GPS时钟同步系统（精选7篇）
GPS时钟同步系统 篇1
1 引言
随着电网规模的日益扩大, 微机保护和其它自动装置经长时间运行后其时钟累计误差不容忽视, 从而使得各种装置的时间失去同步, 进而影响各自动化装置的正常工作, 给电力系统安全稳定运行带来危害。
本文介绍了全球定位系统GPS及其在电网中的应用情况, 对其安装工艺及维护常见问题进行了简要说明。
2 GPS全球定位系统
2.1 GPS系统简介
GPS是美国新一代卫星导航系统, 可全天候连续实时向用户提供高精确度的位置、速度和时间信息, GPS系统包括空间、地面控制及用户设备三个部分。
空间部分即卫星星座, 每秒钟通过L1、L2两个波段发射三种伪随机码:C/A码 (粗码) 、P码 (精码) 和Y码 (加密的P码) 。C/A码一次定位精度25m, 多次定位精度8m, 定时精度100ns, 全世界都可以无偿使用;P码一次定位精度10m, 多次定位精度可以达到厘米级, 定时精度10ns, 只能美国及盟国军事和授权的民用部门使用。
地面控制部分即地面监控系统, 每颗GPS卫星所播发的星历, 是由地面监控系统提供的。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统, 这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差, 然后由地面注入站发给卫星, 卫星再由导航电文发给用户设备。
用户设备部分即GPS信号接收机, 其任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号, 并跟踪这些卫星的运行, 对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理, 以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间, 解译出GPS卫星所发送的导航电文, 实时地计算出测站的三维位置, 甚至三维速度和时间。
2.2 GPS在电力系统中的应用
目前GPS主要用校验时钟, 如全网的继电保护装置、故障录波装置、其他自动装置及调度自动化系统都留有GPS接口, 这些接口和GPS信号接收机连接, 装置内部有自动校时程序, 每隔固定时间将装置本身时钟和GPS时钟作一比较, 时间差超过某规定值时, 自动以GPS时钟为准, 修改装置时钟 (校时步长、时间差由校时程序给定) 。这样, 全网的保护装置及自动装置都具有统一时钟, 准确记录每次事故的时间, 以便事故调查, 并准确定性。
3 GPS安装及维护
3.1 变电站GPS系统配置
变电站GPS时间同步系统由标准时间同步钟本体和时标信号扩展装置组成。
以某500k V变电站为例, 该站采用南汇生产的NH-9000型时间同步系统, 实现与全站各种二次系统的统一对时。主时钟柜设于220k V#2小室, 在220k V#2小室和其它保护小室内均设置了一块扩展时钟柜。主时钟柜有两种时间同步系统输入, 即GPS主时钟和北斗主时钟互为备用, 主时钟柜负责接收GPS及北斗天线时钟并通过两根光缆将GPS及北斗天线时钟信号送至各扩展时钟柜, 各扩展时钟通过输出接口模块将时钟信号送至站内不同的测控、保护、录波、PMU等各类二次设备。任意一个小室的扩展时钟出问题均不影响其他小室对时, 故采用这种方式系统可靠性更高。
3.2 GPS系统安装注意事项
GPS系统相对保护装置来说回路简单, 安装过程侧重于天线安装工艺、各类缆线的规范标识、装置上电调试等工序。
3.2.1 天线安装
天线是GPS的接收器, 它的安装工艺会影响GPS系统时间的正确性, 必须通过各种措施来实现GPS系统天线接收信号的完整正确:天线必须保证有足够的视野来接收GPS信号, 安装的最佳位置应该是在它的上空与水平线呈45度角以外无障碍物的地方, 避免安装在变电站进出母线下, 减少强磁电对天线卫星接收的影响;天线高出屋面距离不要超过正确安装必须的高度, 尽可能减少雷击危险;对可能出现腐蚀和与墙壁发生摩擦的天线的传输线裸露部分尽可能使用海绵、泡沫等软物体裹住裸露部分;天线施放的时候, 需注意把天线连接装置的BNC连接头用塑料带及绝缘胶布可靠包裹, 避免安放过程中造成损坏, 影响天线收星效果, 且BNC连接头要配防雷器, 防止雷电串入GPS装置;天线的传输线不能弯折, 尽量呈弧度放线, 传输线放线在主控室内的电缆层时, 要用扎带将它固定住, 传输线到达屏柜后进入放线槽, 需用扎带固定在放线槽内。
3.2.2 各类缆线整理及标示
GPS屏柜内缆线主要包括电源电缆、至公用测控柜的装置信号电缆、GPS时钟信号输出电缆、主时钟柜与扩展时钟柜之间的联络光缆等, 为便于今后维护, 必须对各类缆线进行规范的整理及标示。
各类电缆、光缆应排列整齐, 不宜交叉, 及时加以固定, 均可按照电缆吊牌标示规范进行挂牌, 即标明电缆编号、电缆型号、起点、终点即可。
为便于今后对光纤通道进行维护, 光缆应按进终端盒的顺序起从左到右标记, 尾纤的标记顺序也应从左到右排列, 当光缆熔接完成后应马上贴上对应的标签纸, 使装置跳线与光缆尾纤一一对应起来, 一般将每根光缆的前两根尾纤做为工作尾纤, 后两根做为备用。
3.2.3 上电调试
装置通电后, 首先检查主时钟屏是否正确接收到卫星, 然后检查屏内信号输出是否无误, 最后检查保护小室需对时装置的对时信号是否正常。
在检测GPS装置的输出时, 需先用万用表直流电压档来测试各个端子信号输出电平。如电平输出无电压, 则确定此输出是无源脉冲, 无源脉冲可用自制的脉冲信号灯直接观察, 正常显示为一秒闪一次, 脉冲信号测试仪只可测试无源脉冲, 不能测试其他信号, 以免造成对装置的损坏。有源脉冲及其B码对时信号可用万用表直流电压档检查电压是否一秒有一次变化:有源脉冲用万用表直流档测试为每秒一个电压变化, 如24V有源脉冲电压每秒都会从24V跳动一下;B码信号电平用万用表直流档测量为一个-0.5到-2.0之间不停变化的值。串口则先用直流档测试其电压是否正常, RS232电压为9V左右, RS485电压为4V左右;电压正常后可通过串口连接线与笔记本相连, 串口连接线GPS装置端9针口的3、5端, 接收装置 (笔记本或其它需对时装置) 为9针口的2、5端, 通过串口调试助手, 测试其报文输出是否正常。如GPS装置各时间信号输出无误, 而保护装置还是对时不成功, 则可查看保护装置的对时方式是否有误, 保护装置是否需添加外置模块等。
3.3 GPS系统维护常见问题
根据近年来对GPS缺陷出现情况进行的统计来看, 一般存在以下几类:
(1) 接触不良:电源线接触不好导致GPS装置运行不正常闪屏或GPS输出信号线接触不好导致装置对时不准;
(2) 天线中断:天线外露部分被咬断或腐蚀, GPS主时钟屏面板不显示接收到的卫星数, GPS装置报天线告警、后台报GPS异常;
(3) 信号不稳:光纤熔接耦合度不好或天线焊接不好运行1-2年后信号衰减, 均会导致此类现象发生;
(4) 装置老化:GPS装置运行年限过长, 内部元器件失效造成无法运行。
针对第一类缺陷紧固二次接线即可恢复, 在安装过程中一定要做好紧螺丝的工作, 同时也要注意对厂家内部配线也要紧固一遍。第二类缺陷需要重新敷设天线, 并做好天线外露部分的防腐蚀及小动物噬咬措施。第三类缺陷就要在尾纤熔接请工艺水平高的人员进行, 使耦合度满足运行要求, 光纤通道标识必须规范, 这将为今后更换备用尾纤及重新熔接提高方便;因厂家发货时已是将天线头可靠焊接的, 尽量不从中减断天线重新焊接, 如天线确实较长, 可将其盘绕整理好即可, 这样就可避免天线焊接不好造成信号衰减的现象出现。第四类缺陷, 联系GPS厂家对坏的模块进行更换即可恢复。
4 结语
随着电力系统往大容量大网络方面的不断发展, 以及自动化水平的不断提高, 电网对统一标准时间提出了更高的要求。GPS系统由于其高精度的定时功能, 将成为电力系统主要的对时方式, 同时也将为电力系统的发展奠定坚实的基础。
摘要：随着电网规模的日益扩大, 建立一套统一的时钟同步系统对全网所有设备进行对时意义重大。本文介绍了GPS时钟同步系统及其在电力系统中的应用情况, 并对GPS系统安装及维护过程中的一些注意事宜进行了阐述。
关键词：GPS时钟同步系统,安装,维护
参考文献
[1]张晓飞.GPS同步时钟系统技术在电力系统中的应用分析.广西电力, 2009, (4) :78-83.
