北斗時(shí)鐘-時(shí)間同步服務(wù)器

北斗時(shí)鐘-時(shí)間同步服務(wù)器

GPS向范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位功能。任何地點(diǎn)的GPS用戶通過(guò)低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，就能獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。GPS要實(shí)時(shí)完成定位和授時(shí)功能，需要4個(gè)參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時(shí)鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)刻偏差，所以需要接受4顆衛(wèi)星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接受1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時(shí)。
由于GPS采用被動(dòng)的定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)是精密定位和授時(shí)的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標(biāo)，其頻率穩(wěn)定度達(dá)到(1~2)×10-13/d。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過(guò)和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間保持精確同步。GPS衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號(hào)，都是來(lái)自衛(wèi)星上同一個(gè)基準(zhǔn)頻率。GPS接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一套嚴(yán)密的誤差校正，使輸出的信號(hào)達(dá)到很高的*穩(wěn)定性。定時(shí)精度能夠達(dá)到300 ns以內(nèi)。在精確定位服務(wù)下，GPS提供的時(shí)間信號(hào)與協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達(dá)到幾個(gè)納秒。
GPS定時(shí)原理是基于在用戶端精確測(cè)定和扣除GPS時(shí)間信號(hào)的傳輸時(shí)延，以達(dá)到對(duì)本地鐘的定時(shí)與校準(zhǔn)。GPS定時(shí)準(zhǔn)確度取決于信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)在傳輸過(guò)程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：
2.1.1信號(hào)發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;
2.1.2信號(hào)傳輸過(guò)程：電離層誤差、對(duì)流層誤差、地面反射多路徑誤差；
2.1.3接收端：接收機(jī)時(shí)延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
2.2 GPS時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)方法
常規(guī)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會(huì)老化，易受外界環(huán)境變化影響和*的精度漂移影響。原子鐘*使用后也會(huì)產(chǎn)生偏差，需要定時(shí)校準(zhǔn)。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對(duì)自身時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行修正，所以其自身時(shí)鐘系統(tǒng)*穩(wěn)定，具有對(duì)外界物理因素變化不敏感特性。若晶體或銣鐘以GPS為*參考，可以變成低成本、高性能的基準(zhǔn)時(shí)鐘。
在網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)下，GPS時(shí)鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準(zhǔn)確度。由于在某些特殊情況下GPS時(shí)鐘信號(hào)會(huì)暫時(shí)消失，所以基于GPS的時(shí)鐘模塊一般需要另一個(gè)外部時(shí)鐘作為后備輸入，預(yù)留有外接時(shí)鐘的時(shí)基和頻標(biāo)信號(hào)接口。另外，GPS時(shí)鐘其頻率準(zhǔn)確度還具有自身保持性能。GPS時(shí)間的建立過(guò)程如圖1所示。 
為了得到精密的GPS時(shí)間，使它的準(zhǔn)確度相對(duì)于UTC達(dá)到<100ns，因此每個(gè)GPS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測(cè)控站構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)修正系統(tǒng)；采用UTC(USNO/MC)為參考基準(zhǔn)。
GPS時(shí)鐘頻率模塊提供所需的各種時(shí)頻的信號(hào)，并輸出定位時(shí)間、GPS接收機(jī)是否工作正常、輸出的時(shí)間信號(hào)是否有效、時(shí)鐘和頻率處理模塊激活狀態(tài)、異常告警等信息。
3.改造后的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)
