HR高精度北斗衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)

HR高精度北斗衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)

HR高精度北斗衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)即網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位同步，其誤差應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,。時(shí)間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的各個(gè)應(yīng)用界面的時(shí)鐘的時(shí)刻和時(shí)間間隔與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）同步,，最起碼在一個(gè)局域或城域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)要和北京時(shí)間同步

HR高精度北斗衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)即網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位同步，其誤差應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,。時(shí)間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的各個(gè)應(yīng)用界面的時(shí)鐘的時(shí)刻和時(shí)間間隔與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）同步,，最起碼在一個(gè)局域或城域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)要和北京時(shí)間同步

隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，因?yàn)樗銐虻姆奖?、靈活和可擴(kuò)展性,。局域網(wǎng)（LANs）、廣域網(wǎng)（WANs）以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)都是IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的常見(jiàn)例子,。當(dāng)我們?cè)诠I(yè)控制,、測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域、傳輸聲音,、視頻等信息的數(shù)據(jù)主干應(yīng)用方面采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí),，時(shí)間的同步是我們考慮的關(guān)鍵要點(diǎn)。例如聲音和視頻質(zhì)量對(duì)不確定性的延遲和抖動(dòng)非常的敏感,，裝配生產(chǎn)線上的機(jī)器人彼此之間也需要嚴(yán)格的同步,。

IP網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)最初設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮同步問(wèn)題，但是這在現(xiàn)在非常的有必要,。如果你的產(chǎn)品需要時(shí)間同步需要在設(shè)計(jì)上采取哪些措施呢,？目前已經(jīng)有幾種解決方案,，這里我們與大家討論四種常見(jiàn)的解決方案：網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）、精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）,、精確的時(shí)間協(xié)議（PTP）以及借助導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步,，比如定位系統(tǒng)GPS。幸運(yùn)的是從架構(gòu)的角度來(lái)看這些不同的實(shí)現(xiàn)方案有很多的共同之處,。

主時(shí)鐘源

同步網(wǎng)絡(luò)通常都會(huì)有一個(gè)主時(shí)鐘,，它的來(lái)源一般都是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），UTC是基于地球的自轉(zhuǎn)而確立的公立時(shí)間,。UTC與國(guó)際原子時(shí)（TAI）保持著固定的關(guān)系,，兩者之間的固定關(guān)系是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)減慢的速度而周期性的增加到UTC上的閏秒時(shí)間而保持的，目前UTC時(shí)間比TAI時(shí)間快了將近36秒,。另一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是UT1,，它是以平子夜作為0時(shí)開(kāi)始的格林格林威治平太陽(yáng)時(shí)加上人工極移校正后的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，UTC與UT1之間的關(guān)系保持在9秒以?xún)?nèi),。

目前有很多個(gè)時(shí)間服務(wù)器,，但是在美國(guó)的就是來(lái)自國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所（NIST）提供的時(shí)間，NIST提供的時(shí)間是基于UTC,、UTC1和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）服務(wù)器的,，其他網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)和主時(shí)鐘源都是根據(jù)這個(gè)服務(wù)器來(lái)確定的，然而還有很多的輔助服務(wù)器存在,，而且時(shí)間信息也可以來(lái)自于導(dǎo)航衛(wèi)星,。

時(shí)間研究要素

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中存在異步和同步的時(shí)間模型，所有同步的方法都需要有一個(gè)內(nèi)聚層次的定時(shí)解決方案,。參考時(shí)鐘對(duì)于網(wǎng)絡(luò)元素的同步是必須的,，網(wǎng)絡(luò)元素通常需要一個(gè)電壓控制的晶體振蕩器（VCXO）、鎖相環(huán)（PLL）或者時(shí)鐘生成器通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)同步狀態(tài),。目前比較流行的方案包括Abracon公司推出的超低相位噪聲的VXCO和IDT公司推出的82P33814-1NLG同步管理單元,，支持多種同步模式。

無(wú)論選擇哪種解決方案,，設(shè)計(jì)系統(tǒng)都需要能夠提供適當(dāng)?shù)亩秳?dòng)衰減和相位噪聲剔除,，并且與網(wǎng)絡(luò)中的其他元素保持適當(dāng)?shù)耐焦睢r(shí)間設(shè)計(jì)方面要包括一定的保持特性,，即在被通知同步狀態(tài)之前保持時(shí)鐘的能力以防止主時(shí)鐘或參考時(shí)鐘出現(xiàn)故障。

HR高精度北斗衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)

常用的同步解決方案

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）和精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）

