于 帆，陳 偉

(西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

GPS/BD雙模融合的高精度時(shí)間同步方法研究

于 帆，陳 偉

(西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

為滿(mǎn)足電力和測(cè)控通訊等領(lǐng)域?qū)Ω呔葧r(shí)鐘的要求，結(jié)合GPS/BD時(shí)鐘無(wú)累積誤差和晶振時(shí)鐘無(wú)隨機(jī)誤差的特性，提出了一種新型的基于GPS/BD雙模接收機(jī)的時(shí)鐘馴服的軟、硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法。該方法通過(guò)構(gòu)建權(quán)重系數(shù)將GPS和BD信號(hào)濾波得到的鐘差估計(jì)值和鐘差速度估計(jì)值進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了基于GPS/BD雙模融合授時(shí)的時(shí)鐘馴服系統(tǒng)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用滑動(dòng)中位數(shù)方法剔除測(cè)量數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)，應(yīng)用無(wú)偏FIR濾波算法對(duì)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以提高時(shí)鐘偏差的濾波精度；在ARM的控制下，應(yīng)用數(shù)字PID控制算法產(chǎn)生控制電壓，由D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)晶振輸出頻率，實(shí)現(xiàn)快速馴服本地時(shí)鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出時(shí)鐘馴服方法的時(shí)間同步精度達(dá)到了50 ns，優(yōu)于基于單模GPS和單模北斗的時(shí)間同步系統(tǒng)。

GPS/BD雙模；時(shí)間同步；鎖相環(huán)技術(shù)；無(wú)偏FIR濾波

0 引 言

預(yù)計(jì)2020年全球?qū)⑦M(jìn)入5G時(shí)代，在5G時(shí)代人們可以享受千倍提速的網(wǎng)絡(luò)、通信等服務(wù)，這些便利的服務(wù)要求時(shí)鐘系統(tǒng)具有極高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對(duì)時(shí)鐘精度要求甚至達(dá)到納秒級(jí)別，并且各個(gè)系統(tǒng)都要求達(dá)到嚴(yán)格的時(shí)間同步。

衛(wèi)星授時(shí)是目前主流的時(shí)間同步技術(shù)，其中美國(guó)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)技術(shù)最為成熟，憑借覆蓋面廣、精度高等特點(diǎn)成為了衛(wèi)星授時(shí)的首選[1]。但是GPS歸美國(guó)政府所有，由美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)和控制，存在著故意降低精度的可能，甚至在戰(zhàn)爭(zhēng)等不確定因素下可能導(dǎo)致中國(guó)等其他地區(qū)不能使用GPS服務(wù)，對(duì)國(guó)內(nèi)各種GPS應(yīng)用造成了潛在隱患。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BD)是中國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，全面建立完成后將為全球用戶(hù)提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，精度也將更高?？梢酝耆?dú)立工作，為國(guó)內(nèi)電力、導(dǎo)航、勘測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行服務(wù)[2]。

現(xiàn)有的GPS/BD雙模授時(shí)技術(shù)是將GPS授時(shí)信號(hào)作為優(yōu)先選擇，BD授時(shí)信號(hào)作為備份，GPS信號(hào)不能正常工作時(shí)再使用BD授時(shí)信號(hào)，這種基于單模接收機(jī)的時(shí)間同步方案[3-5]，精度通常較低，系統(tǒng)的性能指標(biāo)還有進(jìn)一步提升的空間。為此，提出了一種新型的基于GPS/BD雙模融合授時(shí)的時(shí)間同步方法，通過(guò)數(shù)據(jù)融合方法將GPS鐘差與BD鐘差相融合，提高了鐘差的估計(jì)精度，應(yīng)用無(wú)偏FIR濾波算法對(duì)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，提高了鐘差的濾波精度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 時(shí)間同步方法原理

衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)具備較高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確度等特點(diǎn)，利用衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的秒脈沖信號(hào)(1 PPS)周期性地對(duì)本地時(shí)鐘源進(jìn)行馴服，使本地時(shí)鐘源輸出高穩(wěn)定的頻率信號(hào)且濾波后的誤差明顯減小[6]，系統(tǒng)可以獲得一個(gè)短期準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性都較高的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)[7-9]。所使用恒溫晶體震蕩器作為本地時(shí)鐘源。

