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  • 北斗时间同步精度
    2022-04-06 09:53:58

    卫星时间同步(GPS北斗卫星授时系统)电力重要组成部分
    卫星时间同步(GPS北斗卫星授时系统)电力重要组成部分
    1.装置的用途及特点
    卫星时间同步系统是根据《华东电网统一时钟系统技术规范》、《上海电网GPS时间同步系统技术原则和运行管理规定》和《电力系统时间同步技术规范》设计的时间同步系统,它由时间同步系统主时钟和时间同步系统从时钟组成,可集中或单独组屏。该系统利用GPS(全球卫星定位系统)、北斗或IRIG-B(DC)码发送的秒同步信号和时间信息,向电力系统各种系统和自动化装置(如调度自动化系统、微机继电保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、远动装置、计算机数据交换网、雷电定位系统等)提供精确的时间信息和时间同步信号。
    1.1 用途
    卫星时间同步系统主要用途如下:
    1、系统结合美国GPS、中国北斗、俄罗斯格罗娜丝等技术特点并考虑了各种涉及国家安全的关联因素,实现了输入多源头(GPS、北斗、格罗娜丝、高精度守时、IRIG-B码基准等)、输出多制式(TTL、空接点、IRIG-B、差分、串口、网络、光纤等)、满足多设备(系统输出可以任意扩展,可以满足任何规模、任何方式的时间信号需求)的要求,可为电力、煤炭、轨道交通、石油化工、航道水运、邮电电信及相关领域的系统中需要接收时钟同步信号的装置及系统提供高精度、高稳定、高安全,高可靠的时间基准信号。
    2、用作各级电力公司(电力局)机关和所属调度所、发电厂、变电站等单位的挂钟。
    1.2 特点
    1、与外同步时钟信号同步精度高,同步精度优于±0.2μs。
    采用多同步源自适应同步技术,同步精度优于±0.2μs。
    2、采用冗余结构
    支持双GPS热备和双IRIG-B热备且装备有高精度守时时钟。时间同步系统主时钟可同时接入GPS和1路IRIG-B码外同步信号,互为备用。时间同步系统从时钟可同时接入2路IRIG-B码外同步信号,互为备用。主时钟和信号扩展装置都可采用了冗余化装置,保证了GPS时间同步系统的可靠性和稳定性。
    3、模块化设计,多种输出接口,使用灵活方便。
    可输出满足IEEE STD 1344-1995标准的IRIG-B(AC)码、IRIG-B(DC)码、以及可定义的时分秒脉冲空接点和时间报文信息,每12路为一组。2U装置最多可输出60路,4U装置最多可输出156路。
    采用2U或4U 19”标准机箱,可单独组屏,支持光纤或电缆级连输入和输出,为将来卫星时间同步信号的扩展提供了方便,便于维护和管理。
    4、双CPU并行处理时间报文输出技术
    时间报文输出采用了双CPU并行处理技术,串口报文发送时刻为秒的准时沿,误差不大于+0.2ms。
    5、高精度脉冲输出
    脉冲输出采用脉冲大电流发生电路,使光电隔离空接点能输出高精度的脉冲信号,误差不大于3μs。
    6、高精度守时时钟
    采用闭环控制守时技术实现高精度守时时钟,采用OCXO守时精度可达到0.6μs/min,采用TCXO守时精度可达到15μs/min。
    7、采用无过冲IRIG-B(AC)码产生技术,产生高精度的IRIG-B(AC)码,精度可达5μs。
    8、支持NTP(Network Time Protocol,网络时间协议)版本4
    9、LCD显示日期和时间及外同步信息,具有电网频率测量功能
    10、所有信号输出口均经过光电隔离,电磁抗干扰达到III级标准。
    11、有监视本装置运行状态的告警接点输出,包括电源消失告警、外同步信号消失告警、以及本装置自检异常告警。
    12、多卫星系统接入以及不同系统间的无缝切换,保证了授时系统的安全性及可靠性。目前支持接入GPS、北斗、格洛纳斯等卫星系统。
    13、适应更多的组网方式,互备方式、主从方式等。灵活多变的组网模式,适用于双钟或多钟互备、子母钟等方式。
    14、设备运行状态可通过104规约上传到调度中心

