CN109299496B - 一种高精度同步时钟产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度同步时钟产生方法，步骤包括：S1.构建卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系，并使用偏最小二乘回归进行建模，得到卫星时钟和晶振时钟之间的偏差模型；S2.实时获取卫星时钟、晶振时钟的数据，对实时获取的数据使用偏差模型进行实时估计，得到晶振时钟的误差估计值，并对偏差模型进行更新；S3.根据步骤S2实时得到的晶振时钟的误差估计值产生所需的同步时钟。本发明能够实时产生高精度、高稳定的同步时钟。

Description

一种高精度同步时钟产生方法

技术领域

本发明涉及电力***时钟同步技术领域，尤其涉及一种适用于电力***中的高精度同步时钟产生方法。

背景技术

随着现代导航、定位和授时技术的全面发展，时间的精确应用已经从军工行业向民用基础领域拓展，虽然卫星导航***有着良好的授时精度和广域的同步性能，但受到星历误差、卫星钟差、接收机误差等因素的影响，失效时误差达到几十甚至上百微秒，而电力***规模逐步扩大的过程中，对电网自动化同步时间的精度要求越来越高，在相量测量单元(PMU)中对时间精度的要求达到了微秒级，行波测距与行波保护对时间精度的要求高达纳秒级，电力***中高精度时间同步技术受到了广泛关注。

目前电力***中主要采用以下几种方式产生同步时钟：

1)使用卫星时钟结合晶振时钟产生同步时钟，即依据晶振信号累计误差大和卫星信号随机误差小的特点进行授时，采用卫星信号在线修正晶振信号的累计误差；

2)使用北斗卫星与GPS互为备用的授时方案，以提高同步时钟在某一种卫星信号失效后的稳定度；

3)利用现场可编程门阵列(FPGA)对卫星时钟信号进行监测，在卫星时钟非正常工作时改用恒温晶振授时，产生精度为1～3μs的同步时钟。

上述同步时钟产生方法可以产生较为精确的同步时钟，但各类方法均具有一定的缺陷，存在实时性不够、补偿方案复杂、样本数据异常处理或是误差模型的稳健性差等多种问题。为提高卫星时钟的稳定可靠性，有从业者提出增加数字锁相环改善卫星信号跟踪性能，利用恒温晶振提高卫星时钟授时的稳定度与精确度，但是该类方式，在卫星时钟失效时无法保证时钟精度，且基于锁相环控制仍然存在实时性较差等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、精度及稳定性高、实时性好且灵活的高精度同步时钟产生方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种高精度同步时钟产生方法，步骤包括：

S1.构建卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系，并使用偏最小二乘回归(Partial Least-Squares Regression,PLS)进行建模，得到卫星时钟和晶振时钟之间的偏差模型；

S2.实时获取卫星时钟、晶振时钟的数据，对实时获取的数据使用所述偏差模型进行实时估计，得到晶振时钟的误差估计值，并对所述偏差模型进行更新；

S3.根据步骤S2实时得到的所述晶振时钟的误差估计值产生所需的同步时钟。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中通过先构建卫星时钟与晶振时钟之间的非线性偏差方程，再将构建的所述非线性偏差方程转换为拟线性关系，得到卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系。

作为本发明的进一步改进，所述卫星时钟与晶振时钟之间的非线性偏差方程为：

y＝a+bk+ck²+ε_k (k∈N)

其中，y为卫星秒时钟与晶振秒时钟两者的偏差，a为初始偏差，

d为每个晶振秒时钟间的漂移率，R为第1个秒时钟与UTC时钟的漂移，a+bk+ck²为第k个时刻晶振秒时钟的累计误差，ε_k为第k个时刻卫星秒时钟的随机误差；

令k＝x₁，k²＝x₂，转换得到卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性回归方程为：

y＝a+bx₁+cx₂+εε～N(0,σ²)。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中使用偏最小二乘回归进行建模的步骤包括：

S11.获取多组卫星时钟和晶振时钟的历史数据，根据构建的所述拟线性关系得到单因变量组Y和自变量组X，进行标准化后得到因变量和自变量的矩阵F₀、E₀；

S12.从变量组X、Y中分别提取主成分u_h和t_h，并使提取的所述主成分u_h和t_h之间相关性达最大，提取出第一主成分t₁和u₁；

S13.根据残差矩阵E₁、F₁提取出第二主成分t₂和u₂，重复执行直至提取得到各主成分t₁,t₂,…,t_h，由提取的各主成分t₁,t₂,…,t_h得到标准化变量的回归方程；

