电压输出大于0v，从而控制三极管的功率大小。

在实际使用中，恒温晶振的频率与环境温度的对应关系如图9曲线所示，该曲线的变化规律符合下列5阶公式：

f(x)＝ax⁵+bx⁴+cx³+dx²+ex+f0

式中，x表示环境温度值，f(x)为对应的恒温晶振的频率，a,b,c,d,e分别为为固定参数，f0为标准频率。

因此在本实施例中，还包括一恒温补偿模块，所述恒温补偿模块包括一数字温度传感器，所述数字温度传感器紧贴恒温晶振的金属表面，用于检测恒温晶振的温度，数字温度传感器连接晶振控制模块，晶振控制模块通过读取数字传感器温度变化监控恒温晶振内部的电压变化，其对应监控公式为：

f(y)＝cy³+dy²+ey+f0

式中，f(y)为对应温度下的恒温晶振的频率，c，d，e分别为固定参数(是由频率，温度变化，频率调整参数确定)，y为数字温度传感器检测到的温度值。

在本实施例中，如图10所示，所述晶振控制模块包括数据处理模块、补偿控制模块、dac控制模块和dac；

dac控制模块用于向dac输出控制参数；

dac用于将dac控制模块提供的控制参数转换为对应的压控电压，输出给恒温晶振，以控制恒温晶振输出的本地时钟信号的频率；

数据处理模块用于在授时状态下提取标准1pps信号的标称频率，提供给dac控制模块；

补偿控制模块用于在授时状态下记录dac控制模块输出的控制参数的变化情况；

还用于在守时状态下，根据控制参数在授时状态下的变化情况，向dac控制模块发出补偿指令；

dac控制模块还用于在授时状态下，根据标称频率和本地时钟信号频率之间的差异，对输出的控制参数进行调整，使本地时钟信号的频率趋向于标称频率；还用于在守时状态下，根据补偿控制模块的补偿指令，对输出的控制参数进行补偿调整。

作为优选的，在授时状态下，所述补偿控制模块每间隔一段固定时间，对dac控制模块输出的控制参数进行一次存储；

在守时状态下，补偿控制模块根据授时状态下存储的控制参数，计算出控制参数每改变1的时间周期；每经过一个所述时间周期，补偿控制模块向dac控制模块发送一个补偿指令，使dac控制模块输出的控制参数对应加1或减1。

本发明驯服时钟的授时方法，包括：

s1、确认驯服时钟是否定位成功：当驯服时钟定位成功时，进入授时状态；当驯服时钟定位失败时，进入守时状态，恒温模块及恒温补偿模块对系统温度进行监控和调整，使驯服时钟始终处于恒定温度；

s2、判断卫星信号接收模块提供的标准1pps信号是否持续有效：当标准1pps信号持续有效时，驯服时钟维持在授时状态；当标准1pps信号失效时，驯服时钟进入守时状态；

s3、利用标准1pps信号进行授时：当驯服时钟处于授时状态时，晶振控制模块根据标准1pps信号对恒温晶振进行驯服，使恒温晶振输出的本地时钟信号的频率调整为标准1pps信号的标称频率，然后对调整后本地时钟信号进行分频处理，得到pps基准信号进行输出；

s4、利用本地时钟信号进行守时：当驯服时钟处于守时状态时，断开标准1pps信号，对本地时钟信号进行分频处理，得到pps基准信号进行输出。

在步骤s1中，所述恒温的监控和调整方法已有描述，因此不再赘述。

其中，s1和s2的目的在于判断卫星信号接收模块提供的标准1pps信号的有效性，进而决定驯服时钟目前应当工作于授时状态还是守时状态。

具体地，在s1中，当卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量大于或等于4颗时，则判定驯服时钟定位成功，即卫星信号接收模块提供的标准1pps信号有效，驯服时钟进入授时状态。跟踪到的卫星数量小于4颗时，则判定驯服时钟定位失败，即卫星信号接收模块提供的标准1pps信号无效，驯服时钟进入守时状态。