    2.技术指标
    2.1 物理参数
    2.1.1 机箱
    时间同步系统主时钟和时间同步系统从时钟都采用标准19″机架式机箱,能牢固安装在配电盘内立柱上,高度为2U或4U。机箱外壳有可靠接地点。
    外形尺寸:482.6mm(W)×260mm(L)×89mm(H)(2U)
    482.6mm(W)×260mm(L)×178mm(H)(4U)
    颜 色:计算机灰 (RAL 7032)或用户指定。
    重 量:5kg
    2U机箱:
    4U机箱:
    2.1.2 天线
    接收天线和安装底座配套。
    天线尺寸:直径95(mm)×高度128(mm)
    底座尺寸: 90×30(mm)×高度110(mm)
    底座安装方式:阳管螺纹, 内径24(mm)×高度60(mm),
    底座安装位置:屋顶,可见大部分天空
    重量(包括安装底座):3 kg
    电缆:RG-59 /RG-58型,标准长度30m,或用户指定。
    2.2 环境条件
    2.2.1 装置工作环境
    工作温度:-25℃~ +55℃
    储存温度:-40℃~ +85℃
    湿 度:5% ~ 95%,不结露
    2.2.2 天线工作环境
    工作温度:-40℃~ +80℃
    储存温度:-45℃~ +90℃
    湿 度:100%,结露
    2.3 电磁兼容性
    装置在变电站保护室和控制室的电磁场环境下能正常工作,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,达到Ⅳ级标准。
    绝缘性能: GB/T13926-2002 Ⅳ级
    抗高频干扰: GB/T 15153.1-1998 Ⅳ级
    抗快速瞬变干扰:GB/T 17626.4-1998 Ⅳ级
    抗静电放电干扰:GB/T 15153.1-1998 Ⅳ级
    抗工频磁场干扰: GB/T 17626.8-1998 Ⅴ级
    抗脉冲磁场干扰: GB/T 17626.9-1998 Ⅴ级
    抗阻尼振荡磁场干扰: GB/T 17626.10-1998 Ⅴ级
    抗射频电磁场辐射干扰: GB/T 17626.3-1998 Ⅳ级
    抗浪涌干扰: GB/T 15153.1-1998 Ⅳ级
    2.4 供电电源
    GPS时间同步系统采用交直流共用方式供电。
    2.4.1 交流电源
    额定电压:单相AC85-265V
    频率:50Hz,允许偏差± 5Hz;
    波形:正弦,波形畸变不大于5%。
    2.4.2 直流电源
    额定电压:DC100~280V;
    纹波系数:≤5%。
    防护:防浪涌、输入滤波
    2.4.3 功率消耗
    不大于50W。
    2.5 平均无故障间隔时间MTBF
    正常使用条件下无须维护。
    MTBF:在正常使用条件下不小于50000h
    2.6 时间信号输入输出接口
    2.6.1 时间信号接收(输入)
    1)时间同步系统主时钟
    时间同步系统主时钟有一路GPS接口和1路IRIG-B(DC RS-422)时码接口。第一路IRIG-B接口接收另一台时间同步系统主时钟发送的信号。也可实现两路无线加一路有线输入,实现多时间源输入。
    当时间同步系统主时钟同时正常接收GPS卫星定时信号和IRIG-B(DC RS-422)时码时,GPS发送的秒同步信号作为主时钟的外部时间基准,IRIG-B(DC RS-422)时码作为后备。当GPS失步时,第一路IRIG-B(DC)接口接收的时间信号优选作为主时钟的外部时间基准。
    GPS卫星同步时钟只支持一路GPS接口或一路IRIG-B接口。
    2)时间同步系统从时钟
    时间同步系统从时钟用于当时间同步系统主时钟输出的时间同步信号不足时,提供所需的扩充单元以满足不同使用场合的需要。
    时间同步系统从时钟的时间信号输入有两路IRIG-B(DC RS-422)时码输入。当时间同步系统从时钟只接一路IRIG-B(DC RS-422)时码输入时,该路输入可以是IRIG-B(DC)输入1,也可以是IRIG-B(DC)输入2。
    当时间同步系统从时钟接入两路IRIG-B(DC)时码输入时,以IRIG-B(DC RS-422)输入1作为该时标扩展装置的外部时间基准,IRIG-B(DC RS-422)输入2作为后备。
    2.6.2 时间信号输出
    时间同步系统主时钟、时间同步系统从时钟能提供下列时间同步信号输出:
    1)1PPS和1PPM脉冲信号(TTL电平)输出,作为检测口
    2)可定义的1PPS、1PPM脉冲信号(空接点)或24V有源脉冲输出
    2)可定义的1PPS、1PPM脉冲信号(差分信号,即RS-422电平)
    3)时间日期报文串口(RS-232或RS-422)输出
    4)IRIG-B(DC RS-422)时码输出
    5)IRIG-B(DC TTL)时码输出
    6)IRIG-B(AC)时码输出
    7)DCF77(空节点)时码输出
    8)测频数据输出
    9)NTP网络输出
    各个输出之间相互隔离,各种同步信号的数量可根据实际需要组合,每个信号输出接口只能接入一台需授时的设备。在共地无要求时,IRIG-B(DC RS-422)时码输出每路可接入8台需授时的设备。

