北斗授时简介.ppt

北斗授时 2015年11月10日 时间与时钟1PPS 1pulsepersecond TODNTP SNTP原子钟 氢 铷 铯 铯133的共振频率为9192631770Hz 晶体钟 10MHz TAI internationalatomictime国际原子时 UTC coordinateduniversaltime协调世界时 又称时间统一时 北京时间 UTC 8 一 术语定义 时间标准 时间参照 天文时UTI UniversalTime 国际原子时TAI InternationalAtomicTime 协调世界时UTC CoordinatedUniversalTime 北京时间等 授时系统三大要素 时钟源 时间传递 校时 时间同步 时间同步是指设备都工作在同一时间下 不能有毫秒甚至是微秒级的差异 便于准确记录每个事件发生的时刻 特别是出问题时可以追根朔源 找到问题的发生点 频率同步只是要求工作在某个固定的频率上 便于复用和解复用 又叫时钟同步 二 授时原理 RDSS单向授时 在单向授时模式下 用户机不需要与地面中心站进行交互 但需已知接收机精密坐标 从而可计算出卫星信号传输时延 经修正得出本地精确的时间 2 1RDSS双向授时 双向定时的所有信息处理都在中心控制站进行 用户机只需把接收的时标信号返回即可 中心站系统在TO时刻发送时标信号ST0 该时标信号经过延迟T1后到达卫星 经卫星转发器转发后经T2到达定时用户机 用户机对接收到的信号进行的处理 也可看做信号转发 经T3的传播时延到达卫星 卫星把接收的信号转发 经T4的传播时延传送回中心站系统 也即表示时间T0的时标信号ST0 最终在T0 T1 T2 T3 T4时刻重新回到中心站系统 中心站系统把接收时标信号与发射时刻相减 得到双向传播时延T1 T2 T3 T4 除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延 中心站把这个单向传播时延发送给用户机 定时用户机接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值 修正本地钟 使之与中心控制系统的时问同步 2 2RNSS授时 与GPS授时一致 用户设备只需接收卫星广播的RNSS导航信号 即可获得北斗系统时间 然后将本地时间与北斗系统时间进行比较得到本地时钟与北斗系统时间的偏差 如果测站坐标已知 并且精度可靠 那么只要收到一颗卫星的信号即可进行精确授时 如果测站坐标未知 RNSS只要能接收到四颗或四颗以上卫星 即可解算出位置和钟差 实现定位与授时 2 3RDSS单双向授时对比 双向定时和单向定时的主要差别在于从中心站系统到用户机传播时延的获取方式 在北斗系统中单向定时精度的系统设计值为100ns 双向定时为20ns 单向定时需要事先计算用户机的位置 双向定时无需知道用户机的位置 所有处理都在中心站系统完成 单向定时由于采用被动方式进行 不占用系统容量 而双向定时是通过与中心站交互的方式来进行定时 因此会占用系统容量 受到一定的限制 2 4三种授时技术对比 三 物理架构 北斗授时服务器 北斗授时用户机 3 1北斗授时接收模块 北斗高精度授时接收模块接收 北斗一号 卫星信号 采用单向授时技术 采用一次下变频射频技术 实现北斗卫星信号的快速捕获 跟踪 解调功能 恢复出卫星数据和同步信号 结合高精度北斗卫星授时数据处理技术与高精度数字时频标合成技术 完成卫星轨道数据的平滑滤波和最优估值 电波的电离层校正 多普勒校正 电波时延等计算 TOD时间信息输出和时标信号合成控制 设计输出1PPS性能指标优于100ns 北斗授时接收模块主要包括 接收天线 射频模块 中频数字接收单元 卫星数据处理单元和用户接口单元 通过设定用户本地位置 北斗卫星信号的接收与卫星定时信号的恢复 生成授时信号 实现单向授时功能 3 3时频处理模块 时频处理模块是本系统的重要组成部分 主要完成北斗与GPS双卫星系统授时性能监测 判优与智能切换 高精度本地时间维护 高精度时频标合成 内部协议分析及转发 显示与人机交互等功能 可根据对时间保持能力的要求高低配置不同的晶体钟或原子钟测量两个脉冲之间的相位差 时间间隔 通常可采用高频脉冲计数法实现 3 2时钟模块 3 4用户交互模块 设备基于嵌入式操作系统 采用Web Telnet