基于FPGA的双卫星自恢复冗余授时系统的研究

2011-08-11王鹏，陈婷，黄冰

通信技术 2011年10期

王鹏，陈婷，黄冰

（南京工业大学电子与信息工程学院，江苏南京 210009）

0 引言

电力系统是一个实时性要求比较高的系统，在继电保护和测量中，时间的精度以及同一性十分重要。如在二次控制、保护设备中，需要利用一些参数以进行故障判断、系统稳定性分析计算等，而这些参数除了本身大小等属性之外，还都隐含着都属于同一时刻这一重要特征：抛弃掉同一时刻这个先决条件，所有的计算都会变得毫无意义。在实际中，如果各个参数本身各自使用一套计时系统，很难做到每个采集到的数据在时间上的统一。针对这一问题，同步技术的应用即成为电力系统设计中非常的重要的一个内容。

关于同步信号的来源，目前主要有各数值插值法和时钟同步法。由于数值插值法其算法复杂，精度低，会出现累积误差且会占用一定的硬件资源，影响系统的准确性以及稳定性，故目前大多数同步系统采用了另外一种时钟同步法，采用卫星授时作为时钟信号的来源，相比数值插值法而言，由于时钟信号是第三方提供的，所以准确度稳定性等方面具有很大的优势，并且使得不同的电力设施之间具有统一的时间系统，便于全局管理。

本文提出了一种高稳定性卫星授时系统的设计，针对单一卫星授时出现问题后可能导致系统崩溃这一致命缺点，利用GPS和北斗双卫星冗余授时，使授时过程中出现问题的概率大大降低，并具有自恢复等特殊优点。采用FPGA作为信号采集、处理、发送的控制核心。文中分析了系统实现原理、结构，以及软件算法的具体实现方案和仿真。

1 双卫星冗余授时的原理

双卫星冗余授时系统的框架图如图1所示，主要有卫星接收模块，信号处理模块，需要同步的设备组成。卫星接收模块负责GPS和北斗信号的接收，并将信号传输给信号处理模块；信号处理模块（FPGA）处理接收到的卫星信号，对数据进行处理，并将正确的同步信号传送给需要同步的设备。这样，构成了双卫星冗余授时的一个完整的系统。

图1 双卫星授时系统的模型

1.1 双卫星授时的必要性[1-3]

目前，虽然美国承诺免费提供GPS信号给我国使用，但是作为一个现代化国家，卫星导航系统是国家的基础设施之一，关系到国家人民生产生活的安全，如果GPS系统出现故障，将产生不可估计的损失。北斗系统为我国自行研发的卫星导航系统，我国拥有完全的自主知识产权，应大力发展提倡。北斗二代系统目前虽然发展很快，有着良好的前景，但在近几年仍无法保证其稳定性，针对这种情况，提出一种同时利用2种授时系统的冗余单元，在提高授时稳定性的同时，增加了系统的安全性且为我国北斗系统的成熟发展提供了支持。目前，暂时将给GPS作为主授时系统，北斗系统作为后备，随着北斗系统的不断完善，将逐步取代GPS，最终完全使用北斗系统。

1.2 正确信号的要求[4-7]

通过 GPS接收机或北斗接收机接收到卫星发送的秒脉冲信号，在进行同步之前，需要进行秒脉冲信号的正确性以及稳定性的检测，以保证系统运行的安全。IEC60044协议[8]中，规定正确的秒脉冲信号(1 pps)的格式为：

①相邻两个脉冲上升沿之间的间隔T应为1 s，即频率为1 Hz，信号为光量或者电压量，每个上升沿的误差为±10 μs。

②高电平的持续时间T1应大于10 μs。

③脉冲间隔时间T2应大于500 ms。

只有同时满足以上3个条件，才能被计算为1个完整的秒脉冲信号。

为了保证卫星信号的稳定性，通常规定，只有连续检测到4个正确的秒脉冲信号后，才能发送一个正确的同步信号。同理，在下一个正确的同步信号的发送时，表面上只检测了这一时刻的一个正确秒脉冲，而实际上，已隐含包括了上 3个正确的秒脉冲。波形如图2所示。

图2 正确信号的定义

1.3 双卫星自恢复同步算法的设计

根据接收正确秒脉冲信号的定义，在发送正确的同步信号状态时，如检测到某个秒脉冲信号出现异常，这时，可利用晶振的短时稳定性维持一段时间同步信号的发送，同时，重新检测 3个正确的GPS秒脉冲信号以恢复正确的同步信号。如果在一段时间内，仍不能恢复正常，则进入北斗卫星的秒脉冲的检测系统，利用了与GPS秒脉冲产生同步信号相同的方法，实现同步的冗余操作。生成的同步信号状态机的状态转移如图3所示。

