授时系统方案

1 第二十章第二十章 授时系统授时系统 时间信号的准确与否 直接关系到人们的日常生活 工业生产和社会发展 人们对时 间精度的要求也越来越高 天文测时所依赖的是地球自转 而地球自转的不均匀性使得天 文方法所得到的时间 世界时 精度只能达到 10 9 原子钟 精度可达 10 12 因此 原 子钟 广泛运用到精密测量和日常生活 生产领域 20 120 1 基本原理基本原理 20 1 120 1 1 什么是授时系统什么是授时系统 授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统 每当整点钟时 正在收听广播的收音机 便会播出 嘟 嘟 的响声 人们便以此校对自己的钟表的快慢 广播电台里的正 确时间是哪里来的呢 它是由天文台精密的钟去控制的 那么天文台又是怎样知道这些精 确的时间呢 我们知道 地球每天均匀转动一次 因此 天上的星星每天东升西落一次 如果把地球当作一个大钟 天空的星星就好比钟面上表示钟点的数字 星星的位置天文学 家已经很好测定过 也就是说这只天然钟面上的钟点数是很精确知道的 天文学家的望远 镜就好比钟面上的指针 在我们日常用的钟上 是指针转而钟面不动 在这里看上去则是 指针 不动 钟面 在转动 当星星对准望远镜时 天文学家就知道正确的时间 用这 个时间去校正天文台的钟 这样天文学家就可随时从天文台的钟面知道正确的时间 然后 在每天一定时间 例如 整点时 通过电台广播出去 我们就可以去校对自己的钟表 或 供其他工作的需要 天文测时所依赖的是地球自转 而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间 世界时 精度只能达到 10 9 无法满足二十世纪中叶社会经济各方面的需求 一种更为 精确和稳定的时间标准应运而生 这就是 原子钟 目前世界各国都采用原子钟来产生和 保持标准时间 这就是 时间基准 然后 通过各种手段和媒介将时间信号送达用户 这 些手段包括 短波 长波 电话网 互联网 卫星等 这一整个工序 就称为 授时系统 20 1 20 1 2 2 应用最为广泛和可靠的授时手段是哪种 应用最为广泛和可靠的授时手段是哪种 答 参考国际及国内惯例 绝大部分使用卫星授时 2 20 1 20 1 3 3 卫星授时有哪几种 常用的是哪些 卫星授时有哪几种 常用的是哪些 答 目前全世界有四个系统可以为全球或者区域用户提供卫星导航授时服务 1 GPS 系统 美国 目前最完善的导航定位系统 面向全球服务 2 北斗系统 中国 区域性导航定位系统 2020 年以后可以全球范围内使用 3 伽利略系统 欧盟 正在建设中 建成后可以覆盖全球 4 格洛纳斯系统 俄罗斯 基本覆盖全球 用户相对较少 20 1 20 1 4 4 为什么可以从导航定位系统中获取到精确的时间 为什么可以从导航定位系统中获取到精确的时间 答 对于一个进入信息社会的现代化大国 导航定位和授时系统是最重要 而且也是 最关键的国家基础设施之一 现代武器实 试 验 战争需要它保障 智能化交通运输系 统的建立和数字化地球的实现需要它支持 现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精 度时间和频率的依赖 从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑 导航定位和授时系 统应该说是基础的基础 它对整体社会的支撑几乎是全方位的星基导航和授时是未发展的 必然趋势 美国投入巨资建成了全球定位系统 GPS 俄罗斯也使自己的全球导航卫星系 统 GLONASS 投入了运行 欧盟一些国家也正在联合开展加利略 Galileo 卫星导航系 统的研制 为了提高民用定位定时的性能和可靠性 安全性 利用这些卫星系统建立广域 增强系统 Waas 在美国 日本 欧洲和俄罗斯也在计划或研制之中 这些系统导航定位的基本概念都是以精度时间测量为基础的 正如有人所指出的那样 我们人类生活在余割四维的世界 x y z t 其中一维就是时间 而另外三维的精度确 