CN107300849A - 一种精确时钟的测量方法及在线监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确时钟的测量方法及在线监测***，所述方法包括：两地GPS时间接收机在同一时刻接收同一GPS卫星时间信号；两地GPS时间接收机将接收的卫星时间信号输出为GPS时间秒脉冲，并发送到内部的时间间隔计数器中；将时间间隔计数器中的GPS时间秒脉冲与本地原子钟输出的秒脉冲进行比较，得到两地的本地时刻与GPS时刻的时间差；通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差，进而得到准确时间值。因此，所述精确时钟的测量方法及在线监测***，能够对时间进行准确检测并且易于推广实现。

Description

一种精确时钟的测量方法及在线监测***

技术领域

本发明涉及时钟测量技术领域，特别是指一种精确时钟的测量方法及在线监测***。

背景技术

当前随着科学技术的飞速发展以及各类生产生活效率的提高，各行各业对时间尤其是准确时间的要求越来越高。以电网领域为例，电网各节点时钟的同步性在当今大规模电网中显得日益重要。当电网发生事故涉及多个电厂、变电站时，需要综合全网的保护动作和故障录波信息进行事故分析，如果各厂站所记录时间及数据的时标不同步，无法相互参考，将给事故分析带来极大困难。

目前，有些是通过人工巡视、电话联系等方法来保证多个时钟设备的同步，此种方法比较困难，一般仅仅只是简单判断时钟设备锁星，并不能知晓时钟设备所输出的时间的精确性，而时间精确性又与设备稳定性有关。或者采用一个时钟作为标准时钟，定时给其它时钟进行授时。目前的时间同步方法只是一种简单的对时，对时钟输出的精确性和稳定性不能进行监测，无法实现统计分析，当失步时也不能告警，不方便统一管理，而且费时费力，工作效率低，成本较高。

因此，在实现本申请的过程中，发明人发现现有时间检测的精确度难以实现大面积应用，使得工作效率低，影响生产安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种精确时钟的测量方法及在线监测***，能够对时间进行准确检测并且易于推广实现。

基于上述目的本发明提供的一种精确时钟的测量方法，包括：

两地GPS时间接收机在同一时刻接收同一GPS卫星时间信号；

两地GPS时间接收机将接收的卫星时间信号输出为GPS时间秒脉冲，并发送到内部的时间间隔计数器中；

将时间间隔计数器中的GPS时间秒脉冲与本地原子钟输出的秒脉冲进行比较，得到两地的本地时刻与GPS时刻的时间差；

通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差，进而得到准确时间值。

可选的，所述通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差的步骤还包括：

经过预设时间间隔再次测量两地原子钟的时间差；

将得到的两组原子钟的时间差相减后除以预设时间间隔，得到预设时间内的平均相对频率偏差；

利用平均相对频率偏差对时间进行修正。

可选的，所述预设时间间隔为多组，通过多次测量平均相对频率偏差，逐渐对时间进行修正。

可选的，每次测量的过程为15min，且跟踪2min后开始采集数据，采集时间为13min。

本申请还提供了一种精确时钟的在线监测***，所述***包括：时间在线监测装置、时间在线监测主站***和数据传送通道；时间在线监测装置布置在各被监测站，由GPS和北斗产生非常精确的时间信号和本地振荡器产生的信号，包括DCLS和1PPS信号，每路信号都通过一个可靠的、无时延的切换装置，不间断地提供给时间间隔测量***，多路被监测的信号包括1PPS和DCLS信号也不间断地通过循环切换装置送至时间间隔测量***；监测装置将时间间隔测量***测得的数据送至数据处理及通信***，通过专线通道，测量数据送至设在监控中心的时间在线监测主站***；主站***通过对各个被监测站的监测数据的分析及处理，形成用户直观的数据、曲线、图形。

可选的，***还包括：精准时间测量模块；所述精准时间测量模块用于以卫星时间为基准，采用共视比对算法，产生时间准确度达50ns的测量时间信号，实现对IPPS、DCLS等时间信号的纳秒级精准测量。

可选的，***还包括：多通道并行测量模块；所述多通道并行测量模块用于在测量信号通过高速FPGA的模数转换、排队处理后，通过时间间隔处理器实现多通道并行测量。

可选的，***还包括：告警出发模块；所述告警出发模块用于实现预设时间内的快速告警。

从上面所述可以看出，本发明提供的精确时钟的测量方法及在线监测***通过共视对比法能够对两地时间进行实时跟踪测量，然后基于两地不同的原子钟与同一个卫星时间的比较得到两地原子钟的时间差，并且基于该时间差实现对实际时间的校正，最终获得准确的时间。此外，该方法采用的设备容易获得，且整个***不需要额外部署过多设备，所以有利于工业推广应用。因此，本申请所述精确时钟的测量方法及在线监测***能够对时间进行准确检测并且易于推广实现。

