一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法技术

本发明专利技术提供了一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，本方法通过FPGA的内部锁相环把外部的恒温晶振时钟进行扩频获得高频时钟脉冲，再对BDS与GPS的秒脉冲分别进行纳秒级计数。在计数过程中，利用核密度估计法获得FPGA时钟系统误差、BDS与GPS的秒脉冲各自的抖动导致高频时钟脉冲计数的统计特性，确定每个秒脉冲失效阈值、抖动补偿量，实现双源秒脉冲的在线切换。当给授时时钟源配备BDS与GPS双源时，通过这种方法可以降低双源秒脉冲切换时的抖动，提高秒脉冲的授时精度，进而能够大大提高授时时钟源的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于核密度估计法(KernelDensityEstimate，KDE)的北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)与全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)双源秒脉冲(1PulsePerSecond，1PPS)无缝切换方法，属于卫星授时

技术介绍
移动通信以及智能电网和智能化变电站的快速推进要求全网协调一致，对时间同步的要求日益迫切，需要准确、安全、可靠的时钟信号为系统各类运行设备和业务提供精确的时间服务。目前，在移动通信领域中，基站的时间同步要求为：①基站应支持通过1PPS信号和TOD信息输入获得同步定时信息，使基站与传输网络上游时间同步设备之间满足空口时间和频率精度要求的同步；②对于1PPS秒脉冲，采用上升沿作为准时沿，上升时间应小于50ns，脉宽应为20ms～200ms；③TOD信息波特率默认为9600，无奇偶校验，1个起始位(用低电平表示)，1个停止位(用高电平表示)，空闲帧为高电平，8个数据位，应在1PPS上升沿1ms后开始传送TOD信息，并在500ms内传完，此TOD消息标示当前1PPS触发上升沿时间。TOD协议报文发送频率为每秒1次。电力系统对时间同步精度的要求是：①故障记录的同步精度要求1ms；②对状态量采集的同步精度要求40μs；③继电保护现场试验的同步精度要求10μs；④相量实时测量的同步精度要求5μs；⑤行波故障，若要达到300m的定位精度，同步精度要求1μs，考虑散射因素的影响，同步精度要求0.5μs左右。根据时间传播技术的现状和应用前景，电力系统统一时钟的精度可以定为0.5～1μs。由于在通信系统和电力系统对时间同步的要求都很高，保证时钟同步的授时时钟源成为了系统核心设备，授时时钟源设备的失效将会引起整个系统的崩溃。为了增加授时时钟源的可靠性，我们需要配备多个时钟源并实现多个时钟源的在线无缝切换，因此研究多时钟源在线无缝切换方法对保证通信系统、电力系统的可靠性有较高的实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于核密度估计法(KDE)的中国北斗卫星导航系统(BDS)与全球定位系统(GPS)双源秒脉冲(1PPS)无缝切换方法，通过这种方法可以降低双源秒脉冲切换时的抖动，提高秒脉冲的授时精度。为实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案为：一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，包括以下步骤：1、通过FPGA(FieldProgrammableGateArray)的内部锁相环把外部的50MHz恒温晶振时钟CLOCK_50M进行扩频，获得200MHz高频时钟脉冲CLOCK_200M；2、利用CLOCK_200M时钟脉冲驱动64位计数器，获得每个时钟的计数索引SystemCountIndex；同时在CLOCK_200M时钟脉冲驱动下，分别对BDS与GPS的秒脉冲上升沿进行检测，获得BDS与GPS的秒脉冲上升沿位置编号BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根据前后的位置差获得BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；3、利用核密度估计法计算BDS与GPS的秒脉冲宽度计数的统计特性，获得其概率密度函数、均值、标准方差，再根据三倍方差剔除法去除抖动较大的秒脉冲；4、剔除抖动较大的秒脉冲后，根据BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用线性预测方法分别预测计算BDS与GPS当前的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；5、根据状态管理，利用BDS与GPS的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan计算系统当前的秒脉冲上升沿计数DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脉冲宽度计数DTS_PulseEdgeSpan，生成双源无缝切换的秒脉冲。本专利技术提供了一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，当给授时时钟源配备BDS与GPS双源时，通过这种方法可以降低双源秒脉冲切换时的抖动，提高秒脉冲的授时精度，进而能够大大提高授时时钟源的可靠性。附图说明图1为本专利技术基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法的系统框图。图2为本专利技术一个小时秒脉冲的核密度估计结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法包括以下步骤：1、通过FPGA(FieldProgrammableGateArray)的内部锁相环把外部的50MHz恒温晶振时钟CLOCK_50M进行扩频，获得200MHz高频时钟脉冲CLOCK_200M；2、利用CLOCK_200M时钟驱动64位计数器，获得每个时钟的计数索引SystemCountIndex；同时在CLOCK_200M时钟驱动下，分别对BDS与GPS的秒脉冲上升沿进行检测，获得BDS与GPS的秒脉冲上升沿位置编号BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根据前后的位置差获得BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；3、利用核密度估计法计算BDS与GPS的秒脉冲宽度计数的统计特性，获得其概率密度函数、均值、标准方差，再根据三倍方差剔除法去除抖动较大的秒脉冲，以确保误差加大的秒脉冲不进入后续的切换计算，保证切换系统的稳定性；4、剔除抖动较大的秒脉冲后，根据BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用线性预测方法分别预测计算BDS与GPS当前的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；5、根据状态管理，利用BDS与GPS的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan计算系统当前的秒脉冲上升沿计数DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脉冲宽度计数DTS_PulseEdgeSpan，生成双源无缝切换的秒脉冲。在所述步骤2、3、4、5中，分别采用1PPS上升沿检测模块、KDE检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，其特征是：包括以下步骤：1、通过FPGA的内部锁相环把外部的50MHz恒温晶振时钟CLOCK_50M进行扩频，获得200MHz高频时钟脉冲CLOCK_200M；2、利用CLOCK_200M时钟脉冲驱动64位计数器，获得每个时钟的计数索引SystemCountIndex；同时在CLOCK_200M时钟脉冲驱动下，分别对BDS与GPS的秒脉冲上升沿进行检测，获得BDS与GPS的秒脉冲上升沿位置编号BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根据前后的位置差获得BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；3、利用核密度估计法计算BDS与GPS的秒脉冲宽度计数的统计特性，获得其概率密度函数、均值、标准方差，再根据三倍方差剔除法去除抖动较大的秒脉冲；4、剔除抖动较大的秒脉冲后，根据BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用线性预测方法分别预测计算BDS与GPS当前的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；5、根据状态管理，利用BDS与GPS的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan计算系统当前的秒脉冲上升沿计数DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脉冲宽度计数DTS_PulseEdgeSpan，生成双源无缝切换的秒脉冲。...