定 就今天而言 没有精确的定时也是难以实现的 单从授时出发 不难理解系统发播时间的精确控制是不可缺少的 而对于导航定位 系统内部钟 星载钟和地面监测和控制台站的钟 的同步就极为关键 没有原子钟的支持 没有钟同步和保持技术的支持 实现星基导航和定位是不可能的 在完成精确时间的传递 过程 需要对传播时延作精确修正 而这又需要知道用户的精确地理位置 从以上分析可以看出 无论在系统概念 技术 装备或管理上 与其他通讯和卫星系 统相比 导航定位卫星系统与高精度卫星授时系统有很好的兼容性和互补性 二者是相辅 相成的 从资源共享和合理利用出发 先进的卫星系统应该成为一个导航授时一体化的高 精度星基四维 x y z t 信息源 就像目前已投入工作的 GPS Glonass 和正在研制中 的 Galileo 以及各种 Waas 系统中 无不把其授时功能提到仅次于导航定位的重要地位 以 便满足个行各业对精度时间和频率日益增长的需求 20 1 20 1 5 5 从导航定位系统中获取时间信息是否需要获得有关部门的授权或者许可 从导航定位系统中获取时间信息是否需要获得有关部门的授权或者许可 答 GPS 卫星提供了 P 码 精码 和 C A 码 粗码 两种定位服务 P 码为军方服务 定位精度达到 3 米 C A 码对社会开放 定位精度为 14 米 出于自身安全的考虑 美国先 后实施了 SA 和 AS 政策 SA 政策在 C A 码中人为引入了误差 使定位精度下降到 100 米 AS 政策则对 P 码实行加密 北斗也同样参考了 GPS 的做法 因此 在民用授时或者导航领 域 不需要使用者缴纳服务费或者获得使用许可 例如 现在的 GPS 车载导航仪已经进入 千家万户 他们接受的 GPS 导航服务就是完全免费的 20 220 2 系统组成系统组成 系统采用中心机房及子区域两级组网方式 由 GPS 接收天线 中心母钟 子钟 通信 控制器 NTP 时间服务器构成 时钟系统控制管理计算机 传出通道组成 3 中心机房设备与各区域中心接口 子钟通过通信线缆连接 中心母钟接收来 GPS 标准时间码 在总控机房通过传输线路为其它各需要统一时间的 设备提供标准时间信号 使各子系统的设备与时钟系统同步 从而实现统一的时间标准 系统采用树形架构 分支均采用上一级的时间为准 如果失去上一级时钟信息则以内 部时钟信号继续工作 20 320 3 系统主要设备及功能系统主要设备及功能 20 3 120 3 1 GPSGPS 接收天线接收天线 GPS 接收天线部分位于主控中心的前端 用于为 GPS 接收机提供信号 从而使一级母 钟获得高精度时间参考 为机场时钟系统提供准确的时间信息 GPS 接收天线部分包括 GPS 信号接收天线及其天线馈线 及它们相关的避雷和接地措 施 GPSGPS 天线主要性能如下 天线主要性能如下 天线天线 中心频率 1575 42MHz 3 MHz 电压驻波比 1 5 1 带宽 5 MHz 阻抗 50 ohm 最高增益 3dBic 基于 7 7cm 地平面 增益范围 4dBic 90 0 90 over 75 Volume 天线极化 RHCP 放大器放大器 滤波器滤波器 放大器增益 不含电缆 28 dB 45 dB 55 dB 典型 噪声系数 1 5dB 滤波器带外衰减 f0 1575 42 MHZ 7dB 最小 f0 20MHZ 20dB 最小 f0 50MHZ 30dB 最小 f0 100MHZ 输出电压驻波比 2 0 直流电压 3V 5V 3V to 5V 直流电流 5mA 10mA 22mA Max 结构结构 重量 140 克 gram 外型尺寸 96 126mm 电缆 RG58 8 to 100 m 连接器型号 SMA SMB SMC BNC FME TNC MCX MMCX 固定方式 螺纹 M24 1 5 连接 环境环境 工作温度 40 85 振动 1g 0 p 10 50 10Hz 每轴 湿度 95 100 RH 防水 100 4 避雷器主要性能如下 避雷器主要性能如下 技术参数数值或标准 频宽 MHz 0 2000 阻抗 50 