基于北斗gps的时间同步技术研究

基于北斗gps的时间同步技术研究

0卫星定位系统国内应用现状及前景电力系统覆盖范围广，自动化设备普及。同步相位测量、行波测量和行波保护对时间差的精度要求达到微秒级，不同系统和自动设备需要严格的行时间同步。在各种时间同步技术中,卫星授时由于覆盖面广、精度高及相对成本较低的特点得到广泛的应用。美国的全球卫星导航定位系统(GPS)是目前最成熟的卫星导航系统,也是作为卫星授时的首选。但由于GPS系统受控于美国军方,对于电力系统这样关系到国计民生的分布式网络采用GPS作为授时基准是存在安全隐患的。目前,我国自行研制的“北斗一号”卫星导航定位系统(以下简称北斗卫星系统)已经正常运行。北斗卫星系统采用高强度加密设计,安全、可靠且稳定,适合涉及国民经济命脉的关键部门应用;该系统覆盖中国及周边国家和地区,24小时全天候服务,无信号盲区;同时具备授时、定位与通讯功能,无需其它通讯系统支持,特别适合集团用户大范围接收信号进行高精度授时应用。为了保障我国电网的安全运行,将北斗卫星系统应用到电力系统中,对于我国国防和国民经济发展,具有深远的战略意义。1双向定向双向固定北斗卫星系统中卫星主要作为一个转发器使用,卫星接收地面站发送的信号,再转发给用户。因此用户接收到信号后,扣除信号传输的时间,修正伪钟差,就能得到精确的协调世界时(UTC)。而影响北斗卫星系统授时精度的关键是信号传输时延的计算。根据时延的计算方法可分为单向授时和双向授时。北斗单向授时是一种无源授时方法,通常应用于已知位置的授时,由于采用被动方式进行,不占用系统容量。双向授时无需知道用户机的位置,所有处理都由中心站系统完成。利用地面中心站计算传输时延,再发送给用户机,该方法是有源授时,受到用户数量的限制,在此只介绍单向授时。由图1可见单向定时的基本方法是:用户接收中心控制系统播发的时间帧询问信号,同时以本地1PPS(1pulsepersecond)作开门脉冲,以询问信号相关峰作关门脉冲,测得:Δl=ε+nΔt+τ(1)Δl=ε+nΔt+τ(1)式中,ε为用户钟与地面控制系统的钟差;nΔt为n帧传输所需要的时间;τ为信号传输时延:τ=ts+trs+tru(2)τ=ts+trs+tru(2)式中,ts为接收机设备单向零值,由接收机厂家提供;trs为信号自地面站至卫星的传输时间,可由卫星下行导航电文中获取;tru为信号从卫星至用户机的传输时间,通过计算卫星和接收机之间的距离获得。先采用GPS接收机获取用户的位置信息,提供给北斗授时模块。北斗授时模块通过北斗电文计算出信息传输时延,即可恢复北斗系统时间。北斗系统时间溯源国家授时中心的NTSC时间,与GPS系统的时间误差保持在100ns以内。2接收及时延补偿北斗GPS双模同步系统组成如图2所示,共分为卫星信号接收、模式选择、晶振驯服和IRIG-B码输出4大部分。其工作原理如下:双模天线接收载波频率为1575.42MHz的L1波段GPS卫星信号和载波频率为2491.75MHz的北斗卫星信号,通过馈线至接收模块。经下变频得到中频信号,经A/D转换后得到数字信号,再经数字下变频转换为基带信号,经解扩、帧同步和译码得到各自的电文信息。并对产生的1PPS进行时延补偿即可获得最终的1PPS。将时间信息和1PPS送入单片FPGA,实现模式选择、晶振驯服和IRIG-B码的生成。2.1gps天线的位置误差北斗GPS双模同步系统需要接收北斗GPS双频率信号,如分别采用单个天线接收,增加了施工量,并且北斗天线和GPS天线的位置误差也会带来授时误差。采用双模接收天线的方法,在一个天线罩内装入两个天线头,分别接收1575.42MHz和2491.75MHz的双频信号。将信号合路后通过一根馈线与设备连接,再通过分路器分别将北斗和GPS信号至其接收模块。即方便了施工,也提高了授时精度。2.2系统稳定性分析北斗GPS双模同步系统的授时模式有北斗模式和GPS模式两种,可由用户选择。当首选某种模式时,如果该模式下接收机工作正常,则工作该模式,否则工作在另一模式。如两种模式均不正常,则工作在本地晶振模式。