[2]湖南南汇电气公司.GPS基础知识.2010.
[3]乐林, 王小珞.GPS时钟在电力系统中的应用分析.水利电力科技, 第26卷, (1-2) :48-49.
GPS时钟同步系统 篇2
关键词：分布式同步测量系统,GPS同步时钟,载波电源
0 引言
中国电力系统大区域互联和负荷的不断增长,对电力系统参数的实时同步测量提出了更高的要求。目前电力系统的实时监测主要是基于远程终端单元(RTU)的数据采集与监控(SCADA)系统和基于相量测量单元(PMU)的广域测量系统(WAMS)[1,2,3,4,5]。SCADA系统中,不同地点间的RTU缺乏高精度时钟信号,难以用于全系统的动态特性分析,而PMU受制于技术和经济方面的原因,现在还难以在系统中全面配置。
文献[4]提出一种基于全球定位系统(GPS)和以太网时间同步技术的同步化RTU(又称为同步测量单元(SMU))的设计方法,为解决上述矛盾提供了一种可行方法。SMU引入GPS同步时钟,结构介于RTU与PMU之间,可以兼顾两者的优点。与PMU相比,SMU不提供故障侦测、录波以及大规模数据缓存等功能,结构简单,具有更好的经济性。
本文以SMU为基础构建了基于GPS同步时钟载波电源的分布式同步测量系统(DSMS),其主要特点是监控终端子站(变电站、电厂等)内的各SMU的工作电源和高精度同步时钟信号由一独立的被加载了GPS时钟信号的同步时钟载波电源模块统一提供。这一改进不但简化了SMU的结构(省去了电源模块和GPS接收器),降低了成本,而且可使终端子站内的DSMS布局更加紧凑、灵活、合理。
1 DSMS的结构与特点
本文提出的基于GPS同步时钟载波电源的DSMS结构原理如图1所示。
DSMS主要由GPS同步时钟载波电源模块、现场信息SMU以及连接二者的载波电源传输线3部分构成。其中:GPS同步时钟载波电源模块相对独立,实现GPS时钟信息与SMU工作电源的载波合成,并通过载波电源传输线传送给安装在监控终端子站(变电站、电厂等)范围内的各SMU;现场SMU通过内置的解调模块,从载波电源合成信号中解调出其运行所需的工作电源和高精度同步时钟信号,因此无需另配工作电源模块和GPS接收器,即可实现对全网相量的高精度同步测量。
显然,采用这种基于GPS同步时钟载波电源的DSMS结构,不但有效降低了现场SMU的硬件配置和成本(省去了工作电源模块和GPS接收器),而且可灵活地对终端子站监控范围内的SMU配置进行调整、扩展,从而使整个DSMS布局更加紧凑、合理。
2 GPS同步时钟载波电源模块
GPS同步时钟载波电源模块由直流电源、GPS同步时钟电路和载波调制电路3部分构成(见图1)。其中:GPS同步时钟电路产生高稳定、高精度(±1 μs)的GPS同步时钟信号(秒脉冲(1PPS)和协调世界时间(UTC)时钟信息);载波调制电路将GPS同步时钟信号调制成MHz级载波信号,并在直流电源出口处通过载波信号合成变压器加载到电源传输线路中送往现场SMU。载波电源传输线路需选用同轴电缆或带屏蔽网的双绞线,以减小高频载波信号对外辐射和避免外部信号对载波信号的干扰。
2.1 GPS同步时钟电路
稳定的高精度同步时钟是SMU功能实现的基础。GPS时钟信号具有极高的精度,但在轨道卫星进行实验或失锁等情况下,其可靠性与精度将不能得到保证,因此,必须考虑GPS时钟脉冲及其信息可靠性问题[4,6,7]。图2给出一种基于GPS接收器的同步时钟电路结构,由GPS接收器、守时钟电路和处理器等构成。其中处理器判断GPS接收器输出的信号是否有效(即轨道同步卫星是否失锁)输出UTC时钟信息,并选择守时钟电路的输出。轨道同步卫星未失锁时处理器输出UTC时钟信息,控制守时钟电路直接转发GPS接收器的1PPS信号并对其进行跟踪,否则守时钟电路输出锁定的同步1PPS信号,处理器修正输出UTC时钟信息。
守时钟电路的核心是高稳定度、高精度数字锁相环(PLL),可用高精度高稳定晶振和可编程逻辑芯片等构成[8]。它能在处理器控制下,在GPS接收器输出的1PPS信号有效时进行同步跟踪,无效时输出判断失效时锁定的同步1PPS信号,从而能够在有限时间段内确保GPS同步时钟电路输出的1PPS信号的同步精度在±1 μs范围内。
2.2 信号调制与解调电路
本文中1PPS和UTC信号均采用频移键控(FSK)调制。在满足1PPS信号(占空比为20%)和UTC时钟信号(波特率为9 600 bit/s)能够成功调制解调的同时,考虑到低频信号传输延迟较大,而高频信号传输时辐射较大且容易产生驻波,并避开通信频带减小对传输线路所经区域通信的干扰,本文中1PPS和UTC时钟信号分别采用1 MHz和0.1 MHz脉冲序列进行调制。下文以1PPS信号的调制、解调为例进行说明。调制、解调电路的结构如图3所示。
图3(a)调制器电路中,GPS接收器输出的1PPS信号经非门后,再与振荡源产生的1 MHz脉冲序列信号经与门后经T1管驱动载波信号合成变压器,使信号耦合到电源线路中。图3(b)中的解调器电路由调谐电路、高频放大、检波和信号还原4个环节组成。1PPS已调信号在调谐回路L1、C1中发生谐振,耦合变压器次级的高频信号由高频管T2放大和D1、C2检波,然后由单稳电路将信号还原为标准1PPS信号。
3 SMU核心处理电路
3.1 SMU核心处理电路的结构原理
SMU核心处理电路主要由A/D采样模块、同步采样控制模块、同步时标形成模块、信号处理模块、通信模块和10 kHz脉冲生成模块6部分组成,如图4所示。其中:A/D采样模块由信号调理电路和A/D转换器组成,负责信号调理和采样;同步时标形成模块产生基于GPS的同步采样时标,时标间隔也可根据需要自由设定;同步采样控制模块用于控制A/D的采样方式,并为CPU提供采样启动信号;信号处理模块由CPU和人机界面(MMI)2部分构成,CPU负责测量数据处理,MMI用于本地设置;通信模块主要是以太网接口,用于SMU与主站通信;由于GPS同步时钟载波电源中未载入GPS的10 kHz脉冲信号,在电路中设计了10 kHz脉冲生成模块,所产生的10 kHz脉冲每隔1 s与1PPS信号强制同步一次。
3.2 同步信号发生模块
目前的信号同步采样方式主要是定时间间隔采样和自适应采样。定时间间隔采样对硬件要求不高,且易于全局同步,但需采用软件方法跟踪信号频率的变化,大大增加了CPU的负担;自适应采样获得的采样数据可以直接处理,但需要比较复杂的电路跟踪被测信号的频率变化,增加了硬件成本。为适应2种采样方式的不同需要,本文采用现场可编程门阵列(FPGA)功能逻辑芯片设计2种采样方式以供选择,简化电路的同时加强了控制功能,如图5所示。