最大放电电流 8 20us KA 20 接口标准 英制 公制 N L16 功率 W 300 动态残压 1KV us V 600 驻波比 SWR 1 2 插入损耗 0 5dB 20 3 220 3 2 GPSGPS 高稳石英母钟高稳石英母钟 高稳石英母钟内置高稳 OCXO 可接收多种外部参考信号 支持手动 自动的双机热备 份功能 主要功能性能如下 独有特色独有特色 支持农历 双机热备份功能 支持远程操作维护 2 个外部参考输入 a 1 个 RS232 RS422 1PPS 输入 用于外部 GPS 或 GPS GLONASS 接收机 b 1 个 10MHz 或 2 048MHz 接口 选项 1 个外部时码接口 RS422 485 可选 CANBUS 或电力线载波接口 用来接收 上级母钟时码信号 1U 19 标准机箱 年 月 日 星期 农历 时 分 秒显示 输出标准时间信号包括公历 年 月 日 星期 时 分 秒 农历 月 日 时码输出接口 1 2 个 RS 232 可用于计算机校时 2 2 个 RS485 422 可用于子钟校时 传输距离不小于 1 千米 5 3 1 个 CANBUS 接口 用于驱动子钟 传输距离不小于 10 千米 支 持双向网管 故障实时报警 频标输出接口 正弦波 10dBm 50 各一路 1 10MHz 2 2 048MHz 准确度 1 10 12 24 小时平均 锁定状态 1 10 10 普通 5 10 11 优选 关闭 GPS 自保持 24 小时 稳定度 取样时间 阿仑方差 锁定或保持 1ms 2 10 10 10ms 5 10 11 100ms 5 10 12 1S 3 10 12 10s 3 10 12 100s 5 10 12 1000s 5 10 12 相位噪声 偏离载频 单边带相噪 锁定或保持 1Hz 100 dBc 10Hz 125 dBc 100Hz 135 dBc 1000Hz 140 dBc 10KHz 160 dBc 谐波 40dBc 手动时间调整 1 个网管接口 RS232 RS422 可选以太网接口 支持手动 自动控制双机热备份 前面板主备指示 系统具有更高的可靠性 基于时码前沿的主动同步技术和数字锁相环技术 使母钟在外部参考的驱动 下获得极好的同步精度 操作环境温度 0 60 摄氏度 湿度 95 不冷凝 MTBF 大于 10 万小时 电源 AC220V 10 20W 6 20 3 320 3 3 通信控制器通信控制器 通信控制器是母钟系统的通信枢纽 要求很高的可靠性 2U19 英寸标准机箱 各功能 板采用前插板结构 支持热插拔 设备采用大容量双冗余电源均流供电 电源模块支持热 插板功能 前面板 LCD320 x240 显示 可显示每个通道实时通讯信息 小键盘 实现系统配 置 也可以通过网管系统进行设置 3 个槽位 主控板采用 1 个槽位 其他槽位任意分配 给各种接口板 主要功能如下 实现任意接口间的信息直接路由与分配 每个功能板具有独立故障检测功能 声光报警功能 对传输信息进行解析 根据配置可以本地显示时钟系统的报警信息 同时可 以直接显示在 LCD 上 实现本地报警 主要接口板如下 主控板 2 个 CAN 总线接口 4 个 RS485 RS422 RS232 接口 对接口扩展单 元进行管理 配置 实现系统网管 实现与母钟 GPS 接收机间的接口 传 递时码信息与操作维护信息 支持主备热备份功能 自动信息同步技术 保 证两块主控板间的状态同步 8 路 CAN 总线接口板 子钟接口 传递时码信息与操作维护信息 接口可根 据实际使用要求订做 8 路 RS232 422 485 总线接口板 子钟接口 传递时码信息与操作维护信息 接口可根据实际使用要求订做 本扩展单元适合与中型时钟系统要求 如有特殊要求 可以选择具有 15 个插 槽的大型通信控制器 在本系统中 接口扩展单元配备 1 块主控板 1 块 CAN 总线接口板用于驱动 子钟网络 1 块 RS422 485 接口板用于给其他系统提供时间信息 20 3 420 3 4 网管系统网管系统 时钟网管 监控 系统放在弱电中心 