北斗時鐘-時間同步服務(wù)器

北斗時鐘-時間同步服務(wù)器

GPS向范圍內(nèi)提供定時和定位功能。任何地點(diǎn)的GPS用戶通過低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，就能獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時間。GPS要實(shí)時完成定位和授時功能，需要4個參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時刻偏差，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。
由于GPS采用被動的定位原理，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)星鐘通過和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時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，都是來自衛(wèi)星上同一個基準(zhǔn)頻率。GPS接收機(jī)對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行處理，經(jīng)過一套嚴(yán)密的誤差校正，使輸出的信號達(dá)到很高的*穩(wěn)定性。定時精度能夠達(dá)到300 ns以內(nèi)。在精確定位服務(wù)下，GPS提供的時間信號與協(xié)調(diào)世界時(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達(dá)到幾個納秒。
GPS定時原理是基于在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延，以達(dá)到對本地鐘的定時與校準(zhǔn)。GPS定時準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：
2.1.1信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;
2.1.2信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；
2.1.3接收端：接收機(jī)時延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
2.2 GPS時鐘的實(shí)現(xiàn)方法
常規(guī)時鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響和*的精度漂移影響。原子鐘*使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準(zhǔn)。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統(tǒng)進(jìn)行修正，所以其自身時鐘系統(tǒng)*穩(wěn)定，具有對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)時鐘。
在網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)下，GPS時鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準(zhǔn)確度。由于在某些特殊情況下GPS時鐘信號會暫時消失，所以基于GPS的時鐘模塊一般需要另一個外部時鐘作為后備輸入，預(yù)留有外接時鐘的時基和頻標(biāo)信號接口。另外，GPS時鐘其頻率準(zhǔn)確度還具有自身保持性能。GPS時間的建立過程如圖1所示。 
為了得到精密的GPS時間，使它的準(zhǔn)確度相對于UTC達(dá)到<100ns，因此每個GPS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng)；采用UTC(USNO/MC)為參考基準(zhǔn)。
GPS時鐘頻率模塊提供所需的各種時頻的信號，并輸出定位時間、GPS接收機(jī)是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時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)
在原來主站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一套GPS同步時鐘系統(tǒng)和一個室外衛(wèi)星接收天線。接收到的衛(wèi)星定位信號通過同軸電纜連接到同步時鐘處理系統(tǒng)的天線輸入端口，再由時鐘裝置輸出一路RS232信號，接入雙機(jī)監(jiān)視及切換裝置(CMS)上。兩臺主機(jī)與CMS相連，主機(jī)按與同步時鐘裝置相匹配的規(guī)約，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的接收GPS信號，實(shí)現(xiàn)時間的高精度同步。主機(jī)接收GPS時鐘信號作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間，對系統(tǒng)進(jìn) 行時鐘同步，周期性地向RTU發(fā)送校時命令，以同步RTU時鐘。
4.時間同步原理
GPS接收機(jī)輸出兩種時間信號：一是同步脈沖信號，包括間隔為1秒的脈沖信號1PPS(它與UTC的同步誤差不超過1μs)、間隔為1分的脈動信號1PPM和間隔為1小時的脈動信號1PPH；二是時間碼信號。通過RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時間和日期，即1PPS的時間標(biāo)記。其中，時間碼信號用于系統(tǒng)時間同步，同步脈沖信號用子裝置時鐘同步。根據(jù)系統(tǒng)對任務(wù)或事件實(shí)時性要求的程度，可在整點(diǎn)、整分甚至整秒時刻通過串行接口為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間碼信號。同樣，根據(jù)采樣對裝置時鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號對裝置時鐘進(jìn)行同步。
系統(tǒng)時間同步是指GPS時間碼周期性地設(shè)置整個系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)主機(jī)及RTU的系統(tǒng)時間，達(dá)到統(tǒng)一分布式系統(tǒng)時間的目的。SCADA系統(tǒng)中各主機(jī)及RTU的對時系統(tǒng)都以三級計(jì)時結(jié)構(gòu)方式組成，即RTC計(jì)時、BIOS計(jì)時和OS計(jì)時。相應(yīng)地用外部標(biāo)準(zhǔn)時間同步一臺主機(jī)的時間系統(tǒng)也可分為同步RTC時鐘、同步BIOS時鐘和同步OS時鐘3種方式。但采用前兩者均要設(shè)計(jì)硬件線路，這對主機(jī)的完整性和可靠性不利，且同步RTC時鐘只對初始開機(jī)有效。所有應(yīng)用程序的計(jì)時都只取自于OS時鐘(不包括低級程序?qū)ο到y(tǒng)時鐘的直接調(diào)用)。所以，只要對OS時鐘進(jìn)行同步，就可實(shí)現(xiàn)對所有應(yīng)用程序的時間同步但由于同步時刻點(diǎn)之后OS計(jì)時仍然依賴低一級的BIOS時鐘計(jì)時，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時間碼直接傳送給每一個節(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)。這樣既可以簡化線路，又便于整個系統(tǒng)的時間統(tǒng)一。
系統(tǒng)時間同步的基本過程是：(1)整點(diǎn)時刻與UTC 1PPS脈沖前沿對應(yīng)的BCD時間碼信號到后，啟動主機(jī)時間同步處理后臺進(jìn)程；(2)后臺進(jìn)程接收BCD時間碼，將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的長整型數(shù)，設(shè)置主機(jī)系統(tǒng)時鐘，并采用緊縮傳遞方法將長整型數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCⅡ流，通過數(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，將其還原為長整型數(shù)，設(shè)置本機(jī)系統(tǒng)時間。

