守时系统主备主钟无缝切换系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于时间频率技术领域，尤其是用于守时系统主钟时间频率信号的驾驭与 保持，为精密时间用户提供连续、一致的高精度时间频率信号。
【背景技术】
[0002] 精密时间是国家重要的战略资源，精密时间/频率信号在战略武器实验、星箭发 射、导航定位等现代国防、国民经济建设，以及科技领域得到越来越广泛的应用，而守时系 统的建立与保持是时间工作的基础与核心。
[0003] 守时系统通常由具有一定规模的钟组建立和维持，而其实时的标准时间频率物理 信号由主钟系统提供。主钟系统由主钟和相位微调仪组成，通过相位微调仪对主钟的输出 信号进行驾驭，提供实时的、高精度的时间频率信号。传统上，对主钟进行频率驾驭的参考 是守时系统的时间尺度，具有一定的滞后性，因此对于主钟信号异常的判断也会有所延迟； 当主钟出现异常情况，通过手动切换的方式更换一台主钟，传统方法对于关注标准时间频 率信号准确度和中长期稳定度的守时要求几乎没有影响。然而随着科学技术的发展，日益 众多的行业对守时系统提供的时间/频率信号提出了越来越高的要求，尤其是现代高技术 领域和国防建设，如卫星导航定位(GNSS)系统、现代军事通信系统、航空航天系统等，主钟 系统必须保持高精度实时输出信号的连续性和一致性，传统的方法由于其滞后性，已经不 能满足新的需求。
[0004] 主钟信号保持的关键是建立与主钟联系更加紧密的备份主钟系统，在主钟异常时 可以迅速替代。美国海军天文台（USN0)为保证GPS的用时安全，在内部建立UTC(USN0 MC#1) 和UTC(USN0 MC#2)互为备份，还在位于科罗拉多州的施里弗空军基建立异地备份系统USNO AMCXALILE0导航系统的主钟系统是由一主一备两台氢钟HM1和HM2组成的。GLONASS导航系 统的守时系统也有类似的设计。以GALILEO的主钟系统为例，备份主钟系统与主钟系统之间 实时同步，检测主钟故障，并通过切换开关切换，从而达到主钟信号保持效果，具体方法未 在公开资料中批露，无法获得直接的可行性方案。
[0005] 为了满足空间技术研究等多个行业对守时系统时间频率信号的连续性和一致性 需求，需要设计主钟的信号保持系统，此系统的运行融入守时系统的时间尺度算法和频率 驾驭技术，实现守时系统的主钟时间频率信号的保持功能。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种守时系统主备主钟无缝切换系统，建 立与主钟实时同步的备份主钟系统，实时检测主钟的运行状态，在主钟故障时切换到备钟， 经过无缝切换单元保证高精度的时间频率信号的连续输出。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种守时系统主备主钟无缝切换系 统，包括主用主钟、备份主钟、主用主钟相位微调仪、备份主钟相位微调仪、比相仪、第三方 原子钟、工控机及无缝切换单元。
[0008] 所述的主用主钟的输出通过主用主钟相位微调仪调整，输出稳定的5/lOMHz频率 信号和1PPS秒信号;无缝切换单元通过数字锁相环，将压控振荡器锁定在主用主钟相位微 调仪的5/lOMHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/lOMHz频率信号作为最终输出；无缝切 换单元直接输出主用主钟相位微调仪的1PPS秒信号；
[0009] 所述的备份主钟的输出通过备用主钟相位微调仪调整，输出稳定的5/lOMHz频率 信号和1PPS秒信号；主用主钟相位微调仪输出的频率信号、备份主钟相位微调仪输出的频 率信号和第三方原子钟输出的频率信号均接入比相仪，进行实时比对，得到主备钟差、主用 主钟与第三方原子钟钟差、备份主钟与第三方原子钟钟差，判断主用主钟是否发生故障；
[0010] 所述的工控机根据主备钟差计算备份主钟相位微调仪的驾驭量，调整备份主钟相 位微调仪的频率，输出与主用主钟同步的5/lOMHz频率信号和1PPS秒信号；