FPGA接收并准确识别10 kHz脉冲和1PPS信号[9],确认后给各路A/D转换器发送高精度的同步采样脉冲。为防止1PPS信号失效时,造成SMU的采样脉冲同步误差增大,CPU应提供1PPS信号软同步信号,若1PPS信号有误,CPU通过MMI告警,并启用软同步信号。为保证精确性,采样脉冲发送时刻要与1PPS信号上升沿严格同步。
2种同步采样模式的选择由CPU发出的采样脉冲控制:①10 kHz脉冲在FPGA中分频,产生定时间间隔采样脉冲。此时,需由CPU采用软件方式实现对系统频率的跟踪。②在电路内部设计了PLL,用于跟踪被测信号频率,生成自适应采样脉冲。uA,B,C为三相交流电压信号叠加,用以保证PLL正常工作[10]。
3.3 同步时标形成模块
IEEE Std 1344—1995(R2001)标准规定了3种可供选择的时标同步方式,即以离散傅里叶变换(DFT)数据窗的首、中或末点为时标同步采样点的时标同步方式[11]。本文设计中由于采样环节与同步时标产生环节互不干扰,可实现同步时标的自由设定。
同步时标形成模块由计数器B及单稳电路1,2等构成(见图4)。其工作原理如下[12]:1PPS信号经过单稳电路1形成“整秒同步时标”脉冲信号P1(负脉冲),送往CPU形成整秒同步时标中断;10 kHz信号经计数器B分频和单稳电路2形成周期为TDFT(设定的周期同步间隔,与1PPS信号周期间隔成整倍数关系,如20 ms)的“周期同步时标”脉冲信号P2(负脉冲),送往CPU形成周期同步时标中断,同时复归计数器B使其实现计数值重载并按TDFT周期重新开始计数。
UTC时钟信息直接经过RS-232串口送给CPU。由于UTC时钟信息大约提前1PPS信号40 ms开始发送并在1PPS信号出现之前发送完毕,因此CPU能够在响应整秒同步时标中断之前及时接收并处理完毕与之关联的UTC时钟信息,从而在响应整秒同步时标中断时准确标定整秒同步采样的时标信息。由于10 kHz脉冲与1PPS信号严格同步,且周期数据窗宽度TDFT与1PPS信号周期成整倍数关系,因此,微处理器在响应周期同步时标中断时同样能够准确标定周期同步采样的时标信息。
4 同步时钟载波电源的硬件实现
4.1 试验结果
本文所提出的GPS同步时钟载波电源已研发成功,并在30 m长的双绞线上成功进行了试验验证,其中直流电源采用+24 V的电源。图6给出了1PPS信号调制前、调制后及解调后的试验录波图。从图6中可以看出,1PPS信号解调后的波形与调制前保持了很好的一致性。
解调器中的LC谐振回路带宽窄(频率通带在[(f0-0.15) MHz,(f0+0.15) MHz]范围内),对调制后信号有较好的选通作用,有效抑制了两信号通道间的相互干扰。图7为谐振频率为1 MHz的解调器谐振回路的幅频特性(f0处信号幅值记为1)。
4.2 通信时延对相量同步测量的影响与修正
从图6(b)可以看出,终端SMU处解调后的1PPS信号较GPS发出的1PPS信号存在一定的时延Δti,该值与调制/解调器、电源载波线等硬件特性参数有关,硬件确定后基本不变,因此可在安装完成后通过试验测得。
试验表明,Δti一般不超过1 μs且主要影响同步相量的相角测量精度(对幅值测量精度影响甚微),因此必须对SMU测得的同步相量相角值进行修正。具体修正方法在文献[12]中有详细描述,不再赘述。
5 同步时钟载波电源的同步校核方案
由于同一监测终端子站内所有SMU的同步时钟信号由1个GPS同步时钟载波电源统一提供,所以校时只针对GPS同步时钟载波电源即可,简单方便。
本文采用软件校时方案,即在SCADA数据中心(或者指定的站点)设置以太网校时服务器,用于GPS同步时钟载波电源的时间校核;并在电源中提供利用以太网作为时间同步的软同步信号通道。以太网传输存在不确定的延迟误差。根据高精度校时协议(PTP)[13],主机先后向从机发送“时间同步开始”报文和“时间同步开始时刻”报文,从机记录2次接收报文的时刻和时间同步开始时刻,可测得网络传输延迟时间,以此提高从机时差的校核精度。
6 结语
尽管理论上WAMS完全可替代现有的SCADA系统,但在目前经济技术水平下这样做并不现实,在相当长的时间内只能是SCADA和WAMS这2种系统并存。基于GPS同步时钟载波电源的DSMS测量数据与WAMS数据具有相同的时间坐标,使得基于WAMS/SCADA混合量测的电网参数辨识与估计更加简单,具有极高的实用价值。
DSMS主要特点是监控终端子站(变电站、电厂等)内各SMU的工作电源和高精度同步时钟信号由一独立的被加载了GPS时钟信号的同步时钟载波电源模块统一提供;SMU提供2种同步采样模式供选择,同步时标可根据需要自由设定,与PMU相比自身结构更紧凑,应用更灵活,可与RTU一样广泛布置而不用考虑布点问题。如果能在SCADA系统的维护过程中,逐步用SMU替代原有的RTU,形成DSMS,将为电力系统状态估计、安全预警乃至广域控制保护等提供更精确可靠的数据支撑平台。
GPS时钟同步系统 篇3
从过去到现在直至将来,在人类认识和征服海洋的过程中,总会发生各种各样的事故和灾难,包括飞机海上失事和潜艇水下失事等。此时,需要对失事飞机或潜艇进行快速而有效的搜救,因此对失事声信标进行快速而准确的定位则成为当务之急。
2 定位系统构成和同步需求
水下失事声信标快速定位系统主要由GPS卫星,声纳浮标,基站控制中心和水下失事声信标(即失事目标)构成,并通过水声通信链路,无线通信链路和GPS通信链路进行联系。定位系统工作模型如图1所示:在海面布放n个浮标,通过GPS接收机获取各浮标基元的精确位置信息,通过水声技术测量失事信标声信号到达浮标基元的时间,再将相关数据由无线通信链路传到基站控制中心,最后在控制中心通过相应的算法解算出失事声信标的位置[1]。
定位系统的系统工作周期为1s,由GPS的高精度时钟实现各个子系统的同步工作。包括对由基站与浮标构成的无线通信网络的同步,同步在Windows平台实现;对各个浮标上水声信号时间测量的基准时钟同步,同步在DSP平台实现。
3 GPS接收机的时钟同步
GPS系统是靠统一的GPS时间基准来维持系统运转,该时间基准是通过地面原子钟实现的。GPS卫星上安装有原子钟,通过地面监测站的连续跟踪观测,计算出卫星钟的钟差改正数,并通过星历实时播发,实现地面原子钟组GPS时间基准向GPS卫星的传递[2]。