S14.将所述标准化变量的回归方程还原成原始数据的偏最小二乘回归方程，得到所述偏差模型。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S12中按照下式使提取的所述主成分u_h和t_h之间相关性达最大：

并采用拉格朗日算法，对s分别求关于变量组E₀和F₀的第一主轴w₁和c₁以及λ₁、λ₂的偏导求得w₁和c₁，且c₁＝1，通过t₁＝E₀w₁和u₁＝F₀c₁提取出第一主成分t₁和u₁；

所述步骤S13中采用拉格朗日算法，对s分别求关于变量组E₀和F₀的第二主轴w₂和c₂以及λ₁，λ₂的偏导，其中c₂＝c₁＝1，通过t₂＝E₁w₂和u₂＝F₁c₂提取出第二主成分t₂和u₂。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S13中还包括按下式定义交叉有效性参数

根据所述交叉有效性参数

的值确定最终标准化变量的回归方程；

其中，y_i为原始数据，t₁,t₂,…,t_h为提取的主成分，

是取h个成分样本点i的拟合值，

是取h个成分将样本点i代入不包含样本点i后的拟合方程的拟合值。

作为本发明的进一步改进，所述标准化变量的回归方程具体为：

F₀ ^*＝α₁x₁ ^*+α₂x₂ ^*

其中x_i ^*是x_i标准化以后的向量；

还原成原始数据的偏最小二乘回归方程得到所述偏差模型为：

其中，

S_Y分别是Y的均值、标准差，

S_i分别是第i个自变量的均值、标准差。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3步骤包括：当卫星时钟工作正常时，根据所述误差估计值修正晶振的频率，以对晶振时钟的累计误差实时进行主动补偿，产生所需的同步时钟输出；当卫星时钟失效时，由晶振时钟参考失效前的误差估计值产生所需的同步时钟。

作为本发明的进一步改进，当卫星时钟工作正常时，按下式计算出第(n+1)次晶振时钟的补偿值：

其中，{U_n}为晶振时钟最近n次的补偿值序列，y_(n+1)为第(n+1)次所述偏差模型得到的晶振时钟的误差估计值；

当卫星时钟工作不正常时，晶振时钟的补偿值根据不正常运行前的n次补偿值计算得到。

作为本发明的进一步改进，按下式计算估计值

根据估计值

判定卫星时钟工作是否正常；

其中，n为选取样本点个数，ε_k为第k个时刻卫星秒时钟的随机误差，y为卫星秒时钟与晶振秒时钟两者的偏差，

分别所述偏差模型中的回归系数，且σ²＝D(ε)＝E(ε²)是ε的二阶原点矩。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明高精度同步时钟产生方法，基于偏最小二乘回归实现高精度同步时钟产生，通过构建卫星时钟和晶振时钟偏差的拟线性关系，再进行偏最小二乘回归建模，由建立的偏差模型实时估计晶振时钟误差，根据实时得到的晶振时钟误差估计值最终产生所需的同步时钟，可以有效提高同步时钟的稳定性与精确度，由晶振时钟的实时误差估计值，在卫星时钟失效一段时间后仍可利用误差估计值输出稳定性好的高精度时间同步信号，实现高精度、高稳定性的同步时钟生成。

2、本发明高精度同步时钟产生方法，当卫星时钟工作正常时，根据误差估计值修正晶振的频率，以对晶振时钟的累计误差实时进行主动补偿，产生所需的高精度同步时钟输出；当卫星时钟失效时，由晶振时钟参考失效前的误差估计值产生所需的高精度同步时钟，则在卫星时钟失效一段时间后仍可输出稳定性好的高精度时间同步信号，保证高精度同步时钟产生的稳定性。

附图说明

图1是本实施例高精度同步时钟产生方的实现流程示意图。

图2是本发明具体实施例中采用的时钟采集曲线示意图。

图3是本发明具体实施例中得到的卫星时钟正常时的时钟偏差结果示意图。

图4是本发明具体实施例中得到的卫星时钟失效后的时钟偏差结果示意图。

图5是本发明方法与传统方法得到的时钟偏差的对比结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例高精度同步时钟产生方法步骤包括：

