北斗對時器（網(wǎng)絡對時器）帶你了解衛(wèi)星授時

北斗對時器（網(wǎng)絡對時器）帶你了解衛(wèi)星授時

京準電子科技官微—ahjzsz

一,、引言

    對于一個進入信息社會的現(xiàn)代化大國，導航定位和授時系統(tǒng)是重要的,，而且也是關鍵的國家基礎設施之一,。精密時間是科學研究,、科學實驗和工程技術諸方面的基本物理參量。它為一切動力學系統(tǒng)和時序過程的測量和定量研究提供了*的時基坐標,。精密授時在以通信,、電力、控制等工業(yè)領域和國防領域有著廣泛和重要的應用?，F(xiàn)代武器實（試）驗,、戰(zhàn)爭需要它保障,，智能化交通運輸系統(tǒng)的建立和數(shù)字化地球的實現(xiàn)需要它支持。現(xiàn)代通信網(wǎng)和電力網(wǎng)建設也越來越增強了對精度時間和頻率的依賴,。從建立一個現(xiàn)代化國家的大系統(tǒng)工程總體考慮,，導航定位和授時系統(tǒng)應該說是基礎的基礎。它對整體社會的支撐幾乎是,，星基導航和授時是未來發(fā)展的必然趨勢,。

    目前的衛(wèi)星授時同步技術主要有美國的衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS、俄羅斯的導航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS,、中國的北斗一號導航定位系統(tǒng)和歐盟的伽利略導航定位系統(tǒng)Galileo,基于授時的安全考慮,，現(xiàn)階段國內電力企業(yè)主要依賴衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS時間同步技術，但GPS受美國限制,，且GPS是免費使用,，因此可靠性低，自主性差,。為了滿足電力生產(chǎn)業(yè)務及管理業(yè)務等方面對時間的需求和安全需要,，有必要對北斗一號授時時間同步技術進行研究和推廣應用。在本文中只介紹北斗授時技術及在電力系統(tǒng)的應用,。

    本文所指的時間同步是指網(wǎng)絡各個節(jié)點時鐘以及通過網(wǎng)絡連接的各個應用界面時鐘的時刻和時間間隔與協(xié)調世界時（UTC）同步,。

二．北斗授時原理及特點

    1．北斗一號授時原理

    授時是指接收機通過某種方式獲得本地時間與北斗標準時間的鐘差，然后調整本地時鐘使時差控制在一定的精度范圍內,。

    衛(wèi)星導航系統(tǒng)通常由三部分組成：導航授時衛(wèi)星,、地面檢測校正維護系統(tǒng)和用戶接收機。對于北斗一號局域衛(wèi)星系統(tǒng),，地面檢測中心要幫助用戶一起完成定位授時同步,。北斗授時系統(tǒng)圖示1.

圖1 北斗一號授時系統(tǒng)工作示意圖

    在北斗導航系統(tǒng)中，授時用戶根據(jù)衛(wèi)星的廣播或定位信息不斷的核準其時鐘鐘差,，可以得到很高的時鐘精度,；根據(jù)通播或導航電文的時序特征，通過計數(shù)器,，可以得到高精度的同步秒脈沖1pps信號,，用于同/異地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的同步操作。

    “北斗一號”為用戶機提供兩種授時方式：單向授時和雙向授時,。單向授時的精度為100ns,，雙向授時的精度為20ns。在單向授時模式下,，用戶機不需要與地面中心站進行交互信息,，只需接收北斗廣播電文信號，自主獲得本地時間與北斗標準時間的鐘差,，實現(xiàn)時間同步,；雙向授時模式下,，用戶機與中心站進行交互信息，向中心站發(fā)射授時申請信號,，由中心站來計算用戶機的時差,，再通過出站信號經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)給用戶，用戶按此時間調整本地時鐘與標準時間信號對齊,。

    1.1 單向授時

    北斗時間為中心控制站精確保持的標準北斗時間,，用戶鐘時間為用戶鐘的鐘面時間，若兩者不同步存在鐘差 ,，則北斗時間和用戶鐘時間雖然讀數(shù)相同其出現(xiàn)時刻卻是不同的,。