在原來(lái)主站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一套GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)和一個(gè)室外衛(wèi)星接收天線。接收到的衛(wèi)星定位信號(hào)通過(guò)同軸電纜連接到同步時(shí)鐘處理系統(tǒng)的天線輸入端口，再由時(shí)鐘裝置輸出一路RS232信號(hào)，接入雙機(jī)監(jiān)視及切換裝置(CMS)上。兩臺(tái)主機(jī)與CMS相連，主機(jī)按與同步時(shí)鐘裝置相匹配的規(guī)約，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤的接收GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的高精度同步。主機(jī)接收GPS時(shí)鐘信號(hào)作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)進(jìn) 行時(shí)鐘同步，周期性地向RTU發(fā)送校時(shí)命令，以同步RTU時(shí)鐘。
4.時(shí)間同步原理
GPS接收機(jī)輸出兩種時(shí)間信號(hào)：一是同步脈沖信號(hào)，包括間隔為1秒的脈沖信號(hào)1PPS(它與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs)、間隔為1分的脈動(dòng)信號(hào)1PPM和間隔為1小時(shí)的脈動(dòng)信號(hào)1PPH；二是時(shí)間碼信號(hào)。通過(guò)RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和日期，即1PPS的時(shí)間標(biāo)記。其中，時(shí)間碼信號(hào)用于系統(tǒng)時(shí)間同步，同步脈沖信號(hào)用子裝置時(shí)鐘同步。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)或事件實(shí)時(shí)性要求的程度，可在整點(diǎn)、整分甚至整秒時(shí)刻通過(guò)串行接口為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼信號(hào)。同樣，根據(jù)采樣對(duì)裝置時(shí)鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號(hào)對(duì)裝置時(shí)鐘進(jìn)行同步。
系統(tǒng)時(shí)間同步是指GPS時(shí)間碼周期性地設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)主機(jī)及RTU的系統(tǒng)時(shí)間，達(dá)到統(tǒng)一分布式系統(tǒng)時(shí)間的目的。SCADA系統(tǒng)中各主機(jī)及RTU的對(duì)時(shí)系統(tǒng)都以三級(jí)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)方式組成，即RTC計(jì)時(shí)、BIOS計(jì)時(shí)和OS計(jì)時(shí)。相應(yīng)地用外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步一臺(tái)主機(jī)的時(shí)間系統(tǒng)也可分為同步RTC時(shí)鐘、同步BIOS時(shí)鐘和同步OS時(shí)鐘3種方式。但采用前兩者均要設(shè)計(jì)硬件線路，這對(duì)主機(jī)的完整性和可靠性不利，且同步RTC時(shí)鐘只對(duì)初始開(kāi)機(jī)有效。所有應(yīng)用程序的計(jì)時(shí)都只取自于OS時(shí)鐘(不包括低級(jí)程序?qū)ο到y(tǒng)時(shí)鐘的直接調(diào)用)。所以，只要對(duì)OS時(shí)鐘進(jìn)行同步，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有應(yīng)用程序的時(shí)間同步但由于同步時(shí)刻點(diǎn)之后OS計(jì)時(shí)仍然依賴低一級(jí)的BIOS時(shí)鐘計(jì)時(shí)，為消減累計(jì)誤差，必須周期性同步。
本系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，并不將GPS時(shí)間碼直接傳送給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和RTU，而是先傳送給主機(jī)，再主機(jī)傳送給其它主機(jī)節(jié)點(diǎn)。這樣既可以簡(jiǎn)化線路，又便于整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。
系統(tǒng)時(shí)間同步的基本過(guò)程是：(1)整點(diǎn)時(shí)刻與UTC 1PPS脈沖前沿對(duì)應(yīng)的BCD時(shí)間碼信號(hào)到后，啟動(dòng)主機(jī)時(shí)間同步處理后臺(tái)進(jìn)程；(2)后臺(tái)進(jìn)程接收BCD時(shí)間碼，將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的長(zhǎng)整型數(shù)，設(shè)置主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘，并采用緊縮傳遞方法將長(zhǎng)整型數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCⅡ流，通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)Socket向其他主機(jī)節(jié)點(diǎn)廣播；(3)其他主機(jī)節(jié)點(diǎn)接收ASCⅡ流，將其還原為長(zhǎng)整型數(shù)，設(shè)置本機(jī)系統(tǒng)時(shí)間。