在s2中，当卫星信号接收模块跟踪到的卫星数量持续大于2或等于2颗时，则认定卫星信号接收模块提供的标准1pps信号依然保持有效，该标准1pps信号可用于授时，驯服时钟维持在授时状态；而一旦跟踪到的卫星数量小于2颗，则认定卫星信号接收模块提供的标准1pps信号失效，该标准1pps信号不可用于授时，驯服时钟转换到守时状态。当驯服时钟处于守时状态时，需要重新按照s1的判断条件定位成功后才可转换到授时状态。

需要说明的是，s3和s4是并列的，分别定义了驯服时钟在授时状态和守时状态下的工作方式，两者之间并不存在先后关系。通过s1和s2的判断，使驯服时钟在s3的授时状态和s4的守时状态之间切换。

为了在标准1pps信号失效后，驯服时钟的本地时钟信号频率仍能保持较高的精度，从而使得在守时状态下有本地时钟信号分频得到的pps基准信号仍能保持与卫星同步，本发明实施例对s3和s4的具体工作方式进行了改进。

作为改进，在s3中，还包括，记录晶振控制模块对恒温晶振进行驯服时输出的控制参数的变化情况；

在s4中，在对本地时钟信号进行分频处理之前，还包括，根据控制参数在授时状态下的变化情况，对本地时钟信号的频率进行补偿调整。

从本质上来说，本发明实施例对于s3和s4的改进在于，在授时状态下记录本地时钟信号的频率变化情况，并且总结其变化规律，以期实现在守时状态下对本地时钟信号的频率进行自动补偿。

实际上，由于在驯服过程中，所述恒温晶振输出的本地时钟信号的频率是不断调整的，即晶振控制模块每一时刻都在使恒温晶振的输出频率趋向于标称频率，这种调整需要一个时间过程，而不是能够立即实现的；因此，我们无法直接记录本地时钟信号的频率变化。

现有技术中，晶振控制模块通常包括一dac(digitaltoanalogconverter，数字/模拟转换器)和一dac控制模块，如图11所示，dac控制模块(通常为单片机)向dac发送20位的dac_data，dac根据dac_data的大小改变其输出的压控电压vc，压控电压vc输入到恒温晶振的压控脚，压控电压vc改变，恒温晶振的输出频率也跟着变化。压控电压vc的大小与dac_data的大小成正比关系，而恒温晶振的输出频率大小又与压控电压vc成正比关系。其中，dac_data即为以上所述的控制参数。

驯服过程中，为了把恒温晶振的输出频率锁定在标称频率，dac_data是不断变化的，dac_data值随时间的变化即对应地反映了恒温晶振的输出频率随时间的变化；所以，可以通过记录dac_data的值来代替所述本地时钟信号的频率。

具体地，在s3的授时状态下记录控制参数变化情况的方法为：每隔1个小时，将晶振控制模块输出的控制参数(即以上所述的dac控制模块输出的dac_data)进行一次存储，连续记录24小时。

当标准1pps信号失效时，驯服时钟进入守时状态，由驯服时钟在授时状态下记录的控制参数，能够计算出该控制参数在24小时内的变化值δdac＝dac24-dac1。为了使所述本地时钟信号的频率与标称频率保持相对恒定，在未来24小时内，所述dac控制模块必须改变等值的dac_data来补偿恒温晶振。当δdac为正时，dac_data在24小时内增加│δdac│，当δdac为负时，dac_data在24小时内减小│δdac│。

具体地，在s4中，对本地时钟信号的频率进行补偿调整的方法为：以秒为单位，计算出授时状态下的控制参数每改变1的时间周期δt＝24*60*60/δdac；在守时状态下，每经过一个所述时间周期，将晶振控制模块输出的控制参数对应加1或减1；dac输出的压控电压vc也随着增大或者减小，从而控制恒温晶振的输出频率保持恒定。

通过本发明所设计的防御方法，可去除卫星传输的时间信号中的干扰信号，从而提供一个稳定、可靠的时间同步系统，有效保障电网调控运行安全。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。