S1.构建卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系，并使用偏最小二乘回归PLS进行建模，得到卫星时钟和晶振时钟之间的偏差模型；

S2.实时获取卫星时钟、晶振时钟的数据，对实时获取的数据使用偏差模型进行实时估计，得到晶振时钟的误差估计值，并对偏差模型进行更新；

S3.根据步骤S2实时得到的晶振时钟的误差估计值产生所需的同步时钟。

偏最小二乘回归是一种先进的多元分析方法，集成了多元线性回归、主成分分析和典型相关分析的功能，可以解决许多以往用普通多元回归分析方法无法解决的重要问题，对于真实状态过程无法具体测量的同步时钟***，偏最小二乘回归提供了一种高效稳健的时钟误差模型来估计过程的状态，且偏最小二乘回归在计算的过程中易于辨识***信息与噪声，可以得出***的最优状态，本实施例基于偏最小二乘回归的上述特性，将偏最小二乘回归应用在卫星与晶振时钟偏差的估计中，可以构建稳定可靠的时钟误差模型，提高同步时钟的产生精度及稳定性。

本实施例基于偏最小二乘回归(PLS)实现高精度同步时钟产生，通过构建卫星时钟和晶振时钟偏差的拟线性关系，再进行偏最小二乘回归建模，由建立的偏差模型实时估计晶振时钟误差，根据实时得到的晶振时钟误差估计值最终产生所需的同步时钟，可以有效提高同步时钟的稳定性与精确度，由晶振时钟的实时误差估计值，在卫星时钟失效一段时间后仍可利用误差估计值输出稳定性好的高精度时间同步信号，实现高精度、高稳定性的同步时钟生成。

本实施例中，步骤S1中通过先构建卫星时钟与晶振时钟之间的非线性偏差方程，再将构建的非线性偏差方程转换为拟线性关系，得到卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系。

卫星接收机在秒脉冲的输出过程中，与协调世界时(UTC)存在一定的左右漂移，设随机误差为ε，ε服从正态分布：

ε～N(0,σ²)

不同的卫星接收机输出的时间精度不相同，如GARMINGPS-25/20的σ为1μs，北斗天璇N200-BT的σ为50ns。卫星秒时钟的时间序列与UTC之间关系可表示为：

y′＝k-ε_k(k∈N) (1)

其中，y′为第k个时刻卫星秒时钟所对应的UTC时钟，ε_k为第k个时刻卫星秒时钟的随机误差。

晶振秒时钟存在较大的累计误差，由于其频率稳定度在10⁹Hz下产生的随机误差小于1ns，所以本实施例不考虑晶振秒时钟的随机误差，设晶振秒时钟与UTC时钟的初始偏差为a，第1个秒时钟与UTC时钟的漂移为R，每个晶振秒时钟间的漂移率为d，则第k个晶振秒时钟相对于UTC时钟的漂移ΔT_k＝R+d·k，晶振累计输出的第k个秒时钟相对于UTC的时钟偏差为：

令

晶振秒时钟的时间序列与UTC之间关系可表示为：

y"＝k+a+bk+ck²(k∈N) (3)

其中，y″为第k个时刻晶振秒时钟所对应的UTC时钟，a+bk+ck²为第k个时刻晶振秒时钟的累计误差。

通过式(1)和式(3)可以得出卫星秒时钟与晶振秒时钟两者的偏差y为：

y＝a+bk+ck²+ε_k(k∈N) (4)

卫星秒时钟与晶振秒时钟的偏差可以测量得到，设偏差结果序列为{y_n}，由偏差序列估计出a、b、c，则根据晶振时钟累计误差的估计值对晶振时钟进行补偿，可以产生高精度同步时钟。