附图说明

图1为本发明提供的精确时钟的测量方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的精确时钟的测量方法的一个实施例的原理框图；

图3为本发明提供的精确时钟的测量方法的另一个实施例的原理框图；

图4为本发明提供的精确时钟的在线监测***的一个实施例的结构示意图；

图5为本发明提供的多通道并行测量模块的原理框图；

图6为本发明提供的告警出发模块的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

时间在线监测技术按监测设备安装位置分为就地、远程二大分类，就地监测按照参考基准来自卫星、地面分为基于天基和地基二大类，天基监测按接收机类型分溯源和共视二大类，地基监测按对PTP报文处理方式分为PTP时间同步网和PTP报文通信二大类，远程按照通信方式分为专线和网络二大类。

卫星共视监测技术是采用共视卫星接收机作为监测设备的测量基准，监测设备就地安装在需要监测的站点，测量被监测设备的输出时间信号的准确度，通过与设在主控中心站卫星共视接收机的通信，经过专用的共视计算软件得到被监测设备的时间准确度。在监控中心和被监测站设置卫星共视比对接收机，主站和被监测站之间通过通信网络交换卫星共视接收机的数据，可以获得被监测站时钟的准确度，精度可以达到30-50ns。基于GPS的卫星共视技术国内外都已经成熟，美国Symmetricom公司、英国TFS公司和中国科学院授时中心均有相关产品。

PTP时间同步网监测技术是采用经地面SDH网络传送的PTP时间同步信号作为测量基准，监测设备通过PTP时间同步网从设在主控中心站的PTP主时钟获得时间基准，监测设备就地安装，测量被监测设备的输出时间信号的准确度，将准确度的差值以报文方式通过数据网络传送到主控中心站，经过主站***的分析、计算得到被监测设备的时间准确度。

该技术要求监测设备首先具备“通过SDH能精密同步于主站PTP主时钟”的功能，这个技术难度实际上远超出“测量比对”的技术难度，并且建设成本也较高。目前该技术还处于研发阶段。

主站***通过与被监测设备PTP报文携带的信息的交互，获取被监测设备的状态。这种技术可信度不高，因为PTP报文中体现的时钟精度值仅仅是PTP标准协议交互后计算出的值，它是理想化的理论值，而事实上网络中很多因素都会改变实际的结果。此外，实施这一技术的前提条件是涉及时钟设备状态的PTP报文信息必须规范一致，二是PTP报文能在广域数据网上实现，目前这二个条件还不具备，因此技术和产品还不成熟。

由于PTP报文携带的状态信息仅仅是一种参考信息，并且实际就是被测设备自身给出的，因此很难评判这种技术的监测精度能够达到什么量级。

专线监测技术是监测设备安装在远端主中心站，被监测设备输出的时间信号如1PPS、DCLS，通过E1通道适配器转换成可以在SDH网上传输的2048kbit/s的格式，再通过SDH网络传送到主中心站，测量设备以本地的卫星信号或用户自己的标准时钟为测量基准，同时比对多个变电站送来的时间信号，给出二者之间的实际偏差值，通过主站的网管***进行统计、汇总和分析。

由于传送的是被测信号，因此传输网络会对测量精度造成影响。考虑到SDH专线对这种时间信号传输的特性(电信行业在2000年至2006年期间做过大量的现网应用，积累了相关的经验)，如果SDH的路径设定为固定路径，且不发生倒换，那么路径上的时延基本上是稳定的，这种时延的抖动大约在15-20us水平。因此，把这种技术应用到远程监测，当设置路径固定补偿后，监测精度可以做到100us。

网络监测技术是监测设备安装在远端主中心站，被监测设备输出的网络时间信号如NTP，通过数据通信网络传送到主中心站，在中心站完成测量比对。由于被测信号需要经过网络才能送达中心站，因此网络的时延抖动会对测量精度造成影响。根据以往的经验，电力调度数据网或通信数据网的时延抖动大约在100ms到300ms，因此采用这种方式进行远程监测，测量精度只能达到百毫秒量级。这种方式要求监测设备具备硬件测量NTP的功能，因为NTP自身是个IP包数据，如果不采用硬件测量，而是用软件方式，软件自身带来的误差是无法评估的。目前国内外基于软件NTP的测量技术和产品已有应用，但还没有基于硬件NTP的测量技术和产品。

