本發(fā)明涉及一種基于核密度估計(jì)法(Kernel Density Estimate，KDE)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)雙源秒脈沖(1Pulse Per Second，1PPS)無縫切換方法，屬于衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

移動(dòng)通信以及智能電網(wǎng)和智能化變電站的快速推進(jìn)要求全網(wǎng)協(xié)調(diào)一致，對時(shí)間同步的要求日益迫切，需要準(zhǔn)確、安全、可靠的時(shí)鐘信號為系統(tǒng)各類運(yùn)行設(shè)備和業(yè)務(wù)提供精確的時(shí)間服務(wù)。

目前，在移動(dòng)通信領(lǐng)域中，基站的時(shí)間同步要求為：①基站應(yīng)支持通過1PPS信號和TOD信息輸入獲得同步定時(shí)信息，使基站與傳輸網(wǎng)絡(luò)上游時(shí)間同步設(shè)備之間滿足空口時(shí)間和頻率精度要求的同步；②對于1PPS秒脈沖，采用上升沿作為準(zhǔn)時(shí)沿，上升時(shí)間應(yīng)小于50ns，脈寬應(yīng)為20ms～200ms；③TOD信息波特率默認(rèn)為9600，無奇偶校驗(yàn)，1個(gè)起始位(用低電平表示)，1個(gè)停止位(用高電平表示)，空閑幀為高電平，8個(gè)數(shù)據(jù)位，應(yīng)在1PPS上升沿1ms后開始傳送TOD信息，并在500ms內(nèi)傳完，此TOD消息標(biāo)示當(dāng)前1PPS觸發(fā)上升沿時(shí)間。TOD協(xié)議報(bào)文發(fā)送頻率為每秒1次。

電力系統(tǒng)對時(shí)間同步精度的要求是：①故障記錄的同步精度要求1ms；②對狀態(tài)量采集的同步精度要求40μs；③繼電保護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)的同步精度要求10μs；④相量實(shí)時(shí)測量的同步精度要求5μs；⑤行波故障，若要達(dá)到300m的定位精度，同步精度要求1μs，考慮散射因素的影響，同步精度要求0.5μs左右。根據(jù)時(shí)間傳播技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，電力系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)鐘的精度可以定為0.5～1μs。

由于在通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)對時(shí)間同步的要求都很高，保證時(shí)鐘同步的授時(shí)時(shí)鐘源成為了系統(tǒng)核心設(shè)備，授時(shí)時(shí)鐘源設(shè)備的失效將會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。為了增加授時(shí)時(shí)鐘源的可靠性，我們需要配備多個(gè)時(shí)鐘源并實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)鐘源的在線無縫切換，因此研究多時(shí)鐘源在線無縫切換方法對保證通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的可靠性有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于核密度估計(jì)法(KDE)的中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)與全球定位系統(tǒng)(GPS)雙源秒脈沖(1PPS)無縫切換方法，通過這種方法可以降低雙源秒脈沖切換時(shí)的抖動(dòng)，提高秒脈沖的授時(shí)精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案為：

一種基于核密度估計(jì)法的BDS與GPS雙源秒脈沖無縫切換方法，包括以下步驟：

1、通過FPGA(Field Programmable Gate Array)的內(nèi)部鎖相環(huán)把外部的50MHz恒溫晶振時(shí)鐘CLOCK_50M進(jìn)行擴(kuò)頻，獲得200MHz高頻時(shí)鐘脈沖CLOCK_200M；

2、利用CLOCK_200M時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)64位計(jì)數(shù)器，獲得每個(gè)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)索引SystemCountIndex；同時(shí)在CLOCK_200M時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，分別對BDS與GPS的秒脈沖上升沿進(jìn)行檢測，獲得BDS與GPS的秒脈沖上升沿位置編號BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根據(jù)前后的位置差獲得BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；

3、利用核密度估計(jì)法計(jì)算BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，獲得其概率密度函數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)方差，再根據(jù)三倍方差剔除法去除抖動(dòng)較大的秒脈沖；

4、剔除抖動(dòng)較大的秒脈沖后，根據(jù)BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用線性預(yù)測方法分別預(yù)測計(jì)算BDS與GPS當(dāng)前的秒脈沖上升沿計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；

5、根據(jù)狀態(tài)管理，利用BDS與GPS的秒脈沖上升沿計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的秒脈沖上升沿計(jì)數(shù)DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脈沖寬度計(jì)數(shù)DTS_PulseEdgeSpan，生成雙源無縫切換的秒脈沖。

本發(fā)明提供了一種基于核密度估計(jì)法的BDS與GPS雙源秒脈沖無縫切換方法，當(dāng)給授時(shí)時(shí)鐘源配備BDS與GPS雙源時(shí)，通過這種方法可以降低雙源秒脈沖切換時(shí)的抖動(dòng)，提高秒脈沖的授時(shí)精度，進(jìn)而能夠大大提高授時(shí)時(shí)鐘源的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于核密度估計(jì)法的BDS與GPS雙源秒脈沖無縫切換方法的系統(tǒng)框圖。

