基于FPGA的雙衛星自恢復冗余授時系統的研究

王 鵬， 陳 婷， 黃 冰

（南京工業大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210009）

0 引言

電力系統是一個實時性要求比較高的系統，在繼電保護和測量中，時間的精度以及同一性十分重要。如在二次控制、保護設備中，需要利用一些參數以進行故障判斷、系統穩定性分析計算等，而這些參數除了本身大小等屬性之外，還都隱含著都屬于同一時刻這一重要特征：拋棄掉同一時刻這個先決條件，所有的計算都會變得毫無意義。在實際中，如果各個參數本身各自使用一套計時系統，很難做到每個采集到的數據在時間上的統一。針對這一問題，同步技術的應用即成為電力系統設計中非常的重要的一個內容。

關于同步信號的來源，目前主要有各數值插值法和時鐘同步法。由于數值插值法其算法復雜，精度低，會出現累積誤差且會占用一定的硬件資源，影響系統的準確性以及穩定性，故目前大多數同步系統采用了另外一種時鐘同步法，采用衛星授時作為時鐘信號的來源，相比數值插值法而言，由于時鐘信號是第三方提供的，所以準確度穩定性等方面具有很大的優勢，并且使得不同的電力設施之間具有統一的時間系統，便于全局管理。

本文提出了一種高穩定性衛星授時系統的設計，針對單一衛星授時出現問題后可能導致系統崩潰這一致命缺點，利用GPS和北斗雙衛星冗余授時，使授時過程中出現問題的概率大大降低，并具有自恢復等特殊優點。采用FPGA作為信號采集、處理、發送的控制核心。文中分析了系統實現原理、結構，以及軟件算法的具體實現方案和仿真。

1 雙衛星冗余授時的原理

雙衛星冗余授時系統的框架圖如圖1所示，主要有衛星接收模塊，信號處理模塊，需要同步的設備組成。衛星接收模塊負責GPS和北斗信號的接收，并將信號傳輸給信號處理模塊；信號處理模塊（FPGA）處理接收到的衛星信號，對數據進行處理，并將正確的同步信號傳送給需要同步的設備。這樣，構成了雙衛星冗余授時的一個完整的系統。

圖1 雙衛星授時系統的模型

1.1 雙衛星授時的必要性[1-3]

目前，雖然美國承諾免費提供GPS信號給我國使用，但是作為一個現代化國家，衛星導航系統是國家的基礎設施之一，關系到國家人民生產生活的安全，如果GPS系統出現故障，將產生不可估計的損失。北斗系統為我國自行研發的衛星導航系統，我國擁有完全的自主知識產權，應大力發展提倡。北斗二代系統目前雖然發展很快，有著良好的前景，但在近幾年仍無法保證其穩定性，針對這種情況，提出一種同時利用2種授時系統的冗余單元，在提高授時穩定性的同時，增加了系統的安全性且為我國北斗系統的成熟發展提供了支持。目前，暫時將給GPS作為主授時系統，北斗系統作為后備，隨著北斗系統的不斷完善，將逐步取代GPS，最終完全使用北斗系統。

1.2 正確信號的要求[4-7]

通過 GPS接收機或北斗接收機接收到衛星發送的秒脈沖信號，在進行同步之前，需要進行秒脈沖信號的正確性以及穩定性的檢測，以保證系統運行的安全。IEC60044協議[8]中，規定正確的秒脈沖信號(1 pps)的格式為：

①相鄰兩個脈沖上升沿之間的間隔T應為1 s，即頻率為1 Hz，信號為光量或者電壓量，每個上升沿的誤差為±10 μs。

②高電平的持續時間T1應大于10 μs。

③脈沖間隔時間T2應大于500 ms。

只有同時滿足以上3個條件，才能被計算為1個完整的秒脈沖信號。

為了保證衛星信號的穩定性，通常規定，只有連續檢測到4個正確的秒脈沖信號后，才能發送一個正確的同步信號。同理，在下一個正確的同步信號的發送時，表面上只檢測了這一時刻的一個正確秒脈沖，而實際上，已隱含包括了上 3個正確的秒脈沖。波形如圖2所示。

圖2 正確信號的定義

1.3 雙衛星自恢復同步算法的設計

根據接收正確秒脈沖信號的定義，在發送正確的同步信號狀態時，如檢測到某個秒脈沖信號出現異常，這時，可利用晶振的短時穩定性維持一段時間同步信號的發送，同時，重新檢測 3個正確的GPS秒脈沖信號以恢復正確的同步信號。如果在一段時間內，仍不能恢復正常，則進入北斗衛星的秒脈沖的檢測系統，利用了與GPS秒脈沖產生同步信號相同的方法，實現同步的冗余操作。生成的同步信號狀態機的狀態轉移如圖3所示。