snmp方式 在IE浏览器中输入时间服务器的口地址等参数 完成对设备的本地和远程集中管理 网络管理具有丰富的用户交互和信息处理能力 主要功能如下 状态查询 完成系统状态的查询 北斗卫星的主要信息 TOD时间信息 1PPS可用度 网络授时状态 主备用卫星源 网络信息等 设备管理 完成北斗授时接收板的工作参数设置和主用时间源的选择 系统管理 完成设备用户管理和网络参数设置 包括添加用户 修改用户密码和删除用户 高级设置 包括安全设置和恢复默认设置 安全设置包括超时时间设置和可登陆IP地址范围 3 5应用接口模块 应用接口单元提供RS232电平标准时间信息 TOD 和秒脉冲信号 1PPS 等基本时间同步输出接口 同时 可根据不同的应用领域实现不同电气特性的接口 例如网络授时接口 NTP SNTP RS422 RS485电平串行报文信息 电力时间同步专用的分脉冲 1PPM 和时脉冲 1PPH 等 在应用接口模块中 其核心部分是网络协议单元 实现NTP SNTP授时服务 NTP SNTP是国际标准的网络时间服务协议 用于计算机网络时间同步 其结构采用client server服务方式 由用户向时间服务器申请服务 服务器将标准时间标签 timestamp 发送给用户 用户软件根据服务器提供的标准时间及传输延迟 计算本地时间改正 经多次计算并滤波处理 改正后设置本地时间 客户端根据T1 T2 T3 T4计算出钟差T及时延改正D 然后修正本地时间 计算公式如下 D T4 T1 T2 T3 2 T T2 T1 T3 T4 2 3 5应用接口模块 卫星数据处理单元 卫星数据处理单元采用高速数字信号处理器 DSP 实现 具有同时处理多路信号的能力 主要完成卫星信号维特比译码 校验 数据拼装 卫星轨道数据的平滑滤波和最优估值 电波的电离层校正 电波时延计算 多普勒校正和UTC时间解算等功能 TOD时间信息经并口传送至单片机再由异步串口输出 秒脉冲合成单元 秒脉冲合成单元采用DSP和FPGA共同实现 在数据处理中加强钟差信号的数字滤波和容错设计 以提高抗干扰能力 在脉冲合成设计中采用直接数字合成技术 DDS 提高合成设计的灵活性及秒脉冲的准确性与稳定度 针对时频应用的要求与特点 采用先进的时间频率守时技术 提高时频信号的可靠性 以满足高精度时频应用的要求 四 产品描述 网络时间服务器具有以下功能 1 完善的北斗和GPS信号监测 自动或手动选择卫星信号 2 支持标准NTP网络时间传输协议 3 支持本地和远程网管 通过网络口进行参数配置 4 最大支持上万个用户的网络授时服务 5 提供基于RS232的时码输出 6 提供高精度1PPS输出 7 提供光纤IRIG B对时报文输出 8 调幅波形式的交流IRIG B码 9 支持RS485方式输出对时报文 技术指标 1 采用单独组屏 扩展灵活 便于管理 2 多时间源可供选择 除采用GPS系统外 还可选用我国的北斗星系统 可靠性更高 3 采用对值班人员透明化设计 时间显示 卫星通道状态 工作状态的指示一目了然 4 主时钟和扩展时钟采用冗余配置 自动无扰切换 5 主时钟和扩展时钟内部有高精度时间自保持单元 精度为7 10 9 6 多种对时规约 可由用户要求指定 7 精美标准19 U型 2U或4U 架装式机箱 采用标准电力机柜屏 8 授时精度高 最高精度达30ns 9 有多种对时方式 可灵活配置 支持硬对时 PPS PPM PPH 软对时 串口报文 编码对时 IRIG B DCF77 和网络NTP对时 可以满足国内外不同设备的授时接口要求 10 装置的所有时钟信号输出均经过光电隔离 抗干扰能力强 环境要求工作温度 10 C 60 C贮存温度 40 C 80 C电气要求电源 交流220V 10 47HZ 63HZ或直流110V 220V电磁兼容性 符合 GB T13926 1992工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 中有关规定的要求 并且超过III级标准功耗 不大于15W性能指标 捕获卫星 锁定 时间 热开机 瞬间掉电 15秒 冷开机 位置未变的重开机 45秒 位置改变后重开机 1分钟 本地首次开机 2分钟 位置精度 10m时间精度 100ns 五 总结 不同授时领域对时间同步系统的需求的差异性主要在于以下两点 1 时间同步精度的高低 2 接