-時間同步服務(wù)器

GPS向范圍內(nèi)提供定時和定位功能。任何地點(diǎn)的GPS用戶通過低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，就能獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時間。GPS要實(shí)時完成定位和授時功能，需要4個參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的時刻偏差，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。
由于GPS采用被動的定位原理，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)星鐘通過和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間進(jìn)行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時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，都是來自衛(wèi)星上同一個基準(zhǔn)頻率。GPS接收機(jī)對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行處理，經(jīng)過一套嚴(yán)密的誤差校正，使輸出的信號達(dá)到很高的*穩(wěn)定性。定時精度能夠達(dá)到300 ns以內(nèi)。在精確定位服務(wù)下，GPS提供的時間信號與協(xié)調(diào)世界時(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達(dá)到幾個納秒。
GPS定時原理是基于在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延，以達(dá)到對本地鐘的定時與校準(zhǔn)。GPS定時準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：
2.1.1信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;
2.1.2信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；
2.1.3接收端：接收機(jī)時延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
2.2 GPS時鐘的實(shí)現(xiàn)方法
常規(guī)時鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響和*的精度漂移影響。原子鐘*使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準(zhǔn)。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統(tǒng)進(jìn)行修正，所以其自身時鐘系統(tǒng)*穩(wěn)定，具有對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)時鐘。
在網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)下，GPS時鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準(zhǔn)確度。由于在某些特殊情況下GPS時鐘信號會暫時消失，所以基于GPS的時鐘模塊一般需要另一個外部時鐘作為后備輸入，預(yù)留有外接時鐘的時基和頻標(biāo)信號接口。另外，GPS時鐘其頻率準(zhǔn)確度還具有自身保持性能。GPS時間的建立過程如圖1所示。 
為了得到精密的GPS時間，使它的準(zhǔn)確度相對于UTC達(dá)到<100ns，因此每個GPS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng)；采用UTC(USNO/MC)為參考基準(zhǔn)。
GPS時鐘頻率模塊提供所需的各種時頻的信號，并輸出定位時間、GPS接收機(jī)是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時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)
在原來主站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一套GPS同步時鐘系統(tǒng)和一個室外衛(wèi)星接收天線。接收到的衛(wèi)星定位信號通過同軸電纜連接到同步時鐘處理系統(tǒng)的天線輸入端口，再由時鐘裝置輸出一路RS232信號，接入雙機(jī)監(jiān)視及切換裝置(CMS)上。兩臺主機(jī)與CMS相連，主機(jī)按與同步時鐘裝置相匹配的規(guī)約，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的接收GPS信號，實(shí)現(xiàn)時間的高精度同步。主機(jī)接收GPS時鐘信號作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間，對系統(tǒng)進(jìn) 行時鐘同步，周期性地向RTU發(fā)送校時命令，以同步RTU時鐘。
4.時間同步原理
GPS接收機(jī)輸出兩種時間信號：一是同步脈沖信號，包括間隔為1秒的脈沖信號1PPS(它與UTC的同步誤差不超過1μs)、間隔為1分的脈動信號1PPM和間隔為1小時的脈動信號1PPH；二是時間碼信號。通過RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時間和日期，即1PPS的時間標(biāo)記。其中，時間碼信號用于系統(tǒng)時間同步，同步脈沖信號用子裝置時鐘同步。根據(jù)系統(tǒng)對任務(wù)或事件實(shí)時性要求的程度，可在整點(diǎn)、整分甚至整秒時刻通過串行接口為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間碼信號。同樣，根據(jù)采樣對裝置時鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號對裝置時鐘進(jìn)行同步。
系統(tǒng)時間同步是指GPS時間碼周期性地設(shè)置整個系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)主機(jī)及RTU的系統(tǒng)時間，達(dá)到統(tǒng)一分布式系統(tǒng)時間的目的。SCADA系統(tǒng)中各主機(jī)及RTU的對時系統(tǒng)都以三級計(jì)時結(jié)構(gòu)方式組成，即RTC計(jì)時、BIOS計(jì)時和OS計(jì)時。相應(yīng)地用外部標(biāo)準(zhǔn)時間同步一臺主機(jī)的時間系統(tǒng)也可分為同步RTC時鐘、同步BIOS時鐘和同步OS時鐘3種方式。但采用前兩者均要設(shè)計(jì)硬件線路，這對主機(jī)的完整性和可靠性不利，且同步RTC時鐘只對初始開機(jī)有效。所有應(yīng)用程序的計(jì)時都只取自于OS時鐘(不包括低級程序?qū)ο到y(tǒng)時鐘的直接調(diào)用)。所以，只要對OS時鐘進(jìn)行同步，就可實(shí)現(xiàn)對所有應(yīng)用程序的時間同步但由于同步時刻點(diǎn)之后OS計(jì)時仍然依賴低一級的BIOS時鐘計(jì)時，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時間碼直接傳送給每一個節(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)。這樣既可以簡化線路，又便于整個系統(tǒng)的時間統(tǒng)一。
系統(tǒng)時間同步的基本過程是：(1)整點(diǎn)時刻與UTC 1PPS脈沖前沿對應(yīng)的BCD時間碼信號到后，啟動主機(jī)時間同步處理后臺進(jìn)程；(2)后臺進(jìn)程接收BCD時間碼，將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的長整型數(shù)，設(shè)置主機(jī)系統(tǒng)時鐘，并采用緊縮傳遞方法將長整型數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCⅡ流，通過數(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，將其還原為長整型數(shù)，設(shè)置本機(jī)系統(tǒng)時間。