授时系统方案.doc

第二十章 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。20.1 基本原理20.1.1 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”。20.1.2.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。20.1.3.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）。20.1.4.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。20.1.5. 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？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。20.2 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。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。20.3 系统主要设备及功能20.3.1 GPS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；GPS天线主要性能如下：天线 中心频率：1575.42MHz3 MHz 电压驻波比：1.5:1 带宽： 5 MHz 阻抗：50 ohm 最高增益：3dBic ，基于77cm 地平面 增益范围：-4dBic ，900+90，over 75% Volume 天线极化：RHCP放大器/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+/-20MHZ20dB 最小f0+/-50MHZ30dB 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 重量：140(克)gram 外型尺寸：96126mm； 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(M241.5)连接；环境 工作温度：-40+85 振动：1g(0-p)105010Hz 每轴 湿度：95%100%RH 防水：100%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SWR1.2插入损耗-0.5dB20.3.2 GPS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 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；（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：110-12（24小时平均/锁定状态） 110-10 （普通）510-11 （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 210-10 10ms 510-11 100ms 510-12 1S 3 10-1210s 310-12 100s 510-12 1000s 510-12 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： 060摄氏度；湿度：95不冷凝 MTBF 大于10万小时； 电源：AC220V 10，20W。20.3.3 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LCD320x240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。20.3.4 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：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。日志管理对系统日志进行查询备份删除等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。20.3.5 子钟单联双面数字时钟尺寸：750MM190MM100MM 双联数字日历子钟尺寸：1040MM380MM70MM（单面） 1040MM380MM100MM（双面）三联手术专用时钟尺寸：1040MM520MM70MM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/2) 对比度：10：13) LED显示屏可视视角：654) 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0507) 电源电压：220V108) 电源频率：50Hz5% 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20.4 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：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合起来。相对于网管系统与母钟相联的结构，这种系统结构的好处是系统结构清晰，母钟通信负荷小