用于授时系统的高精度时钟同步方法、模块、设备及系统与流程

本发明涉及授时技术领域，特别涉及一种用于授时系统的高精度时钟同步方法、模块、设备及系统。

背景技术：

IEEE 1588 PTP协议，全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准（IEEE 1588 Precision Clock Synchronization Protocol）”，简称PTP（Precision Timing Protocol），具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。PTP的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步。同步的基本原理包括时间发出和接收时间信息的记录，并且对每一条信息增加一个“时间戳”。有了时间记录，接收端就可以计算出自己在网络中的时钟误差和时间延时。为了管理这些信息，PTP协议定义了4种多点传送的报文类型和管理报文，包括同步（Sync）报文，跟随（Follow_up）报文，延迟请求（Delay_Req）报文，延迟应答（Delay_Resp）报文。当前PTP授时主端/从端通过收发Sync报文、Follow_Up报文、Delay_Req报文、Delay_Resp报文交换数据，测得主端/从端时时间偏差和时间延迟，并进行补偿修正，从而达到主端/从端时间同步；采用125M时钟的时间戳，主端/从端点对点授时可以达到最高8ns的同步精度。但现有方案在多级级联时会出现时间差累积，同时网络数据在传输过程中存在非对称性引入时间偏差的问题，限制了授时精度的提高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有PTP授时精度有限、非对称性引入时间偏差和多级时差累积的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种用于授时系统的高精度时钟同步方法，授时系统包括主端和从端，所述主端，用于接收从端发送过来带时间戳的网络数据，将带有时间戳的本地网络数据传递给从端；所述从端，用于接收主端发送过来带时间戳的网络数据，并将从端本地带有时间戳的网络数据发送给主端，主端和从端之间采用PTP协议完成授时同步；所述方法还包括，

基于PTP协议的主端和从端高精度时间同步步骤，在PTP协议的基础上，增加t2＇和t4＇的测量，利用t2＇和t4＇实现从端跟主端的高精度同步；所述t4＇为主端测量的由从端发送过来的带有时间戳的网络数据帧头与主端本地PTP计数时钟之间的相位差，所述t2＇为从端测量的由主端发送过来的带有时间戳的网络数据帧头与从端本地PTP计数时钟之间的相位差；

主端和从端本地PTP时间校准步骤，利用卫星共视完成主端和从端的本地PTP时间校准。

更进一步，基于PTP协议的主端和从端高精度时间同步步骤，还包括如下步骤：

S1.主端以本地参考时钟作为频率源，生成带有时间戳的本地网络数据；

S2.主端将带有时间戳的本地网络数据传递给从端，并记录时间t1，所述t1为主端带有时间戳的本地网络数据发出的准确时间；

S3.从端以本地参考时钟或网络恢复时钟作为频率源，生成带有时间戳的本地网络数据；

S4.从端将本地带有时间戳的本地网络数据发送给主端，并记录时间t3，所述t3为从端带有时间戳的本地网络数据中Delay_Req报文的发送时间；

S5.从端接收主端发送过来带时间戳的网络数据，记录时间t2，所述t2为从端接收到主端发送过来带有时间戳的网络数据中Sync报文的时间；

S6.主端接收从端发送过来带时间戳的Delay_Req报文数据，记录时间t4，所述t4为主端接收到Delay_Req报文的时间；

S7.主端以本地参考时钟作为频率源，进行PTP时间定时计数；

S8.从端以本地参考时钟或网络恢复时钟作为频率源，进行PTP时间定时计数；

S9.主端测量本地PTP计数时钟与接收的来自从端的带有时间戳的网络数据帧头之间的相位差t4＇；

S10.计算t4＇＇= t4 + t4＇；

S11.主端将t4＇＇发送给从端；

S12.从端测量本地PTP计数时钟与接收的来自主端的带有时间戳的网络数据帧头之间的相位差t2＇；

S13.从端计算t2＇＇= t2+ t2＇；

S14.从端计算时钟偏差（（t2＇＇-t1）-(t4＇＇-t3)）/2和时钟延迟（（t2＇＇-t1）+(t4＇＇-t3)）/2，并修正从端本地时间。

更进一步，步骤S9中t4＇＇通过PTP协议的Delay_Resp报文或PTP协议包保留字节或普通网络数据位发送给从端。

更进一步，主端和从端本地PTP时间校准步骤，还包括如下步骤：

Q1.主端卫星接收机接收卫星信号；

Q2.从端卫星接收机接收卫星信号；

Q3.主端卫星接收机和从端卫星接收机选择在可视范围内相同的卫星进行授时解算；

Q4.判断主端卫星接收机是否进入锁定状态，若锁定，测量主端本地频率源产生的本地秒pps_zb与主端本地卫星接收机产生的pps_zj之间的相位差t_z,否则，继续监测主端卫星接收机状态；

