CN104122789A - 高精度分布式同步时钟***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度分布式同步时钟***及方法，采用GPS与恒温晶振相结合的分布式同步方式，即通过GPS接收机模块解算出时间信息、定位信息并产生1PPS信号去校正恒温晶振模块所产生的本地秒脉冲信号使得本地秒脉冲信号与1PPS信号同步。这样增设有本发明的观测仪能够实现多点分布式同步，并具有很高的同步精度，且在数据同步采集时，可以进行准确的时间记录，此外，能够对数据采集点的空间方位进行准确的定位。在一台或者多台GPS失效后，则利用本地恒温晶振产生的秒脉冲代替1PPS信号进行同步，同步工作有效时间可以达到半小时以上。

Description

高精度分布式同步时钟***及方法

技术领域

本发明涉及微动勘测技术领域，具体涉及一种高精度分布式同步时钟***及方法。

背景技术

地球表层时刻存在着非地震引起的微弱震动称为微动。研究表明，地壳浅部介质的结构在微动观测中得到反映，可以通过研究地质介质的微弱振动情况，推断地层的构造，形成微动勘测方法。微动勘测方法利用微动观测仪采集接收地表各个方向的来波，通过空间自相关(SPAC)法提取频散曲线，经反演获取S波速度结构的地球物理勘测方法。通过SPAC法对微动信号提取瑞雷波频散曲线时，不仅要求观测台阵为规则的圆形台阵(即如图1所示，各观测仪沿同心圆分布，且至少在圆周上等间隔布置三个观测仪)，而且对数据的采集具有严格的同步要求。

实现台阵中各观测仪对数据采集的高精度同步是微动勘测的关键技术之一。目前，实现台阵中各观测仪同步的主要方法为有线同步，无线通讯同步，高精度石英钟同步三种。而这三种同步方法均存在各自的弊端，如有线同步难以实现远距离同步；无线通讯同步易受环境因素影响；高精度石英钟价格昂贵且预同步时间长，这些弊端都将大大降低勘测的精度，甚至导致无法勘测的后果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度分布式同步时钟***及方法，其可以进行多点分布式同步，并具有同步精度高和稳定性好的特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

高精度分布式同步时钟***，主要由GPS接收机模块、稳定性判决模块、恒温晶振模块、倍频器模块、分频器模块、时间间隔测量模块和数模转换调理模块组成；其中GPS接收机模块的时间信息输出端连接观测仪，GPS接收机模块的1PPS信号输出端经稳定性判决模块与时间间隔测量模块的一输入端相连；恒温晶振模块的输出端经倍频器模块连接分频器模块的输入端；分频器模块的输出端分为两路，一路连接观测仪，另一路连接时间间隔测量模块的另一输入端；时间间隔测量模块的输出端连接数模转换调理模块的输入端，数模转换调理模块的输出端与恒温晶振模块的控制端相连。

上述***中，所述GPS接收机模块还设有定位信息输出端。

上述***中，所述GPS接收机模块的时间信息输出端和定位信息输出端同时与一液晶显示器相连。

基于上述高精度分布式同步时钟***的高精度分布式同步时钟方法，包括如下步骤：

步骤1，GPS接收机模块解算出时间信息，并将该时间信息作为时间标记送入观测仪，同时GPS接收机模块还产生1PPS信号送入稳定性判决模块；

步骤2，稳定性判决模块对1PPS信号进行稳定性判决，获得稳定的1PPS信号；

步骤3，恒温晶振模块产生的晶振信号经过倍频器模块倍频后，再送入分频器模块进行分频得到本地秒脉冲信号，并分别送入时间间隔测量模块和观测仪；

步骤4，时间间隔测量模块测量1PPS信号和本地秒脉冲信号的时间差；

步骤5，时间差滤波模块对所测量的时间差进行卡尔曼滤波后，得到数模转换偏差控制量；

步骤6，数模转换调理模块根据得到数模转换偏差控制量，对恒温晶振的频率进行调校，使得本地秒脉冲信号与1PPS信号同步。

上述方法中，所述步骤1还进一步包括，GPS接收机模块解算出定位信息，以辅助观测仪布设的步骤。

上述方法中，所述步骤1还进一步包括，将GPS接收机模块解算出的时间信息和定位信息送入显示器进行显示的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、精度高、稳定性好，与传统GPS产生的同步时钟相比，具有更高的同步时钟精度，在一台或者多台GPS失效后，能够继续高精度同步的有效时间长。