多时钟源互为热备,提高了系统的可靠性和稳定性。当卫星信号微弱,无法捕获或卫星信号受到干扰,产生误码时,接收机不能正常工作。此外卫星系统也有可能出现不正常,如卫星偏离轨道,导致较大的授时误差。以上情况都会给系统带来故障,而高稳恒温晶体振荡器(OCXO)具有很好的短稳定性能。如果本地振荡器的标称频率为f0,频率可调范围为±a,频率年老化率为±b。则频率变化范围:(1-a-b⋅n)f0＜f＜(1+a+b⋅n)f0(3)采用计数器对本地晶体振荡器输出的脉冲进行计数,并考虑频率调整范围的年老化率置信度,可大致判别下一秒所在区域。因此,利用本地晶振可以对卫星接收机输出的时间进行完好性判别,提高系统的稳定度。2.3pi控制器设计北斗GPS双模同步系统采用高稳恒温晶体振荡器(OCXO)作为本地时钟,运用北斗卫星系统和GPS双模授时技术对高稳晶振进行校频实现时间同步。如果北斗卫星系统和GPS都被干扰不能正常使用时,高稳晶振自动进入保持状态,继续提供高精度频率和时间信号输出,以维持系统的正常工作。采用北斗卫星系统驯服高稳晶振系统如图3所示,北斗授时接收机输出的1PPS作为基准与OCXO分频输出的1PPS送入数字鉴相器进行鉴相,得到的差值送入PI调节器,PI调节器的输出通过数模转换器将电压送至OCXO压控端,对OCXO的输出频率进行微调。将图3简化为控制系统框图,则可得到图4。图中E(s)为得到的相位差,Kp为比例系数,Ki为积分系数,r(s)为比例积分器的输出量。对于OCXO而言,输入的电压与输出的频率有一个比例关系,则可认为相当于比例环节,用KF表示。F(s)则表示输出的频率,分频则相当于一个积分环节,输出的表示相位。可见采用PI调节器的驯服高稳晶振系统是一个二阶Y(s)系统。根据框图求此二阶系统的传递函数,可得:G(S)=Y(S)X(S)=ΚΡ⋅ΚF⋅S+ΚF⋅ΚiS2+ΚΡ⋅ΚF⋅S+ΚF⋅Κi(4)可见该传递函数是一个典型的二阶系统,具有两个极点和一个零点,则:阻尼系数:ζ=ΚΡ2√ΚFΚi;谐振频率:ωn=√ΚF⋅Κi;最大超调量:ΜΡ=100e-ζπ√1-ζ2;当系统构建好后,KF基本确定;KP主要控制跟踪的快速响应,KP越大,则阻尼系数越大,其跟踪越快,超调量越小;Ki主要控制跟踪的稳态误差,Ki越大,则谐振频率越高,达到稳态值的振荡次数越多。因此,调节KP与Ki的值,可以控制驯服的速度,使驯服满足系统要求。2.4irag-b码的下一步计算IRIG-B(BtimecodeofInter-RangeInstrumentationGroup)标准码分为直流码(DC码)和交流码(AC码)。交流码是1kHz的正弦波载频对直流码进行幅度调制后形成的。直流码为脉冲宽度编码形式,每个码的宽度是10ms,一帧信息包括100个码元,即码元的速率为100Hz。B码码元共有3种形式,分别为标志位,二进制“1”和二进制“0”。三者的区别在于脉冲中高电平的宽度:标志位的高电平宽度为8ms,“1”和“0”分别为5ms和2ms。连续两个8ms宽度基准标志脉冲的第二个脉冲的前沿为秒基准时沿。详见IRIGStandard200-98标准。在FPGA内部可以通过VHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage)语言生成符合IEEESTD1344-1995规定的IRIG-B标准码,实现电力各种系统和自动化装置的时间同步。以北斗系统1PPS为时间基准,生成的IRIG-B码的秒与分部分如图5所示,天数与时部分如图6所示。北斗GPS双模同步系统可以输出IRIG-B(AC)码、IRIG-B(DC)码,同时支持时间报文信息和可定义的时分秒脉冲(空接点/有源)的输出。通过NTP或TCP/IP协议的标准网络接口,还可以对系统内的有关电力二次设备实现高精度的授时。并且支持光纤或同轴电缆级连输入和输出,满足电力系统各种环境的时钟统一要求。3同步检验我们研制的北斗GPS双模同步系统已经通过“国家电网公司自动化设备电磁兼容实验室”和“电力工业电力系统