一种基于多种授时信号的时间确定方法、系统和介质与流程

本发明涉及信号处理领域，尤其是涉及一种基于多种授时信号的时间确定方法、系统和介质。

背景技术：

时间确定系统(也称为“时间统一系统”)是提供标准时间信号和标准频率信号以实现整个系统的时间和频率的统一，由各种电子设备组成的一套完整的系统。时间确定系统由授时和用户两部分组成。用户终端装备一般称为时间统一终端设备，或简称为“时统”终端设备。

守时系统建立和保持的时间基准，通过授时系统将代表时间基准的时间信息传送给用户。时统终端设备的作用就是接收授时信号，使自身的时间和时间基准保持同步。部分时统终端设备在此基础上还可以为其它设备提供时间服务。

时间确定系统一般采用分级控制的方式来实现，图1为根据本发明比较例的分级控制流程的示意图，如图1所示，上级节点向下级节点提供时间服务，下级节点和上级节点保持时间同步，其基本拓扑关系示意图如图1所示。其中，一级节点和时间基准保持时间同步，二级节点和一级节点保持时间同步，三级节点和二级节点保持时间同步。实际需要，还可以设置四级节点、五级节点甚至更多级的节点。最终建立一个树状结构的时间确定系统，实现全系统的时间与时间基准同步。

上下级节点之间可以通过光纤双向时间频率传递、ptp(通过sdhe1链路)、网络ptp、网络ntp等地面有线链路实现时间同步，最终实现全系统的时间与时间基准同步。部分节点的时统终端设备也可以直接接收无线授时信号(卫星授时、长波授时、短波授时等)直接实现与时间基准同步。如果某一个节点同时接收无线授时和地面有线链路授时等多路授时信号，这时无线授时和地面有线链路授时等多种授时手段可以相互备份，相互检验时间信息的完好性和正确性。

节点与节点之间的时间同步一般通过部署在上下级节点的时间服务器(timeserver,ts)来实现。ts是各时间同步节点的核心设备。其作用是接收上级节点提供的授时信号，实现和上级节点的时间同步，同时为本级节点和下级节点提供时间服务。

一般而言，除了最末级的节点，其它节点都必须配备ts，因为该节点需要为本级和下级节点提供时间服务。最末级的节点可以配备ts，为本级的其它时统终端设备提供时间服务，也可以不配备ts，仅配备一些其它时统终端设备，这些时统终端设备直接向上级节点的ts进行时间同步。

时间确定系统在电力、金融等领域有成熟的应用案例。在这些领域，各节点的ts一般接收北斗/gps授时这样的无线授时信号，授时信号的数量较少，因此无法利用多路授时信号进行授时完好性检测，时间信息的可靠性不够高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多种授时信号的时间确定方案，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明第一方面提供了一种基于多种授时信号的时间确定方法，所述时间同步方法采用分级控制的方式来同步所述时间。所述分级控制包括：k级节点，k为正整数；i取1时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与时间基准同步；i取2至k的正整数时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与第i-1级节点中对应的节点的时间服务器同步，所述第i级节点中的每个节点中的时间服务器与所述第i-1级节点中对应的节点的时间服务器通过有线授时链路连接。所述时间确定方法包括：步骤s1、各个所述时间服务器接收无线授时信号，并基于所述无线授时信号分别完成各自的自主完好性监测，以确定所述无线授时信号的有效性；步骤s2、从所述无线授时信号和从所述有线授时链路接收到的有线授时信号中，获取多个时间源的时间信息和对应的1pps，所述多个时间源包括来自无线授时信号的时间源和来自有线授时信号的时间源；以及步骤s3、基于所述多个时间源的时间信息和对应的1pps完成各个所述时间服务器的授时完好性监测，作为当前节点的授时完好性信息。

具体地，所述步骤s3具体包括：步骤s31、确定所述多个时间源中的各个时间源的所述时间信息相同；以及步骤s32、确定所述多个时间源中的各个时间源的1pps之间的偏差在阈值范围内。

具体地，所述分级控制还包括至少一台监测服务器，所述监测服务器用于监测业务数据和工况数据。

具体地，所述无线授时信号接入所述分级控制的网络，直接与所述时间基准同步。

本发明第二方面提供了一种基于多种授时信号的时间确定系统，所述时间同步方法采用分级控制的方式来同步所述时间。所述分级控制包括：k级节点，k为正整数；i取1时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与时间基准同步；i取2至k的正整数时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与第i-1级节点中对应的节点的时间服务器同步，所述第i级节点中的每个节点中的时间服务器与所述第i-1级节点中对应的节点的时间服务器通过有线授时链路连接。所述时间确定系统包括：自主完好性监测模块，被配置为，各个所述时间服务器接收无线授时信号，并基于所述无线授时信号分别完成各自的自主完好性监测，以确定所述无线授时信号的有效性；时间源获取模块，被配置为，从所述无线授时信号和从所述有线授时链路接收到的有线授时信号中，获取多个时间源的时间信息和对应的1pps，所述多个时间源包括来自无线授时信号的时间源和来自有线授时信号的时间源；以及授时完好性监测模块，被配置为，基于所述多个时间源的时间信息和对应的1pps完成各个所述时间服务器的授时完好性监测，作为当前节点的授时完好性信息。