2、多点分布式同步，为满足数据采集的需要，能够实现远距离和近距离的多个点同时进行同步。

3、定位和时间记录，能够对分布式的各个数据采集点进行准确的时间记录和空间定位，能够更加清楚明了的知道数据的采样时刻，为观测仪的野外布置提供更加明确的空间方位。

附图说明

图1为微动观测台阵示意图。图中，—表示测线，○表示测点，●表示中心测点。

图2为高精度分布式同步时钟***原理图。

图3为1PPS稳定性判断原理图。

图4为时钟分相时序图。

具体实施方式

一种高精度分布式同步时钟***，如图2所示，主要由GPS接收机模块、稳定性判决模块、恒温晶振模块、倍频器模块、分频器模块、时间间隔测量模块、数模转换调理模块和液晶显示器组成。其中GPS接收机模块的定位信息输出端与液晶显示器相连，通过解算出的定位信息，能够辅助观测仪的布设，使每个观测仪能够在圆周上等距分布。GPS接收机模块的时间信息输出端连接观测仪，通过解算出的时间信息，能够对观测仪所采集到的数据进行时间标记。GPS接收机模块的1PPS信号输出端经稳定性判决模块与时间间隔测量模块的一输入端相连。为了能够对时间和定位信息进行直观显示，所述GPS接收机模块的时间信息输出端和定位信息输出端还同时与一液晶显示器相连。恒温晶振模块的输出端连接倍频器模块的输入端。倍频器模块的输出端连接分频器模块的输入端。分频器模块的输出端分为两路，一路连接观测仪，另一路连接时间间隔测量模块的另一输入端。时间间隔测量模块的输出端连接数模转换调理模块的输入端，数模转换调理模块的输出端与恒温晶振模块的控制端相连。

微动台阵中的各观测仪采用独立的观测方式，观测仪的拾震器接收到信号后通过前置放大器进行放大，再由AD转换器对数据同步采集，这样可以有效的降低数据采集误差。数据同步采集的同步功能由GPS与恒温晶振互补协调工作完成。通过在每台观测仪上均安装有一高精度分布式同步时钟***，能够让处于同一观测台阵内的多台观测仪，可以进行多点分布式同步，且有很高的同步精度，同步精度优于200ns。且在数据同步采集时，可以进行准确的时间记录，且能够对数据采集点的空间方位进行准确的定位。此外，本发明在一台或者多台GPS接收机模块失效后，则利用本地恒温晶振产生的秒脉冲代替1PPS信号进行同步，同步工作有效时间可以达到半小时以上。

基于上述高精度分布式同步时钟***的高精度分布式同步时钟方法，包括如下步骤：

步骤1，GPS接收机模块解算出时间信息和定位信息，该时间信息和定位信息均送入显示器进行显示，且时间信息还需作为时间标记送入观测仪。同时，GPS接收机模块还产生1PPS信号送入稳定性判决模块。

由于野外勘测地理位置的复杂性，同步时钟***内部包含定位信息，可以从液晶显示屏上读取定位信息，通过定位信息对野外规定的勘测点进行布置。即GPS接收机模块解算出定位信息，能够辅助观测仪布设，这样能够确保同一微动台阵中的各个观测仪能够沿着同心圆分布，且在圆周上等间隔布置。而GPS接收机模块解算出的时间信息，则能够对观测仪所采集到的数据进行时间标记。

由于在野外勘测需要长时间测量，采集到的是大量的数据，需要对数据进行存储，通过时间信息对数据采集的时刻进行标识，保证数据不错乱。即GPS接收机模块产生时间信息，以使同一微动台阵中的各个观测仪能够在时间上同步于精准的GPS时间。