本实施例按上述步骤即构建得到如式(4)所示的卫星时钟与晶振时钟之间的非线性偏差方程。

为应用PLS实现卫星与晶振时钟偏差的估计，首先对时钟偏差信号进行基于偏最小二乘回归的建模分析：

PLS采取成分提取的方法，当q＝1时，PLS就是单因变量模型。其基本做法是首先在自变量中提取第一主成分t₁，同时在因变量中也提取第一主成分u₁，并要求t₁和u₁相关程度达到最大。然后建立因变量Y对t1的回归，如果回归方程达到满意的精度，则算法终止。否则继续进行主成分的提取，直到达到满意的精度。若自变量的秩为A，最终建立Y对t₁,t₂,…,t_A的回归，然后表示成因变量与自变量的回归方程式，即偏最小二乘回归方程式。

为了方便求解，设F₀和E₀分别是单因变量Y和自变量X＝{x₁,x₂,…,x_p}的标准化矩阵，有：

式中，

S_Y分别是Y的均值、标准差，

S_i分别是第i个自变量的均值、标准差，x_i ^*是x_i标准化以后的向量，n为选取样本点个数。

偏最小二乘回归分析建模的具体步骤如下：

(1)分别从变量组X、Y中提取第一主成分，并使之相关性达最大

从X中提取第一主成分t₁，从Y中提取第一主成分u₁，要使t₁和u₁最大限度地概括数据X和Y，同时t₁对u₁又有很强的解释能力，则第一主成分的协方差Cov(t₁,u₁)最大。

(2)建立X、Y对t₁的回归

求得主成分t₁，u₁后，分别求E₀和F₀对t₁的回归方程，E₁、F₁分别是方程的残差矩阵。

(3)利用主成分t_h与u_h分别对X和Y进行回归建模，实现回归方程的拟合

用矩阵E₁、F₁代替E₀、F₀，按照上面的方法求第二主成分t₂、u₂，如此下去，如果X的秩是A，则会有Y对t₁,t₂,…,t_A的回归，由于t₁,t₂,…,t_A均可以表示成E₀₁,E₀₂,…,E_0p的线性组合，因此标准化变量的回归方程为：

F₀＝α₁x₁ ^*+α₂x₂ ^*+…α_px_p ^* (7)

(4)交叉有效性检验

为了验证引入主成分t_h对自变量与因变量之间关系的作用，进一步定义交叉有效性参数

设y_i为原始数据，t₁,t₂,…,t_h为提取的主成分，

是取h个成分样本点i的拟合值，

是取h个成分将样本点i代入不包含样本点i后的拟合方程的拟合值，则：

具体当

时，引进新的主成分t_h会对模型的预测能力有明显的改善作用，根据交叉有效性

最终确定标准化变量的回归方程。

本实施例具体将卫星时钟与晶振时钟偏差的非线性关系，转化为拟线性关系后，再基于PLS的上述原理对变换后的数据采用偏最小二乘回归法进行回归建模，步骤S1中使用偏最小二乘回归进行建模的步骤包括：

S11.获取多组卫星时钟和晶振时钟的历史数据，根据构建的拟线性关系得到单因变量组Y和自变量组X，进行标准化后得到因变量和自变量的矩阵F₀、E₀；

S12.从变量组X、Y中分别提取主成分u_h和t_h，并使提取的主成分u_h和t_h之间相关性达最大，提取出第一主成分t₁和u₁；

S13.根据残差矩阵E₁、F₁提取出第二主成分t₂和u₂，重复执行直至提取得到各主成分t₁,t₂,…,t_h，由提取的各主成分t₁,t₂,…,t_h得到标准化变量的回归方程；

S14.将标准化变量的回归方程还原成原始数据的偏最小二乘回归方程，得到偏差模型。

本实施例对上述式(4)的卫星秒时钟与晶振秒时钟之间偏差的拟线性方程进行PLS回归建模具体流程包括：

令上述式(4)中的k＝x₁，k²＝x₂，得到一元二次多项式的拟线性回归方程为：

y＝a+bx₁+cx₂+εε～N(0,σ²) (9)

即由式(9)转换得到卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性回归方程。

卫星与晶振秒时钟两者的误差可以测量得到，观察n组数据则存在单因变量Y和自变量集合X＝[x₁,x₂]_n×2，标准化后得到因变量和自变量的矩阵F₀、E₀。按照上述PLS实现原理，在变量组中各自提取主成分u_h和t_h，若使之相关性达最大，即：