系統(tǒng)的基本調(diào)控原理基于鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)機(jī)制[10-11]，使用PID控制算法調(diào)節(jié)恒溫晶振的輸入信號(hào)，使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)保持一個(gè)固定關(guān)系。系統(tǒng)由衛(wèi)星接收模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和恒溫晶振等構(gòu)成，其中時(shí)間間隔測(cè)量模塊在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理模塊由ARM編程實(shí)現(xiàn)。時(shí)間同步方法原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

衛(wèi)星接收模塊輸出1PPS作為FPGA中時(shí)間間隔測(cè)量模塊的輸入，恒溫晶振經(jīng)分頻后產(chǎn)生頻率為1 Hz的周期信號(hào)作為時(shí)間間隔測(cè)量模塊的另一輸入，時(shí)間間隔測(cè)量模塊的功能包括脈沖計(jì)數(shù)、分頻和測(cè)頻等，測(cè)量出恒溫晶振分頻1 Hz信號(hào)與GPS的1PPS之間的鐘差；數(shù)據(jù)處理模塊使用無(wú)偏FIR濾波算法對(duì)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以提高鐘差的濾波精度，PID控制算法計(jì)算出恒溫晶振相對(duì)于GPS的頻率偏差，將偏差值送入到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸入到恒溫晶振的壓控輸入端，調(diào)整恒溫晶振的輸出頻率。

1.2 雙模融合

為進(jìn)一步提高授時(shí)精度，提出了一種新型的基于GPS/BD雙模融合授時(shí)的時(shí)間同步方法。通過(guò)構(gòu)建權(quán)重系數(shù)將GPS和BD信號(hào)濾波得到的鐘差估計(jì)值和鐘差速度估計(jì)值進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)基于GPS/BD雙模融合授時(shí)的時(shí)鐘馴服系統(tǒng)。使用無(wú)偏FIR濾波算法對(duì)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除了衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)不穩(wěn)定以及測(cè)量引起的誤差，提高了鐘差的濾波精度，獲得了高精度的鐘差估計(jì)值和鐘差速度估計(jì)值。融合計(jì)算公式如下：

(1)

其中，x為融合后的鐘差估計(jì)值；xGPS為基于GPS的鐘差估計(jì)值；xBD為基于BD的鐘差估計(jì)值。

(2)

GPS信號(hào)和BD信號(hào)都含有不同的噪聲成分，通過(guò)提出方法可以相互抵消一部分噪聲，提高精度。

2 軟件設(shè)計(jì)及算法

2.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括FPGA軟件和ARM軟件，時(shí)間間隔測(cè)量在FPGA中進(jìn)行，精確測(cè)量出1 PPS和恒溫晶振分頻產(chǎn)生的1 Hz信號(hào)上升沿的時(shí)間間隔。FPGA中采用Verilog硬件描述語(yǔ)言并結(jié)合自身的IP核相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)、分頻和測(cè)頻等功能。在此不考慮FPGA軟件程序設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)處理模塊由ARM編程實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算、分析和判斷時(shí)間間隔測(cè)量模塊送入的鐘差數(shù)據(jù)，并計(jì)算出頻率偏差值，根據(jù)頻率偏差值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)恒溫晶振進(jìn)行頻率修正。系統(tǒng)的工作過(guò)程可以抽象為4個(gè)狀態(tài)，包括初始化狀態(tài)、跟蹤狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)和守時(shí)狀態(tài)，主要是根據(jù)接收機(jī)接收信號(hào)狀態(tài)和濾波得到的鐘差估計(jì)值大小來(lái)區(qū)分。系統(tǒng)狀態(tài)切換圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)狀態(tài)切換圖