    地面中心站在出站廣播信號的每一超幀單向授時就是用戶機通過接收北斗通播電文信息,，由用戶機自主計算出鐘差并修正本地時間,，使本地時間和北斗時間同步。周期內的幀數(shù)據(jù)段發(fā)送標準北斗時間（天,、時,、分信號與時間修正數(shù)據(jù)）和衛(wèi)星的位置信息，同時把時標信息通過一種特殊的方式調制在出站信號中,，經(jīng)過中心站到衛(wèi)星的傳輸延遲,、衛(wèi)星到用戶機的延遲以及其它各種延遲 （如對流層、電離層,、sagnac效應等）之后傳送到用戶機,，也就是說用戶機在本地鐘面時間為觀測到衛(wèi)星的時間， 由用戶機測量接收信號和本地信號的時標之間的時延獲得,，后則根據(jù)導航電文中的衛(wèi)星位置信息,、延遲修正信息以及接收機事先獲取的自身位置信息計算。

    一般來說,，對已知精密坐標的固定用戶,，觀測1顆衛(wèi)星，就可以實現(xiàn)精密的時間測量或者同步,。若觀測2顆衛(wèi)星或者更多衛(wèi)星,，則提供了更多的觀測量，提高了定時的穩(wěn)健性,。

圖2 北斗一號單向授時機原理框圖

1.2 雙向授時

    雙向授時的所有信息處理都在中心控制站進行,，用戶機只需把接收的時標信號返回即可。為了說明方便,，給出簡化模型：中心站系統(tǒng)在T0時刻發(fā)送時標信號ST0,，該時標信號經(jīng)過延遲后到達衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)后經(jīng)到達授時用戶機,，用戶機對接收到的信號進行的處理也可看做信號轉發(fā),，經(jīng)過空間的傳播時延到達衛(wèi)星,，衛(wèi)星把接收的信號轉發(fā)，經(jīng)過空間的傳播時延傳送回中心站系統(tǒng),。也即表示時間T0的時標信號ST0,，終在T0 + + + + 時刻重新回到中心站系統(tǒng)。中心站系統(tǒng)把接收時標信號的時間與發(fā)射時刻相差,，得到雙向傳播時延 + + + ,，除以2得到從中心站到用戶機的單向傳播時延。中心站把這個單向傳播時延發(fā)送給用戶機,，定時用戶機接收到的時標信號及單向傳播時延計算出本地鐘與中心控制系統(tǒng)時間的差值修正本地鐘,，使之與中心控制系統(tǒng)的時間同步。

圖3 北斗一號雙向授時機原理框圖

    1.3 雙向授時和單向授時的對比

    （1）從雙向授時和單向授時的原理：介紹中可以看出,，雙向授時和單向授時的主要差別在于從中心站系統(tǒng)到用戶機傳播時延的獲取方式：單向授時用系統(tǒng)廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計算模型由用戶機自主計算單向傳播時延,，衛(wèi)星位置誤差、建模誤差（對流層模型,、電離層模型等）都會影響該時延的估計精度,，從而影響終的定時精度；雙向授時無需知道用戶機位置和衛(wèi)星位置,，通過來回雙向傳播時間除以2的方式獲取,，更精確的反映了各種延遲信息，因此其估計精度較高,。在北斗系統(tǒng)中單向授時精度的系統(tǒng)設計值為100ns,，雙向授時為20ns，實際授時用戶機的性能通常優(yōu)于該指標,。

    （2）單向授時需要事先計算用戶機的位置,，若位置未知，則需先發(fā)送定位請求來獲得位置信息,。雙向授時無需知道用戶機的位置,，所有處理都由中心站系統(tǒng)完成。

    （3）單向授時由于采用被動方式進行,，不占用系統(tǒng)容量（需要獲取定位位置信息）,。而雙向授時是通過與中心站交互的方式來進行定時，因此會占用系統(tǒng)容量,，受到一定的限制,。

    2. 北斗授時的特點

    (1) 北斗授時精度優(yōu)于20~100ns，精確程度高,；

    (2) 授時系統(tǒng)及設備工作穩(wěn)定可靠,，干擾小,；

    (3) 多種輸出方式,；

    (4) 便攜低耗

    (5) 應用范圍：航空航海,、陸上交通、科學考察,、極地探險,、設備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等,。

