守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于時間頻率技術(shù)領(lǐng)域，尤其是用于守時系統(tǒng)主鐘時間頻率信號的駕馭與 保持，為精密時間用戶提供連續(xù)、一致的高精度時間頻率信號。
【背景技術(shù)】
[0002] 精密時間是國家重要的戰(zhàn)略資源，精密時間/頻率信號在戰(zhàn)略武器實(shí)驗(yàn)、星箭發(fā) 射、導(dǎo)航定位等現(xiàn)代國防、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及科技領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，而守時系 統(tǒng)的建立與保持是時間工作的基礎(chǔ)與核心。
[0003] 守時系統(tǒng)通常由具有一定規(guī)模的鐘組建立和維持，而其實(shí)時的標(biāo)準(zhǔn)時間頻率物理 信號由主鐘系統(tǒng)提供。主鐘系統(tǒng)由主鐘和相位微調(diào)儀組成，通過相位微調(diào)儀對主鐘的輸出 信號進(jìn)行駕馭，提供實(shí)時的、高精度的時間頻率信號。傳統(tǒng)上，對主鐘進(jìn)行頻率駕馭的參考 是守時系統(tǒng)的時間尺度，具有一定的滯后性，因此對于主鐘信號異常的判斷也會有所延遲； 當(dāng)主鐘出現(xiàn)異常情況，通過手動切換的方式更換一臺主鐘，傳統(tǒng)方法對于關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)時間頻 率信號準(zhǔn)確度和中長期穩(wěn)定度的守時要求幾乎沒有影響。然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，日益 眾多的行業(yè)對守時系統(tǒng)提供的時間/頻率信號提出了越來越高的要求，尤其是現(xiàn)代高技術(shù) 領(lǐng)域和國防建設(shè)，如衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GNSS)系統(tǒng)、現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)等，主鐘 系統(tǒng)必須保持高精度實(shí)時輸出信號的連續(xù)性和一致性，傳統(tǒng)的方法由于其滯后性，已經(jīng)不 能滿足新的需求。
[0004] 主鐘信號保持的關(guān)鍵是建立與主鐘聯(lián)系更加緊密的備份主鐘系統(tǒng)，在主鐘異常時 可以迅速替代。美國海軍天文臺（USN0)為保證GPS的用時安全，在內(nèi)部建立UTC(USN0 MC#1) 和UTC(USN0 MC#2)互為備份，還在位于科羅拉多州的施里弗空軍基建立異地備份系統(tǒng)USNO AMCXALILE0導(dǎo)航系統(tǒng)的主鐘系統(tǒng)是由一主一備兩臺氫鐘HM1和HM2組成的。GLONASS導(dǎo)航系 統(tǒng)的守時系統(tǒng)也有類似的設(shè)計。以GALILEO的主鐘系統(tǒng)為例，備份主鐘系統(tǒng)與主鐘系統(tǒng)之間 實(shí)時同步，檢測主鐘故障，并通過切換開關(guān)切換，從而達(dá)到主鐘信號保持效果，具體方法未 在公開資料中批露，無法獲得直接的可行性方案。
[0005] 為了滿足空間技術(shù)研究等多個行業(yè)對守時系統(tǒng)時間頻率信號的連續(xù)性和一致性 需求，需要設(shè)計主鐘的信號保持系統(tǒng)，此系統(tǒng)的運(yùn)行融入守時系統(tǒng)的時間尺度算法和頻率 駕馭技術(shù)，實(shí)現(xiàn)守時系統(tǒng)的主鐘時間頻率信號的保持功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換系統(tǒng)，建 立與主鐘實(shí)時同步的備份主鐘系統(tǒng)，實(shí)時檢測主鐘的運(yùn)行狀態(tài)，在主鐘故障時切換到備鐘， 經(jīng)過無縫切換單元保證高精度的時間頻率信號的連續(xù)輸出。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換系 統(tǒng)，包括主用主鐘、備份主鐘、主用主鐘相位微調(diào)儀、備份主鐘相位微調(diào)儀、比相儀、第三方 原子鐘、工控機(jī)及無縫切換單元。
[0008] 所述的主用主鐘的輸出通過主用主鐘相位微調(diào)儀調(diào)整，輸出穩(wěn)定的5/lOMHz頻率 信號和1PPS秒信號;無縫切換單元通過數(shù)字鎖相環(huán)，將壓控振蕩器鎖定在主用主鐘相位微 調(diào)儀的5/lOMHz頻率信號上，并且將壓控振蕩器的5/lOMHz頻率信號作為最終輸出；無縫切 換單元直接輸出主用主鐘相位微調(diào)儀的1PPS秒信號；
[0009] 所述的備份主鐘的輸出通過備用主鐘相位微調(diào)儀調(diào)整，輸出穩(wěn)定的5/lOMHz頻率 信號和1PPS秒信號；主用主鐘相位微調(diào)儀輸出的頻率信號、備份主鐘相位微調(diào)儀輸出的頻 率信號和第三方原子鐘輸出的頻率信號均接入比相儀，進(jìn)行實(shí)時比對，得到主備鐘差、主用 主鐘與第三方原子鐘鐘差、備份主鐘與第三方原子鐘鐘差，判斷主用主鐘是否發(fā)生故障；
[0010] 所述的工控機(jī)根據(jù)主備鐘差計算備份主鐘相位微調(diào)儀的駕馭量，調(diào)整備份主鐘相 位微調(diào)儀的頻率，輸出與主用主鐘同步的5/lOMHz頻率信號和1PPS秒信號；
[0011]如果主用主鐘發(fā)生故障，工控機(jī)發(fā)生切換指令到無縫切換單元，將壓控振蕩器鎖 定在備份主鐘相位微調(diào)儀的5/lOMHz頻率信號上，并且將壓控振蕩器的5/lOMHz頻率信號作 為頻率的最終輸出;無縫切換單元直接輸出備份主鐘相位微調(diào)儀的1PPS秒信號。
[0012] 本發(fā)明還提供一種守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換方法，包括以下步驟：
[0013] (1)，搭建守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換系統(tǒng)，連續(xù)采集150個主用主鐘相位微調(diào)儀 輸出的頻率信號和備份主鐘相位微調(diào)儀輸出的頻率信號;采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合， 計算斜率a，即備份主鐘相對于主用主鐘的頻率偏差a;給備份主鐘設(shè)置-a的頻率偏差調(diào)整， 完成初同步中的頻率同步；向備份主鐘的相位微調(diào)儀發(fā)送同步指令，實(shí)現(xiàn)備份主鐘與主用 主鐘的1PPS秒信號小于200ns的粗同步；
[0014] (2)守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)備份主鐘與主用主鐘的 時間同步，包括以下步驟：
[0015] 2 · 1)采集主備鐘差，并進(jìn)行Vondrak濾波降噪；
[0016] 2.2)根據(jù)濾波降噪以后的數(shù)據(jù)，采用二階多項式模型，預(yù)測下一時刻的鐘差D和頻 偏offsetl;
[0017] 2 . 3 )在設(shè)定的T1時間內(nèi)將主備鐘差拉回，計算備份主鐘頻率的駕馭量 -D offsetl =- T,.