Q5.主端用相位差t_z生成压控信号去驯服主端本地时钟源；

Q6.主端判断本地时钟源是否与主端卫星接收机同步锁定，若锁定，用锁定后主端本地频率源产生的pps_zb^’作为主端高精度PTP同步时间基准,生成带时间戳的网络数据，发送给从端；

Q7.从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出pps_cp；

Q8.判断从端卫星接收机是否进入锁定状态，若锁定,记录锁定后从端本地卫星接收机产生的pps_cj与从端恢复的pps_cp之间的相位差t_p，作为一个数据点存储，否则，继续监测从端卫星接收机状态；

Q9.从端判断当前存储的相位差t_p数据数量，若存储的数据点大于300个，则使用数据处理方法对所存储的相位差t_p数据进行滤波处理，去除抖动，得到处理后的数据t_p^’，并用处理后的数据t_p^’对从端恢复的pps_cp进行修正，得到修正后的pps_cp^’，使用修正后的pps_cp^’ 作为参考秒驯服从端本地频率源，使之锁定到高精度PTP的时间，从而实现从端与主端之间时间的同步。

更进一步，上述基于PTP协议授时方法与卫星共视方法互为备份，在网络正常时，采用上述基于PTP协议授时方法，卫星共视方法作为备用方法，完成从端与主端之间时间的同步，在网络异常时，平稳切换到卫星共视方法，上述基于PTP协议授时方法作为备用方法，完成从端与主端之间时间的同步。

更进一步，卫星共视方法，还包括如下步骤，

P1.主端卫星接收机接收卫星信号；

P2.从端卫星接收机接收卫星信号；

P3.主端卫星接收机和从端卫星接收机选择在可视范围内相同的卫星进行授时解算；

P4.判断主端卫星接收机是否进入锁定状态，若锁定，测量主端本地频率源产生的从端本地秒pps_zb与主端本地卫星接收机产生的秒pps_zj之间的相位差t_z,否则，继续监测主端卫星接收机状态；

P5.判断从端卫星接收机是否进入锁定状态，若锁定，测量从端本地频率源产生的从端本地秒pps_cb与从端本地卫星接收机产生的秒pps_cj之间的相位差t_c,否则，继续监测从端卫星接收机状态；

P6.主端用相位差t_z生成压控信号去驯服主端本地时钟源；

P7.从端用相位差t_c生成压控信号去驯服从端本地时钟源；

P8.主端判断本地时钟源是否与主端卫星接收机同步锁定，若锁定，记录锁定后主端本地频率源产生的pps_zb^’与主端本地卫星接收机产生的pps_zj之间的相位差t_z^’，一秒钟一个数据点，否则，转到步骤P6；

P9.从端判断本地时钟源是否与从端卫星接收机同步锁定，若锁定,记录锁定后从端本地频率源产生的pps_cb^’与主端本地卫星接收机产生的pps_cj之间的相位差t_c^’，一秒钟一个数据点，否则，转到步骤P7；

P10.主端判断当前存储的相位差t_z^’数据数量，若存储的数据点大于300个，则使用数据处理方法对所存储的相位差t_z^’数据进行处理，得到处理后的数据，并用处理后的数据对主端本地频率源进行修正；

P11.从端判断当前存储的相位差t_c^’数据数量，若存储的数据点大于300个，则使用数据处理方法对所存储的相位差t_c^’数据进行处理，得到处理后的数据，并用处理后的数据对从端本地频率源进行修正；

P12.从端与主端之间完成时间同步。

更进一步，采用高精度测量芯片或可编程逻辑器件测量相位差t2＇、相位差t4＇、相位差t_z 、相位差t_c、相位差t_z^’ 、相位差t_c^’ 和相位差t_p。

本发明还提供一种用于授时系统的高精度时钟同步设备，高精度时钟同步设备至少包括卫星接收机单元、本地参考时钟单元、相差测量单元、主控制单元、PHY接口控制单元，卫星接收机单元用于接收卫星信号，并生成包含卫星时间信息的数据，提供给主控制单元，本地参考时钟单元用于给主控制单元和PHY接口控制单元提供时钟，并分频产生本地秒，相差测量单元，用于测量相差t2＇、t4＇、t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p，主控制单元用于对PHY接口控制单元进行控制，对卫星接收机生成的包含卫星时间信息的数据进行处理，并对接收或发送的带时间戳的网络数据进行处理，PHY接口控制单元，用于将主控制单元生成的数据转换成网络数据发送出去，并将网络数据转换成主控制单元能解算的数据。

