本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)自動化技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于GPS的高精度時鐘在線校頻與授時的方法。

背景技術(shù)：

晶振時鐘會受到器件老化、環(huán)境溫度和短期擾動等因素影響，器件老化是指晶體和振蕩電路長時間工作時引起的時鐘漂移，環(huán)境溫度變化引發(fā)晶振內(nèi)部電路特性隨溫度變化而改變，形成溫度漂移，短期擾動則是晶振時鐘每次輸出時的隨機(jī)變化。在這些影響中器件老化是不可逆的趨勢變化，溫度漂移是可逆的階段性變化，晶振隨機(jī)擾動很小，一般可以忽略，因此晶振時鐘穩(wěn)定度較高，而準(zhǔn)確度會受到時間與環(huán)境的影響。目前基于GPS與晶振的授時方案提高了GPS時鐘精度，也保存了GPS失步時的授時精度，但均忽略了測量值間的頻率變化，即將某時間段內(nèi)晶振的計(jì)數(shù)值直接作為時間值，而沒有考慮此段時間內(nèi)晶振頻率漂移造成的時間偏差，當(dāng)晶振頻漂較大或測量值間隔較長時，模型準(zhǔn)確性也將下降。針對上述問題開展基于GPS的高精度時鐘在線校頻與授時方案的研究，可為廣域測量、故障測距等應(yīng)用提供精確時標(biāo)，滿足電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在線廣域授時要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于GPS的高精度時鐘在線校頻與授時的方法，能夠在晶振頻漂較大或測量值間隔較長的情況下，保持模型準(zhǔn)確性。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種基于GPS的高精度時鐘在線校頻與授時的方法，提供主控模塊、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、GPS高精度校頻模塊、相位估計(jì)模塊、秒脈沖生成模塊、倍頻模塊、鑒相器；具體包括以下步驟；

步驟S1：校頻：所述GPS高精度校頻模塊通過量測GPS有效時秒脈沖GPS_PPS間的高頻時鐘計(jì)數(shù)值，估計(jì)當(dāng)前高頻時鐘的精確頻率并實(shí)現(xiàn)校頻；

步驟S2：授時：所述秒脈沖生成模塊根據(jù)頻率校正值和相位估計(jì)差生成新的秒脈沖GEN_PPS實(shí)現(xiàn)授時功能；鑒相器跟蹤GPS_PPS與GEN_PPS的相位差，所述相位估計(jì)模塊估計(jì)GEN_PPS與國際協(xié)調(diào)時間UTC的時間差，并反饋給所述秒脈沖生成模塊進(jìn)行校正；

步驟S3：倍頻：所述倍頻模塊根據(jù)頻率校正值將GEN_PPS倍頻到1MHz，實(shí)現(xiàn)微秒級時鐘輸出。

進(jìn)一步地，所述步驟S1具體包括以下步驟：

步驟S11：采集測量值N_k，在N_k有效的前提下令頻率估計(jì)值f_k-1＝N_k；

步驟S12：判斷是否第N+n個測量值，若否，則返回步驟S11；若是，則進(jìn)入步驟S13；

步驟S13：采用廣義最小二乘估計(jì)模型估計(jì)得到頻率估計(jì)值y_k，其中所述廣義最小二乘估計(jì)模型為：

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分別為成形濾波器的系數(shù)，y_k＝ln(N_k)，x_k＝k，v_k為噪聲序列，Υ_k為白噪聲序列，k為鑒相器計(jì)數(shù)值；

步驟S14：再次采集測量值N_k，在N_k有效的前提下，更新第N+n個測量值，并返回步驟S13。

進(jìn)一步地，本發(fā)明根據(jù)晶振模型與GPS時鐘模型互補(bǔ)的特性設(shè)計(jì)授時方案，增加數(shù)字鎖相環(huán)改善信號跟蹤性能，并利用恒溫晶振可進(jìn)一步提高GPS正常時的授時精度，而由現(xiàn)場可編程門陣列FPGA搭建的實(shí)現(xiàn)方案則提高了GPS異常時的授時精度。本發(fā)明重構(gòu)互補(bǔ)回歸模型，根據(jù)GPS時鐘與晶振時鐘的不同特性，建立互補(bǔ)時鐘的廣義回歸模型，并利用廣義最小二乘法對晶振頻率進(jìn)行估計(jì)，算法修正了已有回歸模型中因量測值頻率漂移而造成的誤差，實(shí)現(xiàn)了在晶振頻率漂移較大或量測值間隔較長時的精確估計(jì)，在此基礎(chǔ)上生成可與UTC同步的授時秒脈沖，通過相位補(bǔ)償算法，校正生成秒脈沖與UTC秒脈沖的相位差，實(shí)現(xiàn)精確授時，并給出高精度時鐘在線校頻與授時實(shí)現(xiàn)方案，包括GPS接收模塊、主控單元模塊、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、GPS高精度校頻模塊、相位估計(jì)模塊、秒脈沖生成模塊、倍頻模塊、輸入輸出執(zhí)行模塊等組成。高精度時鐘在線校頻與授時功能在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)，晶振時鐘(50MHz)由數(shù)字鎖相環(huán)倍頻到高頻時鐘(250MHz),

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在GPS信號異常時改用恒溫晶振授時，在GPS失步12h后，授時誤差不超過50us；可實(shí)現(xiàn)在GPS接收正常時授時誤差不超過0.1us，丟失GPS信號6h溫補(bǔ)晶振授時誤差不超過55us。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中高精度時鐘在線校頻流程圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中相位誤差估計(jì)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種基于GPS的高精度時鐘在線校頻與授時的方法，提供主控模塊、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、GPS高精度校頻模塊、相位估計(jì)模塊、秒脈沖生成模塊、倍頻模塊、鑒相器；具體包括以下步驟；

