一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法，包括卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。本发明专利技术能够利用GPS、BD二代时钟信息对铷原子钟进行高精度实时同步，通过光纤接口、PTP网络接口、串口等输出时钟信号。

A high precision time synchronization system and method based on GPS, BD and rubidium atomic clocks

【技术实现步骤摘要】
一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法
本专利技术涉及电力系统的时间同步
，特别涉及一种基于GPS、BD二代和铷原子钟多源授时的高精度时间同步系统及方法。
技术介绍
随着科学技术的飞速发展，在国防、通信、航天、电力、环境监测等领域，要求测试和处理的信息量越来越大、速度越来越高，而且测试对象的空间位置分散，测试任务复杂，测试系统庞大，只有把构成系统的各种测试设备单元分布于地理位置分散的各个测试节点，构建一个分布式的测试系统，才能适应这类信息采集的需要。时间是测试系统需要的十分重要的参数。对于跨越了时间和空间界限的分布式测试，需要众多仪器和设备，甚至包括天基测量系统共同参与完成。为了使由各种设备单元组成的完整的测试系统能协调一致地工作，必须实现全系统的时间统一。时间同步装置是一个向分布式测试任务提供标准的时间和频率信号，以实现整个测试系统时间的统一，由时间源、时间传递与保持、时钟再生与应用等相关的所有软硬件及其协议算法组成的装置。目前主要的时钟同步方法有：广播式时钟同步、GPS时钟同步、石英晶体同步等。广播式时钟同步是基于NTP或SNTP的一种网络同步方式，早期的国内外变电站主要使用此种同步方式，但其同步精度只能达到毫秒级。GPS时钟同步需要在测量节点配置一个GPS接收器，从而达到所有测量节点的同步。但是在重要领域中，大量使用GPS授时(授时是指利用无线电波发播标准时间信号的工作)模块，对其依赖性过大会对我国的国家安全造成不利影响；由于美国采用的SA政策，导致目前市场上提供的商用GPS系统授时精度只达到微秒级。采用石英晶体方式同步时，对工作环境的温度稳定性要求较高，且长时间使用老化率较高，需每隔一段时间进行误差校准。综上所述，如何将GPS、BD二代和铷原子钟相结合形成多源授时的高精度时间同步系统及方法，仍是待解决的技术问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法，能够利用GPS、BD二代时钟信息对铷原子钟进行高精度实时同步，通过光纤接口、PTP网络接口、串口等输出时钟信号。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，包括：卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。进一步的，所述卫星时间信号源模块包括GPS时间信号源模块和BD时间信号源模块；所述GPS时间信号源模块包括GPS天线和GPS卫星信号接收机，所述GPS天线实时接收GPS卫星时间信息，并传送至GPS卫星信号接收机，GPS卫星信号接收机将接收到的GPS卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块；所述BD时间信号源模块包括BDII天线和BDII卫星信号接收机，所述BDII天线实时接收BD二代卫星时间信息，并传送至BDII卫星信号接收机，BDII卫星信号接收机将接收到的BD二代卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块。进一步的，所述卫星时间信号调理模块包括GPS时间信号调理模块和BDII时间信号调理模块，所述GPS时间信号调理模块与GPS卫星信号接收机连接，用于对接收到的GPS卫星时间信息进行调理解析出GPS时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块；BDII时间信号调理模块与BDII卫星信号接收机连接，用于对接搜到的BD二代卫星时间信息进行调理解析出BDII时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块。进一步的，所述原子钟同步调整模块包括FPGA和铷原子钟驱动电路模块，所述FPGA通过铷原子钟驱动电路模块驱动和同步调整铷原子钟。进一步的，所述主控制模块还连接有若干时间信号输出模块，通过若干时间信号输出模块输出高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；所述若干时间信号输出模块包括PTP网络输出模块、串口输出模块、TTL秒脉冲输出模块、IRIG-B光纤输出模块、IRIG-B光纤输出模块、OC门输出模块和OC门输出模块。进一步的，所述主控制模块还分别连接有电源供电模块、液晶显示及按键模块和告警输出模块；其中，所述电源供电模块包括电源模块和冗余电源模块。进一步的，所述主控制模块包括电源转换模块、卫星时钟接收模块、PLL锁相环模块、时钟优先级处理模块和时钟输出协议转换模块，所述电源转换模块将电源电压转换为主控模块所需的电源电压，所述卫星时钟接收模块接收卫星时间信号调理模块发送的卫星时间信息以及原子钟同步调整模块发送的铷原子钟时间信息，并发送至PLL锁相环模块，所述PLL锁相环模块对卫星时间信息和铷原子钟时间信息进行同步处理，将处理后的时间信息发送至时钟优先级处理模块，时钟优先级处理模块选择卫星时间信息优先级，通过时钟输出协议转换模块将卫星时钟信号传输至原子钟同步调整模块。所述卫星时钟接收模块接收卫星时间信息，发送至PPL锁相环模块，通过PPL锁相环模块将卫星时钟信号发送至时钟优先级处理模块，时钟优先级处理模块选择卫星时间信息优先级，通过时钟输出协议转换模块将卫星时钟信号传输至原子钟同步调整模块。一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步方法，包括以下步骤：(1)通过卫星时间信号源模块接收卫星时间信息，利用卫星信号调理模块解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲；(2)判断卫星时间信息和对应的秒脉冲是否正常，若正常，则进入步骤(3)；所述不正常，则以铷原子钟时间信息为基准，进行守时；(3)以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart；(4)基于不同时间间隔下卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦi，采用PID算法对铷原子钟时标进行调整，并记录铷原子钟调整参数Ψi，其中i＝1,2,…,9；(5)再次测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦfinal，判断相位差ΔΦfinal是否在预设的误差允许范围内；如果是，则存储该原子钟调整参数Ψi，结束调整；否则，重复步骤(2)，重新开始调整。进一步的，所述以高优先级时间信息为基准，利用双混频时差测量方法测量卫星时标与铷原子钟时标的相位差ΔΦstart，包括：通过FPGA进行时间信息优先级选择，设高优先级时间信息秒脉冲经分频后的频率信号为v1，其相位为Φ1，铷原子钟产生的频率信号为v2，其相位为Φ2；将信号v1和v2分别输入到一对双平衡混频器H1和H2的一个输入端，同时利用一个公共频率发生器产生两路频率信号v0，并分别输入双平衡混频器的另一个输入端；调整公共频率发生器的输出频率v0，使其与高优先级时间信息和铷原子钟信号产生的拍频频差(v1-v0)与(v2-v0)近似相等；将这两个拍频信号经低通滤波器滤波后，输入FPGA时间间隔计数模块，一个拍频信号作为时间间隔计数模块的开门信号，另一个拍频信号作为时间间隔计数模块的关门信号，从而测量出两个拍频信号的信号差；即高优先级时间信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，包括：卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。