更进一步，高精度时钟同步设备支持主端或从端工作模式。

本发明还提供一种用于授时系统的高精度时钟同步模块，高精度时钟同步模块至少包括卫星接收机单元、本地参考时钟单元、相差测量单元、主控制单元、PHY接口控制单元，卫星接收机单元用于接收卫星信号，并生成包含卫星时间信息的数据，提供给控制单元，本地参考时钟单元用于给主控制单元和PHY接口控制单元提供时钟，并分频产生本地秒，相差测量单元，用于测量相差t2＇、t4＇、t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p，主控制单元用于对PHY接口控制单元进行控制，对卫星接收机生成的包含卫星时间信息的数据进行处理，并对接收或发送的带时间戳的网络数据进行处理，PHY接口控制单元，用于将主控制单元生成的数据转换成网络数据发送出去，并将网络数据转换成主控制单元能解算的数据。

更进一步，高精度时钟同步模块支持主端或从端工作模式。

本发明还提供一种授时系统，包括至少2台用于授时系统的高精度时钟同步设备或2块用于授时系统的高精度时钟同步模块。

更进一步，至少1台用于授时系统的高精度时钟同步设备或1块用于授时系统的高精度时钟同步模块配置为主端，至少1台用于授时系统的高精度时钟同步设备或1块用于授时系统的高精度时钟同步模块配置为从端。

更进一步，采用多级级联的方式完成授时，每一级都包含1台配置为主端的用于授时系统的高精度时钟同步设备或1块配置为主端的用于授时系统的高精度时钟同步模块和1台配置为从端的用于授时系统的高精度时钟同步设备或1块配置为从端的用于授时系统的高精度时钟同步模块。

本发明的有益效果是：采用基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤，在PTP协议的基础上，增加t2＇和t4＇的测量，可以精确测量出从端与主端之间的时间偏差和时间延迟，提高了从端与主端之间时间的同步精度；采用主端和从端本地PTP时间校准步骤，利用卫星共视完成主端和从端的本地PTP时间校准，可以解决基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤中因存在信号传输非对称引入时间偏差的问题，进一步提高了从端与主端之间时间的同步精度。

附图说明

图1为本发明的授时系统的系统框图；

图2为现有授时系统采用PTP协议基于two step（双步）模式完成时钟同步原理图；

图3为现有授时系统采用PTP协议基于one step（单步）模式完成时钟同步原理图；

图4为本发明的授时系统的采用基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤完成时钟同步原理图；

图5为本发明的主端和从端本地PTP时间校准步骤的原理图；

图6为本发明的卫星共视方法授时同步原理图；

图7为本发明的授时系统的高精度时钟同步设备或高精度时钟同步模块原理框图；

图8为本发明的授时系统多级主端、从端设备级联的原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明为解决现有基于PTP协议授时方法授时精度有限和存在非对称引入时间偏差及多级级联引入时差累积的问题，提供一种用于授时系统的高精度时钟同步方法。图1为本发明的第一个实施例的系统框图，授时系统包括主端和从端，主端和从端通过PHY接口控制单元进行通信和交换带有时间戳的网络数据，主端包括主端卫星接收机、主端本地频率源、主端时差测量以及主端PHY接口控制单元，从端包括从端卫星接收机、从端本地频率源，从端时差测量以及从端PHY接口控制单元。如图1所示，授时系统使用高精度时钟同步方法完成从端和主端之间时间的同步，该高精度时钟同步方法，包括主端，以主端本地频率源作为频率基准，生成主端带有时间戳的本地网络数据，主端带有时间戳的的本地网络数据通过以太网线缆传送给从端，主端还包括时差测量，用于测量主端PHY（物理接口收发器）内部PTP计数时钟和来自从端的带有时间戳的网络数据帧头之间的相差t4＇，主端还包括主端卫星接收机，用于接收卫星信号，并产生pps_zj秒信号驯服主端本地频率源，所述pps_zj为主端卫星接收机产生的秒信号；还包括从端，从端以本地频率源或从端PHY接口控制单元从接收来自主端的带时间戳网络数据中恢复的时钟作为频率基准，生成从端带有时间戳的本地网络数据，从端带有时间戳的本地网络数据通过以太网线缆传送给主端，从端还包括时差测量，用于测量从端PHY内部PTP计数时钟和来自主端的带有时间戳的网络数据帧头之间的相差t2＇，从端还包括从端卫星接收机，用于接收卫星信号，并产生pps_cj秒信号驯服从端本地频率源，所述pps_cj为从端卫星接收机产生的秒信号，同时与从端恢复的pps_cp进行相差测量，并校准从端pps_cp，所述pps_cp为从端从接收来自主端带时间戳的网络数据中恢复出的秒信号；主端与从端之间通过基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤进行时间同步。