三,、北斗授時在電力系統(tǒng)中的應用

    目前電力系統(tǒng)內部各送端、受端的分布廣泛而分散,，自動化裝置內部都帶有實時時鐘,，其固有誤差難以避免，隨著運行時間的增加,，積累誤差會越來越大,，會失去正確的時間計量作用。如何實現(xiàn)實時時鐘能夠的時間同步,，達到全網(wǎng)的時間統(tǒng)一,，一直是電力系統(tǒng)追求的目標,。若在各端安裝一臺北斗授時機,，則北斗授時機的高精度就能保證各地時間信號與UTC的相對誤差都不超過20～１００ns。這種衛(wèi)星覆蓋范圍內的高精度時間同步在電力系統(tǒng)檢測和測量中具有*的利用價值,。

    在實際應用中,，使用衛(wèi)星授時信號進行精確的異地或同地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的精確同步目的，主要是使用衛(wèi)星信號接收端得到pps的秒脈沖信號或者使用再由此信號得到PPM,、PPH脈沖信號,，同步啟動多通道的數(shù)據(jù)模數(shù)轉換器ADC、數(shù)字控制模數(shù)轉換器,，同步打開或關閉各個通道開關,；還用于測量判斷，制作精確時間標簽,，如電力系統(tǒng)中的各種故障定位等,。在授時設備中，接收端每秒鐘向外發(fā)送1PPS秒脈沖和定位,、時鐘信息,。PPS秒脈沖信號與外傳數(shù)據(jù)信息有嚴格的時間關系，在使用中,，還可能實現(xiàn)時間轉換,。

圖4 北斗一號授時在電力系統(tǒng)中的應用原理框圖

    電力系統(tǒng)時間同步需求表１

業(yè)務系統(tǒng) 信號類型 信號精度 信號接口

線路行波故

障測距裝置 秒脈沖及時間報文 1us 靜態(tài)空接點

雷電定位系統(tǒng) 秒脈沖及時間報文 1us RS一232

功角測量系統(tǒng) 秒脈沖及時間報文 40us RS一232

故障錄波器 IRIG-B或分脈沖及時間報文 1ms RS一422

事件順序記錄裝置 IRIG一B或分脈沖及時間報文 1ms RS一422

微機保護裝置 IRIG一B或分脈沖及時間報文 １０ms RS一232

RTU IRIG-B或分脈沖及時間報文 1ms RS-422

各級調度自動化系統(tǒng) IRIG-B或分脈沖及時間報文 1ms RS一232

變電站監(jiān)控系統(tǒng) IRIG-B或分脈沖及時間報文 1ms RS-422

自動記錄儀表 IRIG-B或分脈沖及時間報文 10ms RS一232

負荷監(jiān)控系統(tǒng) 時間報文 ≤0.5s RS-422

    近年來，隨著電網(wǎng)運行技術水平的提高,，大部分變電站采用綜合自動化方案,，遠方集中控制,、操作，既提高了勞動生產(chǎn)率,，又減少了認為誤操作的可能,。因此，自動化系統(tǒng)實時時鐘的時間同步要求是變電站自動化系統(tǒng)的基本要求,。為了保證電網(wǎng)安全以及經(jīng)濟運行,，各種以計算機技術和通信技術為基礎的自動化裝置廣泛應用，這些裝置的正常工作和作用的發(fā)揮,，同樣離不開統(tǒng)一的全網(wǎng)時間基準,。

結語

     北斗衛(wèi)星授時技術已經(jīng)逐步成熟，深入日常生產(chǎn),、生活的各個領域和方面,。產(chǎn)品穩(wěn)定可靠、便攜低耗,、成本低的北斗衛(wèi)星授時設備,，實現(xiàn)精確的時鐘授時和同步數(shù)據(jù)采集控制，在工控時間同步方面具有廣闊的應用前景,。利用導航衛(wèi)星進行物體定位,、時鐘授時與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達到傳統(tǒng)測量控制手段所不及的精確程度,，在航海航空,、陸上交通、科學考察,、極地探險,、地理測量、氣象預報,、設備巡檢,、系統(tǒng)監(jiān)控等方面應用日益廣泛。