根据式(10)采用拉格朗日算法，对s分别求关于变量组E₀和F₀的第一主轴w₁和c₁以及λ₁，λ₂的偏导，并令其等于0，求得w₁和c₁；由于F₀(F₀∈Rⁿ)只是单变量，所以c₁是标量，且c₁＝1，通过t₁＝E₀w₁和u₁＝F₀c₁提取出第一主成分t₁和u₁。

由上述式(6)可得残差矩阵E₁、F₁，再利用拉格朗日算法，对s分别求关于变量组E₀和F₀的第二主轴w₂和c₂以及λ₁，λ₂的偏导，其中c₂＝c₁＝1，通过t₂＝E₁w₂和u₂＝F₁c₂提取出第二主成分t₂和u₂。

本实施例采用上述交叉有效性检验原则，使用交叉有效性参数确定得到的标准化变量的回归方程为：

F₀ ^*＝α₁x₁ ^*+α₂x₂ ^* (11)

其中

由上述式(5)还原成原始数据的偏最小二乘回归方程为：

ε服从正态分布，由一元二次回归性质可知式(12)即为晶振时钟累计误差模型，由上述式(12)即得到所需的卫星时钟与晶振时钟之间的偏差模型。

为实现同步时钟动态过程，需要不断更新晶振时钟累计误差模型，以最新采集到的数据集和模型原矩阵为基础对模型进行实时修正。本实施例将最新采集到的数据{X^*,Y^*}和原来的变量组组合为X_new＝[XX^*]、Y_new＝[YY^*]，再对新的变量组依次进行偏最小二乘回归建模分析，实现同步时钟的动态产生。

本实施例由偏差模型实时估计的误差值产生最终的同步时钟，步骤S3步骤包括：当卫星时钟工作正常时，根据误差估计值修正晶振的频率，以对晶振时钟的累计误差实时进行主动补偿，产生所需的高精度同步时钟输出；当卫星时钟失效时，由晶振时钟参考失效前的误差估计值产生所需的高精度同步时钟，则在卫星时钟失效一段时间后仍可输出稳定性好的高精度时间同步信号。

由于σ²＝D(ε)＝E(ε²)是ε的二阶原点矩，按矩估计法有：

其中，

分别为式(12)的回归系数，由

的大小反应了卫星时钟的精度，可作为卫星时钟是否正常的依据，本实施例具体根据

的大小判断卫星时钟是否正常。

设晶振时钟最近n次的补偿值序列为{U_n}，本实施例具体当卫星时钟工作正常时，由晶振时钟误差模型的回归系数

计算出第(n+1)次晶振时钟的补偿值为：

当卫星时钟工作不正常时，晶振时钟的补偿值根据不正常运行前的n次补偿值计算得到。由于晶振时钟的随机误差小、误差漂移小，本实施例晶振时钟的补偿值具体取不正常运行前的n次补偿值的平均值，即：

可以理解的是，晶振时钟的补偿值也可以根据误差值采用其他方式确定得到，以满足不同的应用需求。

按照上述方法，卫星时钟正常时由误差估计时进行修正，卫星时钟工作不正常时，由先前的多次补偿值确定当前补偿值，可以产生高精度、高稳定性的同步时钟，即使卫星时钟非正常工作的时间较长，也能保证输出稳定的高精度同步时钟。

本实施例先根据对时钟偏差方程进行偏最小二乘回归建模，然后估计晶振时钟累计误差，然后依据该估计值求出补偿值，再控制晶振的压控端，实时对晶振频率进行调节，从而对晶振时钟累计误差进行在线补偿，当卫星时钟处于正常工作状态时，依据估计值修正晶振频率，对晶振时钟的累计误差进行实时主动补偿，产生修正后的高精度同步时钟；当卫星时钟处于失效状态时，补偿值恒定取卫星时钟正常工作时累计误差补偿值的平均值，继而得到精确的同步时钟，实现同步时钟产生的流程具体为：