图2为现有授时系统采用PTP协议基于two step模式完成时钟同步原理图。如图2所示，现有的PTP授时方法two step模式主端发送的网络数据中包含Sync报文、Follow_Up报文和Delay_Resp报文，Sync报文记录了报文自身预计发出时间，Follow_Up报文记录了Sync报文准确发出时间t1，Delay_Resp报文记录了Delay_Req报文的准确接收时间t4；从端发送的网络数据中包含Delay_Req报文，从端能测得Sync报文接收的时间t2，同时记录了Delay_Req报文的发出时间t3，从端根据t1，t2，t3，t4计算出从端跟主端的时钟偏差（（t2-t1）-(t4-t3)）/2和时钟延迟（（t2-t1）+(t4-t3)）/2，对从端进行时间修正，实现从端与主端同步，但同步精度不够高。

图3为现有授时系统采用PTP协议基于one step模式完成时钟同步原理图。如图3所示，现有的PTP授时方法one step模式主端发送的网络数据中包含Sync报文、和Delay_Resp报文，Sync报文记录了报文自身准确发出时间t1，Delay_Resp报文记录了Delay_Req报文的准确接收时间t4；从端发送的网络数据中包含Delay_Req报文，从端能测得Sync报文接收的时间t2，同时记录了Delay_Req报文的发出时间t3，从端根据t1，t2，t3，t4计算出从端跟主端的时钟偏差（（t2-t1）-(t4-t3)）/2和时钟延迟（（t2-t1）+(t4-t3)）/2，对从端进行时间修正，实现从端与主端同步，但同步精度不够高。

本发明的授时系统主端和从端采用基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤，在现有基于PTP协议授时方法的基础上，准确测得t2＇和t4＇，结合现有基于PTP协议授时方法记录的t2和t4计算出t2＇＇和t4＇＇，从而计算出更为准确的时钟偏差（（t2＇＇-t1）-(t4＇＇-t3)）/2和时钟延迟（（t2＇＇-t1）+(t4＇＇-t3)）/2，对从端本地时间进行修正，提高了从端与主端之间时间同步的精度。

图4为本发明的授时系统的采用基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤完成时钟同步原理图。如图4所示，本发明在现有基于PTP协议授时方法的基础上，增加了相差t2＇和t4＇的测量；具体，主端以本地频率源作为频率源，进行主端PTP时间定时计数，生成主端本地带有时间戳的网络数据，将带有时间戳的本地网络数据传递给从端，并记录时间t1，所述t1为主端带有时间戳的本地网络数据发出的准确时间；主端还接收从端发送过来带时间戳的网络数据，记录时间t4，所述t4为主端接收到带时间戳网络数据中Delay_Req报文的时间；主端测量本地PTP计数时钟与来自从端带有时间戳的网络数据帧头之间的相差t4＇，并计算t4＇＇= t4 + t4＇, 所述t4＇＇为主端接收从端发送过来的带有时间戳的网络数据的准确接收时间，并将该t4＇＇通过Delay_Resp报文、PTP协议包保留字节或普通网络数据位的方式添加到主端本地网络数据中，并发送给从端；从端以本地频率源作为频率源，进行从端PTP时间定时计数，并生成从端本地带有时间戳的网络数据，从端将本地带有时间戳的网络数据发送给主端，并记录时间t3，所述t3为从端带有时间戳的网络数据中Delay_Req报文的发送时间；同时接收来自主端带有时间戳的网络数据，记录时间t2，所述t2为从端接收到主端发送过来带有时间戳的网络数据中Sync报文的时间；从端测量本地PTP计数时钟与来自主端带有时间戳的网络数据帧头之间的相差t2＇，并计算t2＇＇= t2+ t2＇，所述t2＇＇为从端接收主端发送过来的带有时间戳的网络数据的准确接收时间，最终从端根据t1,t2＇＇,t3, t4＇＇测出更为准确的时钟偏差（（t2＇＇- t1）-( t4＇＇- t3)）/2和时钟延迟（（t2＇＇- t1）+( t4＇＇- t3)）/2，并用该时钟偏差和时钟延迟值对从端时钟进行补偿修正，从而实现从端与主端的高精度同步。现有基于PTP协议授时方法主端/从端仅通过收发Sync报文、Follow_Up报文、Delay_Req报文、Delay_Resp报文交换数据，测得主端/从端时钟偏差（（t2-t1）-(t4-t3)）/2和时钟延迟（（t2-t1）+(t4-t3)）/2进行补偿修正，存在无法消除网络数据在多级级联时引入的时间延迟问题。本发明提供的基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤，在测得t1、t2、t3、t4的基础上，采用直接测量本地PTP计数时钟与带有时间戳的网络数据帧头相位差的方法，测得比t2和t4更为精确的t2＇＇和t4＇＇，直接测量包含网络信号在传输过程中因多级级联引入的时差在内的时间延迟，因此可以进一步提高PTP授时的精度。

