[发明专利]一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法

摘要

本发明提供了一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，本方法通过FPGA的内部锁相环把外部的恒温晶振时钟进行扩频获得高频时钟脉冲，再对BDS与GPS的秒脉冲分别进行纳秒级计数。在计数过程中，利用核密度估计法获得FPGA时钟系统误差、BDS与GPS的秒脉冲各自的抖动导致高频时钟脉冲计数的统计特性，确定每个秒脉冲失效阈值、抖动补偿量，实现双源秒脉冲的在线切换。当给授时时钟源配备BDS与GPS双源时，通过这种方法可以降低双源秒脉冲切换时的抖动，提高秒脉冲的授时精度，进而能够大大提高授时时钟源的可靠性。

主权项

1.一种基于核密度估计法的BDS与GPS双源秒脉冲无缝切换方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1、通过FPGA的内部锁相环把外部的50MHz恒温晶振时钟CLOCK_50M进行扩频，获得200MHz高频时钟脉冲CLOCK_200M；步骤2、利用CLOCK_200M时钟脉冲驱动64位计数器，获得每个时钟的计数索引SystemCountIndex；同时在CLOCK_200M时钟脉冲驱动下，分别对BDS与GPS的秒脉冲上升沿进行检测，获得BDS与GPS的秒脉冲上升沿位置编号BDS_PulseEdgeCountIndex、GPS_PulseEdgeCountIndex，再根据前后的位置差获得BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan；步骤3、利用核密度估计法计算BDS与GPS的秒脉冲宽度计数的统计特性，获得其概率密度函数、均值、标准方差，再根据三倍方差剔除法去除抖动较大的秒脉冲；步骤4、剔除抖动较大的秒脉冲后，根据BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_PulseEdgeSpan、GPS_PulseEdgeSpan，利用线性预测方法分别预测计算BDS与GPS当前的秒脉冲上升沿计数BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan；步骤5、根据状态管理，利用BDS与GPS的1PPS方波预测脉冲BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS_CalculatedEdgeCountIndex及BDS与GPS的秒脉冲宽度计数BDS_CalculatedEdgeSpan、GPS_CalculatedEdgeSpan计算系统当前的秒脉冲上升沿计数DTS_PulseEdgeCountIndex以及秒脉冲宽度计数DTS_PulseEdgeSpan，生成双源无缝切换的秒脉冲；在所述步骤2中，采用1PPS上升沿检测模块作为核心模块对数据进行处理，其具体处理过程为：输入：1PPS方波脉冲；输出：1PPS上升沿的200MHz 64位计数位置索引PulseEdgeCountIndex；处理过程：步骤101：初始化状态管理变量S为空闲状态，S＝EDGE_CHECK_IDLE；状态维持计数SC＝0；步骤102：每个循环执行周期，当前周期计数为SystemCountIndex，按S的当前值执行不同的处理过程；如果S＝EDGE_CHECK_IDLE执行“步骤103”，如果S＝EDGE_CHECK_START执行“步骤104”，如果S＝EDGE_CHECK_LOW执行“步骤105”，如果S＝EDGE_CHECK_HIGH执行“步骤106”；步骤103：如果1PPS为低电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_START，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为高电平计数重新开始SC＝0；步骤104：如果1PPS为低电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_LOW，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为高电平计数重新开始SC＝0；步骤105：如果1PPS为低电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_HIGH，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为高电平计数重新开始SC＝0；步骤106：如果1PPS为高电平：则检测SC大小，如果SC大于最高阈值，则设置状态为S＝EDGE_CHECK_IDLE，输出结果PulseEdgeCountIndex，并且SC＝0，否则SC累加一；如果1PPS为低电平计数重新开始SC＝0，其中PulseEdgeCountIndex＝SystemCountIndex‑最高阈值‑1；在所述步骤3中，采用KDE检查模块作为核心模块对数据进行处理，其具体处理过程为：输入：1PPS上升沿的200MHz 