圖2為本發(fā)明一個(gè)小時(shí)秒脈沖的核密度估計(jì)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明基于核密度估計(jì)法的BDS與GPS雙源秒脈沖無縫切換方法包括以下步驟：

1、通過FPGA(Field Programmable Gate Array)的內(nèi)部鎖相環(huán)把外部的50MHz恒溫晶振時(shí)鐘CLOCK_50M進(jìn)行擴(kuò)頻，獲得200MHz高頻時(shí)鐘脈沖CLOCK_200M；

2、利用CLOCK_200M時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)64位計(jì)數(shù)器，獲得每個(gè)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)索引SystemCountIndex；同時(shí)在CLOCK_200M時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，分別對BDS與GPS的秒脈沖上升沿進(jìn)行檢測，獲得BDS與GPS的秒脈沖上升沿位置編號BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根據(jù)前后的位置差獲得BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；

3、利用核密度估計(jì)法計(jì)算BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，獲得其概率密度函數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)方差，再根據(jù)三倍方差剔除法去除抖動(dòng)較大的秒脈沖，以確保誤差加大的秒脈沖不進(jìn)入后續(xù)的切換計(jì)算，保證切換系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

4、剔除抖動(dòng)較大的秒脈沖后，根據(jù)BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用線性預(yù)測方法分別預(yù)測計(jì)算BDS與GPS當(dāng)前的秒脈沖上升沿計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；

5、根據(jù)狀態(tài)管理，利用BDS與GPS的秒脈沖上升沿計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS與GPS的秒脈沖寬度計(jì)數(shù)BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的秒脈沖上升沿計(jì)數(shù)DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脈沖寬度計(jì)數(shù)DTS_PulseEdgeSpan，生成雙源無縫切換的秒脈沖。

在所述步驟2、3、4、5中，分別采用1PPS上升沿檢測模塊、KDE檢查模塊、KDE預(yù)測模塊、1PPS上升沿切換計(jì)算模塊作為核心模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以下詳細(xì)說明各核心模塊的具體處理過程。

一、所述步驟2采用的核心模塊是1PPS上升沿檢測模塊，其具體處理過程為：

輸入：1PPS方波脈沖；

輸出：1PPS上升沿的200MHz 64位計(jì)數(shù)位置索引PulseEdgeCountIndex；

處理過程：

步驟101：初始化狀態(tài)管理變量S為空閑狀態(tài)，S＝EDGE_CHECK_IDLE；狀態(tài)維持計(jì)數(shù)SC＝0；

步驟102：每個(gè)循環(huán)執(zhí)行周期，當(dāng)前周期計(jì)數(shù)為SystemCountIndex，按S的當(dāng)前值執(zhí)行不同的處理過程；如果S＝EDGE_CHECK_IDLE執(zhí)行“步驟103”，如果S＝EDGE_CHECK_START執(zhí)行“步驟104”，如果S＝EDGE_CHECK_LOW執(zhí)行“步驟105”，如果S＝EDGE_CHECK_HIGH執(zhí)行“步驟106”；

步驟103：如果1PPS為低電平：則檢測SC大小，如果SC大于最高閾值，則設(shè)置狀態(tài)為S＝EDGE_CHECK_START，并且SC＝0，否則SC累加一；如果1PPS為高電平計(jì)數(shù)重新開始SC＝0；

步驟104：如果1PPS為低電平：則檢測SC大小，如果SC大于最高閾值，則設(shè)置狀態(tài)為S＝EDGE_CHECK_LOW，并且SC＝0，否則SC累加一；如果1PPS為高電平計(jì)數(shù)重新開始SC＝0；

步驟105：如果1PPS為低電平：則檢測SC大小，如果SC大于最高閾值，則設(shè)置狀態(tài)為S＝EDGE_CHECK_HIGH，并且SC＝0，否則SC累加一；如果1PPS為高電平計(jì)數(shù)重新開始SC＝0；

步驟106：如果1PPS為高電平：則檢測SC大小，如果SC大于最高閾值，則設(shè)置狀態(tài)為S＝EDGE_CHECK_IDLE，輸出結(jié)果PulseEdgeCountIndex，并且SC＝0，否則SC累加一；如果1PPS為低電平計(jì)數(shù)重新開始SC＝0，其中

PulseEdgeCountIndex＝SystemCountIndex-最高閾值-1。

二、所述步驟3采用的核心模塊是KDE檢查模塊，其具體處理過程為：

輸入：1PPS上升沿的200MHz 64位計(jì)數(shù)位置索引PulseEdgeCountIndex；

輸出：該位置索引是否通過檢查；

處理過程：

步驟201：計(jì)算每秒t的計(jì)數(shù)寬度x_t，

其中，x_t＝PulseEdgeCountIndex_t–PulseEdgeCountIndex_(t-1)