时间在线监测技术是一项新兴的技术，面世至今的时间不到十年，目前的技术大多基于软件算法的NTP技术，监测精度在百毫秒级，不能快速、有效地发现时钟的故障，更不能快速、有效地预测时钟装置的异常趋势，把事故扼杀在萌芽状态。

基于数据网的NTP技术的原理为监测装置以NTP方式通过数据网与调度端的主时钟建立时间同步关系，获取精确时间，再以NTP方式比对下游的授时装置和被授时装置的时间，并将比对信息通过数据网上报至监控中心，实现所谓的时间精度监测。该技术目前在电力***有少量应用，但其面临的最大问题在于不可控的网络延时抖动导致比较差的测量精度，测量精度在百毫秒级，如果数据网络流量拥堵时，测量精度甚至会达到秒级。如此低的测量精度，无法实现有效的时间精度偏差检查，因此基于NTP技术监测***的实际应用价值并不高。

随着卫星共视比对技术的发展，国际上出现了采用卫星共视溯源的时间精度测量技术及产品，卫星共视溯源的测量精度可以达到10ns级精度，真正实现高精度测量，其原理为：用BIPM制定的GGTTS数据格式，两地的GPS时间接收机在同一个共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗GPS卫星信号，接收机输出代表GPS时间的秒脉冲，送至接收机内置的时间间隔计数器，与本地原子钟输出的秒脉冲比较，得到本地时刻tA与tGPS差ΔtAGPS。同时，在B地我们得到tB与tGPS的差ΔtBGPS.B地的数据可通过通信网传到A地的计算机中，然后两式相减可得两台原子钟之间的时间差。

目前，国外研究机构的技术均基于GPS，没有基于北斗的技术，也没有适合我国电网运行要求的时间在线监测网管平台。

参照图1所示，为本发明提供的精确时钟的测量方法的一个实施例的流程示意图。所述精确时钟的测量方法包括：

步骤101，两地GPS时间接收机在同一时刻接收同一GPS卫星时间信号；

步骤102，两地GPS时间接收机将接收的卫星时间信号输出为GPS时间秒脉冲，并发送到内部的时间间隔计数器中；

步骤103，将时间间隔计数器中的GPS时间秒脉冲与本地原子钟输出的秒脉冲进行比较，得到两地的本地时刻与GPS时刻的时间差；

步骤104，通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差，进而得到准确时间值。

由上述实施例可知，所述精确时钟的测量方法通过共视对比法能够对两地时间进行实时跟踪测量，然后基于两地不同的原子钟与同一个卫星时间的比较得到两地原子钟的时间差，并且基于该时间差实现对实际时间的校正，最终获得准确的时间。此外，该方法采用的设备容易获得，且整个***不需要额外部署过多设备，所以有利于工业推广应用。因此，本申请所述精确时钟的测量方法及在线监测***能够对时间进行准确检测并且易于推广实现。

具体的，参照图2和图3所示的原理框图。不考虑对时延误差修正情况下，A、B两地测量原理如下：两地的GPS时间接收机在同一个共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗GPS卫星信号，接收机输出代表GPS时间的秒脉冲，送至接收机内置的时间间隔计数器，与本地原子钟输出的秒脉冲比较，得到本地时刻tA与tGPS差ΔtAGPS。同时，在B地我们得到tB与tGPS的差ΔtBGPS.B地的数据可通过通信网传到A地的计算机中，然后两式相减可得两台原子钟之间的时间差。

ΔtAGPS＝tA-tGPS；ΔtBGPS.＝tB-tGPS；(1)

ΔtAGPS-ΔtBGPS＝tA-tGPS-tB+tGPS＝tA-tB＝ΔtAB(2)

若在某一时刻测得ΔtAB(ti)，经过一段时间τ，即ti+τ时刻测的ΔtAB(ti+τ)，则用下式可求出两台钟在τ时间内平均相对频率偏差：共视法比对要求每次跟踪的持续时间为15min，跟踪2min后开始采集数据，采集数据的时间长度为13min。只所以规定13min是为了确保能利用每12.5min发布一次的实时电离层时延修正参数。若单次采样时间为10s,则每次共视可测得78个数据，将此数据按线性拟合归算到13min的起点。通过数据交换便可得知共视两地的时差，这种方法的时间同步误差可在10ns内。