步骤2，稳定性判决模块对GPS接收机模块所产生的1PPS信号进行稳定性判决，以获得稳定的1PPS信号。

稳定性判决的原理如图3所示，在该稳定性判决模块中的计数器模块由CPLD进行设计，CLK时钟由恒温晶振提供。根据恒温晶振在短期内的稳定度可以达到10^-12Hz，因此在1s内计数器的计数精度将很高。在计数1s时间到时计数器模块输出一个高电平，即开一个“小窗口”送入与门电路，只有在有效的秒信号到来时才能得到真正的1PPS信号，消除了1PPS信号的随机误差，通过该思想设计实现1PPS硬件抗干扰性方法。

步骤3，恒温晶振模块产生的晶振信号经过倍频器模块倍频后，再送入分频器模块进行分频得到本地秒脉冲信号，并分别送入时间间隔测量模块和观测仪。

分频器模块分频出来的是两个频率：一个用于跟1PPS比较，使得本地秒脉冲逐渐与1PPS同步；另外一个作为采集数据时的采样频率，观测仪的数据同步采集模块通过数据采集同步脉冲对数据进行采集。

步骤4，时间间隔测量模块测量1PPS信号和本地秒脉冲信号的时间差。

在本实施例中，时间测量模块利用时钟分相法测量本地秒脉冲和1PPS信号的时间差。时钟分相法是将时钟作一定延时后，再分别用原时钟与延时后的时钟同时对信号进行计数，从而提高测量精度的方法。它的实现依赖于延时单元的稳定性，分辨率取决于单位延时单元的延时时间。图4是4级时钟分相的时序图。若时钟频率为100MHz，则周期为10ns。将100MHz的时钟信号经3次延时，每次相位滞后90°，即延时时间为2.5ns，得到时钟CLK2、CLK3、CLK4，延时之和刚好覆盖一个周期。用SIG的上升沿作为计数开始信号，SIG的下降沿作为计数结束信号，CLK1可记4个时钟(时钟上升沿个数)，测量结果为40ns，其分辨率为10ns。采用时钟分相法计算，4路时钟共计得15个时钟周期，即上升沿个数为15个。将时钟叠加为一路计算，则ΔT＝15×2.5＝37.5ns，分辨率为2.5ns，即用4路时钟分相测量法分辨率较1路时钟提高了4倍。

在时间间隔模块中，1PPS信号和本地秒脉冲信号先到来的上升沿作为计数开始信号，后到来的信号作为计数结束信号，得到两者时间差△T。

步骤5，时间差滤波模块对所测量的时间差进行卡尔曼滤波后，得到数模转换(DAC)偏差控制量。

卡尔曼滤波器的递归型估计的一般表达式为：

x(k)＝ax(k-1)+ω(k-1)  (1)

y(k)＝cx(k)+v(k)  (2)

$\hat{x}\left(k\right)=a\left(k\right)\hat{x}(k-1)+b\left(k\right)y\left(k\right)---\left(3\right)$

ω(k)是白噪声序列，a(k)、b(k)是估计器的加权系数，表示k-1时刻的估计值，即k-1时刻△T的估计值，表示k时刻的估计值，即k时刻的△T的估计值，y(k)是k时刻的观测值，即k时刻的△T的观测值。以均方估计误差最小为准则。均方估计误差为：

$P\left(k\right)=E{[x\left(k\right)-\widehat{x\left(k\right)]}}^2---\left(4\right)$

x(k)是k时刻的信号值，即k时刻△T的信号值，将(3)式代入(4)式，令a(k)、b(k)的偏导数为零，得

$\frac{\∂P\left(k\right)}{\∂a\left(k\right)}=-2E\left\{\right[x\left(k\right)-a\left(k\right)\hat{x}(k-1)-b\left(k\right)y\left(k\right)\left]\hat{x}(k-1)\right\}=0---\left(5\right)$

$\frac{\∂P\left(k\right)}{\∂a\left(k\right)}=-2E\left\{\right[x\left(k\right)-a\left(k\right)\hat{x}(k-1)-b\left(k\right)y\left(k\right)\left]y\left(k\right)\right\}=0---\left(6\right)$

解得：

a(k)＝a[1-cb(k)]  (7)

$b\left(k\right)=\frac{c[a^{2}P(k-1)+{\mathrm{\σ}}_w^2]}{{\mathrm{\σ}}_v^2+c^2{\mathrm{\σ}}_w^2+c^2{a}^{2}P(k-1)}---\left(8\right)$