具体地，所述授时完好性监测模块具体被配置为：确定所述多个时间源中的各个时间源的所述时间信息相同；以及确定所述多个时间源中的各个时间源的1pps之间的偏差在阈值范围内。

具体地，所述分级控制还包括至少一台监测服务器，所述监测服务器用于监测业务数据和工况数据。

具体地，所述无线授时信号接入所述分级控制的网络，直接与所述时间基准同步。

本发明第三方面提供了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据本发明第一方面的基于多种授时信号的时间确定方法中的步骤。

综上，本发明的技术方案通过采用多路授时信号，兼具授时完好性检测和高精度测量，能够提供准确的时间信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为根据本发明比较例的分级控制流程的示意图；

图2为根据本发明实施例的基于多种授时信号的时间确定方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的分级控制流程的示意图；

图4为根据本发明实施例的各级节点的通信连接示意图；

图5为根据本发明实施例的时间解算与时差测量的原理图；

图6为根据本发明改进实施例的各级节点的通信连接示意图；

图7为根据本发明另一改进实施例的各级节点的通信连接示意图；以及

图8为根据本发明实施例的基于多种授时信号的时间确定系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本发明第一方面提供了一种基于多种授时信号的时间确定方法，所述时间确定方法采用分级控制的方式来同步所述时间，其中：所述分级控制包括：k级节点，k为正整数；i取1时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与时间基准同步；i取2至k的正整数时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与第i-1级节点中对应的节点的时间服务器同步，所述第i级节点中的每个节点中的时间服务器与所述第i-1级节点中对应的节点的时间服务器通过有线授时链路连接。

所述时间确定方法包括：步骤s1、各个所述时间服务器接收无线授时信号，并基于所述无线授时信号分别完成各自的自主完好性监测，以确定所述无线授时信号的有效性；步骤s2、从所述无线授时信号和从所述有线授时链路接收到的有线授时信号中，获取多个时间源的时间信息和对应的1pps，所述多个时间源包括来自无线授时信号的时间源和来自有线授时信号的时间源；以及步骤s3、基于所述多个时间源的时间信息和对应的1pps完成各个所述时间服务器的授时完好性监测，作为当前节点的授时完好性信息。

图2为根据本发明实施例的分级控制流程的示意图。如图2所示，采用分级控制的方式，i取1时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与时间基准同步；i取2至k的正整数时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与第i-1级节点中对应的节点的时间服务器同步。其中，各级节点的(至少)2台ts(时间服务器)的连接关系图如图2所示。各级节点的ts采用光纤时间频率传递、e1链路(ptp)、网络ntp等地面有线授时链路连接，采用地面有线链路授时的方式构建分级控制的时间确定系统。图2中，各节点的ts1和ts1同步，ts2和ts2同步。

图3为根据本发明实施例的各级节点的通信连接示意图。如图3所示，各节点配置至少2台ts，每台ts通过地面有线链路，接收上级节点对应ts提供的有线链路授时信号，实现与上级节点对应的ts同步；同时接收无线授时信号，实现与标准时间同步；2台ts同时为本级节点内的终端和下级节点对应的ts提供时间同步服务。每台ts都具备几十ps量级的高精度测量能力，可以测量各解算模块提供的1pps的时差，为授时完好性检测提供支撑。每台ts都具备2种完好性检测方法。1种是对于无线授时信号的自主完好性检测。1种是通过多路解算模块解算得到的时间信息和1pps时差，综合判断授时信号的完好性。

在一些实施例中，配置至少1台监测服务器，用于运行监控软件，存储所有业务和工况数据。所有设备都接入内部网络，接收监控软件的监控。

图4为根据本发明实施例的ts时间解算与时差测量的原理图；如图4所示，dpll为数字锁相环，gn(z)为采用时间源n时的dpll的传递函数。图中共有7个时间源。实际应用中，还可以增加或减少时间源的数量。ts内部内置时间解算模块，作用是解算出各时间源(光纤时间频率传递、sdhe1链路(ptp)、网络ntp、北斗、gps、长波、另1台ts的irig-b(dc)等)的时间信息(年月日时分秒)和1pps。当采用双向有线链路时，例如光纤时间频率传递、sdhe1链路(ptp)、网络ntp等，模块还可以同时解算出本级节点ts与上级节点对应的ts之间的时间同步偏差。