图5为本发明的主端和从端本地PTP时间校准步骤的原理图；如图5所示，在采用基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤完成从端与主端之间时间的同步的同时，并采用卫星共视完成主端和从端的本地PTP时间校准。主端和从端之间采用网络进行数据通讯和数据交换，主端内部采用卫星共视，驯服主端本地频率源，生产高精度本地秒pps_zb^’作为主端PTP授时的参考基准，从端内部采用卫星共视，测量采用基于PTP协议授时方法恢复的秒与卫星接收机输出秒之间的相差，进行数据处理，并修正采用基于PTP协议授时方法恢复的秒的相差，然后使用修正后的PTP授时方法恢复秒驯服从端本地频率源，实现从端与主端的时间同步。具体实现过程如下：主端和从端卫星接收机接收卫星信号，同时在可视范围内选择相同的卫星进行解算；共视卫星，即主端和从端选择接收卫星信号的同一颗卫星的选择在网络正常时，通过主端和从端网络通讯交换数据确定，在网络异常时通过判断当前可视范围内主端卫星接收机和从端卫星接收机获取的卫星信号信噪比等方式进行确定；主端确定选择好相同的卫星后，主端卫星接收机判断卫星接收机是否锁定，若锁定，主端测量主端卫星接收机输出秒pps_zj和主端本地频率源生成的本地秒pps_zb之间的相差t_z，并用t_z生成压控信号对主端本地频率源进行控制调节，使主端本地频率源的相位逐步逼近主端卫星接收机输出秒pps_zj的相位，主端判断本地频率源相位是否锁定到主端卫星接收机输出的秒pps_zj，若锁定，采用此时主端本地频率源生成的秒pps_zb^’作为主端PTP的时间基准，生成带时间戳的网络数据，并发送给从端；从端确定选择好相同的卫星后，从端卫星接收机判断卫星接收机是否锁定，若锁定，从端测量从端卫星接收机输出秒pps_cj和从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出的秒pps_cp之间的相位差t_p，并记录相差t_p，所述t_p为pps_cp与pps_cj之间的相位差，相位差t_p作为一个数据点存储，当记录相差t_p的数据点累计达到300个，对存储的300个t_p数据进行滤波处理，消除抖动，得到处理后的相差t_p^’，所述t_p^’为相位差t_p经过滤波处理后的相位差，使用t_p^’修正从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出的秒pps_cp，得到修正后的秒pps_cp^’，所述pps_cp^’为pps_cp经过修正后的秒信号，使用修正后的pps_cp^’驯服从端本地频率源，直到从端本地频率源与修正后的pps_cp^’同步，从而实现从端与主端的时间的同步。采用卫星共视对从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出的秒pps_cp进行校正，可以消除主端、从端因为信号传输不对称引入时间偏差的问题，进一步提高了从端与主端之间时间同步的精度。

具体，上述基于PTP协议授时方法与卫星共视方法互为备份，上述基于PTP协议授时方法包含基于PTP协议的主端和从端高精度时间同步步骤和主端和从端本地PTP时间校准步骤。在网络正常时，采用上述基于PTP协议授时方法，卫星共视方法作为备用方法，完成所述从端与所述主端之间时间的同步，在网络异常时，平稳切换到卫星共视方法，上述基于PTP协议授时方法作为备用方法，完成所述从端与所述主端之间时间的同步。由于在网络正常时，主端和从端本地PTP时间校准步骤中利用卫星共视完成所述主端和所述从端的本地PTP时间校准，此时卫星共视方法也在工作，因此，在网络出现异常时，可以平稳的切换到卫星共视方法，完成从端跟主端之间时间的同步；采用基于PTP协议的主从端高精度时间同步步骤，可以保证主端和从端时间同步的稳定性，而采用主端和从端本地PTP时间校准步骤进行时间校正，可以提高了从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出的秒的精度，从而在保证从端和主端时间同步稳定性的基础上进一步提高从端和主端时间同步的准确性。采用上述基于PTP协议授时方法与卫星共视方法互为备份，进一步提高了授时的可靠性。