64位计数位置索引PulseEdgeCountIndex；输出：该位置索引是否通过检查；处理过程：步骤201：计算每秒t的计数宽度x_t，其中，x_t＝PulseEdgeCountIndex_t–PulseEdgeCountIndex_(t‑1)步骤202：计算概率密度函数p(x)的核密度估计定义为：其中：K(.)为核函数(kernel function)，h为窗宽，n为计算所用的脉冲数量，t＝1,2,…,n；步骤203：利用滑动窗口，选取1个小时3600个1PPS计数宽度x_t计算均值：E＝x₃₆₀₀p(x₃₆₀₀)+...+x₂p(x₂)+x₁p(x₁)步骤204：利用滑动窗口，选取1个小时3600个1PPS计数宽度x_t计算方差：D＝(x₃₆₀₀‑E)²p(x₃₆₀₀)+...+(x₂‑E)²p(x₂)+(x₁‑E)²p(x₁)步骤205：根据方差计算标准差；步骤206：根据三倍均方差准则检查当前脉冲计数：如果当前计数宽度x_t与均值E相减大于三倍标准差，则当前计数不通过检查，否则通过检查；在所述步骤4中，采用KDE预测模块作为核心模块对数据进行处理，其具体处理过程为：输入：通过检查的1PPS上升沿的200MHz 64位计数位置索引PulseEdgeCountIndex历史序列x_i，其中i为计算所需的历史脉冲编号；输出：当前位置索引的预测结果x’₀；处理过程：步骤301：计算预测权重a_i；步骤302：计算归一预测权重a’_i；步骤303：计算居中脉冲位置索引：x₅＝(a’_ix₀+a’_ix₁+a’_ix₂+a’_ix₃+a’_ix₄+a’_ix₆+a^’_ix₇+a’_ix₈+a^’_ix₉+a’_ix₁₀)/10；步骤304：计算居当前冲位置索引：x^’₀＝x₅+6E，其中E为步骤203计算结果；在所述步骤5中，采用1PPS上升沿切换计算模块作为核心模块对数据进行处理，其具体处理过程为：输入：BDS的1PPS方波预测脉冲BDS_CalculatedEdgeCountIndex、GPS的1PPS方波预测脉冲GPS_CalculatedEdgeCountIndex；输出：系统当前的秒脉冲上升沿计数DTS_PulseEdgeCountIndex，此即为无缝切换计算结果；处理过程：步骤401：初始化切换状态管理变量S为空闲状态，S＝EDGE_PROCESS_IDLE；步骤402：每个1PPS循环执行周期，按S的当前值执行不同的处理过程；如果S＝EDGE_PROCESS_IDLE执行“步骤403”，如果S＝EDGE_PROCESS_WAITPULSE执行“步骤404”，如果S＝EDGE_PROCESS_RUNNING执行“步骤405”，如果S＝EDGE_PROCESS_DONE执行“步骤406”；步骤403：如果BDS与GPS的KDE预测计算均在空闲状态，切换状态为S＝EDGE_PROCESS_WAITPULSE；步骤404：如果BDS与GPS的KDE预测计算结果均有效，切换状态为S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切换源为BDS；如果BDS预测计算结果有效，GPS预测计算结果无效，切换状态为S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切换源为BDS；如果BDS预测计算结果无效，GPS预测计算结果有效，等待10ms后，如果BDS预测计算结果仍然无效，则切换状态为S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切换源为GPS；如果BDS与GPS的KDE预测计算结果均无效，等待100ms后，再次检查仍然均无效，则切换状态为S＝EDGE_PROCESS_RUNNING，1PPS切换源为内部计算DTS；步骤405：如果1PPS切换源为BDS，则DTS_PulseEdgeCountIndex＝BDS_CalculatedEdgeCountIndex；如果1PPS切换源为GPS，则DTS_PulseEdgeCountIndex＝GPS_CalculatedEdgeCountIndex；如果1PPS切换源为DTS，则DTS_PulseEdgeCountIndex＝DTS_PulseEdgeCountIndex+E，其中E为步骤203计算结果；步骤406：如果该1PPS切换计算完成，则切换状态为S＝EDGE_PROCESS_IDLE。