GPS接收机一般采用石英晶振维持系统的时间,稳定性较差,所以在GPS定位中通常将接收机钟差作为未知数进行解算。当GPS接收机同时接收多个GPS信号,完成定位的同时,可以解算出当前的输出时间偏差,进而可以对接收机时钟进行修正,实现GPS时间基准向GPS接收机的传递。当多台GPS接收机同时完成定位和实现GPS时间基准向接收机的传递时,由于采用同一个时间基准,隐含的实现了不同接收机之间的时钟同步。
GPS时间基准传递如图2所示。
定位系统采用的是NovAtel公司的DL-4plus系列GPS接收机。接收机提供两个RS232串口,用于数据信息输出。输出格式如图3所示。
GPS接收机每隔一秒钟发送一次1PPS(秒脉冲)信号,信号脉宽1ms,GPS的时间位置信息相对于秒脉冲延时10ms左右。其中,1PPS信号的时间同步精度为50ns,完全可用于定位系统工作周期的时钟同步。
4 无线通信链路的同步实现
定位系统的无线通信链路是一点(基站)对多点(浮标基元)的星形网络结构,采用TDMA模式进行工作。TDMA模式的关键是设计严格的通信时隙图,如图4所示。
由图4可看出,TDMA通信时隙的实现主要包括两部分的内容:①各个通信时隙同步头之间的同步触发;②各个基站时隙和浮标时隙的定时分配。
其中,同步头是通过GPS的高精度时钟来触发的。GPS接收机每隔一秒由串口的RTS引脚发送一次1PPS信号,无线通信链路就是利用该1PPS去触发计算机产生中断,进而通过通信控制软件程序来完成各浮标通信时隙同步头的时钟同步。
通信控制的软件程序是在Windows平台上运行的。在Windows环境下,应用程序基于消息循环机制来运行,当CPU被一个进程占用时,消息队列中的其他消息会被挂起,得不到及时响应,会影响定时精度;而且Windows操作系统完全接管了各种硬件资源,屏蔽了应用程序对大部分硬件接口的访问(包括对串口中断的访问),这就使得在Windows下利用硬件编程实现精确定时变得困难。
定位系统是在VC环境下,通过Windows的串口通信函数来获取串口的GPS秒脉冲中断事件,通过Windows多媒体定时器来实现通信时隙的定时分配。由于软件程序是基于消息循环机制运行的,因此定时的精度不高。但在定位系统通信链路的通信能力远大于通信需求的情况下,此时通信链路对定时精度的要求不高,定时方案能够满足要求。
在VC++ 6.0环境下,利用串口通信常用方法有两种[3]:
(1)调用Windows API 函数;
(2)使用ActiveX 的MSComm 控件。
为了时钟同步的实现简便,采用方法2)进行串口通信。
通信控制软件程序的GPS时钟同步具体流程如图5所示:软件程序启动串口监视线程。当GPS接收机通过串口的RTS引脚发送1PPS信号时,监测到串口发生CommEvent通信事件。此时,程序检查CommEvent通信事件属性,若为CommEvCTS事件,则判断通信事件为GPS的1PPS同步触发。进而启动Windows计时器(采用Windows的多媒体定时器,定位精度1ms),进行各个基站时隙和浮标时隙的定时分配。
以上同步方法是在Windows平台下实现的,由于Windows消息响应的非实时性,同步精度比较差。但通信系统采用的MDS通信电台的通信速率较高,通信能力远大于通信需求,因此该时钟同步方法能满足通信的同步要求,且实现起来比较简便。
5 水声信号时间测量的同步
水下快速定位系统是通过测量水下失事声信标的水声信号到达不同浮标的时刻,计算信号到达任意两个浮标的距离差,实现水下双曲面交会定位。定位模型如图6所示。
定位模型基本数学方程为:
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2=c2(ti-ts)2i=1,2,……,M
其中(xi,yi,zi)和ti分别是第i个阵元的空间坐标和系统记录时延,(xs,ys,zs)为目标声源空间坐标,时间ts为信号发射时刻相对于接收机时钟的时间。
从定位系统的数学模型中可以看出,目标定位需测量水声信号到达各个浮标的时刻。而要完成时间测量,各个浮标需要一个共同而精确的时间参考基准。在本位系统中,该时间基准为GPS接收机同步时钟。
由定位系统的误差分析,水声信号时间测量的精度要求10ms。定位系统中,时间测量是在浮标DSP板上完成的。DSP板的硬件采用TI公司的TMSVC33芯片作为主控制器,外围电路包括:复位电路,DDRAM,SRAM,A/D,D/A,RS232串口等。浮标DSP板的硬件结构及其与其他部分的接口如图7所示:
DSP板上运行的软件是按照模块化设计方法用TMS320C3X汇编语言编写的。其中对时间测量包括两部分内容:①信号到达时GPS接收机的UTC时刻,通过串口由GPS接收机获得;②DSP的指令计数器数值,由DSP自身指令计数器计数获得。此时,需要将各个浮标DSP的计数器进行同步触发,使各个浮标的时间测量具有相同和精确的时间基准。该同步触发的时间基准信号为GPS的1PPS秒脉冲信号DSP下的GPS时钟同步方法如图8所示。
DSP开1PPS中断,当GPS接收机通过串口向DSP发送1PPS信号时,产生1PPS中断。此时,DSP程序转入1PPS中断子程序,启动DSP的指令计数器,开始计数,再读入GPS的UTC时刻作为本次1PPS触发的UTC基准。由此,实现各个浮标时间基准的时钟同步。
GPS接收机与DSP指令计数器的同步触发只需一次1PPS中断即可完成,但为防止指令计数器“溢出”和长时间的DSP时钟漂移产生时间偏差,定位系统每一小时用1PPS脉冲进行一次同步触发[4]。定位系统时间测量方法是在硬件层处理1PPS的同步中断,具有很高的实时性;同时,计数器采用DSP的指令计数器具有很高的精度(高达17ns)。因此,该时间测量的计算方法精度在ms级以内。
以上时间测量方法在很大程度上减少了硬件支持,实现了高精度的浮标时间测量,也保证了各个浮标之间时间测量的时钟同步。
6 结束语
GPS接收机在完成定位条件下钟差修正保证了GPS接收机之间的时钟同步,其输出的1PPS脉冲信号可达到纳秒级的精度。本文简介了GPS接收机的同步时钟在水下快速定位系统中的应用,并介绍了在Windows平台和DSP平台上的具体同步方法。
参考文献
[1]李小民,孙长瑜.基于GPS和DSP的水下合作目标定位系统设计.微计算机信息,2002,(1).
[2]刘基余,李征航等.全球定位系统原理及其应用.北京:测绘出版社,1993.
[3]林英祥,朱涛.航向标校系统的GPS时间同步装置设计方法.船海工程,2003,(2).