-時(shí)間同步服務(wù)器

GPS向范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位功能。任何地點(diǎn)的GPS用戶通過(guò)低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，就能獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。GPS要實(shí)時(shí)完成定位和授時(shí)功能，需要4個(gè)參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時(shí)鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)刻偏差，所以需要接受4顆衛(wèi)星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接受1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時(shí)。
由于GPS采用被動(dòng)的定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)是精密定位和授時(shí)的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標(biāo)，其頻率穩(wěn)定度達(dá)到(1~2)×10-13/d。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過(guò)和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間保持精確同步。GPS衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號(hào)，都是來(lái)自衛(wèi)星上同一個(gè)基準(zhǔn)頻率。GPS接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)一套嚴(yán)密的誤差校正，使輸出的信號(hào)達(dá)到很高的*穩(wěn)定性。定時(shí)精度能夠達(dá)到300 ns以內(nèi)。在精確定位服務(wù)下，GPS提供的時(shí)間信號(hào)與協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達(dá)到幾個(gè)納秒。
GPS定時(shí)原理是基于在用戶端精確測(cè)定和扣除GPS時(shí)間信號(hào)的傳輸時(shí)延，以達(dá)到對(duì)本地鐘的定時(shí)與校準(zhǔn)。GPS定時(shí)準(zhǔn)確度取決于信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)在傳輸過(guò)程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：
2.1.1信號(hào)發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;
2.1.2信號(hào)傳輸過(guò)程：電離層誤差、對(duì)流層誤差、地面反射多路徑誤差；
2.1.3接收端：接收機(jī)時(shí)延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
2.2 GPS時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)方法
常規(guī)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會(huì)老化，易受外界環(huán)境變化影響和*的精度漂移影響。原子鐘*使用后也會(huì)產(chǎn)生偏差，需要定時(shí)校準(zhǔn)。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對(duì)自身時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行修正，所以其自身時(shí)鐘系統(tǒng)*穩(wěn)定，具有對(duì)外界物理因素變化不敏感特性。若晶體或銣鐘以GPS為*參考，可以變成低成本、高性能的基準(zhǔn)時(shí)鐘。
在網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)下，GPS時(shí)鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準(zhǔn)確度。由于在某些特殊情況下GPS時(shí)鐘信號(hào)會(huì)暫時(shí)消失，所以基于GPS的時(shí)鐘模塊一般需要另一個(gè)外部時(shí)鐘作為后備輸入，預(yù)留有外接時(shí)鐘的時(shí)基和頻標(biāo)信號(hào)接口。另外，GPS時(shí)鐘其頻率準(zhǔn)確度還具有自身保持性能。GPS時(shí)間的建立過(guò)程如圖1所示。 
為了得到精密的GPS時(shí)間，使它的準(zhǔn)確度相對(duì)于UTC達(dá)到<100ns，因此每個(gè)GPS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測(cè)控站構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)修正系統(tǒng)；采用UTC(USNO/MC)為參考基準(zhǔn)。
GPS時(shí)鐘頻率模塊提供所需的各種時(shí)頻的信號(hào)，并輸出定位時(shí)間、GPS接收機(jī)是否工作正常、輸出的時(shí)間信號(hào)是否有效、時(shí)鐘和頻率處理模塊激活狀態(tài)、異常告警等信息。
3.改造后的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)