1)采集过程历史数据作为样本；

2)使用PLS建立卫星时钟与晶振时钟之间的偏差模型；

3)使用偏差模型对采集到的新数据进行估计和模型更新；

4)由估计值对晶振时钟的累计误差进行补偿，其中当卫星时钟正常时，补偿值由当前误差估计值得到，卫星时钟非正常时，补偿值由不正常运行前的n次补偿值的平均值得到；

5)输出产生的精度高、稳定性强的同步时钟。

在实际应用中为提高卫星时钟失效后的时钟精度，可尽可能保证环境温度恒定，使高精度晶振有足够的长期稳定性。

为了验证本实施例上述方法的有效性，具体应用实施例中在MATLAB软件平台上进行仿真试验，试验中卫星秒时钟加入了均值为零的随机函数，模拟产生卫星时钟的随机误差，其中σ＝50ns，晶振频率为200MHz，频率准确度为5×10^-11，频率稳定度为1×10^-11/s，假定晶振温度恒定为45℃，得到的试验结果如图3～5所示。

本实施例时钟采集曲线如图2所示，通过模拟产生了UTC秒时钟C_u(t)、卫星秒时钟C_b(t)和晶振秒时钟C_k(t)，卫星秒时钟与UTC秒时钟存在一定的左右漂移，晶振秒时钟受自身频率波动存在较大的累计误差，图中数据基于式(1)、(3)、(4)得到卫星秒时钟和晶振秒时钟的偏差序列，按照本发明上述偏最小二乘回归方法，利用SIMCA-P软件可以提取出三个主成分t₁、t₂和t₃，各主成分对X和Y的交叉有效性如表1所示。

表1：交叉有效性检验

从表1中可以看出，提取第2和第3主成分时，第3主成分对X已不能满***叉有效性的要求，因此提取前两个主成分创建回归方程，计算出回归系数

分别为98.57、0.88、0.04。

以下分别对本发明方法在卫星时钟正常工作时性能、卫星时钟失效后性能进行验证，以及将本发明方法与现有方法进行对比试验。

(1)卫星时钟正常工作时性能试验

为验证本发明法在卫星时钟工作正常时应用的有效性，试验中用高频脉冲信号模拟噪声干扰，由回归系数得到时钟误差估计模型，对晶振时钟的累计误差进行估计，再补偿晶振时钟的累计误差，结果如图3所示，图3中，μ为未采用算法的时钟偏差曲线，μ’为采用本发明基于偏最小二乘回归得到的时钟偏差曲线，从图中可以看出，采用本发明偏最小二乘回归法同步时钟的误差精度得到了明显的提高，而且稳定性增强，最大偏差由原来的131.6ns提高到现在的45.5ns，同时平均偏差也由81.47ns减少到26.78ns。

(2)卫星时钟失效后性能试验

设定卫星时钟正常工作2h后处于失效状态，补偿值恒定取卫星时钟正常工作时晶振时钟累计误差补偿值的平均值，结果如图4所示，图4中的局部放大部分对应第8h时间段500～600s的时钟偏差波形，可以看出，当卫星时钟失效后，时钟偏差随着时间增加而逐渐增大，但在失效后的第8h，时钟误差依然少于1.2μs，其精度优于智能变电站守时标准1μs/h的要求。

(3)对比试验

分别采用本发明方法与现有的同步时钟产生方法进行试验对比，试验中用高频脉冲信号模拟噪声干扰，依据图2中时钟采集样本，按照最小二乘法的分析步骤，计算出回归系数a、b、c分别为64.72、1.16、0.37，结果如图5所示，图5中，β为采用最小二乘法的时钟偏差曲线，β’为采用偏最小二乘回归法的时钟偏差曲线，从图中可以看出，采用本发明基于偏最小二乘回归的方法对时钟偏差模型有更强的稳健性与精确度。

通过上述试验结果可知，本发明基于偏最小二乘回归实现同步时钟的产生，可以产生精确度高、稳定性强的同步时钟，相比于传统同步时钟产生方法，具有更好的精度及稳定性。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高精度同步时钟产生方法，其特征在于，步骤包括：

S1.构建卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系，并使用偏最小二乘回归进行建模，得到卫星时钟和晶振时钟之间的偏差模型；

S2.实时获取卫星时钟、晶振时钟的数据，对实时获取的数据使用所述偏差模型进行实时估计，得到晶振时钟的误差估计值，并对所述偏差模型进行更新；

S3.根据步骤S2实时得到的所述晶振时钟的误差估计值产生所需的同步时钟。

2.根据权利要求1所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述步骤S1中通过先构建卫星时钟与晶振时钟之间的非线性偏差方程，再将构建的所述非线性偏差方程转换为拟线性关系，得到卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性关系。