GPS时钟同步系统 篇4
基于GPS卫星时钟同步系统在变电站中的应用有着十分重要的作用。随着变电站自动化的发展, 为保证电网安全、经济、优质运行, 及时掌握实时信息, 分析各类事件特别是系统故障的发生、发展过程, 需要使用各种以计算机技术和通信技术为基础的变电站自动化装置 (如:故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、变电站计算机监控系统等) , 通过这些装置将其影响控制在一定范围内, 而这些装置的正常工作和作用的发挥, 均离不开统一的全网时间基准。同时, 数字化变电站的建设, 更需要同一间隔各个互感器之间、不同间隔之间, 甚至是不同变电站之间采取时钟同步以保持采样同步。
2 各种常用时钟同步
2.1 卫星时钟同步。
全球卫星定位系统是一种以人造地球卫星为载体的覆盖全球、全天候工作的无线电导航定位系统, 可以实现精确导航、定位和授时。目前世界上主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲空间局的GALILEO和中国的北斗卫星导航系统。
2.2 网络时钟同步。
网络时间协议NTP和简单网络时间协议SNTP是使用最普遍的国际互联网时间传输协议。NTP属于TCP/IP协议族, 可提供对时精度在1~50ms之间。而SNTP是NTP的一个简化版, 多数情况下, 其精度可以保持在1ms以内。
3 GPS卫星时钟同步系统的优点及其原理
3.1 GPS卫星时钟同步系统的优点
GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目, 1964年投入使用。20世纪70年代, 美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务, 并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的, 经过20余年的研究实验, 耗资300亿美元, 到1994年, 全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。现有同步时钟的比较如表1所示。
在变电站中采用GPS卫星时钟同步系统有着明显的优势, 可以实现全站各系统在统一GPS时间基准下的运行监控和事故后的故障分析。变电站的各种自动化设备根据GPS提供的精确时钟同步信号, 统一变电站、调度中心的时间基准, 在电力系统发生故障后, 提高了SOE的时间准确性, 大大提高了电力系统的安全稳定性, 为分析故障的情况及断路器动作的先后顺序提供有力的证据, 为电网安全稳定监视和控制系统创造了良好的技术条件。
3.2 GPS卫星时钟同步系统的工作原理
GPS全球卫星导航定位系统由三部分构成: (1) 地面控制部分:由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成; (2) 空间部分:由24颗卫星组成, 分布在6个道平面上; (3) 用户装置部分:主要由GPS接收机和卫星天线组成。GPS卫星时钟同步系统利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号, 然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换及一套严密的误差校正, 变成满足各种要求的接口输出 (RS232/RS422RS485等) 和时间编码输出 (IRIG-B码, ASCII码等) , 输出的信号具有很高的长期稳定性。
3.3 GPS卫星时钟同步系统的输出
GPS卫星时钟同步系统的三种主要输出方式:脉冲同步、串行时间信息和IRIG-B码。
3.3.1 脉冲同步输出。
脉冲同步输出方式, 即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时, 消除装置内部时钟的走时误差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息, 被授时装置如果时间源出错, 会一直错误走下去。
3.3.2 串行同步输出。
串行同步输出方式, 是将时间信息以串行数据流的方式输出。各种被授时装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步, 在未接收到广播对时令的这段时间内, 装置时钟存在自身走时误差问题, 使用串行方式在接收过程中, 信息处理耗费的时间会影响对时精度, 所以主要用于给事件加上时间标记, 如果要提高对时精度, 现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。
3.3.3 IRIG-B码输出。
IRIG-B码输出方式, IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准。脉冲对时和串行口对时各有优缺点, 前者精度高但是无法直接提供时间信息;而后者对时精度比较低, 尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。B码对时兼顾了两者的优点, 是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式。按技术规范规定凡新投运的需授时变电站自动化系统间隔层设备, 原则上应采用IRIG-B码 (DC) 时钟同步信号。
4 GPS卫星时钟同步系统在变电站中的应用
变电站自动化装置内部都带有实时时钟, 其固有误差难以避免, 随着运行时间的增加, 积累误差越来越大, 会失去正确的时间计量作用。因此, 如何对变电站内的装置实现时间同步, 达到全网所有变电站内装置时间一致, 一直是电力系统急需解决的问题。使用GPS卫星时钟对其实现时间同步, 这为建立时间同步系统, 实现时间统一提供了基础。
变电站的GPS时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口 (扩展装置) 组成, 其主要应用如下:
4.1 SOE事件顺序记录。
变电站在采用GPS卫星时钟同步系统之后, 全网所有变电站内的装置就可以采用统一的时间。在变电站发生事故后, 可以调用综自系统主站内的SOE事件顺序记录, 通过分析事故前后各个变电站的事故报文, 来定位事故发生的原因、起点及可能的原因。
4.2 PMU同步相量测量系统。
通过采用GPS卫星时钟同步系统, 可以使PMU同步相量测量系统在广域监测系统中实时记录数据量的变化。从而, 测量数据的准确性对基于PMU相量测量的应用的系统起着至关重要的作用。
4.3 ECT、EVT的同步采样。
自从智能变电站出现后, 采用ECT、EVT的光源电子式互感器所输出的数据量已经从以前的模拟量完全变成了装置可以直接应用的数字量, 因而, 各个ECT、EVT所输出的电流和电压量必须在时间上一致, 才能为其他装置提供可靠的数据采用和分析依据, GPS卫星时钟同步系统是其中不可或缺的一部分。
5 结束语
GPS时间同步系统对电力系统运行具有重要意义, 是电力系统实现现代化管理的必要手段, 该系统能够为不同安装地点的设备提供准确的时间参考, 对电力系统运行管理及事故分析和处理提供良好的技术支持。在近几年的变电站改造及新建工程中, 我们多座变电站实施了以上GPS对时方案, 统一了各种智能装置时间, 为变电站事故分析提供了可靠的数据, 取得了良好的效果。
摘要：本文介绍了现有的各种常用时钟同步系统、变电站用时钟同步方案, 以及GPS卫星时钟同步系统的优点及其原理, 着重介绍GPS时钟同步系统在变电站中的应用以及各种常用接入方式。同时, 就GPS卫星时钟同步系统的其他方面也进行了阐述。
关键词：GPS,时钟同步系统,对时,变电站
参考文献