图3 自恢复同步算法的状态转移

图3中，状态S0-S4为关于GPS时钟的，S5-S9是北斗时钟的状态。

状态S0：初始状态，信号检测计数器清零开始计数，如计数到150000000(晶振50 MHz，大约3 s)仍未检测到GPS秒脉冲信号的上升沿，或者错误累积计数器达到 3，则进入北斗时钟的初始状态S5，形成冗余操作，并复位各个计数器；若检测到GPS秒脉冲信号的上升沿，则进入状态S1。

状态S1：用来检测高电平持续时间，根据正确信号最少维持10 μs的规定以及50 MHz的晶振可计算得出计数次数。GPS秒脉冲脉宽计数器清零开始计数，当其计数值超过500，则进入状态S2进一步检测，否则，错误累积计数器加1，返回状态S0。

状态S2：检测相邻的2个秒脉冲的正确性，根据误差±10 μs的规定，在 GPS秒脉冲脉宽计数器计数值在49000500～50000500之间时，如检测到GPS秒脉冲信号的上升沿，即说明完成一个正确秒脉冲的检测，正确秒脉冲计数器加1，进入状态S3进一步检测，否则，错误累积计数器加1，返回状态S0。

状态S3：检测正确脉冲计数器，是否达到3个连续正确的秒脉冲，如果是，则发送1 pps信号，进入状态4，否则，返回状态S1。

状态S4：GPS秒脉冲脉宽计数器清零开始计数，如果在49000500～50000500(1 s)内接收到上升沿信号，则发送1 pps信号，并维持 S4状态，否则，即出现了秒脉冲的错误，错误累积计数器加1，返回状态S0。

状态S5-S9与状态S0-S4功能基本一致，只增加了针对北斗时钟和GPS时钟固有误差的补偿，这里就不赘述。

由同步算法可知，在相应状态进行相应计数器的及时清零重新计数操作，使用普通晶振即可满足在短时间内的精确性，从而解决了晶振的累积误差问题；同样，每秒钟的晶振的清零也解决了接收机的正态分布误差以及卫星信号误差的累积问题。而当其中一种授时方式出现问题后，清除该授时方式的各个计数器，使其恢复到初始状态；并利用晶振短时计数为系统同步，直到第二种授时方式准备完毕，这样，既保证了2种授时方式交接时的稳定性又可以保证第二种授时方式出现问题时仍可使用第一种授时方式，使系统具有自恢复的能力。

2 同步算法的仿真与验证

编程和仿真采用Altera公司提供的Quartus II软件，由于仿真速度的限制，在仿真时，将卫星秒脉冲（sclk）的周期定为1 ms，而晶振（CLK）仍采用50 MHz，为了便于观察每个秒脉冲的波形，将每个秒脉冲的波形的占空比调整为1:1，但是设定检测正确高电平的维持时间仍保持在10 μs，即500个晶振周期。由于秒脉冲的周期变小而晶振频率不变，每个秒脉冲的计数值即为 50000，由于精确度的原因，每个秒脉冲的误差由±10 μs变为±0.1 μs，即5个晶振周期，在下一个秒脉冲的检测范围即为49995-50005，oserror为错误计数器，osnone为无信号计数器，osright为正确信号计数器，ssend为发送的同步秒脉冲。下面，以实际情况中可能出现的2种情况进行说明。

①出现问题自恢复的情况：当秒脉冲信号检测正确，进入到同步信号发送的状态，这时检测新的秒脉冲信号出现异常的情况，如图4所示，由图可知，此时立即返回初始状态重新检测3个正确的秒脉冲，oserror和osnone同时加1，并且晶振计数(ojz)开始工作，以保证系统的不中断，待检测正确后，晶振计数停止工作，重新工作由GPS秒脉冲控制的同步信号发送状态。

②出现问题未能自恢复的情况：当初始秒脉冲信号检测正确，进入到同步信号发送的状态，这时检测新的秒脉冲信号出现异常的情况，如图5所示，本仿真与图4不同，由图可知，在出现异常返回初始步骤后，此时由于各种原因在规定的容错期间内没有通过3个正确秒脉冲的检测，oserror和osnone计数达到极限，这时立即转入北斗系统的初始状态（为了显示北斗状态，设定进入 S5状态后马上取消晶振的辅助计时）。