在一些实施例中，利用所述各个时间服务器中设置的铷钟来同步所述n个级别的节点上的时间。用户可以设置时间源(光纤时间频率传递、sdhe1链路(ptp)、网络ntp、北斗、gps、长波、另1台ts的irig-b(dc)等)的优先级。ts采用dpll的方式，实现内置铷钟和优先级最高的时间源的时间同步。即通过dpll来调整内置铷钟，确保dpll输出的1pps与该时间源的1pps同步。对于不同时间源，dpll的传递函数是不同的。当选择解算模块n输出的1pps，传递函数用gn(z)表示，即当选择不同时间源时，传递函数需要分别进行优化设计。

ts的多通道、高精度的时差测量模块测量得到7个时间源解算得到的1pps与ts的1pps之间的时差。时差测量精度为几十ps量级。主ts的内部存储器可以存储一段时间的时差。图4中，优先级最高的时间源为光纤时间频率传递的授时信号，因此，dpll输出的1pps(即ts的“本秒”)最终与光纤时间频率传递的时间解算模块解算出的1pps保持时间同步。

授时完好性检测包括3个方面：第一、各ts无线授时信号的自主完好性检测，地面双向授时链路的自主完好性检测；第二、各ts利用多种授时信号解算出的时间信息和1pps判断授时完好性；第三、各节点的授时完好性检测。

对于第一，各ts无线授时信号的自主完好性检测，地面双向授时链路的自主完好性检测。

对于无线授时信号，例如北斗、gps等，解算模块可以进行自主完好性检测。但是，任何自主完好性检测算法都存在一定的检测概率和虚警概率。通过自主完好性，基本可以以较大概率来判断北斗、gps授时信号的正确性。

对于光纤时间频率传递、sdhe1链路(ptp)、网络ntp等地面双向有线授时链路，解算模块可以解算出上下级节点之间的时间同步偏差，和理论同步不确定度进行对比，可以判断上下级节点之间是否同步。例如，光纤时间频率传递、sdhe1链路(ptp)、网络ntp的理论同步不确定度分别为2ns(几百公里以内)、5us、100ms，假如采用sdhe1链路(ptp)进行上下级节点的时间同步，解算模块计算得出的同步不确定度为1us，则基本可以判断上下级节点之间是时间同步的。

对于第二、各ts利用多种授时信号解算出的时间信息和1pps判断授时完好性；

当上一个环节，即各ts无线授时信号的自主完好性检测，以及地面双向有线授时链路的自主完好性检测，没有出现完好性异常，基本有较大的把握认为这些通过这些授时方式获取的时间信息和1pps是正确的。在此基础上，还需要各ts利用多种授时信号解算出的时间信息和1pps，进一步判断该ts的授时完好性。

ts的多通道、高精度的时差测量模块测量得到7个时间源解算模块提供的1pps(解调秒)与ts的1pps(本秒)之间的时差。时差测量精度为几十ps量级。ts的内部存储器可以存储一段时间的时差。高精度的时差测量为授时完好性检测提供了技术支撑。

基本原理为：ts获取7路授时信号解算得到的时间信息。假如这7路时间信息都一致，则认为时间信息是正确的。ts获取7路1pps的内部比对结果。假如这7路1pps的偏差在理论范围内，则认为1pps的解算结果是正确的。综上，当时间信息和1pps解算结果都判断为正常时，认为授时信号是完好性。假如ts判断出某一路授时信号的完好性存在异常时，会给出声光报警，并给出操作提示(切换时间源等)。

对于第三、各节点的授时完好性检测。

每个节点需要结合至少2台ts的无线授时信号的自主完好性检测、地面双向有线授时链路的自主完好性检测、多种授时信号解算出的时间信息和1pps授时完好性检测结果，综合判断该节点的授时完好性。假如每台ts上述3方法的授时完好性都没有问题，基本可以认为该节点的时间信息和1pps是可信的。

各节点可以根据实际需求进行相应的完善和改进。

改进实施例一

在某些情况下，1个上级节点需要为多个下级节点提供时间服务。但是，主ts内无法集成太多的光纤双向时间频率传递解算模块和e1链路时间解算模块。这时，可以设计1台光纤双向时间频率传递解算设备和1台e1链路时间解算设备。在这2台设备中，分别根据需求集成n个光纤双向时间频率传递解算模块和n个e1时间解算模块，其作用是为n个下级节点提供e1时间服务。