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GPS时钟同步系统 篇5
GPS (Global Positioning System) 全球定位系统是利用美国的24颗GPS地球卫星所发射的信号而建立的导航、定位、授时系统, 其中授时功能常用于无线电通讯中时间同步, 在移动多媒体广播中, 目前用于CMMB单频网同步技术中。
本文旨在通过利用GPS所提供的精确授时功能, 采用FPGA技术, 设计适合于需要精确授时的高精度时钟系统。
2 GPS授时原理
GPS授时的基本原理:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息, 用户接收到这些信息后, 经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。
GPS数据遵循NMEA-0183协议, 以A SCLL码形式表示, 其串行通信的参数为:波特率=4800bps, 数据位=8bit, 开始位=1bit, 停止位=1bit, 无奇偶校验。数据传输以“语句”的方式进行, 每个语句均以“$”开头, 然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”, 接着就是以逗号分割的数据体, 语句末尾为校验和, 整条语句以回车换行符结束。
NMEA-0183的数据信息有十几种, 这些信息的作用分别是:$GPGGA, 输出GPS的定位信息;$GPGLL, 输出大地坐标信息;$GPZDA, 输出UTC时间信息;$GPGSV, 输出可见的卫星信息;$GPGST, 输出定位标准差信息;$GPGSA, 输出卫星DOP值信息;$GPALM, 输出卫星星历信息;$GPRMC, 输出GPS推荐的最短数据信息等。
对于提取GPS时间信息, GPRMC语句完全满足要求。GPRMC语句 (Recommended Minimum Specifi c GPS/TRANSIT Data-RMC) 。该语句中包括经纬度、速度、时间和磁偏角等字段, 这些数据为导航定位应用提供了充分的信息。下表详细说明GPRMC语句中的各个字段:
例如:$GPRMC, 074529.82, A, 2429.6717, N, 11804.6973, E, 12.623, 32.122, 010806, , W, A*08
3 设计方案
本方案主要是针对移动多媒体广播单频网, 只涉及到授时型接收机。单频网是指网络中所有发射机工作于相同的频率, 时间同步地发射相同节目的无线地面广播系统。如图1, 在CMMB单频组网架构中, GPS接收机提供10MHz频率基准、1PPS时间基准和TOD消息, 复用器以GPS时钟为参考, 提供广播信道帧的起始发送时间和单频网最大发射延时;激励器根据接收到的同步信息和G PS接收机提供的当前时间, 调整发射时间, 便可实现多台激励器组成的发射系统使用同一载频, 同一节目源, 同时同比特进行广播。
授时型接收机的设计关系到单频组网的同步。如图2, GPS授时型接收机基本架构包括天线、GPS接收处理器、本地高稳定时钟 (OCXO) 、FPGA和DAC等部分。
本地高稳定时钟芯片启动到稳定过程中存在初始化偏差, 稳定后的值也可能因芯片不同而存在差异, 可以用这种方法消除:FPGA根据本地高稳定时钟芯片产生10MHz时钟, 分频产生一个1PPS, GPS接收器产生一个精准的1PPS, 两个1PPS进行相位比较:FPGA用恒温晶振产生的时间脉冲对GPS接收器产生的1PPS计数, 如果恰好是10M次, 则本地恒温晶振精确, 如果大于或小于, 则需通过DAC改变恒温晶振电压值, 微调频率, 如此反复, 最终使本地高稳定时钟芯片产生的10 M H z时钟接近精准。G P S授时型接收机输出的1PPS是GPS接收器的1PPS, 当失锁时, 输出的是基于本地高精度晶振的1PPS。
本方案采用G S-8 9 m-J接收模块, G P S数据遵循N M E A-018 3协议, 以A S C L L码形式表示。CMMB协议规定GPS时间信息采用R S232电平, A SCII码, 码率9 6 0 0, 数据封装采用BCD码, 格式如下表1。接收机最终输出的TOD时间信息应该按照该协议。
本方案选用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP4CE22E22C8, 设计开发工具为Quartus II 11.0 (32-Bit) , 各模块逻辑采用Verilog HDL语言描述。FPGA设计模块图见图3, 产品软件实现功能:
(1) 校准本地高精度振荡器, 实现精准的10MHz时钟信号输出;
(2) 在接收到GPS信号时, 输出GPS接收器产生的1PPS秒脉冲, 否则输出本地高精度振荡器分频产生的1PPS;
(3) 提取NMEA-0183语句, 输出符合CMMB协议的TOD信息;
(4) RS232监控通信。
4 总结
本论文介绍了GPS数据满足的NMEA-0183协议, 以及授时型所需提取的GPRMC语句信息, 并提出一种基于FPGA的设计方案。该设计可以满足CMMB单频组网中复用器和激励器对GPS时间的需求。
摘要：本文介绍了全球定位系统 (GPS) 授时原理, 基于FPGA技术, 读取GPS数据生成时间信息, 并用GPS产生的精确1PPS校准本地高精度振荡器, 提出一种高精度同步时钟的设计。
关键词：全球定位系统,高精度,1PPS,FPGA
参考文献
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GPS时钟同步系统 篇6
全球定位系统(GPS) 作为导航、授时和定位系统, 具有授时精度高、民用免费和接收机成本低等特点[1],使其在电力系统中的应用越来越广泛[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。当前,电网故障分析要求各微机装置的时间信息精确到1 ms以内,电网相位测量对时钟精度的要求则高达微秒级,行波测距与行波保护对时钟精度的要求达到1 μs,甚至更高。为以较低的成本实现高精度时钟,一个行之有效的解决方法是将GPS秒时钟和高精度晶振相结合,利用两者误差互补的特点来产生高精度时钟。文献[4,5]提出了一种利用高精度晶振对GPS时钟进行在线监测并实时修正的方法,利用该方法的时钟装置可输出偏差小于100 ns的秒脉冲。但该方法的补偿方案计算较复杂,且样本数据量较大,对CPU的计算能力有较高要求。文献[6]提出了一种补偿方案较简单的高精度时钟实现方法,但该方法的实时性不高,其应用受到一定限制。
为解决上述问题,本文根据GPS秒时钟无累计误差和晶振秒时钟无随机误差的特点,提出了一种利用GPS秒时钟同步晶振秒时钟实现高精度同步时钟的新方法。该方法根据数字锁相原理,通过测量GPS秒时钟与晶振秒时钟间的相位差来控制晶振秒时钟的分频系数,实时消除晶振秒时钟的累计误差,从而产生高精度秒时钟。
1 时钟误差分析
1.1 晶振秒时钟误差分析
对恒温高精度晶振信号分频可得到晶振秒时钟。设晶振频率为f,周期为T,则晶振秒时钟可由下式得到:
式中:ni为晶振信号的计数值。
因为恒温高精度晶振具有很高的频率稳定度,其晶振频率在短时间内可保持不变,所以单个晶振秒时钟的随机误差很小,如精度为1 ns的晶振随机误差小于1 ns[12]。
考察n个晶振秒时钟序列t1,t2,…,tn,设第1个秒时钟t1与协调世界时间(UTC)的初始偏差为a,每秒时间间隔误差为b,每个秒时钟对应的误差分别为μ1,μ2,…,μn(因其随机误差较小,这里仅分析累计误差),标准秒时钟为t0,则有:
由式(2)可见,晶振秒时钟在初始阶段,即i值较小时,其误差较小;但对于较长时间后的晶振秒时钟,即i值较大时,则存在较大的累计误差。
1.2 GPS秒时钟误差分析