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    随着北斗产业的发展,北斗的应用范围在逐渐扩大,应用案例数量也在增加。高精度授时同步作为北斗系统的一个主要应用被广泛应用于电力、通信、广电、国防等领域。

    一、卫星时间同步系统在台塑热电厂系统中的应用案例

    台塑集团热电项目总投资31.6亿多元,其中环保投资就占了总投资额的四分之一。台塑热电厂在建设时,就同步配套安装了脱硫及除尘设备,2008年8月,第3台机组在国内率先投用脱硝设备。2015年至2016年,台塑热电提前完成超低排放改造,使3台燃煤机组达到了天然气机组的排放标准。
    此次工程是针对一二期的卫星时间同步装置进行改造换型,采用安徽京准电钟电子科技有限公司的产品,型号为HR-901GB(2台主时钟,4台扩展时钟)。一二期继电器楼放一面屏(包含1台主时钟及1台扩展主时钟)、#1机电子室放一面屏(包含1台扩展时钟)、#2机电子室放一面屏(包含一台扩展时钟),#3机电子室放一面屏(包含1台主时钟)及#5机电子室放一面屏(包含1台扩展时钟)。
    卫星时间同步系统由主时钟(标准同步钟本体)装置和时钟信号扩展装置以及时间信号传输通道组成。天线分别安装在一二期继电器楼楼顶上和#3机汽机房顶。主时钟装置与时钟扩展装置之间采用光纤连接。时间同步系统主要使用于500kV升压站系统的控制和保护设备(主要安装在一二期继电器楼继电器室)、#1/#2机组控制和保护设备(主要安装在集中控制楼#1电子室)、#3/#4机组控制和保护设备(主要安装在集中控制楼#4电子室)、#5机组控制和保护设备(主要安装在集中控制楼#5电子室)等二次设备的对时。

    时间同步系统配置的主时钟及时间同步信号扩展装置设备用于实现发电厂内计算机监控系统、保护装置、故障录波器、DCS及脱硫装置等设备的时间同步,提供满足这些设备需要的各种时间同步信号。 时间同步系统应能接收北斗卫星和GPS卫星信号作为外部时间基准信号(北斗信号优先),当接收不到北斗卫星时,切换到GPS卫星信号。正常情况下,两台主时钟的时间信号接收单元独立接收北斗卫星和GPS卫星发送的时间基准信号;当某一主时钟的时间信号接收单元发生故障时,该主时钟能自动切换到另一台主时钟的时间信号接收单元接收到的时间基准信号,实现时间基准信号互为备用。主时钟应具有内部守时钟,当主时钟接收到外部时间基准信号时,被外部时间基准信号同步;当接收不到外部时间基准信号时,保持一定的走时准确度,使主时钟输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当外部时间基准信号接收恢复时,自动切换到正常状态工作,切换时间应小于0.5S,切换时主时钟输出的时间同步信号不得出错。时间同步信号扩展屏的时间基准信号输入应同时分别接收两台主时钟信号,并实现两个时间基准信号互为备用。主时钟屏配置满足多路时间同步信号扩展屏接入所需的接口。输出的时间信号满足秒(1PPS)、分(1PPM)、时(1PPH)、IRIG-B(DC)时码、IRIG-B(AC)时码以及串口、网口等方式 具有时间信号扩展功能,以满足用户不同要求方便地扩展时间同步信号的输出数量。主时钟设备屏和时钟信号扩展设备屏有多路时间信号输出时,不管信号接口的类型,各路输出在电气上均相互隔离。具有工作状态指示、告警显示和告警信号输出功能。