[0018] 2.4)調(diào)節(jié)備份主鐘相位微調(diào)儀的輸入數(shù)據(jù)(^€86丨=(^€861:1+(^€86丨2，實(shí)現(xiàn)備份 主鐘與主用主鐘的時間同步；
[0019] ⑶進(jìn)行故障判斷，包括以下步驟：
[0020] 3.1)采用主備鐘差的前N個數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到當(dāng)前時刻的擬 合值私Λ〇,與當(dāng)前時刻的實(shí)測值e0(k)比較，作差得到 對比設(shè)定的閾值 C，如果| u(k) | >C，則相位數(shù)據(jù)異常；
[0021 ] 3.2)順序掃描頻率數(shù)據(jù)，當(dāng)某頻率數(shù)據(jù)大于設(shè)定的頻率跳變閾值時，則將該頻率 數(shù)據(jù)作為可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)并給予一個特定標(biāo)記。若連續(xù)N次發(fā)生頻率數(shù)據(jù)大于頻率跳變閾值，則 頻率數(shù)據(jù)異常；
[0022] 3.3)計算設(shè)定時間段內(nèi)主、備和第三方鐘相互比對數(shù)據(jù)的Allan方差/頻率方差， 并采用三角帽法計算單臺鐘Allan方差/頻率方差，若Allan方差/頻率方差大于設(shè)定的閾 值，則性能數(shù)據(jù)異常；
[0023] 3.4)當(dāng)主備鐘差、主用主鐘與第三方原子鐘鐘差、備份主鐘與第三方原子鐘鐘差 都存在數(shù)據(jù)異常，而主備鐘差數(shù)據(jù)正常，則第三方原子鐘存在數(shù)據(jù)異常；
[0024]當(dāng)主用主鐘與第三方原子鐘鐘差、主備鐘差都存在數(shù)據(jù)異常，而備份主鐘與第三 方原子鐘鐘差數(shù)據(jù)正常，則主用主鐘存在數(shù)據(jù)異常；
[0025]當(dāng)備份主鐘與第三方原子鐘鐘差數(shù)據(jù)異常、主用主鐘與第三方原子鐘鐘差均存在 數(shù)據(jù)異常，而主用主鐘與第三方原子鐘鐘差數(shù)據(jù)正常時，則備份主鐘存在數(shù)據(jù)異常；
[0026] (4)如果主用主鐘存在數(shù)據(jù)異常，則在備份主鐘的1PPS秒信號處于負(fù)電平區(qū)域時， 使用備份主鐘替代主用主鐘工作，根據(jù)備份主鐘的鑒相值，調(diào)整壓控振蕩器鎖定在備份主 鐘上。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是:通過建立與主鐘高精度同步的備鐘系統(tǒng)，通過故障檢測方 法實(shí)時檢測主鐘故障，并控制無縫切換單元，實(shí)現(xiàn)高精度的時間頻率信號輸出的連續(xù)性和 一致性。主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0028] (1)實(shí)現(xiàn)了守時系統(tǒng)頻率信號和秒信號輸出的一致性和連續(xù)性；
[0029] (2)設(shè)計了采用比相儀、相位微調(diào)儀和基于計算機(jī)控制的備鐘駕馭算法，實(shí)現(xiàn)的主 備同步模塊類似于一個鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)了主備主鐘的高精度時間同步。
[0030] (3)設(shè)計了基于最小二乘法進(jìn)行預(yù)測，采用最大閾值法和動態(tài)阿倫方差進(jìn)行判斷 的故障檢測方法，并且通過引入第三方原子鐘判斷故障歸屬。
[0031] (4)設(shè)計了具備負(fù)電平檢測功能的秒信號切換電路，保證切換過程中秒信號的平 穩(wěn)輸出。
【附圖說明】
[0032]圖1是守時系統(tǒng)主備主鐘無縫切換系統(tǒng)原理框圖；
[0033]圖2是主備鐘同步流程圖；
[0034]圖3是初同步實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0035]圖4是備鐘頻率駕馭算法流程圖；
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