圖3 自恢復同步算法的狀態轉移

圖3中，狀態S0-S4為關于GPS時鐘的，S5-S9是北斗時鐘的狀態。

狀態S0：初始狀態，信號檢測計數器清零開始計數，如計數到150000000(晶振50 MHz，大約3 s)仍未檢測到GPS秒脈沖信號的上升沿，或者錯誤累積計數器達到 3，則進入北斗時鐘的初始狀態S5，形成冗余操作，并復位各個計數器；若檢測到GPS秒脈沖信號的上升沿，則進入狀態S1。

狀態S1：用來檢測高電平持續時間，根據正確信號最少維持10 μs的規定以及50 MHz的晶振可計算得出計數次數。GPS秒脈沖脈寬計數器清零開始計數，當其計數值超過500，則進入狀態S2進一步檢測，否則，錯誤累積計數器加1，返回狀態S0。

狀態S2：檢測相鄰的2個秒脈沖的正確性，根據誤差±10 μs的規定，在 GPS秒脈沖脈寬計數器計數值在49000500～50000500之間時，如檢測到GPS秒脈沖信號的上升沿，即說明完成一個正確秒脈沖的檢測，正確秒脈沖計數器加1，進入狀態S3進一步檢測，否則，錯誤累積計數器加1，返回狀態S0。

狀態S3：檢測正確脈沖計數器，是否達到3個連續正確的秒脈沖，如果是，則發送1 pps信號，進入狀態4，否則，返回狀態S1。

狀態S4：GPS秒脈沖脈寬計數器清零開始計數，如果在49000500～50000500(1 s)內接收到上升沿信號，則發送1 pps信號，并維持 S4狀態，否則，即出現了秒脈沖的錯誤，錯誤累積計數器加1，返回狀態S0。

狀態S5-S9與狀態S0-S4功能基本一致，只增加了針對北斗時鐘和GPS時鐘固有誤差的補償，這里就不贅述。

由同步算法可知，在相應狀態進行相應計數器的及時清零重新計數操作，使用普通晶振即可滿足在短時間內的精確性，從而解決了晶振的累積誤差問題；同樣，每秒鐘的晶振的清零也解決了接收機的正態分布誤差以及衛星信號誤差的累積問題。而當其中一種授時方式出現問題后，清除該授時方式的各個計數器，使其恢復到初始狀態；并利用晶振短時計數為系統同步，直到第二種授時方式準備完畢，這樣，既保證了2種授時方式交接時的穩定性又可以保證第二種授時方式出現問題時仍可使用第一種授時方式，使系統具有自恢復的能力。

2 同步算法的仿真與驗證

編程和仿真采用Altera公司提供的Quartus II軟件，由于仿真速度的限制，在仿真時，將衛星秒脈沖（sclk）的周期定為1 ms，而晶振（CLK）仍采用50 MHz，為了便于觀察每個秒脈沖的波形，將每個秒脈沖的波形的占空比調整為1:1，但是設定檢測正確高電平的維持時間仍保持在10 μs，即500個晶振周期。由于秒脈沖的周期變小而晶振頻率不變，每個秒脈沖的計數值即為 50000，由于精確度的原因，每個秒脈沖的誤差由±10 μs變為±0.1 μs，即5個晶振周期，在下一個秒脈沖的檢測范圍即為49995-50005，oserror為錯誤計數器，osnone為無信號計數器，osright為正確信號計數器，ssend為發送的同步秒脈沖。下面，以實際情況中可能出現的2種情況進行說明。

①出現問題自恢復的情況：當秒脈沖信號檢測正確，進入到同步信號發送的狀態，這時檢測新的秒脈沖信號出現異常的情況，如圖4所示，由圖可知，此時立即返回初始狀態重新檢測3個正確的秒脈沖，oserror和osnone同時加1，并且晶振計數(ojz)開始工作，以保證系統的不中斷，待檢測正確后，晶振計數停止工作，重新工作由GPS秒脈沖控制的同步信號發送狀態。

②出現問題未能自恢復的情況：當初始秒脈沖信號檢測正確，進入到同步信號發送的狀態，這時檢測新的秒脈沖信號出現異常的情況，如圖5所示，本仿真與圖4不同，由圖可知，在出現異常返回初始步驟后，此時由于各種原因在規定的容錯期間內沒有通過3個正確秒脈沖的檢測，oserror和osnone計數達到極限，這時立即轉入北斗系統的初始狀態（為了顯示北斗狀態，設定進入 S5狀態后馬上取消晶振的輔助計時）。

圖4 GPS信號偶然丟失仿真(自恢復)

圖5 GPS信號丟失仿真(未能自恢復，轉入北斗)

3 結語

本文針對電力系統中對同步信號的要求，提出了一種新的基于北斗和GPS雙衛星自恢復冗余的授時系統，設計了系統的結構，軟件的算法，并對系統進行了仿真。仿真結果表明，該系統符合電力系統對同步信號高穩定性，高精確性，高安全性的要求，并具有結構簡單，成本低廉等優點，擁有極高的實用價值。

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