的公共網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法就是NTP以及其精簡(jiǎn)版SNTP,，公共的NTP子網(wǎng)在所有大陸甚至在海底都設(shè)有服務(wù)器,，為互聯(lián)網(wǎng)上無(wú)數(shù)的計(jì)算機(jī)提供時(shí)間支持服務(wù)。NTP服務(wù)器時(shí)間是基于UTC的,，但是NIST組織架設(shè)了一個(gè)基于UT1的NTP服務(wù)器,。

NTP協(xié)議使用軟件時(shí)間戳來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步,，精度范圍從100µs 到100ms 或者更大。很多因素會(huì)導(dǎo)致差異,，但是通常都是由于網(wǎng)絡(luò)延遲,、硬件、操作系統(tǒng),、環(huán)境溫度變化引起的振蕩器漂移以及時(shí)間更新引起的時(shí)間間隔引起的,。

當(dāng)我們確定需要對(duì)客戶(hù)端的本地時(shí)間進(jìn)行調(diào)整時(shí)，還需要將往返時(shí)間延遲考慮在內(nèi),。NTP和SNTP使用相同的過(guò)程來(lái)確定校正因子,，計(jì)算結(jié)果是假設(shè)往返兩方向的延遲都是相同的而確定的，因此在客戶(hù)端與服務(wù)端之間一共發(fā)生了四個(gè)數(shù)據(jù)包交換,。

NTP和SNTP之間的主要區(qū)別是SNTP客戶(hù)端需要周期性的直接從單個(gè)SNTP服務(wù)器同步它們的時(shí)間,，因此，SNTP主要用于不需要太高精度要求的應(yīng)用程序,，NTP則采用基于狀態(tài)的復(fù)雜算法來(lái)提升精度,。

NTP支持多播/任播、客戶(hù)端/服務(wù)器,、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式,，而SNTP通常應(yīng)用于客戶(hù)端-服務(wù)端模式，NTP系統(tǒng)廣播時(shí)間信息是分層的并建立不同的層級(jí),，每個(gè)級(jí)別被分配給一個(gè)對(duì)應(yīng)層級(jí)（Stratum）的序號(hào),，Stratum 1服務(wù)器是層，提供全局的時(shí)間同步服務(wù),，上層的需要根據(jù)底層的時(shí)間信息來(lái)同步,。（網(wǎng)絡(luò)事件結(jié)構(gòu)為進(jìn)一步研究提供了很好的使用信息來(lái)源，并且提供了一個(gè)參考實(shí)現(xiàn)方案稱(chēng)為NTPd,，適用于Unix和Windows操作系統(tǒng)）  

與NTP和PTP協(xié)議不同,，GPS系統(tǒng)的可變延遲問(wèn)題則不一樣，因?yàn)闀r(shí)間信息都直接來(lái)自于衛(wèi)星,，限制的因素是接收器必須有一條暢通無(wú)阻的通路,，大氣環(huán)境以及衛(wèi)星相對(duì)接收器的位置都會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。因?yàn)榻o每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素都集成一個(gè)接收器會(huì)很昂貴,，因此工程師們會(huì)有效的控制成本,，不過(guò)GPS時(shí)代相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)便宜很多了，使得實(shí)際的解決方案的同步精度能夠達(dá)到100ns以?xún)?nèi),。

GPS系統(tǒng)接收器還有一個(gè)好的特性就是它可以應(yīng)用于封閉網(wǎng)絡(luò),，即沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)連接。它們同樣可以為PTP網(wǎng)絡(luò)提供精確的主時(shí)鐘源,。

總結(jié)

除了上文提到的時(shí)間同步方法,，當(dāng)然還有其他的方案比如“同步網(wǎng)絡(luò)（SyncE）”和“范圍內(nèi)儀表組時(shí)間編碼（IRIG）”,，這些都值得我們深入去研究。這些技術(shù)都是通過(guò)分發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步但是都需要專(zhuān)用的硬件平臺(tái),。

“同步網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)受到越來(lái)越多的歡迎,，傳統(tǒng)的時(shí)間劃分多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)榛贗P的切換和多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)方案（上文提到的DP83640就是基于SyncE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的）。為了進(jìn)一步的探索,，可以參考國(guó)際電信聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：ITU-T Rec.G8261,，62，64,。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步解決方案也可以通過(guò)上文提到的方法組合來(lái)實(shí)現(xiàn),，比如基于PTP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可以從GPS接收器獲取其主時(shí)鐘源，當(dāng)然也可以從NTP衍生服務(wù)器獲取,。許多可行的方法和組合可以一起工作,，最終目標(biāo)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，但是每種技術(shù)都有自己的功能特性,，而且隨著網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的發(fā)展逐漸都能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代應(yīng)用的大部分需求,。

