时间同步装置（共3篇）
时间同步装置 篇1
引言
本设计旨在将电源柜声光告警信号利用一对电缆线进行远距离的同步再生后引入值班室, 便于当班人员及时发现电源告警, 防止由于停电等原因蓄电池完全放电而引发通信事故。
此设计硬件分两个部分, 第一部分安装在电源柜室;第二部分安装在值班室。下图为第一部分 (Part1) 的电路实物图。
1 Unit1部分功能介绍
这部分为电源柜控制框蜂鸣器部分电路。电话柜中的告警为压电常鸣式蜂鸣器 (工作电压8 V, 电流10 m A) , 当电源柜告警时, 从上一级电阻中流出约5 m A的电流, 经过三极管放大电路放大到12 m A。此时, 在蜂鸣器两侧形成0 V~12 V之间的振动电压。[1]所以蜂鸣器产生间断式蜂鸣音。当电压在8 V~12 V之间时, 蜂鸣器发出蜂鸣器的工作电流非常小, 为了实现信号的再生。我们想到了用同样是微小电流条件下充当开关的光放大器 (工作电流2 m A~5 m A) 作为开关去控制另一路信号。所以, 在Unit1中选用了参数为3.9 K/0.5 W的电阻为“光放”分流。
另外, 8 V/2 m A=4 kΩ
2 Unit2部分功能介绍
Unit2是一个光放大器, 在Unit2部分, 当电源告警时 , 经过电阻 的分流 , 光放的二 极管流过 (2.05 m A~3.07 m A) 的电流使二极管导通。二极管发光使光放中的光敏二极管导通。从而实现了小电流控制大电流工作。
3 Unit3、Unit4、Unit5部分功能介绍
为了实现对电源柜告警的功能的同步再生, 我们从电源柜中选取了一路24 V直流电流作为再生部分电路的电源。电源柜只对接入的设备具有监控功能, 利用了这个特点才从电源柜中为我们的装置取出电源。
由于光放中能承受的电流很小, 为防止后面的电路出现短路的情况将大电流引入电源柜, 首先在Unit3中接入24 V直流电源后随即接入一个处于常开状态的开关, 在检修时可以将开关闭合。然后接入一个0.5 A的保险丝, 这样起到了双保险的作用。根据光放中集电极对电流的既要小于50 m A而且在有载情况下还要保证Unit4中光放动作后流过射极的电流能够达到使继电器的吸合电流。所以我们选择[2]了1 K/1 W的电阻这样既可以使继电器动作又可以使流过16脚的电流小于50 m A。
在Unit4中将三极管的输出端接入一个限流电阻, 继电器两端要反向 (与电源极性相反) 并接一个续流二极管以防止继电器的反向电流击穿三极管。二极管的正向压降越大越好。
Unit5是连接Part1与Part之间的一对电缆线。电缆总长为1 000 m。
4 Unit6、Unit7部分功能介绍
当电源柜无告警时, 光放不导通继电器K1没有电流通过处于长断状态, 4接6、13接11, 绿色二极管导通。K2有电流通 过 , 处于长吸 状态由于 在Unit7中是4与8在电路中所以当绿色二极管导通时K2的4与8断开笑脸嘴巴位置的告警器未被接入, 值班室的告警器不发出告警。[3]
当电源柜告警时, 光放导通, 继电器K1处于长吸状态, 4接8、13接19, 红色二极管导通, K2中没有电流, K2的4与8相连, 值班室的告警器发出蜂鸣音。
当连接Part1与Part2的电缆断路时, 红、绿色二极管均不导通, K2在长断状态, 值班室的告警器不发出告警。
在Unit6中我们通过计算结合试验确定了红色发光二极管的串联电阻为4.8 K/1 W, 这样能够保证以上的情况发生时K1与K2的电流可以达到设计要求, 其中K1与K2的电阻均为2.88 kΩ。
在Unit7中, 通过一个12 V变压器为其供电, 我们选取了1 kΩ的电阻为小红色二级管限流, 笑脸嘴角的小红灯亮就表示Part2电源正常。所以可以通过笑脸的两个眼睛与声音的组合判断出电源柜与线路的状态:1) 绿眼睛亮无告警音, 电源柜工作正常;2) 红眼睛亮有告警音, 电源柜告警;3) 两只眼睛都不亮有告警音, 线缆故障。
对两栋楼同时停电的问题没有考虑到, 所以为了使设计更加周密, 应当对Part2的电源来源进行改进, 采用蓄电池方式进行供电, 这样即便出现这两栋楼同时停电的情况, 同步告警装置仍然能够正常工作。
参考文献
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[2]李亦白.双向保护告警式稳压电源[J].安庆师范学院学报 (自然科学版) , 1990 (2) :86-89.
[3][美]约翰·阿金森, 叶洋.谈交流电源再生、电源供应、电源线、放大器设计以及未来的Hi-Fi音响发展[J].视听技术, 2009 (Z1) :113-119.