GPS接收机正常工作时,GPS秒时钟的误差服从正态分布,与UTC相比只存在单个秒脉冲的左右漂移,从一段时间来看,GPS时钟并不存在累计误差。设GPS接收机输出的GPS秒时钟与UTC的误差为ε,ε 属于随机误差且服从正态分布,取样本数为N,则有:
不同档次的GPS接收机,σ 数值大小不同,如GARMIN GPS 25/20 为1 μs,而MOTOROLA VP ONCORE为50 ns。
考察n个GPS秒时钟序列t1,t2,…,tn,设每个秒时钟对应的随机误差分别为ε1,ε2,…,εn,标准秒时钟为t0,则有:
由式(4)得随机误差平均值为:
由于当n→∞时,有
可见GPS秒时钟具有一定的随机误差,不同档次的接收机具有不同的随机误差;在样本时间足够长时,其累计误差趋于0。可以利用这个特性来检测并校正晶振秒时钟的累计误差。
2 高精度同步时钟的实现原理
由于GPS秒时钟的累计误差较小,而晶振秒时钟的随机误差较小,所以可以参考GPS秒时钟对晶振秒时钟的累计误差进行修正。为了修正晶振秒时钟的累计误差,本文根据数字锁相原理,提出了一种利用GPS秒时钟来修正晶振秒时钟的方法。该方法根据数字锁相原理,以GPS秒时钟信号为基准,采用添加或删减晶振秒时钟的计数脉冲来实现对晶振秒时钟的修正。
2.1 数字锁相原理
数字锁相环[13]的主要作用是实现输出与输入信号之间严格的相位同步,环路一旦进入锁定状态,输出信号与环路的输入信号(参考信号)之间便保持极小的相位差,而没有频差存在,即输出信号与输入信号的相位特性一致。本文借鉴这一原理来实现高精度同步时钟,既能保持晶振秒时钟较小的随机误差,又能消除晶振秒时钟的累计误差。
高精度同步时钟的数字锁相原理实现框图如图1所示。它包括校正脉冲发生电路、相位比较电路、分频系数控制电路和分频电路4部分。1PPS为GPS接收机输出的GPS秒时钟信号,分频电路的输出PPS为修正后的高精度同步秒时钟信号。
2.1.1 校正脉冲发生电路
1PPS是校正脉冲发生电路的输入信号,当1PPS的上升沿到来时,校正脉冲发生电路产生一个校正脉冲ub。ub的脉冲宽度远小于1PPS的周期,它是一个窄脉冲信号。ub只出现在1PPS的起始时刻,所以可以代表GPS秒时钟的相位。
2.1.2 相位比较
为使PPS不致因晶振累计误差出现较大的时间误差,必须不断检测其与1PPS的相位关系,并根据检测情况调整PPS的相位,使其误差不至于积累太大。相位比较电路将完成ub与PPS的相位比较。如果ub出现在PPS前半周期,即PPS的高电平部分,说明PPS的相位超前于1PPS的相位,如图2中的第2 s、第5 s、第6 s、第7 s。如果ub出现在PPS的后半周期,即PPS的低电平部分,说明PPS的相位滞后于1PPS的相位,如图2中的第3 s、第4 s。
2.1.3 分频系数控制电路
分频系数控制电路的作用是:根据相位比较结果,调整分频电路的分频系数。当不需进行相位调整时,分频电路的分频系数δ按下式进行计算:
如果相位比较结果是PPS的相位超前于1PPS的相位,则由分频系数控制电路调整分频电路的分频系数为δ+1,这时分频电路输出的PPS周期加长、频率降低,下一个PPS的上升沿会延时1个晶振周期出现,实现了滞后校正。反之,若PPS的相位滞后于1PPS的相位,则调整分频电路的分频系数为δ-1,这时分频电路输出的PPS周期变短、频率增大,下一个PPS的上升沿会提前1个晶振周期出现,实现了超前校正。若PPS连续n次超前(或滞后)1PPS时,分频系数会保持为δ+1(或δ-1),则PPS会连续向右(或向左)偏移直至n个晶振周期(每次偏移1个晶振周期)。
2.1.4 分频电路
分频电路的作用是根据分频系数δ产生PPS信号(因为1PPS的高电平持续时间约为200 ms,低电平的持续时间约为800 ms,所以本文产生的PPS的高、低电平的持续时间分别定为200 ms和800 ms),其工作原理为:利用计数器对高精度恒温晶振信号进行计数(计数器的初始值为1),当计数值小于或等于定值(用定值保证晶振秒时钟的高电平持续时间约为200 ms,如晶振频率为100 MHz时,定值可为20 000 000)时,分频电路输出高电平;当计数值大于定值时,分频电路输出低电平;当计数值等于分频系数时,分频电路输出高电平,同时将计数器的计数值重新置1,并重新开始计数。
2.2 校正率及误差分析
2.2.1 校正率分析
数字锁相电路的校正率η用每次校正的晶振周期T0与PPS的周期T的比值表示,即
当分频系数为δ时,PPS的周期为晶振周期的δ倍,则校正率η=T0/T=1/δ。
可见当晶振频率足够高时,分频系数δ会较大,此时校正率会较小。因PPS是随着1PPS波动的,所以较小的校正率会使PPS的随机误差较小。
2.2.2 误差分析及处理
由于1PPS存在随机误差,其上升沿总是在UTC上升沿的左右随机波动,所以用此信号去同步PPS,会使PPS的上升沿也会在UTC上升沿的左右波动,但波动范围会小于1PPS的波动范围。可见PPS会随着1PPS在UTC的左右波动,且每次的波动幅度为1个晶振周期。此时式(2)应调整为:
式中:n1为i秒内PPS超前1PPS的次数;n2为i秒内PPS滞后1PPS的次数;T0为晶振周期。
由式(9)可知,当i足够大时,因为分频系数的适当调整会消除晶振累计误差的影响,所以μi在较长时间内的累计误差为
若1PPS连续多次以较大的随机误差出现在UTC的左侧或右侧时,PPS也会相应地连续左移或连续右移,从而也会产生较大的随机误差;而且因其每次只校正一个晶振周期,所以在PPS出现较大的随机误差后,若晶振频率较高,则PPS会在一段时间内保持较大的随机误差。考虑到晶振的随机误差较小,为避免PPS随1PPS出现较大的随机误差,可采用如下规则来产生PPS:
1)若某一次分频系数从δ调整为δ+1,则在定值n0个秒时钟内(如10 s)保持分频系数不大于δ;
2)若某一次分频系数从δ调整为δ-1,则在定值n0个秒时钟内(如10 s)保持分频系数不小于δ。
这样,便可使PPS不会连续左移或连续右移,从而避免出现较大的随机误差,并可使PPS的累计误差不超过1个晶振周期,极限情况时仍能保持在2个晶振周期内。
可见当晶振频率足够高时,PPS的随机误差要远小于1PPS的随机误差;而且因PPS随着1PPS的波动而不断调整分频系数,PPS的累计误差在长时间后也会趋于0。所以根据数字锁相原理,利用1PPS来校正PPS,既可以消除PPS的累计误差,又保持了PPS随机误差低的特性。
3 高精度同步时钟的实现
3.1 GPS接收机工作状态评价
接收机的工作状态分为正常工作和不正常工作2种状态,其中在接收机正常工作条件下,1PPS的累计误差较小;而工作不正常时,1PPS的随机误差和累计误差均较大。所以必须对接收机的工作状态进行评估,并根据工作状态的不同采用不同的方法产生高精度同步时钟。本文利用文献[14]所述方法来判断接收机的工作状态,根据GPS接收机锁定的卫星数Nb建立评价不等式:
当式(10)成立时,认为接收机工作正常;否则,工作不正常。
3.2 高精度同步时钟的实现原理
装置启动时,PPS与1PPS之间可能存在较大偏差,此时利用数字锁相原理进行调整的时间是不能容忍的,应该采用辅助手段在启动时实现时钟快速同步。在启动之初,CPU向复杂可编程逻辑控制器(CPLD)发出PPS闭锁信号,当CPU检测到1PPS到来时,解除闭锁信号,同时启动CPLD产生PPS,此时PPS时钟相位与1PPS的初始相位差非常小,可快速实现同步。
同步后若GPS接收机工作正常,则利用本文数字锁相原理产生高精度PPS。若GPS接收机工作不正常,可取接收机正常工作时的最后一个分频系数作为接收机工作不正常时的第1个分频系数。依次类推,将存储在CPU中的一段时间(通常为1 h)内的分频系数依次提取出来作为最新的分频系数。若接收机工作不正常时间大于1 h,则将存储在CPU中的分频系数重新读取即可。这样,便可保证即使接收机不正常工作的时间较长,时钟装置也能输出准确的时间。