通过 RS232 RS422 接口与钟系统相连 并通过 母钟或接口扩展单元对整个时钟系统进行查询与控制 实现时钟系统的故障管理 性能管 理 配置管理 安全管理 状态管理 时钟网管监控系统主要完成对时钟系统设备的监测管理 检测收集母钟 子钟及其他 的运行状态信息 对时钟系统的工作状态 故障状态进行显示 并对全系统时钟进行点对 点的控制 对本系统中任何一个子钟进行必要的操作 校对 停止 复位 追时 对时 倒计时 关闭 亮度调节 设备 ID 地址修改等 主要监控及显示的内容包括 各种主要 设备 子钟及传输通道的工作状态 对时钟系统的控制 故障记录及打印输出等 系统出 现故障时发出声光报警 指示故障部位 能方便查看维护指南 在线帮助 设有设备维修 档案 记录每个故障发生的具体位置 时间 类型 维修情况等 当某个时钟工作不正常 7 时 系统可调出它的档案 供维修人员参考 具有中心机房 各子时钟 系统输出端口分布图 主要功能如下 主要功能如下 告警管理告警管理 系统采用主动上报和网管系统查询的相结合方式 当设备产生故障 非致命性故障 时 设备主动向网管系统报告故障 网管系统定时查询各设备状态 来检测各设备是否工 作正常 若设备在查询过程中没有反应 网管系统会发出警告 提示工作人员检查设备电 源是否工作正常等 网管接收到告警信息后 以实物图片的方式指示故障具体位置 同时发出警报声音告 警 并在屏幕弹出告警对话框闪烁显示 同时发送手机短信 自动生成完备的日志和报表统计 配置管理配置管理 添加删除设备 按拓扑结构显示系统图 系统记录每个设备的型号 功能 并可以根据设备功能对设备进行控制如对子钟进行 时间设定 对倒计时钟进行倒计时值设定 控制子钟亮度等等 日志管理日志管理 对系统日志进行查询备份删除等 安全管理安全管理 安全管理主要提供用户操作时钟系统的入口网关 所有的用户对时钟系统的操作 都 需经过安全管理的权限检查 识别安全违背事件如非法访问 数据的破坏 用户欺诈和其 它非法破坏活动 用户可以对整个时钟系统进行各种操作 因此 系统的安全性非常重要 系统从三个 层面上对用户进行的操作进行管理 对用户进入网管系统的限制 每个用户在进入系统时 必须输入口令 如果口令不正 确 则禁止其进入系统 对用户的操作权限进行限制 系统给每个用户分配一定的操作权限 用户在系统中只 能完成这些操作 对用户的操作网元进行限制 系统给每个用户指定了操作的网元范围 用户只能对这 些网元进行操作 对其他网元不能执行操作 20 3 520 3 5 子钟子钟 单联双面数字时钟 尺寸 750MM 190MM 100MM 双联数字日历子钟 8 尺寸 1040MM 380MM 70MM 单面 1040MM 380MM 100MM 双面 三联手术专用时钟 尺寸 1040MM 520MM 70MM 母钟与子钟间的通信方式建议采用 CAN 总线 系统向下兼容 RS485 422 总线 CAN 总线以它自身突出的优点 比较低廉的价格 正适合构成总线型大区域 时钟系统 由 CAN 总线构成的系统 具有实时双向通信的功能 实现实时故 障告警与设备控制 数字式子钟接收中心母钟或中继器所发出的时间信号 进行时间信息显示 数字式子钟脱离母钟时能够单独运行 数字式子钟采用 年 月 日 星期 时 分 秒 和 时 分 秒 两种 显示格式 并具备 12 24 小时两种显示方式的转换功能 数字式子钟在调整 时间时 子钟在接到母钟指令后立即将时间显示按母钟发出的命令进行调整 数字式子钟应具有红外遥控校时和追时功能 配有复位按钮和电源开关 遥 控距离不小于 30m 数字式日历子钟采用 3 英寸 8 英寸发光二极管显示单元 LED 数字式单 联日历子钟采用 5 英寸发光二极管显示单元 LED 显示由数字组成的时间 信号 颜色可根据旅客航站楼的装修风格来选择 显示单元显示数字小时信 号 分钟 秒信号和年月日 星期信号 亮度可设置 数字式子钟的外壳采用金属成型技术 静电喷涂 喷涂颜色可由招标人指定 数字式子钟的安装可吊挂 壁挂 装于支柱上等 全面故障检测功能 具备定位到码段的故障检测 若某个钟的某个码段不亮 