步驟202：計(jì)算概率密度函數(shù)p(x)的核密度估計(jì)定義為：

其中：K(.)為核函數(shù)(kernel function)，h為窗寬，計(jì)算結(jié)果如圖2所示；

步驟203：利用滑動(dòng)窗口，選取1個(gè)小時(shí)3600個(gè)1PPS計(jì)數(shù)寬度x_t計(jì)算均值：

E＝x₃₆₀₀p(x₃₆₀₀)+...+x₂p(x₂)+x₁p(x₁)

步驟204：利用滑動(dòng)窗口，選取1個(gè)小時(shí)3600個(gè)1PPS計(jì)數(shù)寬度x_t計(jì)算方差：

D＝(x₃₆₀₀-E)²p(x₃₆₀₀)+...+(x₂-E)²p(x₂)+(x₁-E)²p(x₁)

步驟205：根據(jù)方差計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟206：根據(jù)三倍均方差準(zhǔn)則檢查當(dāng)前脈沖計(jì)數(shù)：如果當(dāng)前計(jì)數(shù)x_t與均值E相減大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差，則當(dāng)前計(jì)數(shù)不通過檢查，否則通過檢查。

三、所述步驟4采用的核心模塊是KDE預(yù)測模塊，其具體處理過程為：

輸入：通過檢查的1PPS上升沿的200MHz 64位計(jì)數(shù)位置索引PulseEdgeCountIndex歷史序列x_i；

輸出：當(dāng)前位置索引的預(yù)測結(jié)果x’₀；

處理過程：

步驟301：計(jì)算預(yù)測權(quán)重a_i；

步驟302：計(jì)算歸一預(yù)測權(quán)重a’_i；

步驟303：計(jì)算居中脈沖位置索引：

x₅＝(a’_ix₀+a’_ix₁+a’_ix₂+a’_ix₃+a’_ix₄+a’_ix₆+a’_ix₇+a’_ix₈+a’_ix₉+a’_ix₁₀)/10；

步驟304：計(jì)算居當(dāng)前沖位置索引：x’₀＝x₅+6E。

四、所述步驟5采用的核心模塊是1PPS上升沿切換計(jì)算模塊，其具體處理過程為：

輸入：BDS的1PPS方波預(yù)測脈沖BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS的1PPS方波預(yù)測脈沖GPS_CalculatedEdgeCountIndex；

輸出：無縫切換計(jì)算結(jié)果DTS_PulseEdgeCountIndex；

處理過程：

步驟401：初始化切換狀態(tài)管理變量S為空閑狀態(tài)，S＝EDGE_PROCESS_IDLE；

步驟402：每個(gè)1PPS循環(huán)執(zhí)行周期，按S的當(dāng)前值執(zhí)行不同的處理過程；如果S＝EDGE_PROCESS_IDLE執(zhí)行“步驟403”，如果S＝EDGE_PROCESS_WAITPULSE執(zhí)行“步驟404”，如果S＝EDGE_PROCESS_RUNNING執(zhí)行“步驟405”，如果S＝EDGE_PROCESS_DONE執(zhí)行“步驟406”；

步驟403：如果BDS與GPS的KDE預(yù)測計(jì)算均在空閑狀態(tài)，切換狀態(tài)為S＝EDGE_PROCESS_WAITPULSE；

步驟404：如果BDS與GPS的KDE預(yù)測計(jì)算結(jié)果均有效，切換狀態(tài)為S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切換源為BDS；如果BDS預(yù)測計(jì)算結(jié)果有效，GPS預(yù)測計(jì)算結(jié)果無效，切換狀態(tài)為S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切換源為BDS；如果BDS預(yù)測計(jì)算結(jié)果無效，GPS預(yù)測計(jì)算結(jié)果有效，等待10ms后，如果BDS預(yù)測計(jì)算結(jié)果仍然無效，則切換狀態(tài)為S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切換源為GPS；如果BDS與GPS的KDE預(yù)測計(jì)算結(jié)果均無效，等待100ms后，再次檢查仍然均無效，則切換狀態(tài)為S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切換源為內(nèi)部計(jì)算DTS；

步驟405：如果1PPS切換源為BDS，則

DTS_PulseEdgeCountIndex＝BDS_CalculatedEdgeCountIndex；

如果1PPS切換源為GPS，則

DTS_PulseEdgeCountIndex＝GPS_CalculatedEdgeCountIndex；

如果1PPS切換源為DTS，則

DTS_PulseEdgeCountIndex＝DTS_PulseEdgeCountIndex+E；

步驟406：如果該1PPS切換計(jì)算完成，則切換狀態(tài)為S＝EDGE_PROCESS_IDLE。