图6为本发明的卫星共视方法授时同步原理图；如图6所示，本发明中所提出的卫星共视方法，主端和从端的卫星接收机接收卫星信号，采取卫星共视策略，主端和从端的卫星接收机同时选择在可视范围内相同的卫星进行授时解算，卫星共视策略可以通过主端与从端通讯交互信息获取，也可以通过设置最佳信噪比的方式确定；然后，主端和从端分别判断卫星接收机是否进入锁定，若锁定，主端测量本地频率源产生的pps_zb与主端本地卫星接收机产生的pps_zj之间的相位差t_z，所述pps_zb为主端本地频率源锁定前分频产生的秒信号，所述t_z为pps_zb和pps_zj的相位差；从端测量本地频率源产生的pps_cb与从端本地卫星接收机产生的pps_cj之间的相位差t_c，所述pps_cb为从端本地频率源锁定前分频产生的秒信号，所述t_c为pps_cb和pps_cj的相位差；主端用相位差t_z生成压控信号去驯服主端本地时钟源，从端用相位差t_c生成压控信号去驯服从端本地时钟源，此时主端判断本地时钟源是否与主端卫星接收机同步锁定，若锁定，记录锁定后主端本地频率源产生的pps_zb^’与主端本地卫星接收机产生的pps_zj之间的相位差t_z^’， 所述pps_zb^’为主端本地频率源锁定前分频产生的秒信号，所述t_z^’为pps_zb^’和pps_zj的相位差；相位差t_z^’作为一个数据点存储，若未锁定，继续驯服主端本地频率源；从端判断本地时钟源是否与从端卫星接收机同步锁定，若锁定,记录锁定后从端本地频率源产生的pps_cb^’与主端本地卫星接收机产生的pps_cj之间的相位差t_c^’，所述pps_cb^’为从端本地频率源锁定前分频产生的秒信号，所述t_c^’为pps_cb^’和pps_cj的相位差；相位差t_c^’作为一个数据点存储，若未锁定，继续驯服从端本地频率源；主端判断当前存储的相位差t_z^’数据数量，若存储的数据点大于300个，则使用数据处理方法对所存储的相位差t_z^’数据进行处理，得到处理后的数据，并用处理后的数据对主端本地频率源进行修正；从端判断当前存储的相位差t_c^’数据数量，若存储的数据点大于300个，则使用数据处理方法对所存储的相位差t_c^’数据进行处理，得到处理后的数据，并用处理后的数据对从端本地频率源进行修正；此时，从端与主端本地频率源已完全同步，因采用数据处理方法对不少于300个相位差t_c^’ 和相位差t_z^’数据点进行处理，减小了卫星接收机输出秒抖动对本地频率源的影响，从而提高了从端和主端的时间同步精度。

具体，采用高精度测量芯片或可编程逻辑芯片测量，更准确的获取相位差t2＇、t4＇、t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p数值。测量过程如下，将主端PTP计数时钟和来自从端的带有时间戳的网络数据分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出主端PTP计数时钟与来自从端的带有时间戳的网络数据帧头之间的相差t4＇；将从端PTP计数时钟和来自主端的带有时间戳的网络数据分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出从端PTP计数时钟与来自主端的带有时间戳的网络数据帧头之间的相差t2＇；将主端本地频率源产生的pps_zb与主端本地卫星接收机产生的pps_zj分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出主端本地频率源产生的pps_zb与主端本地卫星接收机产生的pps_zj之间的相位差t_z；将从端本地频率源产生的pps_cb与从端本地卫星接收机产生的pps_cj分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出从端本地频率源产生的pps_cb与从端本地卫星接收机产生的pps_cj之间的相位差t_c；将主端本地频率源产生的pps_zb^’与主端本地卫星接收机产生的pps_zj分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出主端本地频率源产生的pps_zb^’与主端本地卫星接收机产生的pps_zj之间的相位差t_z^’；将从端本地频率源产生的pps_cb^’与从端本地卫星接收机产生的pps_cj分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出从端本地频率源产生的pps_cb^’与从端本地卫星接收机产生的pps_cj之间的相位差t_c^’；将从端卫星接收机输出秒pps_cj和从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出的秒pps_cp分别传送给高精度测量芯片或可编程逻辑芯片的测量通道，由高精度测量芯片或可编程逻辑芯片内部集成或编程实现的测量电路直接测量计算出从端卫星接收机输出秒pps_cj和从端从接收的来自主端带有时间戳的网络数据中恢复出的秒pps_cp之间的相差t_p；采用芯片直接测量的方式，可以直接测得相差t2＇、t4＇、t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p数值，由于芯片测量精度较高，可达ps级，因此，可以通过测量得到更为精确的相位差值t2＇、t4＇、t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p，进一步提高了从端时间修正的精度。

