1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、 课题背景

GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。

YRQ-DLB1L1T B1频点电力定位授时模块是专门针对电力市场的精密授时和时间同步需要而开发的授时模块产品，该模块可以提供高精度1pps秒脉冲，其授时精度高达50ns。模块可接收GPS信号，具备定位和授时功能，在电力网络、通信网络、变电站、大型基站、时间同步及视频领域有广泛应用。模块从性能、结构以及接口定义上，和Motorola的M12型模块兼容。授时模块接口如下图所示：

图1、授时模块示意图

模块在连接天线，并且加电后，会输出秒脉冲信号以及串口电文。秒脉冲是根据卫星进行同步，每秒钟输出1个方波脉冲。

本课题需要针对授时模块，设计一种用于批量生产时的自动化测试平台的上位机软件。该上位机软件能够通过以太网接口接收来自测试平台的1pps误差以及各个模块的电文，并且对上报的结果进行分析、汇总、存储，进而判定授时模块是否合格。

该上位机软件需要支持以下功能：

sup2; 同时测量8个授时模块，每个模块支持单独上电

sup2; 测试平台支持1路基准秒脉冲信号输入

sup2; 可以测试授时模块的报文的正确性（格式、经纬度、时间）（8路）

sup2; 可以测试1pps的误差（8路）

sup2; 可以支持自动/手动测试

sup2; 数据存储

sup2; 可以图形化显示各个模块的1pps历史误差

sup2; 测试结束时生成测试报告

二、研究现状

授时技术的发展主要经历了短波授时、长波授时、网络授时以及现在最新的卫星授时^[1]。

针对授时模块的测试方法也随之发生变化与发展，主要有卫星双向时间比对技术，通过卫星与地面的设备之间的互相通信来确定时间差^[2]。该方法是我国北斗导航卫星系统使用的方法之一，由于上下行路径的相关性，星地双向时间比对可以有效的削弱传播路径上的多种误差影响，并且时钟差的确定不受卫星轨道的影响^[3]。同时也可以使用仪表对1PPS接口的时间同步性能进行测试，主要有两类仪表可供使用，分别是1PPS接口专用测试仪表和通用时间间隔测试仪表^[4]。另外一种是通过GPS高精度时间测量NTP授时精度的方法，通过从卫星获得的时间来对比计算机等设备通过网络获得的时间，从而达到测量时间误差的目的^[5]。

还有一种新型的可测试电能计量装置的时钟基频误差的方法，采用GPS同步时间校准其实时时钟，并对系统的测量不确定度进行了分析与评定^[6]。在当前峰谷电价政策下，这种系统为电能计量管理尤其是分时电价的管理提供了一种安全、有效、准确、方便的技术手段，有效地解决了电力行业对计量装置的时钟进行准确测试的重点和难点问题^[7]。当然，该系统也可广泛用于其它计时精确的电子产品的时钟测试。

现在对于授时模块的测量通常直接购买一些设备制造厂商生产的测试仪器，比如说Acam公司生产的ATMD-GPX评估系统，下面以该系统为例进行说明。系统包括一个主板和一个AM-GPX插入模块，共同安装在一个金属箱里面，它通过一根SCSI型的导线与外部进行连接^[8]。ATMD具有两种操作模式，分别是直接读取和Burst模式。AM-GPX具有四种工作模式：I、G、R、M，四种模式的主要区别是通道数与测量精度不同^[9]。该系统的外部硬件有八路信号输入口，可同时接入一路基准信号与八路待测信号，通过一根SCSI型的导线与ATMD-PCI接口卡（安装在电脑上）相连。该类测试设备测试精度高、误差小^[10]。但是，此类设备不适合批量生产时使用，因为此类设备通常都比较贵，对于批量化生产需要大量的测试平台，这是一笔昂贵的费用，同时，对于授时精度要求不是很高的模块，不需要如此精准的设备来增加开销，而且它与计算机的连接比较麻烦。因此需要一种能够用于批量生产，价格又不会很高的测试平台。

三、 实现方案

计算机

测试模块

图2、整体连接框图

本次设计拟采用CS或者BS架构，可同时开启多个测试对象。每个测试平台为一个测试对象，包括8个被测模块。一个测试对象会接入两个来自不同IP的TCP连接，其中一个用于传输1pps误差测试结果以及控制命令，另一个用于传输电文（电文接口的配置命令全局有效，即下发一个命令，可以配置8个模块）。整体连接框图如图1所示。

对于每个被测模块需要输入序列编码才能开启测试，测试模块具有唯一标识（ip 通道号）。模块的测试界面采用列表方式呈现，界面格局如下图所示:

1pps测试误差每秒钟从1pps通道中获取一次。电文通道实际对应的模块的串口需要进行配置，配置命令从1pps通道下发到测试平台硬件，在8个模块间轮流切换。正常电文，以及卫星信号质量报文每10分钟切换一次测试状态。

整体的测试流程如下：

图3、测试流程图

电文格式测量流程如下：

图4、电文格式测量流程图

根据系统规范要求，默认情况下（模块上电后，无额外配置），输出电文包括 ”$GPGGA””GPZDA”两种电文，

电文输出如下：

$GPGGA,133938.00,3203.8343,N,11844.2474,E,1,11,1,23.5,M,0,0*05

$GPZDA,133938.00,08,2015,07,17,00*7B

命令格式：

$GPGGA,time,Lat,N,Lon,E,FS,NoSV,HDOP,msl,M,Altref,M,DiffAge,DiffStation*cs

$GPZDA,time,day,mon,year,ltzh,ltzn*cs

其中：

Lat，N，Lon，E是经纬度

time,day,mon,year 是时间指示

信号质量测试流程如下：

图5、信号质量测试流程图

如果需要输出质量报文，首先需要通过UART接口对模块进行配置。输出卫星质量报文的配置命令为

$CFGMSG,0,3,1

关闭卫星输出质量报文的配置命令为

$CFGMSG,0,3,0

卫星质量报文的输出如下：

$GPGSV,2,1,8,161,46,143,42,162,34,236,37,163,53,196,31,164,32,120,38*52

$GPGSV,2,2,8,165,17,253,36,167,53,178,43,170,69,231,39,171,14,254,35*5E

命令格式：

$GPGSV,NoMsg,MsgNo,NoSv,sv1,elv1,az1,cno1,sv2,elv2,az2,cno2,sv3,elv3,az3,cno3,sv4,elv4,az4,cno4*cs

其中：

NoMsg 表示消息的数量，即质量报告由几条消息构成

MsgNo 表示消息的编号，即第几条消息

NoSv 表示每条消息中所包含的卫星数量。

启动测试时，开始生成新的测试文件，没有模块编号的通道不参加测试。测试结束时，对历史数据进行分析，给出测试报告。

参考文献:

[1] 黄江鹏. 基于GPS/BDⅡ代的精密授时技术研究与实现[D]. 太原:中北大学, 2015.

[2] 张玲. 卫星双向时间比对法的数字基带设计[J]. 电讯技术，2009，49(10):15~17.

[3] 孟凡芹. 基于星地双向时间比对的卫星钟差确定方法[D]. 北京:中国科学院大学，2013.

[4] 徐一军, 胡昌军, 汪建华. 1PPS接口时间同步性能测试方法探讨[J]. 电信网技术, 2010,(10):1~2.

[5] 邓伟，翁子凡. 基于GPS接收机的NTP网络授时精度测量[J]. 软件，2014，(11):9~11.

[6] 罗志坤. 基于GPS的电能计量装置时钟测试系统[J]. 仪器仪表学报, 2009，30(7):3~5.

[7] 陈超. 基于GPS的智能变电站高精度时钟设计与实现[D]. 南京:南京理工大学, 2014.

[8] 陈孟元, 陈跃东. 基于高精度晶振同步北斗1pps的同步相量测量装置时钟源[J]. 电力自动化设备, 2011,(09):55~57.

[9] 张信权, 梁德胜, 赵希才. 时钟同步技术及其在变电站中的应用[J]. 继电器, 2008, 36(9): 69~72.

[10]徐圣法. 基于TDC_GPX的高精度时间间隔测量方法[J]. 国外电子测量技术，2012, 31(12):30~35.

[11] 崔弘珂. 高精度授时接收机关键技术研究与实现[D]. 西安:西安电子科技大学, 2012.

[12]王文瑜. 基于北斗卫星的授时系统研制[D]. 北京:北京邮电大学, 2008.

[13]李孝辉,刘阳,张慧君，等. 基于UTC(NTSC)的GPS定时接收机时延测量[J]. 时间频率学报, 2009, 32(1):18~21.

[14]李红涛. 基于GPS 和GLONASS的单站授时和时差监测研究[D]. 西安:长安大学, 2012.

[15]P.V.S.Rama Rao,S.Gopi Krishna,J.Vara Prasad et al.Geomagnetic storm effects on GPS based navigation[J].Annales Geophysicae,2009,27(5):132~134.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

拟研究或解决的问题包括：

1) 测试平台可同时测量8个授时模块，每个模块支持单独上电。

2) 测试平台可以测试授时模块的报文的正确性（格式、经纬度、时间）（8路）并支持自动/手动测试。