或其他故障 可即时将故障报告给控制管理系统 可控倒计时功能 控制中心设置倒计时参数 并控制时钟进入倒计时状态 支持网管系统的直接控制 校对 停止 复位 追时 对时 倒计时 亮度 关闭 数字式子钟的技术性能指标 1 LED 显示单元发光强度 200cd 9 2 对比度 10 1 3 LED 显示屏可视视角 65 4 LED 显示屏 MTBF 30000 小时 5 独立计时精度 0 2 秒 天 6 环境要求 工作温度 0 50 7 电源电压 220V 10 8 电源频率 50Hz 5 数字式子钟的接口方式 1 出入 1 个 CAN 接口 1 个 RS485 接口 2 输出 1 个 CAN 接口 1 个 RS485 接口 20 420 4 系统设计 方案 系统设计 方案 由于期货交易对于时间的要求大大超过了其他交易方式 期货交易的标的物一般具有 市场需求量大 价格波动较频繁 规格与质量易于认定 易储存的特点 它不像股票那样 可以久拖不决 暂时缺位也无妨 特别是当行情波动较大时 持仓而不在现场 很可能因 处理不及而导致重大亏损 所以期货交易所如果结算数据出来慢 高峰时段网络太拥挤就 成了制约期货交易所核心竞争力提升的主要因素 为了解决这些问题 提成结算系统软硬 件的性能 使用 期货资金管理系统 的手段成了期货交易所的首选 而这些系统采用的 与结算银行数据端口对接 无出入金会员结算数据先行发送的二次网上发送方式都需要时 间服务同步系统提供精确 稳定的时间信号源作为电子交易的数字时间戳 在电子交易中 无论是数字时间戳服务 DTS 还是数字证书 Digital ID 的发放 都不是靠交易的双方 自己能完成的 而需要有一个具有权威性和公正性的第三方来完成 认证中心 CA 就是承 担网上安全电子交易认证服务 能签发数字证书 并能确认用户身份的服务机构 认证中 心通常是企业性的服务机构 主要任务是受理数字证书的申请 签发及对数字证书的管理 认证中心依据认证操作规定 CPS Certification Practice Statement 来实施服务操作 其次 为了保证整个期货大楼的统一调度和安全运营 给客户和各部门提供精确的一个时 间同步信号 也是必不可少的 其主要作用是为进行期货交易的客户及工作人员提供准确 的时间服务 同时也为计算机系统及其它弱电子系统提供标准的时间源 交易大厅和休息 接待厅的时钟可以为客户提供准确的时间信息 各办公室内及其它通道内的时钟可以为工 作人员提供准确的时间信息 向其它系统提供的时钟信息为整个大楼运行提供了标准的时 间 保证了期货交易系统运行的准时 安全 方案结构如下 10 期货大楼时钟系统结构图 通 信 控 制 器 中心母钟 备中心母钟 GPS天线 GPS天线 NTP服务器 iMac 17 22 36 17 22 36 17 22 36 17 22 36 17 22 36 17 22 36 17 22 3617 22 3617 22 36 TCP IP RS232 CAN RS485 CAN RS485CAN RS485CAN RS485 CAN RS485CAN RS485CAN RS485 子钟子钟子钟 子钟子钟 子钟 子钟子钟子钟 RS232 RS232 RS232 计算机网络 交换机 网络管理系统 GPS 天线接收到标准卫星时间并传送到中心母钟的 GPS 接收处理单元 母钟自动消除 累积误差和判读 GPS 信号是否存在误码 如果信号正确就继续接收 如果信号中断或者有 误系统自动切换到中心时钟的守时单元 依托高稳定的振荡器为整个时钟系统提供时间基 准 本系统采用双 GPS 接收天线 双主钟冗余配置 2 台主钟对外接口直接相连 通过专 用主备连接通信电缆随时交换信息 在主设备 输出时码设备 出现故障的情况下 自动 倒换到备用设备 倒换时间小于 50ms 高稳石英母钟内置高稳石英晶体振荡器 0CXO 同时接收外部 GPS 时码信号和秒脉冲信 号作为主参考信号 母钟输出接通信控制器 通信控制器是母钟系统通信枢纽 它将母钟 网管系统 NTP 时间服务器 子钟接口和其他子系统时码接口有机结