3.3 高精度时钟的硬件实现
根据上述原理,本文设计出了一种GPS 高精度同步时钟,其硬件原理如图3 所示。
GPS接收机接收到GPS时间信息后,将秒以上的时间信息送到CPU,1PPS送到CPLD。
CPU接收到GPS时间信息后,提取出年、月、日、时、分、秒时间信息及所跟踪的卫星数,判断GPS接收机的工作状况,并根据接收机的工作状况控制CPLD工作。
CPLD在GPS接收机工作正常时根据数字锁相原理利用1PPS对PPS进行校正,并将分频系数发送给CPU;GPS接收机工作不正常时,根据CPU发送的分频系数产生高精度同步时钟。
4 实验测试
为对本文提出的高精度同步时钟进行可行性研究,笔者利用本文方法产生的PPS和1PPS进行了对比试验验证。试验中GPS接收机采用MOTOROLA VP ONCORE,其秒时钟随机误差服从均值为0的正态分布,σ=50 ns,调整阈值n0设为30。高精度恒温晶振频率100 MHz,频率精度10-9,频率稳定度10-11。用示波器比较1PPS与本文方法产生的PPS,实验时间长度为2 h,第1小时2个GPS接收机均正常工作,第2小时本文方法所用GPS接收机工作不正常(拔掉GPS接收机的天线),另一GPS接收机正常工作。实验开始时,将2个秒时钟的上升沿调整到与示波器的轴线重合。实验结果如图4所示。
图4中,1PPS为正常GPS秒时钟信号,PPS为本文方法产生的高精度秒时钟信号。从图4可以看出,本文方法产生的高精度秒脉冲的随机误差在GPS接收机工作正常时小于1PPS的随机误差;在GPS长时间失效后仍能保持较高的时间精度。
经多次试验发现,采用本文方法对晶振秒时钟累计误差进行校正后,GPS信号有效时的最小时间误差可以达到1 ns～2 ns,平均误差约20 ns;GPS信号失效1 h的最大误差约100 ns。由此可见本文提出的方法能够很好地消除晶振秒时钟的累计误差,而随机误差也能保持在较小的范围内。
要完全达到本文实验的时钟精度,需要选择高稳定度恒温晶振和低随机误差GPS接收机,使同步时钟的成本偏高;为确保产品的实用性而选择成本较低的器件,可能会使同步时钟的精度有所降低。
5 结语
本文根据GPS同步时钟的随机误差和高精度晶振的累计误差互补的特点,提出了一种利用恒温高精度晶振对GPS秒时钟进行计数,并由CPU根据计数结果进行动态平均处理和随机误差估计,然后由CPLD根据计算结果产生高精度同步时钟的方法。该方法所产生的高精度同步秒时钟不仅稳定性好、同步性高,而且实现过程简单,在GPS信号失效后仍能保持较高的时间稳定性和同步性,能很好满足同步时钟的要求。目前该同步时钟已开发出样机,下一步将进行产品化研究,以满足电力系统的实际需求。
摘要：在分析时钟误差的基础上,根据全球定位系统(GPS)秒时钟无累计误差和晶振秒时钟无随机误差的特点,提出了一种利用GPS秒时钟同步晶振秒时钟实现高精度时钟的新方法。该方法根据数字锁相原理,通过测量GPS秒时钟与晶振秒时钟间的相位差来控制晶振秒时钟的分频系数,实时消除晶振秒时钟的累计误差,从而产生高精度秒时钟。实验结果表明,在GPS正常工作时能够保证其精度稳定在20ns;GPS信号失效1h的情况下,秒时钟精度仍能稳定在100ns。根据此方法研制了具有较高性价比的高精度时钟发生装置,成功应用于行波定位系统中。
GPS时钟同步系统 篇7
时钟信号的准确与否, 直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展。现代交通运输系统、网络服务器系统、电力系统、计算机监控系统、数据采集系统、移动通信网络系统等对时钟同步系统的精度提出了很高的要求。本文设计了一种基于GPS无线分布式授时的时钟系统, 可应用于大型企事业单位、电力系统、通讯、交通管理及国防等需要高精度对时、计时、授时的各个领域。
1 系统的总体设计
本文设计的时钟系统由一台主机和多台无线分布的从机构成。主机基于GPS授时技术, 从机采用无线射频方式授时。系统由P89C51单片机、GPS E531模块、XL05-232无线数字传输模块、MAX232、键盘与显示模块、电源模块、ISD2560语音播报模块等组成。
主机通过E531接受来自于卫星上的“原子钟”的时间信号, 校准主机时钟;通过XL05-232将标准的时钟信号发送给系统中各个无线分布的从机, 以校准从机时钟。时钟系统具备按键的功能;显示器具有定时开关功能;具有语音播报功能;进行了低功耗和掉电保护功能设计。
2 系统授时设计
E531选择串口0与P89C51进行通信。E531采用RS-232串口通信电平, 89C51采用TTL串口通信电平。因此, 本设计采用了MAXIM公司的多路发送/接收芯片MAX232使TTL电平与RS-232电平协调通信。E531输出采用NMEA0183协议;设置GPS接收机只输出ZDA语句, 将
主机得到北京时间后, P89C51接受E531输出的秒脉冲 (1PPS) 信号。每接受一次1PPS, P89C51的定时器T1加1, 得到新1秒的软件时钟, 并用于校正时钟芯片DS1302中的硬件时钟信号。当GPS接收机不能够正常工作时, P89C51通过读取DS1302中的时钟信号, 以保证系统的准确走时。
主机的P89C51将标准时钟信号通过RS-232方式送给无线传输模块XL05-232。XL05-232通过射频天线传送给系统中的所有从机。从机接收到后, 完成其时钟校对。XL05-232采用半双工UART, 工作在433MHz频段, 采用欧洲ETSI协议 (EN300-220-1和EN301-439-3) , 满足无线管制要求, 无需申请频率使用许可证, 适合于小数据量、低速率、远距离的应用。设计中, 将XL05-232的RXD/TXD与P89C51的RXD (P3.0) 、TXD (P3.1) 相连;串行通信设置为工作方式1;选择P89C51的P1.7作为SET信号;选择P89C51的P1.6作为睡眠信号, 控制XL05-232模块进入低功耗 (睡眠) 方式。
3 时钟系统设计
系统主控P89C51资源分配如下:T0用于提供GPS串口波特率;T1用于提供微秒时钟系统;T2用于提供RS232串口波特率;/INT0用于接收GPS接收模块的1PPS秒脉冲中断;/INT1用于按键中断。
时钟芯片DS1302采用双电源供电, 用充电电池作为的备用电源。DS1302的VCC2在3V就能正常工作, 采用DC3.6V的涓流对充电电池充电。系统掉电时, 电池的输出完全能满足DS1302的正常工作, 保证时钟准确走时。通过设定P89C51电源控制寄存器PCON, 实现了系统待机和掉电两种低功耗工作方式。以全波整流电路作为整流网络, 以极性电容作为滤波网络, 采用固定式三端集成稳压电路7805为核心, 设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。
采用ISD2560芯片, 设计了时钟系统语音录放功能。ISD2560片内EEPROM容量为480K, 具备60秒的录放时间;设有10个地址输入端, 设有OVF (溢出) 端, 可进行多个器件级联, 便于以后升级多种语音播报功能。
4 不足与展望
目前, 系统时钟精度在us级, GPS秒脉冲存在漂移现象, 可根据GPS时钟与晶振时钟的精度是互补的特点, 达到提高时间精度的目的。同时, 为满足部分用户对电波钟表系统的青睐, 可为本时钟系统的主机添加BPC (呼号) 时码信号的接收模块, 并研究解决目前的BPC码信号存在覆盖范围有限、不是24小时全天发射和受天气影响大的问题。
参考文献
[1]周强, 丛海波, 吴希杰.利用gps实现高精度时钟.信息技术与信息化, 2006年5期
[2]刘为, 董德存.基于GPS技术的分布式授时同步时钟.微型电脑应用, 2005, 21 (5)
[3]上海易罗信息科技有限公司.E531高感GPS接收模块接受说明书