在原來(lái)主站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一套GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)和一個(gè)室外衛(wèi)星接收天線。接收到的衛(wèi)星定位信號(hào)通過(guò)同軸電纜連接到同步時(shí)鐘處理系統(tǒng)的天線輸入端口，再由時(shí)鐘裝置輸出一路RS232信號(hào)，接入雙機(jī)監(jiān)視及切換裝置(CMS)上。兩臺(tái)主機(jī)與CMS相連，主機(jī)按與同步時(shí)鐘裝置相匹配的規(guī)約，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤的接收GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的高精度同步。主機(jī)接收GPS時(shí)鐘信號(hào)作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)進(jìn) 行時(shí)鐘同步，周期性地向RTU發(fā)送校時(shí)命令，以同步RTU時(shí)鐘。
4.時(shí)間同步原理
GPS接收機(jī)輸出兩種時(shí)間信號(hào)：一是同步脈沖信號(hào)，包括間隔為1秒的脈沖信號(hào)1PPS(它與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs)、間隔為1分的脈動(dòng)信號(hào)1PPM和間隔為1小時(shí)的脈動(dòng)信號(hào)1PPH；二是時(shí)間碼信號(hào)。通過(guò)RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和日期，即1PPS的時(shí)間標(biāo)記。其中，時(shí)間碼信號(hào)用于系統(tǒng)時(shí)間同步，同步脈沖信號(hào)用子裝置時(shí)鐘同步。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)或事件實(shí)時(shí)性要求的程度，可在整點(diǎn)、整分甚至整秒時(shí)刻通過(guò)串行接口為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼信號(hào)。同樣，根據(jù)采樣對(duì)裝置時(shí)鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號(hào)對(duì)裝置時(shí)鐘進(jìn)行同步。
系統(tǒng)時(shí)間同步是指GPS時(shí)間碼周期性地設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)主機(jī)及RTU的系統(tǒng)時(shí)間，達(dá)到統(tǒng)一分布式系統(tǒng)時(shí)間的目的。SCADA系統(tǒng)中各主機(jī)及RTU的對(duì)時(shí)系統(tǒng)都以三級(jí)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)方式組成，即RTC計(jì)時(shí)、BIOS計(jì)時(shí)和OS計(jì)時(shí)。相應(yīng)地用外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步一臺(tái)主機(jī)的時(shí)間系統(tǒng)也可分為同步RTC時(shí)鐘、同步BIOS時(shí)鐘和同步OS時(shí)鐘3種方式。但采用前兩者均要設(shè)計(jì)硬件線路，這對(duì)主機(jī)的完整性和可靠性不利，且同步RTC時(shí)鐘只對(duì)初始開(kāi)機(jī)有效。所有應(yīng)用程序的計(jì)時(shí)都只取自于OS時(shí)鐘(不包括低級(jí)程序?qū)ο到y(tǒng)時(shí)鐘的直接調(diào)用)。所以，只要對(duì)OS時(shí)鐘進(jìn)行同步，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有應(yīng)用程序的時(shí)間同步但由于同步時(shí)刻點(diǎn)之后OS計(jì)時(shí)仍然依賴低一級(jí)的BIOS時(shí)鐘計(jì)時(shí)，為消減累計(jì)誤差，必須周期性同步。
本系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，并不將GPS時(shí)間碼直接傳送給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和RTU，而是先傳送給主機(jī)，再主機(jī)傳送給其它主機(jī)節(jié)點(diǎn)。這樣既可以簡(jiǎn)化線路，又便于整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。
系統(tǒng)時(shí)間同步的基本過(guò)程是：(1)整點(diǎn)時(shí)刻與UTC 1PPS脈沖前沿對(duì)應(yīng)的BCD時(shí)間碼信號(hào)到后，啟動(dòng)主機(jī)時(shí)間同步處理后臺(tái)進(jìn)程；(2)后臺(tái)進(jìn)程接收BCD時(shí)間碼，將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的長(zhǎng)整型數(shù)，設(shè)置主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘，并采用緊縮傳遞方法將長(zhǎng)整型數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCⅡ流，通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)Socket向其他主機(jī)節(jié)點(diǎn)廣播；(3)其他主機(jī)節(jié)點(diǎn)接收ASCⅡ流，將其還原為長(zhǎng)整型數(shù)，設(shè)置本機(jī)系統(tǒng)時(shí)間。