初始化狀態(tài)：加電后初始化整個(gè)系統(tǒng)，包括ARM初始化、下載配置FPGA等。

跟蹤狀態(tài)：快速調(diào)節(jié)本地晶振輸出頻率達(dá)到與參考頻率高度同步的狀態(tài)。

穩(wěn)定狀態(tài)：區(qū)別于跟蹤狀態(tài)每個(gè)控制周期對(duì)恒溫晶振進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定狀態(tài)下當(dāng)且僅當(dāng)鐘差值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)才進(jìn)行調(diào)節(jié)。

守時(shí)狀態(tài)：衛(wèi)星信號(hào)不能正常工作時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)，通過(guò)鐘差預(yù)測(cè)模型對(duì)恒溫晶振進(jìn)行校正，保持恒溫晶振秒脈沖和頻率輸出的精度。

2.2 算法設(shè)計(jì)

無(wú)偏FIR濾波算法：有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，又稱(chēng)為非遞歸型濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線(xiàn)性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。

時(shí)鐘馴服系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫晶振的精密控制，關(guān)鍵一部分在于使用濾波算法提高鐘差的濾波精度。無(wú)偏FIR濾波算法在接收機(jī)鐘差估計(jì)的應(yīng)用，首先由國(guó)外Yuriy S. Shmaliy教授提出，在其文獻(xiàn)中說(shuō)明了相應(yīng)的公式推導(dǎo)過(guò)程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)得出在接收機(jī)鐘差估計(jì)中無(wú)偏FIR濾波比卡爾曼濾波效果更好的結(jié)論[12-13]，與Kalman濾波相比，其Allan方差要稍微好些。在軟件實(shí)現(xiàn)中將無(wú)偏FIR濾波算法改進(jìn)成迭代形式，不需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，便于算法移植。

無(wú)偏FIR濾波的思想是，通過(guò)采集一定數(shù)量的觀(guān)測(cè)值再利用卷積公式來(lái)計(jì)算要求的狀態(tài)估計(jì)值，計(jì)算公式如下：

(3)

其中，λ(n)為鐘差觀(guān)測(cè)值；Nk為采樣周期長(zhǎng)度；W(i)為卷積系數(shù)。

(4)

將無(wú)偏FIR濾波算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，采用的基本思想是通過(guò)低階的狀態(tài)估計(jì)量計(jì)算高階觀(guān)測(cè)量，從而利用無(wú)偏FIR濾波得到控制算法需要的鐘差估計(jì)值和鐘差速度估計(jì)值。時(shí)間間隔測(cè)量模塊送入數(shù)據(jù)處理模塊的是鐘差觀(guān)測(cè)量，鐘差估計(jì)值的計(jì)算方法如下：

(5)

將一階的觀(guān)測(cè)量λ1(i)在采樣周期N1中與卷積系數(shù)ξ1(i)進(jìn)行卷積計(jì)算，可以得到一階的狀態(tài)估計(jì)值ω1(n)，即鐘差估計(jì)值。通過(guò)一階狀態(tài)估計(jì)值ω1(n)計(jì)算得到二階觀(guān)測(cè)值λ2(i)，計(jì)算公式如下：

(6)

計(jì)算得到N0個(gè)二階觀(guān)測(cè)值λ2(i)后，與卷積系數(shù)ξ0(i)進(jìn)行卷積計(jì)算，得到二階狀態(tài)估計(jì)值ω2(n)，即系統(tǒng)中的鐘差速度，計(jì)算公式如下：

(7)

系統(tǒng)中使用數(shù)字PID控制算法計(jì)算電壓控制字，數(shù)字PID控制算法則是根據(jù)PID控制原理應(yīng)用在計(jì)算機(jī)或硬件控制中的程序算法，該算法具有穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確的特性[14-15]。在設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化編程，減少了對(duì)存儲(chǔ)單元的占用。通過(guò)無(wú)偏FIR濾波得到控制算法需要的鐘差量和鐘差速度量。系統(tǒng)中的時(shí)鐘模型如下：

(8)

因?yàn)楹銣鼐д窬哂休^好的短期穩(wěn)定性，假設(shè)一個(gè)控制周期內(nèi)鐘差速度保持不變，即鐘差是速度的累積，則下一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的鐘差為：

(9)

其中，n為控制周期。

在一個(gè)周期n后需要將鐘差消除為零，因此需要施加的控制量u(i)為：

(10)