初始状态估计值的最优估计值是开始时刻x(k)序列的平均值，即开始一段时间后，对△T进行存储，得到△T的平均值就是最优估计，从而进一步可以得到均方估计误差初始化值P(0)。是***噪声协方差，为保证估计器的均方误差最小，可由实验确定，是观测噪声协方差，取值为1。在本***中，由于恒温晶振的短期稳定性很好，频率变化很小，因此观测参数c取值为1，信号模型中常数a取值也为1。确定这些参数，卡尔曼滤波器对时间差△T进行滤波，得到DAC偏差控制量。

步骤6，数模转换调理模块根据得到数模转换偏差控制量，对恒温晶振的频率进行微调，使得本地秒脉冲信号与1PPS信号同步，以使得各观测仪得到的数据采集同步脉冲也同步。

由于野外地质勘测的复杂性和不可预知性，当一台或者多台GPS失效后，通过利用本地秒脉冲信号代替1PPS信号，同时记录GPS失效时间，对采集的数据也进行标记，表示这些数据是GPS失效后采集的。当再次接收到GPS信号后，通过对本地秒脉冲和1PPS信号的时间差进行卡尔曼滤波，同步时钟精度能够迅速回归到GPS失效前的同步精度。

本方法采用了GPS与恒温晶振相结合的分布式同步方式，该同步时钟可以进行多点分布式同步，且有很高的同步精度，同步精度优于200ns，在数据同步采集时，可以进行准确的时间记录，且能够对数据采集点的空间方位进行准确的定位。在一台或者多台GPS失效后，则利用本地恒温晶振产生的秒脉冲代替1PPS信号进行同步，同步工作有效时间可以达到半小时以上。

Claims (6)

1.高精度分布式同步时钟***，其特征是：主要由GPS接收机模块、稳定性判决模块、恒温晶振模块、倍频器模块、分频器模块、时间间隔测量模块和数模转换调理模块组成；其中GPS接收机模块的时间信息输出端连接观测仪，GPS接收机模块的1PPS信号输出端经稳定性判决模块与时间间隔测量模块的一输入端相连；恒温晶振模块的输出端经倍频器模块连接分频器模块的输入端；分频器模块的输出端分为两路，一路连接观测仪，另一路连接时间间隔测量模块的另一输入端；时间间隔测量模块的输出端连接数模转换调理模块的输入端，数模转换调理模块的输出端与恒温晶振模块的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的高精度分布式同步时钟***，其特征是：所述GPS接收机模块还设有定位信息输出端。

3.根据权利要求2所述的高精度分布式同步时钟***，其特征是：所述GPS接收机模块的时间信息输出端和定位信息输出端同时与一液晶显示器相连。

4.基于权利要求1所述高精度分布式同步时钟***的高精度分布式同步时钟方法，其特征是包括如下步骤：

步骤1，GPS接收机模块解算出时间信息，并将该时间信息作为时间标记送入观测仪，同时GPS接收机模块还产生1PPS信号送入稳定性判决模块；

步骤2，稳定性判决模块对1PPS信号进行稳定性判决，获得稳定的1PPS信号；

步骤3，恒温晶振模块产生的晶振信号经过倍频器模块倍频后，再送入分频器模块进行分频得到本地秒脉冲信号，并分别送入时间间隔测量模块和观测仪；

步骤4，时间间隔测量模块测量1PPS信号和本地秒脉冲信号的时间差；

步骤5，时间差滤波模块对所测量的时间差进行卡尔曼滤波后，得到数模转换偏差控制量；

步骤6，数模转换调理模块根据得到数模转换偏差控制量，对恒温晶振的频率进行调校，使得本地秒脉冲信号与1PPS信号同步。

5.根据权利要求4所述的高精度分布式同步时钟方法，其特征是：所述步骤1还进一步包括，GPS接收机模块解算出定位信息，以辅助观测仪布设的步骤。

6.根据权利要求5所述的高精度分布式同步时钟方法，其特征是：所述步骤1还进一步包括，将GPS接收机模块解算出的时间信息和定位信息送入显示器进行显示的步骤。