    卫星时间同步系统是根据《华东电网统一时钟系统技术规范》、《上海电网GPS时间同步系统技术原则和运行管理规定》和《电力系统时间同步技术规范》设计的时间同步系统,它由时间同步系统主时钟和时间同步系统从时钟组成,可集中或单独组屏。该系统利用GPS(全球卫星定位系统)、北斗或IRIG-B(DC)码发送的秒同步信号和时间信息,向电力系统各种系统和自动化装置(如调度自动化系统、微机继电保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、远动装置、计算机数据交换网、雷电定位系统等)提供精确的时间信息和时间同步信号。
    1.1 用途
    卫星时间同步系统主要用途如下:
    1、系统结合美国GPS、中国北斗、俄罗斯格罗娜丝等技术特点并考虑了各种涉及国家安全的关联因素,实现了输入多源头(GPS、北斗、格罗娜丝、高精度守时、IRIG-B码基准等)、输出多制式(TTL、空接点、IRIG-B、差分、串口、网络、光纤等)、满足多设备(系统输出可以任意扩展,可以满足任何规模、任何方式的时间信号需求)的要求,可为电力、煤炭、轨道交通、石油化工、航道水运、邮电电信及相关领域的系统中需要接收时钟同步信号的装置及系统提供高精度、高稳定、高安全,高可靠的时间基准信号。
    2、用作各级电力公司(电力局)机关和所属调度所、发电厂、变电站等单位的挂钟。
    1.2 特点
    1、与外同步时钟信号同步精度高,同步精度优于±0.2μs。
    采用多同步源自适应同步技术,同步精度优于±0.2μs。
    2、采用冗余结构
    支持双GPS热备和双IRIG-B热备且装备有高精度守时时钟。时间同步系统主时钟可同时接入GPS和1路IRIG-B码外同步信号,互为备用。时间同步系统从时钟可同时接入2路IRIG-B码外同步信号,互为备用。主时钟和信号扩展装置都可采用了冗余化装置,保证了GPS时间同步系统的可靠性和稳定性。
    3、模块化设计,多种输出接口,使用灵活方便。
    可输出满足IEEE STD 1344-1995标准的IRIG-B(AC)码、IRIG-B(DC)码、以及可定义的时分秒脉冲空接点和时间报文信息,每12路为一组。2U装置最多可输出60路,4U装置最多可输出156路。
    采用2U或4U 19”标准机箱,可单独组屏,支持光纤或电缆级连输入和输出,为将来卫星时间同步信号的扩展提供了方便,便于维护和管理。
    4、双CPU并行处理时间报文输出技术
    时间报文输出采用了双CPU并行处理技术,串口报文发送时刻为秒的准时沿,误差不大于+0.2ms。
    5、高精度脉冲输出
    脉冲输出采用脉冲大电流发生电路,使光电隔离空接点能输出高精度的脉冲信号,误差不大于3μs。
    6、高精度守时时钟
    采用闭环控制守时技术实现高精度守时时钟,采用OCXO守时精度可达到0.6μs/min,采用TCXO守时精度可达到15μs/min。
    7、采用无过冲IRIG-B(AC)码产生技术,产生高精度的IRIG-B(AC)码,精度可达5μs。
    8、支持NTP(Network Time Protocol,网络时间协议)版本4
    9、LCD显示日期和时间及外同步信息,具有电网频率测量功能
    10、所有信号输出口均经过光电隔离,电磁抗干扰达到III级标准。
    11、有监视本装置运行状态的告警接点输出,包括电源消失告警、外同步信号消失告警、以及本装置自检异常告警。
    12、多卫星系统接入以及不同系统间的无缝切换,保证了授时系统的安全性及可靠性。目前支持接入GPS、北斗、格洛纳斯等卫星系统。
    13、适应更多的组网方式,互备方式、主从方式等。灵活多变的组网模式,适用于双钟或多钟互备、子母钟等方式。
    14、设备运行状态可通过104规约上传到调度中心