【技术特征摘要】
1.一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，包括：卫星时间信号源模块，与卫星时间信号调理模块连接，用于接收卫星时间信息，并发送至信号处理模块；卫星时间信号调理模块，用于对接收到的卫星时间信息进行调理，解析出卫星时间信息和对应的秒脉冲，并将卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至主控制模块；主控制模块，用于将接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲发送至原子钟同步调整模块；原子钟同步调整模块，与铷原子钟连接，用于根据接收到的卫星时间信息和对应的秒脉冲对铷原子钟进行同步调整。2.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述卫星时间信号源模块包括GPS时间信号源模块和BD时间信号源模块；所述GPS时间信号源模块包括GPS天线和GPS卫星信号接收机，所述GPS天线实时接收GPS卫星时间信息，并传送至GPS卫星信号接收机，GPS卫星信号接收机将接收到的GPS卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块；所述BD时间信号源模块包括BDII天线和BDII卫星信号接收机，所述BDII天线实时接收BD二代卫星时间信息，并传送至BDII卫星信号接收机，BDII卫星信号接收机将接收到的BD二代卫星时间信息发送至卫星时间信号调理模块。3.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述卫星时间信号调理模块包括GPS时间信号调理模块和BDII时间信号调理模块，所述GPS时间信号调理模块与GPS卫星信号接收机连接，用于对接收到的GPS卫星时间信息进行调理解析出GPS时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块；BDII时间信号调理模块与BDII卫星信号接收机连接，用于对接搜到的BD二代卫星时间信息进行调理解析出BDII时间信息和对应的秒脉冲，并发送至主控制模块。4.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述原子钟同步调整模块包括FPGA和铷原子钟驱动电路模块，所述FPGA通过铷原子钟驱动电路模块驱动和同步调整铷原子钟。5.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述主控制模块还连接有若干时间信号输出模块，通过若干时间信号输出模块输出高精度时间信息，给现场需对时的电力系统装置提供时间基准；所述若干时间信号输出模块包括PTP网络输出模块、串口输出模块、TTL秒脉冲输出模块、IRIG-B光纤输出模块、IRIG-B光纤输出模块、OC门输出模块和OC门输出模块。6.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述主控制模块还分别连接有电源供电模块、液晶显示及按键模块和告警输出模块；其中，所述电源供电模块包括电源模块和冗余电源模块。7.根据权利要求1所述的基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统，其特征是，所述主控制模块包括电源转换模块、卫星时钟接收模块、PLL锁相环模块、时钟优先级处理模块和时钟输出协议转...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭春辉，申景诗，邵飞，张建德，吕宏彬，
申请(专利权)人：山东航天电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37