时间同步装置 篇2
导航星座自主导航的时间同步技术
导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的.完好性,增强系统的生存能力.卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一，而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达，建立系统状态方程，并以星间双向测量伪距差作为基本观测量，组成系统测量方程。从而，可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过滤波处理星间双向测距数据，不断地更新卫星时钟参数，能够实现星座卫星自主高精度时间同步。
作 者：帅平曲广吉 SHUAI Ping QU Guang-ji 作者单位：中国空间技术研究院总体部,北京,100094 刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)： 26(6) 分类号：V474.25 P127.11 关键词：导航星座 自主时间同步 星间测距与通信 Kalman滤波 系统仿真时间同步装置 篇3
多站时差定位技术是一种较为精确的定位方法,它通过处理三个或者三个以上测量站采集的信号到达时间来对辐射源定位[1]。与传统定位技术相比,其具有精度高,稳定性强,对设备性能要求低,使用范围广等优点[2]。影响多站时差定位技术精度和稳定性的有以下几个关键因素:
(1) 信号配对。所谓信号配对是指主站和辅站接收的信号是否为辐射源辐射的同一个信号,如果这点不能保证,根本得不到时差[3]。本文所介绍的多站时差定位系统中发射分系统在每次发射信号时都会为信号赋予独一无二的标识,接收分系统接收到信号后根据标识来识别信号,保证了信号配对。
(2) 测时精度。在时差定位系统中,由于各基站间的基线长度、布站形式以及目标位置等因素的不同,同样的测时误差对目标定位精度的影响也不尽相同。总体来说,对时间测量的误差一般要达到纳秒或者亚纳秒量级,才能满足高精度定位系统的要求。
(3) 时间同步。多站时差定位要求对各个观测站的时间系统进行高精度的统一对时,然后各观测站才能在精确同步的参考时钟控制下,对接收到的目标信号到达时间进行精确测量,最终得到精确的到达时差。
(4) 定位算法。在多站时差定位系统中,一旦获得了TDOA的测量值,就可以得到辐射源到各个测量站的距离差,多个TDOA测量值就可以构成一组关于辐射源位置的双曲线(双曲面)方程组。求解该非线性方程组就可以得到目标位置。目前,常用的解算方法有迭代法、伪逆法和总体最小二乘算法等,不同算法具有不同精度和计算复杂度。
(5) 空间布站。不同的布站形式也影响着定位精度和定位系统的稳定性,常用的布站形式有三角形布站、星形布站和菱形布站[4]。研究布站形式对误差分布的影响是实现多站定位技术到工程运用不可缺少的重要一步。
多站时差定位系统中,TDOA的获得通常有两种方式,一种是直接检测两个精确的TOA值生成TDOA,另一种是直接对接收到两个信号进行信号处理,计算信号之间的时间差[5]。第一种要求辐射源和测量站间时间严格同步,第二种只需要测量站间时间同步即可[6]。不管是哪种方法得到TDOA值,系统对其精度的要求都很高,如果采用时钟比对的方法来实现,那么时钟的频率要达到1 GHz以上,已经达到或者超过许多现有物理器件的工作频率。可以考虑采用FPGA芯片配合外围脉冲前沿形成电路来设计实现基于多相时钟相位比对的脉冲到达时间高精度测量系统[7]。对于定位算法和空间布站是得到高精度时差后要研究的关键技术。为了解决时间同步问题,本文提出了一种多站时差定位辅助系统,该系统为增加一个发射特殊信号的发射站,该站发射含有本身坐标的数据信息,接收站接收后根据自己的坐标位置可以得到发射站到各个接收站的准确时间,由此可以得到准确的TDOA值,与多站时差定位系统本身得到的时差对比,可以得到一个修正值。同时,该辅助系统还具有监测各个接收站测时是否产生跳变的问题,一旦发现问题可以提供告警。
1 站间时间同步的原理
时间同步按照系统需求的不同可分为排序、相对同步和绝对同步。相对同步是指测量站维持其本地时钟的独立运行,动态获取并存储其与其他测量站之间的时钟偏移和时钟漂移,根据这些信息实现不同测量站本地时间之间的相互转换,达到时间同步的目的。绝对同步是指测量站的本地时间和参考基准时间保持时刻一致[8]。相对同步不会修改各个测量站的本地时间,而绝对同步会修改。文献[9]给出了一种通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,来实现星座卫星自主高精度时间同步。对于多站时差定位系统来说,时差是最关心的一个测量值,只需时间的相对同步就可以满足工程需要。