    1. 技术指标
      2.1 物理参数
      2.1.1 机箱
      时间同步系统主时钟和时间同步系统从时钟都采用标准19″机架式机箱,能牢固安装在配电盘内立柱上,高度为2U或4U。机箱外壳有可靠接地点。
      外形尺寸:482.6mm(W)×260mm(L)×89mm(H)(2U)
      482.6mm(W)×260mm(L)×178mm(H)(4U)
      颜 色:计算机灰 (RAL 7032)或用户指定。
      重 量:5kg

    2U机箱:

    4U机箱:

    2.1.2 天线
    接收天线和安装底座配套。
    天线尺寸:直径95(mm)×高度128(mm)
    底座尺寸: 90×30(mm)×高度110(mm)
    底座安装方式:阳管螺纹, 内径24(mm)×高度60(mm),
    底座安装位置:屋顶,可见大部分天空
    重量(包括安装底座):3 kg
    电缆:RG-59 /RG-58型,标准长度30m,或用户指定。
    2.2 环境条件
    2.2.1 装置工作环境
    工作温度:-25℃~ +55℃
    储存温度:-40℃~ +85℃
    湿 度:5% ~ 95%,不结露
    2.2.2 天线工作环境
    工作温度:-40℃~ +80℃
    储存温度:-45℃~ +90℃
    湿 度:100%,结露
    2.3 电磁兼容性
    装置在变电站保护室和控制室的电磁场环境下能正常工作,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,达到Ⅳ级标准。
    绝缘性能: GB/T13926-2002 Ⅳ级
    抗高频干扰: GB/T 15153.1-1998 Ⅳ级
    抗快速瞬变干扰:GB/T 17626.4-1998 Ⅳ级
    抗静电放电干扰:GB/T 15153.1-1998 Ⅳ级
    抗工频磁场干扰: GB/T 17626.8-1998 Ⅴ级
    抗脉冲磁场干扰: GB/T 17626.9-1998 Ⅴ级
    抗阻尼振荡磁场干扰: GB/T 17626.10-1998 Ⅴ级
    抗射频电磁场辐射干扰: GB/T 17626.3-1998 Ⅳ级
    抗浪涌干扰: GB/T 15153.1-1998 Ⅳ级
    2.4 供电电源
    GPS时间同步系统采用交直流共用方式供电。
    2.4.1 交流电源
    额定电压:单相AC85-265V
    频率:50Hz,允许偏差± 5Hz;
    波形:正弦,波形畸变不大于5%。
    2.4.2 直流电源
    额定电压:DC100~280V;
    纹波系数:≤5%。
    防护:防浪涌、输入滤波
    2.4.3 功率消耗
    不大于50W。
    2.5 平均无故障间隔时间MTBF
    正常使用条件下无须维护。
    MTBF:在正常使用条件下不小于50000h
    2.6 时间信号输入输出接口
    2.6.1 时间信号接收(输入)
    1)时间同步系统主时钟
    时间同步系统主时钟有一路GPS接口和1路IRIG-B(DC RS-422)时码接口。第一路IRIG-B接口接收另一台时间同步系统主时钟发送的信号。也可实现两路无线加一路有线输入,实现多时间源输入。
    当时间同步系统主时钟同时正常接收GPS卫星定时信号和IRIG-B(DC RS-422)时码时,GPS发送的秒同步信号作为主时钟的外部时间基准,IRIG-B(DC RS-422)时码作为后备。当GPS失步时,第一路IRIG-B(DC)接口接收的时间信号优选作为主时钟的外部时间基准。
    GPS卫星同步时钟只支持一路GPS接口或一路IRIG-B接口。
    2)时间同步系统从时钟
    时间同步系统从时钟用于当时间同步系统主时钟输出的时间同步信号不足时,提供所需的扩充单元以满足不同使用场合的需要。
    时间同步系统从时钟的时间信号输入有两路IRIG-B(DC RS-422)时码输入。当时间同步系统从时钟只接一路IRIG-B(DC RS-422)时码输入时,该路输入可以是IRIG-B(DC)输入1,也可以是IRIG-B(DC)输入2。
    当时间同步系统从时钟接入两路IRIG-B(DC)时码输入时,以IRIG-B(DC RS-422)输入1作为该时标扩展装置的外部时间基准,IRIG-B(DC RS-422)输入2作为后备。
    2.6.2 时间信号输出
    时间同步系统主时钟、时间同步系统从时钟能提供下列时间同步信号输出:
    1)1PPS和1PPM脉冲信号(TTL电平)输出,作为检测口
    2)可定义的1PPS、1PPM脉冲信号(空接点)或24V有源脉冲输出
    2)可定义的1PPS、1PPM脉冲信号(差分信号,即RS-422电平)
    3)时间日期报文串口(RS-232或RS-422)输出
    4)IRIG-B(DC RS-422)时码输出
    5)IRIG-B(DC TTL)时码输出
    6)IRIG-B(AC)时码输出
    7)DCF77(空节点)时码输出
    8)测频数据输出
    9)NTP网络输出
    各个输出之间相互隔离,各种同步信号的数量可根据实际需要组合,每个信号输出接口只能接入一台需授时的设备。在共地无要求时,IRIG-B(DC RS-422)时码输出每路可接入8台需授时的设备。

