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基于最小二乘预测的主备频率信号产生链路异常监测方法

何雷;王文利;施韶华;李孝辉

【摘要】为了在产生频率信号的主、备链路之间实现平稳切换,提出了一种基于最

小二乘法预测的主备链路异常监测方法.根据历史测量数据进行频率预测,比较预测

值和实测值的一致性,据此判断主备链路的异常.实验验证了该方法的可行性,实验结

果表明针对主备链路故障能够在1s内做出判断并发出告警信息.

【期刊名称】《时间频率学报》

【年(卷),期】2016(000)002

【总页数】9页(P78-86)

【关键词】最小二乘预测;主备链路;链路异常监测

【作者】何雷;王文利;施韶华;李孝辉

【作者单位】中国科学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重

点实验室,西安710600;中国科学院大学,北京100049;中国科学院国家授时中心,

西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科学院国家

授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安710600;中国科

学院国家授时中心,西安710600;中国科学院时间频率基准重点实验室,西安

710600

【正文语种】中文

【中图分类】TM935.12

0引言

在电子技术领域中，频标信号常常是系统工作必不可少的主要基准源。高精度频率

源广泛应用在通信、电子测量、导航定位和时间统一系统中，很多电子系统的功能

实现与性能优劣都取决于所用的频率源。为了提高系统的可靠性和稳定性，通常采

用主备频率产生链路为系统提供频率信号[1]。当主用频率产生链路性能下降或出

现故障时，系统可以迅速切换到备用频率产生链路，从而保证频率信号的可靠性和

连续性。因此对主备链路的运行状况进行实时监测是十分必要的。

主备链路常见的异常情况主要包括信号缺失、频率跳变和相位跳变。其中，信号缺

失的监测比较容易实现；频率跳变分为暂时性跳变和持久性跳变[2]，暂时性跳变

由于其随机性较强，不易监测；而单纯的相位跳变一般是很少发生的，相位跳变是

频率跳变在时间上的积分。因此，本文针对持久性的频率跳变这种异常情况，提出

了一种基于最小二乘法进行频差预测比较的方法，并设计搭建了监测的仿真实验平

台，验证了这种方法的实时性和有效性。

1监测原理

1.1最小二乘原理

最小二乘法现在广泛应用于目标预测领域[3]。通常情况下观测值是离散数据，即

有m个顺序的观测值，其中。最小二乘法的基本思想是选择一个多项式来拟合逼

近：

式（1）中，是观测值和逼近值的m点均方误差，。

根据最小二乘法的定义，通过给定的数据（；）确定系数使得在各个点上的偏差平

方和达到最小。该式对求偏导数，令偏导数为0，可以得到多项式的解。对为二次

多项式时，即时，可得[4]：

式（2）中，，且，为行列式的余因式。

由式（2）得到拟合预测系数，，，然后利用拟合多项式，并预测下一个频差，即

为。

1.2系统的监测原理

系统的监测原理框图如图1所示。将主钟和备钟输出频率信号分别与公共振荡器

输出频率信号进行混频，再将混频后的信号输入到多通道比相仪TSCMMS（TSC

MMS是Symmetricom公司推出的高精度时频测量仪器，是一种多通道双混频相

位测量系统，可以同时比对多路频率信号）中，通过工控机进行监测。针对频率持

久性跳变提出的完好性监测方法是基于最小二乘法预测比较的监测方法。通过工控

机上编写的软件，对主备链路的相位差数据进行采集，每个比对通道先缓存最近

M个相位差，分别计算主用链路与备用链路的相对频差，主用链路与中间振荡器

的相对频差，备用链路与中间振荡器的相对频差。利用最小二乘法计算拟合多项式，

根据得到的拟合多项式对下一个频差进行预测，依次递推进行实时预测[5]，然后

计算实测值和最小二乘预测值（）之间的偏差来判断主备链路的频率跳变或中间振

荡器故障。若两者偏差大于门限值g，则认为系统的主备链路或公共振荡器发生异

常。经多数表决逻辑判断，最终确定是主用链路异常、备用链路异常还是公共振荡

器故障。监测方案如图2所示，当主用链路异常的时候切换到备用链路，如果是

备用链路和公共振荡器异常，则不切换。

1.3监测的指标

对主备链路进行异常监测的主要技术指标有以下3方面[6]：

①检测率：又称检测概率，就是在主备链路的异常检测中正常检测出来的异常数

量与实际异常数量之比。

②虚警率：噪声一般都是客观存在的，