对于上面描述的本发明的高精度时钟同步方法，其可以通过高精度时钟同步设备或者高精度时钟同步模块的形式用于授时系统。

图7为本发明的授时系统的高精度时钟同步设备或高精度时钟同步模块原理框图；如图7所示，高精度时钟同步设备至少包括卫星接收机单元、本地参考时钟单元、相差测量单元、主控制单元、PHY物理接口控制单元。卫星接收机单元，用于接收卫星信号，选择相同卫星进行共视，并输出秒信号（作为主端时，输出秒信号为pps_zj，作为从端时，输出秒信号为pps_cj）给本地参考时钟单元和相差测量单元，同时将定位、授时信号传递给主控制单元，并接收主控制单元的控制；本地参考时钟单元给主控制单元和PHY接口控制单元提供时钟，并分频产生本地秒（作为主端时，本地秒信号为pps_zb，作为从端时，本地秒信号为pps_cb），同时接收主控制单元的频率调节控制,调节本地参考时钟单元输出频率信号的相位；相差测量单元接收来自PHY接口控制单元的PTP计数时钟和带有时间戳的网络数据，测量相差t2＇或t4＇，接收卫星接收机单元输出的秒信号pps_zj和pps_cj，接收本地参考时钟单元分频产生的本地秒信号pps_zb和pps_cb，并接收从端从来自主端带时间戳的网络数据恢复的秒信号pps_cp，测量相位差t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p，并将测得的结果发送给PHY接口控制单元和主控制单元，并接收主控制单元对相差测量单元的配置和控制；主控制单元，对相差测量单元进行控制，控制相差测量单元的数据采集频率、数量和数据处理方法，对PHY接口控制单元进行控制，将需要传递的数据发送给PHY接口控制单元，同时接收PHY接口控制单元传送过来的网络数据，同时对本地参考时钟单元进行控制，在必要时，对本地参考时钟单元输出的参考时钟信号进行调节，对卫星接收机单元进行配置，使卫星接收机选择同一颗卫星进行共视；PHY接口控制单元用于将主控制单元生成的数据转换成标准以太网数据发送出去，并将以太网数据转换成主控制单元能解算的数据并发送给主控制单元，同时将要进行相差测量的PTP计数时钟和带有时间戳的网络数据发送给相差测量单元，接收相差测量单元发送过来的测量结果。高精度时钟同步设备，采用高精度时钟同步方法进行授时，高精度时钟同步方法的实现主要由卫星接收机单元、主控制单元和PHY接口控制单元完成，PHY接口控制单元支持IEEE 1588 PTP协议,由主控制单元对PHY接口控制单元进行控制，同时对PHY接口控制单元发送过来的数据进行处理，实现高精度时钟同步方法中时钟偏差（（t2＇＇- t1）-( t4＇＇- t3)）/2和时钟延迟（（t2＇＇- t1）+( t4＇＇- t3)）/2的测量，同时采用卫星共视方法，对从端从来自主端待时间戳的网络数据中恢复出的秒信号pps_cp进行校正，消除非对称性对从端时间同步的影响。除卫星接收机单元、本地参考时钟单元、相差测量单元、主控制单元和PHY物理接口控制单元外，高精度时钟同步设备，还包括显示单元、信号输入单元、信号输出单元、供电单元等；显示单元用于显示需要直观展示的信息，信号输入单元用于接收上一级精确的IRIG-B码、10MHz信号等参考信号，信号输出单元用于产生需要的时间码信号，包括pps信号、IRIG-B码信号、PTP网络授时信号、NTP网络授时信号等。高精度时钟同步设备以高精度时钟同步方法为核心，实现主端、从端设备之间高精度网络时间信号的传递。

此外，高精度时钟同步设备，通过配置，设置成主端工作模式或从端工作模式。当高精度时钟同步设备设置为主端工作模式时，作为高精度时钟同步方法的主端，完成对从端的PTP授时或卫星共视授时；当高精度时钟同步设备设置为从端工作模式时，作为高精度时钟同步方法的从端，完成与主端之间时间的同步。主端和从端高精度时钟同步设备硬件一致，降低了硬件维护和研制成本。