北斗衛(wèi)星校時(shí)器產(chǎn)品介紹：

北斗衛(wèi)星校時(shí)器是針對(duì)計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化裝置等進(jìn)行校時(shí)而研發(fā)的高科技設(shè)備,，該產(chǎn)品可從GPS衛(wèi)星（北斗衛(wèi)星,、B碼接口、PTP）上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào),，將這些信號(hào)通過(guò)各種接口（NTP/SNTP,、串口、B碼,、PTP,、脈沖）傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備（計(jì)算機(jī)、保護(hù)裝置,、故障錄波器,、事件順序記錄裝置、安全自動(dòng)裝置,、遠(yuǎn)動(dòng)RTU）,，這樣系統(tǒng)中就有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間源，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間一致,。

HR系列北斗衛(wèi)星校時(shí)器內(nèi)部采用ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn),，以高速芯片進(jìn)行控制，無(wú)硬盤(pán)和風(fēng)扇設(shè)計(jì),，精度高,、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)、無(wú)積累誤差,、不受地域氣候等環(huán)境條件限制、性?xún)r(jià)比高,、操作簡(jiǎn)單,、全自動(dòng)智能化運(yùn)行，免操作維護(hù),，適合無(wú)人值守,。該產(chǎn)品可以為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電力自動(dòng)化系統(tǒng),、水利自動(dòng)化系統(tǒng),、電子商務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)上B2B系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫(kù)的保存維護(hù)等系統(tǒng)提供精密的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和時(shí)間戳服務(wù),，已經(jīng)被成功應(yīng)用在廣電,、交通、金融,、通信,、安防、電力,、水利,、醫(yī)療、教育,、IT等領(lǐng)域,。

二、北斗衛(wèi)星校時(shí)器產(chǎn)品特點(diǎn)：

◆ 高精度,，串口/脈沖可達(dá)30ns,，NTP客戶(hù)端優(yōu)于2ms，時(shí)間同步快,。

◆ 雙CPU同時(shí)工作,，32位CPU雙核處理器，采用DSP/CPLD完成實(shí)時(shí)高速處理,；

◆ 具有可擴(kuò)展無(wú)限個(gè)獨(dú)立的物理隔離10/100M網(wǎng)口（每個(gè)端口具有獨(dú)立的MAC地址）,，每個(gè)網(wǎng)口可以靈活的配置使用，可以用在不同的子網(wǎng)和物理隔離網(wǎng)絡(luò)里,；

◆ 作一級(jí)時(shí)間服務(wù)器,，可同時(shí)為上萬(wàn)臺(tái)客戶(hù)端、服務(wù)器,、工作站提供時(shí)間服務(wù),。

◆ 支持WINDOWS9X/NT/2000/XP/2003/vista、LINUX、UNIX,、SUN SOLARIS,、IBM AIX、HP-UX等操作系統(tǒng)及支持NTP協(xié)議的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,。

◆ 多種配置方法（TELNET/WEB）,，易于管理和升級(jí)，支持MD5加密和SNMP網(wǎng)管,；

◆ 設(shè)備支持NTP和SNTP協(xié)議,，且提供IBIG-B碼互備信號(hào)接口，要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)需額外編程便可自動(dòng)精確同步時(shí)間,。

◆ 支持電源中斷,、GPS失歩干接點(diǎn)信號(hào)告警（訂貨時(shí)須說(shuō)明）。

◆ 專(zhuān)用嵌入式系統(tǒng),，無(wú)硬盤(pán)和風(fēng)扇設(shè)計(jì),，防震設(shè)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,。

◆ 機(jī)箱經(jīng)防磁處理,，抗干擾能力強(qiáng)。

◆ GPS接收天線重點(diǎn)考慮了防雷設(shè)計(jì),、穩(wěn)定性設(shè)計(jì),、抗干擾設(shè)計(jì)， 信號(hào)接收可靠性高,，不受地域條件和環(huán)境的限制,。

◆ 裝置具有多種串行信息輸出與交互方式，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求,。

◆ 串口信號(hào)輸出可編程,，按鍵設(shè)置,操作方便。

◆ 裝置可通過(guò)數(shù)碼管在線顯示當(dāng)前收星個(gè)數(shù),，直觀反映裝置的同步狀況,。

◆ 機(jī)架式結(jié)構(gòu)，1U/2U,、19”標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱,安裝方便,。