3.根据权利要求2所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述卫星时钟与晶振时钟之间的非线性偏差方程为：

y＝a+bk+ck²+ε_k (k∈N)

其中，y为卫星秒时钟与晶振秒时钟两者的偏差，a为初始偏差，

d为每个晶振秒时钟间的漂移率，R为第1个秒时钟与UTC时钟的漂移，a+bk+ck²为第k个时刻晶振秒时钟的累计误差，ε_k为第k个时刻卫星秒时钟的随机误差；

令k＝x₁，k²＝x₂，转换得到卫星时钟和晶振时钟之间偏差的拟线性回归方程为：

y＝a+bx₁+cx₂+εε～N(0,σ²)。

4.根据权利要求1或2或3所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述步骤S1中使用偏最小二乘回归进行建模的步骤包括：

S11.获取多组卫星时钟和晶振时钟的历史数据，根据构建的所述拟线性关系得到单因变量组Y和自变量组X，进行标准化后得到因变量和自变量的矩阵F₀、E₀；

S12.从变量组X、Y中分别提取主成分u_h和t_h，并使提取的所述主成分u_h和t_h之间相关性达最大，提取出第一主成分t₁和u₁；

S13.根据残差矩阵E₁、F₁提取出第二主成分t₂和u₂，重复执行直至提取得到各主成分t₁,t₂,…,t_h，由提取的各主成分t₁,t₂,…,t_h得到标准化变量的回归方程；

S14.将所述标准化变量的回归方程还原成原始数据的偏最小二乘回归方程，得到所述偏差模型。

5.根据权利要求4所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述步骤S12中按照下式使提取的所述主成分u_h和t_h之间相关性达最大：

并采用拉格朗日算法，对s分别求关于变量组E₀和F₀的第一主轴w₁和c₁以及λ₁、λ₂的偏导求得w₁和c₁，且c₁＝1，通过t₁＝E₀w₁和u₁＝F₀c₁提取出第一主成分t₁和u₁；

所述步骤S13中采用拉格朗日算法，对s分别求关于变量组E₀和F₀的第二主轴w₂和c₂以及λ₁，λ₂的偏导，其中c₂＝c₁＝1，通过t₂＝E₁w₂和u₂＝F₁c₂提取出第二主成分t₂和u₂。

6.根据权利要求5所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述步骤S13中还包括按下式定义交叉有效性参数

根据所述交叉有效性参数

的值确定最终标准化变量的回归方程；

其中，y_i为原始数据，t₁,t₂,…,t_h为提取的主成分，

是取h个成分样本点i的拟合值，

是取h个成分将样本点i代入不包含样本点i后的拟合方程的拟合值。

7.根据权利要求6所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述标准化变量的回归方程具体为：

F₀ ^*＝α₁x₁ ^*+α₂x₂ ^*

其中x_i ^*是x_i标准化以后的向量；

还原成原始数据的偏最小二乘回归方程得到所述偏差模型为：

其中，

S_Y分别是Y的均值、标准差，

S_i分别是第i个自变量的均值、标准差。

8.根据权利要求1或2或3所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，所述步骤S3步骤包括：当卫星时钟工作正常时，根据所述误差估计值修正晶振的频率，以对晶振时钟的累计误差实时进行主动补偿，产生所需的同步时钟输出；当卫星时钟失效时，由晶振时钟参考失效前的误差估计值产生所需的同步时钟。

9.根据权利要求8所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，当卫星时钟工作正常时，按下式计算出第(n+1)次晶振时钟的补偿值：

其中，{U_n}为晶振时钟最近n次的补偿值序列，y_(n+1)为第(n+1)次所述偏差模型得到的晶振时钟的误差估计值；

当卫星时钟工作不正常时，晶振时钟的补偿值根据不正常运行前的n次补偿值计算得到。

10.根据权利要求8所述的高精度同步时钟产生方法，其特征在于，按下式计算估计值

根据估计值

判定卫星时钟工作是否正常；

其中，n为选取样本点个数，ε_k为第k个时刻卫星秒时钟的随机误差，y为卫星秒时钟与晶振秒时钟两者的偏差，

分别所述偏差模型中的回归系数，且σ²＝D(ε)＝E(ε²)是ε的二阶原点矩。

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