[0011]如果主用主钟发生故障，工控机发生切换指令到无缝切换单元，将压控振荡器锁 定在备份主钟相位微调仪的5/lOMHz频率信号上，并且将压控振荡器的5/lOMHz频率信号作 为频率的最终输出;无缝切换单元直接输出备份主钟相位微调仪的1PPS秒信号。
[0012] 本发明还提供一种守时系统主备主钟无缝切换方法，包括以下步骤：
[0013] (1)，搭建守时系统主备主钟无缝切换系统，连续采集150个主用主钟相位微调仪 输出的频率信号和备份主钟相位微调仪输出的频率信号;采用最小二乘法进行线性拟合， 计算斜率a，即备份主钟相对于主用主钟的频率偏差a;给备份主钟设置-a的频率偏差调整， 完成初同步中的频率同步；向备份主钟的相位微调仪发送同步指令，实现备份主钟与主用 主钟的1PPS秒信号小于200ns的粗同步；
[0014] (2)守时系统主备主钟无缝切换系统的运行过程中，实现备份主钟与主用主钟的 时间同步，包括以下步骤：
[0015] 2 · 1)采集主备钟差，并进行Vondrak滤波降噪；
[0016] 2.2)根据滤波降噪以后的数据，采用二阶多项式模型，预测下一时刻的钟差D和频 偏offsetl;
[0017] 2 . 3 )在设定的T1时间内将主备钟差拉回，计算备份主钟频率的驾驭量 -D offsetl =- T,.
[0018] 2.4)调节备份主钟相位微调仪的输入数据(^€86丨=(^€861:1+(^€86丨2，实现备份 主钟与主用主钟的时间同步；
[0019] ⑶进行故障判断，包括以下步骤：
[0020] 3.1)采用主备钟差的前N个数据点，利用最小二乘法进行拟合，得到当前时刻的拟 合值私Λ〇,与当前时刻的实测值e0(k)比较，作差得到 对比设定的阈值 C，如果| u(k) | >C，则相位数据异常；
[0021 ] 3.2)顺序扫描频率数据，当某频率数据大于设定的频率跳变阈值时，则将该频率 数据作为可疑数据点并给予一个特定标记。若连续N次发生频率数据大于频率跳变阈值，则 频率数据异常；
[0022] 3.3)计算设定时间段内主、备和第三方钟相互比对数据的Allan方差/频率方差， 并采用三角帽法计算单台钟Allan方差/频率方差，若Allan方差/频率方差大于设定的阈 值，则性能数据异常；
[0023] 3.4)当主备钟差、主用主钟与第三方原子钟钟差、备份主钟与第三方原子钟钟差 都存在数据异常，而主备钟差数据正常，则第三方原子钟存在数据异常；
[0024]当主用主钟与第三方原子钟钟差、主备钟差都存在数据异常，而备份主钟与第三 方原子钟钟差数据正常，则主用主钟存在数据异常；
[0025]当备份主钟与第三方原子钟钟差数据异常、主用主钟与第三方原子钟钟差均存在 数据异常，而主用主钟与第三方原子钟钟差数据正常时，则备份主钟存在数据异常；
[0026] (4)如果主用主钟存在数据异常，则在备份主钟的1PPS秒信号处于负电平区域时， 使用备份主钟替代主用主钟工作，根据备份主钟的鉴相值，调整压控振荡器锁定在备份主 钟上。
[0027] 本发明的有益效果是:通过建立与主钟高精度同步的备钟系统，通过故障检测方 法实时检测主钟故障，并控制无缝切换单元，实现高精度的时间频率信号输出的连续性和 一致性。主要具有以下优点：
[0028] (1)实现了守时系统频率信号和秒信号输出的一致性和连续性；
[0029] (2)设计了采用比相仪、相位微调仪和基于计算机控制的备钟驾驭算法，实现的主 备同步模块类似于一个锁相环，实现了主备主钟的高精度时间同步。
[0030] (3)设计了基于最小二乘法进行预测，采用最大阈值法和动态阿伦方差进行判断 的故障检测方法，并且通过引入第三方原子钟判断故障归属。
[0031] (4)设计了具备负电平检测功能的秒信号切换电路，保证切换过程中秒信号的平 稳输出。
【附图说明】
[0032]图1是守时系统主备主钟无缝切换系统原理框图；
[0033]图2是主备钟同步流程图；
[0034]图3是初同步实现流程图；
[0035]图4是备钟频率驾驭算法流程图；
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