摘要：在现代与未来的电子战之中，雷达是不可或缺的，而且是不可取代的。但是原有的收发一体的单基地雷达面临着多种威胁，如电子干扰、超低空突防、隐身武器、反辐射导弹等。与之相比，双基地或多基地雷达系统改变了传统单基地雷达系统中发射站和接收站位置相同的工作方式，将发射站和接收站分置，具有较强的生存能力和较高的探测功能，从而引起人们的重视，并进一步得到快速发展和广泛应用。但是多基地雷达系统要求各个站间保持严格的时间同步。当各基地间时钟不同源且存在相对运动时，实时保持站间精确的时间同步是很困难的。所以需要一种高动态环境下非同源系统产生高精度同步脉冲的算法。
关键词：行波测距装置；高精度时间；同步技术
引言
以最快的速度将高压输电线路故障位置确定，这对于供电的可靠性的提升起到了很重要的作用，及减少人工巡线工作量和停电时间，及时解决故障隐患具有重要的意义。行波测距装置有别于传统的基于阻抗测距法的故障测距装置，不受线路参数、系统参数以及过渡电阻的影响，具有测距精度高、测距方式灵活、适用于 110 kV 及以上电压等级的交直流输电线路的故障测距，已在全国高压输电网中得到了广泛的应用。行波测距方法可以利用单端数据和双端数据两种方法。单端测距法不受通信条件的限制，但是故障波头第二次到达的幅值会大幅减小，且受到系统运行方式和过渡电阻的影响，测距精度难以保障。目前通用的做法是采用双端测距算法，其原理基本上都是基于 GPS 的双端同步采样，GPS 同步采样的精度将直接影响测距精度，根据计算公式，GPS 时钟每偏差 1 μs，测距误差将增大 150 m。该文从影响 GPS 同步精度的因素出发，结合行波测距装置在工程应用中的实际问题，阐述了装置中 GPS 同步技术设计的工作原理，探讨了基于 GPS和恒温晶振的高精度时间同步技术的设计方法，提出了采用 FPGA 实现同步逻辑的工程设计方案，对该方法进行了试验验证和严格测试，并在行波测距装置的工程实际中得到应用。
1 技术可行性及误差分析
1.1 GPS 的对时误差分析
GPS 对时所产生的误差的基本来源可分为 4 个部分：
1.1卫星星历误差。卫星星历误差的意义在于卫星星历所提供的卫星空间位置与卫星具体位置间的偏差，它是一种起始数据误差，其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布，观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。2）卫星钟差。卫星钟差是指 GPS 卫星时钟与GPS 标准时间的差别，为了保证时钟的精度，GPS 卫星均采用高精度的原子钟，但它们与 GPS 标准时之间的偏差和漂移仍在 0． 1 ～1 ms 以内，这个误差在实际应用中一般通过修正的方式予以消除。3）SA 干扰误差。SA 误差是美国军方为了限制非特许用户利用 GPS 进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策，它包括降低广播星历精度的ε 技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的 δ技术。4）相对论效应的影响。这是由于卫星钟和接收机所处的状态（运动速度和重力位）不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差。综合分析以上 4 个误差来源，在实际应用中，GPS 输出的 1 pps 信号存在较大的随机误差，但是没有累计误差。
1.2 恒温晶振的误差分析
恒温晶振时钟信号的随机误差相对比较较小，但是因为一些原因会影响到这种误差，比如：自身老化和外界温度等原因，存在频率漂移现象，具有较大的累计误差。如果恒温晶振长期不间断地运行，频率无法满足工作所需的准确度与稳定度，因此需要通过实时地自动调控压控端电压来进行频率校准。
1.3 FPGA 并行处理能力分析
在一般的 CPU 上落实精确时间同步会受到指令周期的影响，通过软件落实既增加了软件运算的复杂度，同时难以保证同步的精确性。FPGA 以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于 PC 或单片机（无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构）的顺序操作有很大区别，FPGA 具有的实时并行处理能力结合恒温晶振稳定的时钟信号是实现高精度时间同步的重要技术条件。
1.4 方案可行性分析
卫星时钟信号与恒温晶振时钟信号精度具有互补的特性，依据此特性，经过调控恒温晶振的压控端，使其输出频率随之改变，以维持短期和长期的时间精度和稳定性。结合 FPGA 强大的并行处理能力，将同步控制逻辑通过硬件描述语言（VHDL 或 Verilog HDL）的方式写入 FPGA 中，各逻辑模块独立运行，提高了算法的稳定性和测试的方便性。
2 基于 GPS 同步设计的数学模型
GPS 接收模块输出的 1 pps 信号与 UCT 之间的误差为 ξ，经过长时间的试验表明，ξ 服从高斯分布（Gaussian distribution），取样本空间的数目为 N，通过记录某一个时间样本1，2，3，…，N，则第 i 秒1 pps与 UCT 之间的误差为：ξ i ～ N（0，σ 2）（1）GPS 接收模块输出的 1 pps 对应于标准的 UCT样本可以用式（2）表示：
1 － ξ 1，1 － ξ 2，1 － ξ 3，…，1 － ξ N（2）
将式（2）整合成 GPS 接收模块输出的 1 pps 对应的 UCT，用式（3）表示：
y i = 1 － ξ i，i =1，2，3，…，N 且 ξ i ～ N（0，σ 2）
（3）结合恒温晶振的频率稳定性的特征，恒温晶振在较短时间内的频率相对稳定。通过大量的试验数据表明，恒温晶振在上电开始的起始 2 ～5 h 的范围内频率变化率较大，在此范围内选取 1 pps
参考文献：
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［2］陈孟元，陈跃东． 基于高精度晶振同步北斗 1 pps 的同步向量测量装置时钟源［J］． 电力自动化设备，2011，31（9）：111 －114．
［3］张帆，陈锟，朱正平，等． 基于 GPS 的恒温晶振频率校准系统的设计与实现［J］． 电子设计工程，2013，15（8）：51 －54．
论文作者:梁思聪,李红川
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：误差论文; 恒温论文; 精度论文; 晶振论文; 时钟论文; 时间论文; 频率论文; 《电力设备》2017年第30期论文;