其中，kd為微分系數(shù)；kp為比例系數(shù)。

鐘差調(diào)節(jié)示意圖如圖3所示。

圖3 控制量計(jì)算示意圖

將控制量u(i)輸入D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸入恒溫晶振壓控輸入端，調(diào)整恒溫晶振輸出穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所提出的一種新型的基于GPS/BD雙模融合授時(shí)的時(shí)間同步方法進(jìn)行驗(yàn)證，分別使用單模BD授時(shí)信號(hào)、單模GPS授時(shí)信號(hào)和GPS/BD雙模融合授時(shí)對(duì)恒溫晶振進(jìn)行馴服，計(jì)算馴服后的恒溫晶振分頻產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)與GPS的秒脈沖信號(hào)之間的差值，采樣周期150s，采集100組數(shù)據(jù)，三種模式下的秒脈沖精度如圖4所示。

圖4 秒脈沖精度

由圖4可知，在系統(tǒng)中衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)正常工作情況下，系統(tǒng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)后恒溫晶振分頻產(chǎn)生的秒脈沖信號(hào)與GPS的秒脈沖信號(hào)相位跟蹤誤差保持在一定范圍內(nèi)，基于單模接收機(jī)的時(shí)間同步方案，其中基于單模GPS的時(shí)間同步精度優(yōu)于基于單模BD時(shí)間同步系統(tǒng)，但是其時(shí)間同步精度仍然大于60ns，并且存在較大波動(dòng)；基于GPS/BD雙模融合授時(shí)的時(shí)間同步方法提高了鐘差的估計(jì)精度，時(shí)間同步精度始終保持在50ns以?xún)?nèi)。所提出的新型基于GPS/BD雙模接收機(jī)的時(shí)鐘馴服方法的秒脈沖精度明顯優(yōu)于基于單模GPS或單模BD的授時(shí)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電力和測(cè)控通訊等領(lǐng)域?qū)Ω呔葧r(shí)鐘的要求，提出了一種新型的基于GPS/BD雙模接收機(jī)的時(shí)鐘馴服方法?；陔p模融合的設(shè)計(jì)原理、軟件設(shè)計(jì)流程和算法設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了ARM和FPGA相結(jié)合的時(shí)鐘馴服系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用數(shù)據(jù)融合方法提高了鐘差的估計(jì)精度，時(shí)間同步精度也進(jìn)一步得到了提高，分別優(yōu)于基于單模GPS和單模北斗的時(shí)間同步系統(tǒng)，且能夠輸出高精度的頻率基準(zhǔn)和時(shí)間同步信號(hào)，可為各領(lǐng)域提供精度更高、更準(zhǔn)確的時(shí)間頻率信號(hào)。

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Research on High-precision Time Synchronization Method with GPS/BD Dual Mode Fusion

YU Fan，CHEN Wei

(School of Computer Science and Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to meet the request of high precision clock for the electric power and control communication fields,a new method of software and hardware design and implementation for clock disciplining with GPS/BD dual-mode receiver has been proposed combined with the characteristics of the GPS/BD clock without random error and oscillator without accumulation error,which could improve the estimation accuracy of clock bias by fusing the GPS clock bias data and the BD clock bias data.Furthermore,the sliding median method has been employed in the software design to eliminate the abnormal data in the measurement data and the accuracy of the clock filter has been improved with unbiased FIR filtering algorithm to filter the clock bias data.Under the control of ARM processor,the control voltage for oscillator has been acquired by adopting the digital PID control algorithm and the oscillator output frequency has been adjusted with D/A converter,which aimed at achieving a fast tamable local oscillator.According to the experimental results,the time synchronization precision of the proposed method has reached 50 ns,which is higher than single mode GPS and single mode BD time synchronization system.

GPS/BD dual-mode;time synchronization;phase-locked loop technology;unbiased FIR filter

2016-08-09

2016-11-09 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60904089)

于 帆(1963-)，男，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)與人工智能；陳 偉(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧娇刂啤?/p>

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.tp.20170313.1547.084.html

TP31

A

1673-629X(2017)05-0201-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.042