【技术特征摘要】
1.一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，其特征是：包括以下步骤：1、通过FPGA的内部锁相环把外部的50MHz恒温晶振时钟CLOCK_50M进行扩频，获得200MHz高频时钟脉冲CLOCK_200M；2、利用CLOCK_200M时钟脉冲驱动64位计数器，获得每个时钟的计数索引SystemCountIndex；同时在CLOCK_200M时钟脉冲驱动下，分别对BDS与GPS的秒脉冲上升沿进行检测，获得BDS与GPS的秒脉冲上升沿位置编号BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根据前后的位置差获得BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；3、利用核密度估计法计算BDS与GPS的秒脉冲宽度计数的统计特性，获得其概率密度函数、均值、标准方差，再根据三倍方差剔除法去除抖动较大的秒脉冲；4、剔除抖动较大的秒脉冲后，根据BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用线性预测方法分别预测计算BDS与GPS当前的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；5、根据状态管理，利用BDS与GPS的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan计算系统当前的秒脉冲上升沿计数DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脉冲宽度计数DTS_PulseEdgeSpan，生成双源无缝切换的秒脉冲。2.根据权利要求1所述的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，其特征是：在所述步骤2中，采用1PPS上升沿检测模块作为核心模块对数据进行处理，其具体处理过程为：输入：1PPS方波脉冲；输出：1PPS上升沿的200MHz64位计数位置索引PulseEdgeCountIndex；处理过程：步骤101：初始化状态管理变量S为空闲状态，S＝EDGE_CHECK_IDLE；状态维持计数SC＝0；步骤102：每个循环执行周期，当前周期计数为SystemCountIndex，按S的当前值执行不同的处理过程；如果S＝EDGE_CHECK_IDLE执行“步骤103”，如果S＝EDGE_CHECK_START执行“步骤104”，如果S＝EDGE_CHECK_LOW执行“步骤105”，如果S＝EDGE_CHECK_HIGH执行“步骤106”；步骤103：如果1PPS为低电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_START，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为高电平计数重新开始SC＝0；步骤104：如果1PPS为低电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_LOW，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为高电平计数重新开始SC＝0；步骤105：如果1PPS为低电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_HIGH，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为高电平计数重新开始SC＝0；步骤106：如果1PPS为高电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_IDLE，输出结果PulseEdgeCountIndex，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为低电平计数重新开始SC＝0，其中PulseEdgeCountIndex＝SystemCountIndex-最高阈值-1。3.根据权利要求1所述的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，其特征是：在所述步骤3中，采用KDE检查模块作为核心模块对数据进行处理，其具体处理过程为：输入：1PPS上升沿的200MHz64位计数位置索引PulseEdgeCountIndex；输出：该位置索引是否通过检查；处理过...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘运毅，黄旭方，唐秋玲，邓力，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45