另外，本发明的高精度时钟同步方法也可以用于授时系统的高精度时钟同步模块，基本原理同样如图7所示。高精度时钟同步模块至少包括卫星接收机单元、本地参考时钟单元、相差测量单元、主控制单元、PHY物理接口控制单元。卫星接收机单元，用于接收卫星信号，选择相同卫星进行共视，并输出秒信号（作为主端时，输出秒信号为pps_zj，作为从端时，输出秒信号为pps_cj）给本地参考时钟单元和相差测量单元，同时将定位、授时信号传递给主控制单元，并接收主控制单元的控制；本地参考时钟单元给主控制单元和PHY接口控制单元提供时钟，并分频产生本地秒（作为主端时，本地秒信号为pps_zb，作为从端时，本地秒信号为pps_cb），同时接收主控制单元的频率调节控制,调节本地参考时钟单元输出频率信号的相位；相差测量单元接收来自PHY接口控制单元的PTP计数时钟和带有时间戳的网络数据，测量相差t2＇或t4＇，接收卫星接收机单元输出的秒信号pps_zj和pps_cj，接收本地参考时钟单元分频产生的本地秒信号pps_zb和pps_cb，并接收从端从来自主端带时间戳的网络数据恢复的秒信号pps_cp，测量相位差t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p，并将测得的结果发送给PHY接口控制单元和主控制单元，并接收主控制单元对相差测量单元的配置和控制；主控制单元，对相差测量单元进行控制，控制相差测量单元的数据采集频率、数量和数据处理方法，对PHY接口控制单元进行控制，将需要传递的数据发送给PHY接口控制单元，同时接收PHY接口控制单元传送过来的网络数据，同时对本地参考时钟单元进行控制，在必要时，对本地参考时钟单元输出的参考时钟信号进行调节，对卫星接收机单元进行配置，使卫星接收机选择同一颗卫星进行共视；PHY接口控制单元用于将主控制单元生成的数据转换成标准以太网数据发送出去，并将以太网数据转换成主控制单元能解算的数据并发送给主控制单元，同时将要进行相差测量的PTP计数时钟和带有时间戳的网络数据发送给相差测量单元，接收相差测量单元发送过来的测量结果。高精度时钟同步模块，采用高精度时钟同步方法进行授时，高精度时钟同步方法的实现主要由卫星接收机单元、主控制单元和PHY接口控制单元完成，PHY接口控制单元支持IEEE 1588 PTP协议,由主控制单元对PHY接口控制单元进行控制，同时对PHY接口控制单元发送过来的数据进行处理，实现高精度时钟同步方法中时钟偏差（（t2＇＇- t1）-( t4＇＇- t3)）/2和时钟延迟（（t2＇＇- t1）+( t4＇＇- t3)）/2的测量，同时采用卫星共视方法，对从端从来自主端待时间戳的网络数据中恢复出的秒信号pps_cp进行校正，消除非对称性对从端时间同步的影响。除卫星接收机单元、本地参考时钟单元、相差测量单元、主控制单元和PHY物理接口控制单元外，高精度时钟同步模块，还包括显示单元、信号输入单元、信号输出单元、供电单元等；显示单元用于显示需要直观展示的信息，信号输入单元用于接收上一级精确的IRIG-B码、10MHz信号等参考信号，信号输出单元用于产生需要的时间码信号，包括pps信号、IRIG-B码信号、PTP网络授时信号、NTP网络授时信号等。高精度时钟同步模块以高精度时钟同步方法为核心，实现主端、从端设备之间高精度网络时间信号的传递。与高精度时钟同步设备相比，高精度时钟同步模块集成度高，体积小，功能强大，降低了授时设备的研发周期、难度和成本。

此外，高精度时钟同步模块，通过配置，设置成主端工作模式或从端工作模式。当高精度时钟同步模块设置为主端工作模式时，作为高精度时钟同步方法的主端，完成对从端的PTP授时或卫星共视授时；当高精度时钟同步模块设置为从端工作模式时，作为高精度时钟同步方法的从端，完成与主端之间时间的同步。主端和从端高精度时钟同步模块硬件一致，降低了硬件维护和研制成本。

针对高精度时钟同步方法的应用，本发明还提出了一种授时系统，该授时系统由至少2台高精度时钟同步设备或2块高精度时钟同步模块组成。

具体，授时系统中2台高精度时钟同步设备或2块高精度时钟同步模块，至少1台高精度时钟同步设备或1块高精度时钟同步模块配置为主端，至少1台高精度时钟同步设备或1块高精度时钟同步模块配置为从端，主端和从端之间采用高精度时钟同步方法，实现从端与主端时间的同步。

图8为本发明的授时系统多级主端、从端设备级联的原理图；如图8所示，授时系统采用多级级联的方式完成授时，每一级可以认为是授时系统中的一个结点，每个结点都包含1台配置为主端的高精度时钟同步设备或1块配置为主端的高精度时钟同步模块和1台配置为从端的高精度时钟同步设备或1块配置为从端的高精度时钟同步模块，每个结点内部主端和从端采用高精度时钟同步方法完成从端与主端时间同步；结点与结点之间也采用高精度时钟同步方法，上一个结点的从端同时作为主端与下一结点相连接，下一个结点的主端同时作为从端与上一结点相连接,结点与结点之间也采用高精度时钟同步方法完成下一结点与上一结点之间时间的同步。

本发明采用改进基于PTP协议授时方法解决了PTP精确时钟同步协议中所存在的多级级联误差累积的问题，采用卫星共视方法对从端从来自主端待时间戳的网络数据中恢复出的秒信号pps_cp进行校正，消除非对称性对从端时间同步的影响。采用改进基于PTP协议授时方法，因从端从来自主端待时间戳的网络数据中恢复出的秒信号pps_cp抖动小，较为稳定，解决了从端与主端之间进行授时同步稳定性的问题，而采用卫星共视方法，因主端与从端之间共视时卫星接收机输出的秒信号的精度较高，解决了从端与主端之间进行授时同步准确性的问题，因此，采用改进PTP授时方法和卫星共视方法相结合的方法，既可以保证从端与主端之间授时同步的准确性，又可以保证从端与主端之间授时同步的稳定性，因而授时精度大幅提高，而且能长时间保持较高的精度，另外，采用高精度测量芯片，直接精确测量出本高精度时钟同步方法中的相位差t2＇、t4＇、t_z、t_c、t_z^’、t_c^’和t_p，从而为从端时间的精确修正提供了保障。采用本发明所述方法，能够实现亚纳秒级授时精度，同时具备很好的应用前景。

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述权利要求为准。