步驟S1：校頻：所述GPS高精度校頻模塊通過量測GPS有效時秒脈沖GPS_PPS間的高頻時鐘計(jì)數(shù)值，估計(jì)當(dāng)前高頻時鐘的精確頻率并實(shí)現(xiàn)校頻；

步驟S2：授時：所述秒脈沖生成模塊根據(jù)頻率校正值和相位估計(jì)差生成新的秒脈沖GEN_PPS實(shí)現(xiàn)授時功能；鑒相器跟蹤GPS_PPS與GEN_PPS的相位差，所述相位估計(jì)模塊估計(jì)GEN_PPS與國際協(xié)調(diào)時間UTC的時間差，并反饋給所述秒脈沖生成模塊進(jìn)行校正；

步驟S3：倍頻：所述倍頻模塊根據(jù)頻率校正值將GEN_PPS倍頻到1MHz，實(shí)現(xiàn)微秒級時鐘輸出。

在本實(shí)施例中，所述步驟S1具體包括以下步驟：

步驟S11：采集測量值N_k，在N_k有效的前提下令頻率估計(jì)值f_k-1＝N_k；

步驟S12：判斷是否第N+n個測量值，若否，則返回步驟S11；若是，則進(jìn)入步驟S13；

步驟S13：采用廣義最小二乘估計(jì)模型估計(jì)得到頻率估計(jì)值y_k，其中所述廣義最小二乘估計(jì)模型為：

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分別為成形濾波器的系數(shù)，y_k＝ln(N_k)，x_k＝k，v_k為噪聲序列，Υ_k為白噪聲序列，k為鑒相器計(jì)數(shù)值；

步驟S14：再次采集測量值N_k，在N_k有效的前提下，更新第N+n個測量值，并返回步驟S13。

特別的，在本實(shí)施例中，校頻算法要求算法盡量簡化，且估計(jì)對象為時鐘短時模型，序列確定性趨勢變化平穩(wěn)，因而采用確定趨勢模型分析。確定趨勢分析直接建立在非平穩(wěn)時間序列基礎(chǔ)上，利用最小二乘和極大似然等優(yōu)化算法估計(jì)確定性趨勢模型。引入白化濾波器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，將相關(guān)噪聲轉(zhuǎn)換為白噪聲，進(jìn)而采用普通最小二乘法得到模型參數(shù)。時鐘頻率的穩(wěn)定度通常由阿倫方差表征，交疊式阿倫方差的計(jì)算公式為

f₀為晶振額定頻率，m為數(shù)據(jù)長度，{ε_k}為時鐘偏差序列。由分析已知互補(bǔ)時鐘模型為

可計(jì)算出序列{1+ε_k-ε_k-1}的自相關(guān)系數(shù)：

可見量測值N_k與時鐘頻率估計(jì)值f_k之商的自相關(guān)系數(shù)也應(yīng)滿足，時鐘頻率估計(jì)值越逼近真實(shí)值，該自相關(guān)系數(shù)的1階截尾特性越顯著，p(1)的值越接近-0.5，因此互補(bǔ)時鐘頻率的準(zhǔn)確度可由自相關(guān)系數(shù)的特性表征。

對于有限樣本序列{u₁,u₂,···,u_N},其自相關(guān)系數(shù)可計(jì)算如下：

由于序列的樣本數(shù)量N不可能無限大，不相關(guān)樣本的自相關(guān)系數(shù)也不可能完全為0，因此若自相關(guān)函數(shù)滿足

則為0的概率為95％，即接受樣本不存在相關(guān)性的假設(shè)。

為滿足在線實(shí)時校頻的需求，頻率估計(jì)基于較短時間范圍，同時考慮到晶振特性變化近似為線性，本實(shí)施例設(shè)計(jì)廣義最小二乘估計(jì)模型為：

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為噪聲序列，γ_k為白噪聲序列。

算法獲取N+n個有效量測值之前，令頻率估計(jì)值等于量測值，當(dāng)量測數(shù)據(jù)量達(dá)到N+n個，應(yīng)用廣義最小二乘估計(jì)得頻率估計(jì)值，再次采集到有效量測值后，使新數(shù)據(jù)成為N+n個數(shù)據(jù)中的首數(shù)據(jù)，并去掉末尾數(shù)據(jù)，以保持?jǐn)?shù)量不變，循環(huán)估計(jì)互補(bǔ)時鐘模型，實(shí)現(xiàn)頻率的實(shí)時跟蹤，如圖2所示。

通過基于GPS的時鐘校頻算法獲得晶振時鐘的準(zhǔn)確頻率后，授時模塊即可由晶振時鐘生成與UTC秒脈沖同步的脈沖信號GEN_PPS，如圖3所示，假設(shè)晶振頻率估計(jì)值為理想值，則生成秒脈沖GEN_PPS與UTC秒脈沖完全同步，而由于UTC秒脈沖不可見，GEN_PPS在生成時必然會存在與UTC秒脈沖的相位差a，為消除該相位差，利用鑒相器記錄GEN_PPS與GPS_PPS的相位差序列{q_k}。通過計(jì)算可獲得相位誤差a的值，理想狀態(tài)下，初始相位誤差只需校正1次即可，實(shí)際上由于晶振頻率估計(jì)值不可能完全準(zhǔn)確，極小的頻率估計(jì)誤差在長時間運(yùn)行時也將累計(jì)出較大相位誤差，因此相位誤差校正需每隔若干時間進(jìn)行一次，以保證生成秒脈沖的授時精度。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。