在一些可选的实施例中，所述通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差的步骤还包括：

经过预设时间间隔再次测量两地原子钟的时间差；

将得到的两组原子钟的时间差相减后除以预设时间间隔，得到预设时间内的平均相对频率偏差；

利用平均相对频率偏差对时间进行修正。

可选的，所述预设时间间隔为多组，通过多次测量平均相对频率偏差，逐渐对时间进行修正。

进一步，每次测量的过程为15min，且跟踪2min后开始采集数据，采集时间为13min。

本申请还提供了一种精确时钟的在线监测***，所述精确时钟的在线监测***包括：时间在线监测装置、时间在线监测主站***和数据传送通道；时间在线监测装置布置在各被监测站，由GPS和北斗产生非常精确的时间信号和本地振荡器产生的信号，包括DCLS和1PPS信号，每路信号都通过一个可靠的、无时延的切换装置，不间断地提供给时间间隔测量***，多路被监测的信号包括1PPS和DCLS信号也不间断地通过循环切换装置送至时间间隔测量***；监测装置将时间间隔测量***测得的数据送至数据处理及通信***，通过专线通道，测量数据送至设在监控中心的时间在线监测主站***；主站***通过对各个被监测站的监测数据的分析及处理，形成用户直观的数据、曲线、图形。

在一些可选的实施例中，监测***还包括：精准时间测量模块；所述精准时间测量模块用于以卫星时间为基准，采用共视比对算法，产生时间准确度达50ns的测量时间信号，实现对IPPS、DCLS等时间信号的纳秒级精准测量。

在一些可选的实施例中，监测***还包括多通道并行测量模块；参照图5所示原理。所述多通道并行测量模块用于在测量信号通过高速FPGA的模数转换、排队处理后，通过时间间隔处理器实现多通道并行测量。

在一些可选的实施例中，监测***还包括告警出发模块；参照图6所示原理。所述告警出发模块用于实现预设时间内的快速告警。

参照图4所示，为本发明提供的精确时钟的在线监测***的一个实施例的结构示意图。所述***包括：预警***、监测设备、监测终端、网络、时钟、变电站等等。本申请实现过过称包括：监测装置由北斗和GPS产生非常精确的测量时间信号，不间断地与被监测时间进行比对，比对的差值通过数据通信网络上传至监测***，通过研发的监测***软件的分析处理，生成报表和曲线，对于超出门限的设备发出告警。本申请还包括在1个调控中心、2个变电站之间组建时间监测网；电力调控中心配置1台交换机、1套实时时间监测***硬件和软件、1套监测单元及天馈线。在变电站配置1台交换机、1套监测单元及天馈线，组建一个时间监测***，对时间同步装置的时间准确度进行实时监测，不断完善其功能，达到实用化。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种精确时钟的测量方法，其特征在于，包括：

两地GPS时间接收机在同一时刻接收同一GPS卫星时间信号；

两地GPS时间接收机将接收的卫星时间信号输出为GPS时间秒脉冲，并发送到内部的时间间隔计数器中；

将时间间隔计数器中的GPS时间秒脉冲与本地原子钟输出的秒脉冲进行比较，得到两地的本地时刻与GPS时刻的时间差；

通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差，进而得到准确时间值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述通过将两地得到的时间差相减，得到两地原子钟的时间差的步骤还包括：

经过预设时间间隔再次测量两地原子钟的时间差；

将得到的两组原子钟的时间差相减后除以预设时间间隔，得到预设时间内的平均相对频率偏差；

利用平均相对频率偏差对时间进行修正。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述预设时间间隔为多组，通过多次测量平均相对频率偏差，逐渐对时间进行修正。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，每次测量的过程为15min，且跟踪2min后开始采集数据，采集时间为13min。

5.一种精确时钟的在线监测***，其特征在于，所述***包括：时间在线监测装置、时间在线监测主站***和数据传送通道；时间在线监测装置布置在各被监测站，由GPS和北斗产生非常精确的时间信号和本地振荡器产生的信号，包括DCLS和1PPS信号，每路信号都通过一个可靠的、无时延的切换装置，不间断地提供给时间间隔测量***，多路被监测的信号包括1PPS和DCLS信号也不间断地通过循环切换装置送至时间间隔测量***；监测装置将时间间隔测量***测得的数据送至数据处理及通信***，通过专线通道，测量数据送至设在监控中心的时间在线监测主站***；主站***通过对各个被监测站的监测数据的分析及处理，形成用户直观的数据、曲线、图形。

6.根据权利要求1所述的，其特征在于，还包括：精准时间测量模块；所述精准时间测量模块用于以卫星时间为基准，采用共视比对算法，产生时间准确度达50ns的测量时间信号，实现对IPPS、DCLS等时间信号的纳秒级精准测量。

7.根据权利要求1所述的，其特征在于，还包括多通道并行测量模块；所述多通道并行测量模块用于在测量信号通过高速FPGA的模数转换、排队处理后，通过时间间隔处理器实现多通道并行测量。

8.根据权利要求1所述的，其特征在于，还包括告警出发模块；所述告警出发模块用于实现预设时间内的快速告警。