基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统设计

柯正义

（上海哲安建筑工程有限公司，上海 200082）

0 引 言

通信电源数据同步采集系统是一种用于实时监测和采集通信电源设备数据的系统，包括电压、电流、功率等参数，以及设备的运行状态和故障信息[1]。通过实时采集和分析这些数据，及时发现潜在的故障和问题，并采取相应的措施进行维护和修复，确保通信网络的可靠性[2]。因此，通信电源数据同步采集系统的设计和实现成为一个备受关注的研究领域。

在实际运行过程中，传统的通信电源数据同步采集系统容易出现记录不全或记录错误的情况，导致数据的完整性无法得到保障[3-4]。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）授时已深入各领域，尤其在通信电源数据同步采集方面，GPS 授时技术展现出其独特的优势。从广义角度分析，GPS 授时利用GPS 卫星信号传输时间信息的方法，实现对地面时钟的校正和同步[5]。基于此，文章引入GPS 授时，提出基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统设计研究。

1 基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统硬件设计

系统硬件设计在基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统中具有极其重要的意义和价值，是确保整个系统正常运行的关键因素[6]。选用具有高精度授时功能的GPS 设备，其参数设置如表1 所示。

表1 GPS 设备参数

按照表1，设置GPS 设备参数。选取具有授时功能的北斗接收器，其接收频率应与GPS 设备相同。接收器用于接收GPS 信号，提供精确的时间基准。

2 基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统软件设计

2.1 设计采集数据包协议

根据实际需求，设计数据包的格式。第一，包头，一般为4 Bytes，用于标识数据包的起始和长度[7]。第二，包体，可变长度，包含采集的数据字段。第三，包尾，一般为4 Bytes，用于标识数据包的结束和校验和。根据采集数据的类型和参数，确定需要包含在数据包中的字段，为每个数据字段指定适当的单位与精度，如表2所示[8]。

表2 通信电源数据字段

在此基础上，编写系统详细的通信电源数据采集数据包协议文档，如表3 所示[9]。

表3 通信电源数据采集数据包协议

2.2 基于GPS 授时的数据采集时间同步逻辑设计

系统的采集数据包协议设计完毕后，利用GPS授时，设计数据采集时间同步逻辑，为后续数据采集提供有力的支持。选择协调世界时（Universal Time Coordinated，UTC）作为基准时间，通过GPS 接收器，获取当前时间[10]。基于GPS 授时，计算出通信电源数据同步采集系统需要补偿的时间差，公式如下

式中：R为GPS 卫星到通信电源的距离；C为光速；Xs为GPS 卫星的位置参数；Xu为通信电源的位置参数。根据计算的时间差，生成相应的时间同步信号，公式如下

式中：δ为补偿因子，即对时间差的补偿量。根据式（2），生成时间同步信号。时间同步信号可以采用脉冲信号、编码信号或网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）等方式进行传输。将生成的时间同步信号传输到数据采集模块，确保数据采集模块能够接收到准确的时间同步信号。

2.3 通信电源数据采集与处理

基于GPS 授时的数据采集时间同步逻辑设计完毕后，采集并处理通信电源数据。根据实际需求，选择合适的数据采集节点，并进行配置。部署节点时应确保其能够准确测量和采集通信电源设备的电压、电流、功率等参数。数据采集节点通过通信协议，与中心服务器建立通信连接，并进行通信测试。数据采集的时间间隔可根据实际需求进行调整。在发送前，数据采集节点应预处理采集的原始数据。利用中值滤波原理，消除通信电源数据异常值。滤波公式如下

式中：x(n)为通信电源原始数据序列；y(n)为滤波后的通信电源数据；M为数据长度。通过式（3），完成通信电源数据滤波处理，并将处理后的数据传输至系统的同步数据库。

2.4 建立同步数据库

通信电源数据采集与处理完毕后，建立系统的同步数据库，存储与管理采集的通信电源数据。设计同步数据库的架构，确定数据库的表结构、字段定义及索引策略。根据架构设计，建立数据模型。数据模型是同步数据库的核心，能够定义数据的组织方式、数据之间的关系及数据的完整性约束。系统同步数据库如表4 所示。

表4 系统同步数据库

按照表4，建立一个满足实际应用需求的同步数据库，以确保同步数据库能够提供准确、可靠的数据服务，有效地管理与存储采集的通信电源数据。

3 系统测试

3.1 测试准备

为验证文章提出的基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统的可行性，评估系统的性能表现，开展系统测试。按照设计流程，设计一套基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统，包括硬件设备和软件程序。此次测试在包含多个通信电源设备的实验室进行。根据系统的运行需求，搭建测试环境，其配置如表5 所示。按照表5，搭建好实验测试环境后，将数据采集节点分散在通信电源设备的附近，以确保能准确收集各种环境下的数据。

表5 系统测试环境配置

3.2 结果分析

本次实验测试将选择通信电源数据采集的时间同步精度作为性能评价指标。该指标能够衡量GPS授时与通信电源数据同步采集的时间差异，决定数据采集的同步性。时间同步精度计算公式如下所示

式中：tG为GPS 授时时间；tC为通信电源数据同步采集时间。时间同步精度越高，说明系统的GPS 授时与通信电源数据同步采集的时间差异越小，系统采集时效性越高，同步采集性能越好。采用对比分析的实验方法，将本文提出的基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统与文献[2]、文献[4]提出的采集系统进行对比。系统时间同步精度对比结果如图1所示。

图1 系统时间同步精度对比结果

由图1 可知，本文提出的基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统应用后，在通信电源数据量持续增加的情况下，其GPS 授时与通信电源数据同步采集的时间差异较小，时间同步精度始终达到98%以上，性能表现最佳。

4 结 论

通信电源数据同步采集系统是一个重要的通信网络管理工具，具有广泛的应用前景。为改善传统通信电源数据采集系统存在的问题与不足，本文设计了一种基于GPS 授时的通信电源数据同步采集系统。本文设计的系统在技术上实现了高精度的同步采集，确保了数据采集的同步性，避免了因时间不同步而导致的误差和混乱，可以更好地服务于通信网络的稳定运行和发展。