    展开全文
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    北斗授时服务器(时钟系统)是如何完成时间同步的
    北斗授时服务器(时钟系统)是如何完成时间同步的
    1.前言
    由计算机网络系统组成的分布式系统,若想协调一致进行:IT行业的“整点开拍”、“秒杀”、“Leader选举”,通信行业的“同步组网”之类业务处理,毫秒级甚至微秒级的时间同步是重要基础之一。
    2.术语描述
    2.0 世界时
    世界时UT,可以简单理解为按照地球自转一周来计量24小时的时间标准,由于地球自转速率的变化,世界时的秒长会有微小的变化,每天的快慢可以达到千分之几秒。
    2.1 TAI时间
    世界时不准,因此国际组织定义了TAI时间,即国际原子时( International Atomic Time),其起点是1958年的开始(世界时UT),以铯原子钟走秒连续计时的时间。
    2.2 UTC时间
    计算机网络普遍使用的UTC时间(协调世界时),由国际计量局BIPM综合全世界多个守时实验室的钟组计算得到,为了使UTC时间与地球自转1天的时间(世界时UT)协调一致,每隔1到2年, BIPM会通告在UTC时间6月30日或12月31日最后一分钟“加一秒”或“减一秒”等闰秒调整。也就是说,UTC时间会出现60秒或少了59秒的情况。
    最近一次闰秒是UTC时间2015年6月底:
    2015 年6月30日,23时 59分 59秒
    2015 年6月30日,23时 59分 60秒
    2015 年7月 1日, 0时 0分 0秒
    由于存在闰秒,UTC时间与TAI时间是有差别的,UTC = TAI - n,这个n现在(2016年1月)是36秒,也就是说UTC时间比TAI时间慢了36秒。
    2.3 北京时间
    北京时间也就是东八区时间,在UTC时间基础上加8小时,中国的北京标准时间由位于陕西的国家授时中心发播。
    2.4 GPS时间
    由GPS系统通过卫星信号发播的原子时间,GPS时间用自1980年1月6日零点(UTC时间)起的星期数和该星期内内的秒数来表示。
    工程上,GPS接收机会根据闰秒数将GPS时间换算为我们通常使用的UTC时间。GPS时间的源头是美国海军天文台的守时原子钟组。
    2.5 北斗(BDS)时间
    由北斗卫星导航系统通过卫星信号发播的原子时间,同样,北斗接收机会根据闰秒数将北斗时间换算为我们通常使用的UTC时间。
    北斗时间的时钟源是位于北京的解放军时频中心的守时原子钟组,陕西的国家授时中心好尴尬:(。
    2.6 频率
    时间的导数就是频率,机械发条、石英晶体振荡器、原子钟等各种时钟源通过产生频率信号,按照频率均匀打拍计数,模拟时间的等间隔流逝,就有了可见的“时间”。
    2.7 频率准确度