这时，每个节点的改进设计方案如图5所示，需要增加2台光纤双向时间频率传递解算设备和2台e1链路时间解算设备。其中，1台光纤双向时间频率传递解算设备和1台e1链路时间解算设备分别通过irig-b(dc)码和其中1台ts对应，和该ts保持时间同步，然后分别通过光纤和e1链路向下级节点对应的ts提供时间服务。

改进实施例二

考虑到某些节点对时间自主保持能力的要求较高，而ts内置的铷钟可能无法满足时间自主保持的能力要求。根据实际需求，这些节点还可以增加配置2台铯钟，并增加配置1台时差测量设备。每台ts引出1路1pps连接至时差测量设备，同时每台铯钟引出1路1pps连接至时差测量设备。时差测量设备对各台ts、各台铯钟之间的时差进行实时测量。

这时，每个节点的改进设计方案如图6所示。当该节点处于时间自主保持状态时，根据时差测量设备记录的ts和铯钟的时差，实时调整ts的时差，扣除ts相对于铯钟的时差变化量，通过这种方式提升该节点的时间自主保持能力。

改进实施例三

根据实际需求，每个节点可以在图3所示的基本设计方案的基础上，增加一些设备和功能。例如，每个节点还可以配置时间显示屏或挂钟等。

本发明第二方面提供了一种基于多种授时信号的时间确定系统，所述时间确定系统采用分级控制的方式来同步所述时间，其中：所述分级控制包括：k级节点，k为正整数；i取1时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与时间基准同步；i取2至k的正整数时，第i级节点中的每个节点中的时间服务器与第i-1级节点中对应的节点的时间服务器同步，所述第i级节点中的每个节点中的时间服务器与所述第i-1级节点中对应的节点的时间服务器通过有线授时链路连接。

图8为根据本发明实施例的基于多种授时信号的时间确定系统的结构图。如图8所示，所述时间确定系统800包括：自主完好性监测模块801，被配置为，各个所述时间服务器接收无线授时信号，并基于所述无线授时信号分别完成各自的自主完好性监测，以确定所述无线授时信号的有效性；时间源获取模块802，被配置为，从所述无线授时信号和从所述有线授时链路接收到的有线授时信号中，获取多个时间源的时间信息和对应的1pps，所述多个时间源包括来自无线授时信号的时间源和来自有线授时信号的时间源；以及授时完好性监测模块803，被配置为，基于所述多个时间源的时间信息和对应的1pps完成各个所述时间服务器的授时完好性监测，作为当前节点的授时完好性信息。

具体地，所述授时完好性监测模块803具体被配置为：确定所述多个时间源中的各个时间源的所述时间信息相同；以及确定所述多个时间源中的各个时间源的1pps之间的偏差在阈值范围内。

具体地，所述分级控制还包括至少一台监测服务器，所述监测服务器用于监测业务数据和工况数据。

具体地，所述无线授时信号接入所述分级控制的网络，直接与所述时间基准同步。

本发明第三方面提供了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据本发明第一方面的基于多种授时信号的时间确定方法中的步骤。

综上，本公开提供的技术方案能够监控系统内所有设备的工况、节点与上级节点/下级节点的时间同步状态和时间同步偏差、各节点相对于时间基准的同步偏差等，并形成时间同步态势图。最终，监控软件通过实时监测各节点的时间同步状态和同步偏差，实现对全网的时差态势感知。主要功能包括：

1)将设备工况、本级与上下级节点间时间同步方式(光纤、e1链路、ntp等)和时间同步偏差、ts内部的1pps时差测量结果等存储于监测服务器中，并可以实时读取这些信息。

2)时间态势实时显示。分析并展示全网时间同步态势，包括各节点的设备工作状态、上下级节点间的同步方式、同步状态和时间同步偏差、本节点与时间基准的时间偏差、各节点重要时统终端与ts的同步偏差、告警等信息；可设定各节点的查看权限。最终，各节点的态势同样可以用如图1所示树状结构来显示。

3)授时完好性判断功能。根据ts计算的上下级节点间的时间偏差、ts内部多路时间解算模块解算得到的1pps比对值，给出本节点的授时完好性判断，并给出异常告警或操作提示。

4)运行数据分析功能。根据ts计算的上下级节点间的时间偏差、ts内部多路时间解算模块解算得到的1pps比对值，对本节点的时间信号(ts的输出信号)进行综合分析，包括：ts与时间基准的时间偏差和时间同步精度，上下级节点之间的时间偏差和时间同步精度、频率同步精度、频率准确度、频率稳定度等。

综上，本发明的技术方案通过采用多路授时信号，兼具授时完好性检测和高精度测量，能够提供准确的时间信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。