具体同步过程如下:
设辅助系统的发射站坐标位置为O(xo,yo,zo),三维多站时差定位至少需要四个测量站,其中一个主站和三个辅站,主站坐标为A(xa,ya,za),辅站坐标分别为B(xb,yb,zb),C(xc,yc,zc),D(xd,yd,zd),发射站O发射电磁信号,其速度约等于光速,到达各个测量站的本地时刻分别为tA,tB,tC,tD,根据路程与时间的关系有以下关系式:
undefined
式中:tOA,tOB,tOC和tOD为发射站O发射的信号到达A,B,C,D四个测量站需要的时间,由此可以得到发射站O发射的信号到达主站和三个辅站的真实时差ΔtRAB,ΔtRAC,ΔtRAD为:
同时,由各个测量站测得的四个时刻得到时差ΔtMAB,ΔtMAC,ΔtMAD为:
所以,可以得到主站和各个测量站间的不同修正时差ΔtAB,ΔtAC,ΔtAD为:
这样就得到一组时差修正量,把此修正量传送给数据处理中心,在求解时差时给予补偿可以提高时差的精度。每隔一段时间对该值更新可以保证多站时差定位系统的稳定性,进而提高定位精度。
2 检测测量站时间跳变的原理
由于测量站所在环境突变、设备本身的质量问题或偶然事件的发生均能导致测量站测时跳变,时间跳变会严重影响多站时差定位系统的定位精度和稳定度,使其可靠性降低。当问题出现时,如何判断哪个测量站出现问题是多站时差定位自检系统的一个关键。文献[10]提出一种采用平滑滤波估计目标真实位置,再以该估计值为基站进行测量位置与时差的偏差统计判决方法来确定发生故障的站点。由于每一步都要对目标值进行平滑滤波估计,难免会增加主站的数据处理负担。本文选择利用增加一个辅助系统来解决时间同步问题的同时解决了该问题,需要增加额外的设备,各有利弊。具体过程为:
关于发射站和测量站的参数同第1节所述,假设某时刻四个接收站接收到发射站的某个信号的时刻分别为tAk,tBk,tCk,tDk,有如下关系:
undefined
因为发射站和测量站均为固定站,所以在没有测量站测时跳变的情况下三组时差ΔtABk,ΔtACk,ΔtADk(其中k表示发射站发射的第k个信号)不会跳变,即ΔtABk≈ΔtAB(k-1),ΔtACk≈ΔtAC(k-1),ΔtACk≈ΔtAC(k-1)。
如果只有ΔtABk相对与ΔtAB(k-1)有跳变,则可以推断出测量站A或者测量站B出现跳变,如果其他两个时差没有跳变,则可以排除A。同理可以得到在其他站出现跳变时的推断方法。产生跳变后的效果以B站跳变为例如图1所示。
图中,线条B表示ΔtABk,线条C表示ΔtACk,线条D表示ΔtADk。由图可知,B站在发射站发射第80个时间同步脉冲时被监测到时间有跳变现象,正常时,系统测时误差为20 ns左右,从发射站发射第80个脉冲起,B站测时误差是正常工作时的100倍,产生明显跳变。这就为报警和修复提供了依据。
3 整体系统工作原理及其主站工作流程图
增加的辅助系统的多站时差定位系统的总体工作原理如图2所示。
此系统由A,B,C,D四个测量站和一个辅助站发射源组成,其中A为主站,B,C,D为辅站,辅站接收数据后打上时戳传递给主站,主站对辅站传来的数据以及本身接收的数据进行信号配对、时差估计、目标位置解算等工作。在多站时差定位系统工作前,首先接收辅站的数据得到时差修正量ΔtAB,ΔtAC和ΔtAD,以便在主站解算时差时进行时差补偿。当多站时差定位系统开始工作后,每隔一个周期T的时间,辅助系统发射源发射几批次的同步监测信号,供多站时差定位系统更新时差修正量并监测各个站的工作情况,对有测时跳变的站进行告警。
增加了辅助系统的多站时差定位系统工作流程如图3所示。
首先,由主站A综合辅站B,C,D数据,对数据信号进行信号配对和识别。
再次,判断信号是否为辅助系统发射信号。如果是辅助系统发射源发射的同步检测信号,则根据配对后的数据组,得到第k批次同步监测信号的一组时差ΔtABk,ΔtACk,ΔtADk,由其是否具有平稳性可监测测量站测时是否存在跳变。如果是则告警,如果否则利用第1节所述的公式更新时差修正量,为时差估计后的时差修正提供补偿。如果判断信号的结果为否,则主站A进行时差估计和时差修正。
最后,利用得到的同一批次的时差结合一定的有效算法对目标位置进行解算和估计,最终得到目标位置信息。
4 结 论
本文在深入研究多站时差定位系统关键技术的基础上,提出引入辅助系统来提高时差估计精度和监测测量站测时跳变差的问题。阐述了其工作原理,并给出了一个总体系统的工作原理和主要环节的工作流程图,为工程的实际运用提供参考和依据。对多站时差定位系统的高精度测时、求解算法和布站形式没有讨论。在工程实际中,还要进一步考虑站间的数据传输等因素。
参考文献
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