    手表有准和不准的,反映的就是频率准不准,时钟频率和标准频率的偏差可以用频率准确度来衡量。1E-9量级表示1秒会差1ns,我们使用的个人电脑,它的守时时钟是个32. 768kHz的石英晶振,准确度大概只有2E-5量级(20ppm),也就是说1秒会差0.02ms,1天会跑偏大概2秒。
    2.8 时间同步
    广义的“时间同步”包括的时间和频率的同步。上级时钟将时间频率信号通过各种有线(以太网、SDH数字网、同轴电缆、电话等)、无线(卫星、长波、电台、微波、WIFI、Zigbee等)链路传递给下级时钟,下级时钟接受时间频率信息后,与上级时钟保持相位、频率的一致。
    3.时间同步原理
    3.1 单向授时
    上级时钟主动发播时间信息,下级用户端被动接受时间信息,并调整本地时钟使时差控制在一定范围内。
    要想提高授时精度,用户端必须计算出时间信息在传播链路中的延时,GPS/北斗等卫星授时,可以通过用户端定位与卫星之间距离确定电磁传输延时,消除大部分误差,而电缆、网络等如果是单向授时方式就无法准确计算单向链路时延了。
    3.2 双向授时
    用户端将接受的时间信息原路返回给上级时钟服务端,服务端将往返时间除以二即得到单向链路时延,再把单向时延告诉客户端,在此基础上,客户端得到服务端更准确的时间信息。比如:北斗单向卫星授时精度100ns,双向卫星授时精度可做到20ns。
    3.3 网络时间同步
    网络时间同步,特指在计算机网络内的服务器与客户端之间利用网络报文交换实现的时间同步。
    鉴于计算机网络传输路径的不确定性和中间路由交换设备转发报文时间的不确定性,通过单播或多播实现的单向网络授时是不可靠的。因此,前辈们发明的网络时间同步技术NTP/PTP等,基本原理都是通过对网络报文打时间戳(标记),往返交换报文计算传输时延和同步误差。
    3.4 频率同步
    频率同步指的是主从时钟的频率误差保持在一定范围内,频率同步有2种类型:
    第1种是直接传递模拟频率信号,比如用电缆或光缆传递10MHz、5Mhz、2.048MHz等标准频率,或者传递bit位宽脉冲;
    第2种是通过测量得到的主从时钟时差,通过锁定主从相差实现频率锁定(PLL),或者间接计算频率偏差,完成频率修正。
    4.计算机网络时间同步
    计算机网络时间同步只是时间同步的一种应用场景,其时间传递的链路可能是SDH网、以太网、WIFI无线网络等。
    4.1 NTP
    NTP(Network Time Protocol)从1985年诞生来,目前仍在在大部分的计算机网络中起着同步系统时间的作用。
    • 基本原理
    服务器和客户端之间通过二次报文交换,确定主从时间误差,客户端校准本地计算机时间,完成时间同步,有条件的话进一步校准本地时钟频率。
    • 时间同步过程
    服务器在UDP的132端口提供授时服务,客户端发送附带T1时间戳(Timestamp)的查询报文给服务器,服务器在该报文上添加到达时刻T2和响应报文发送时刻T3,客户端记录响应报到达时刻T4。
    改个维基的图:

    • 时差计算
    维基这个图中用蓝色标注了主从直接来回链路的时延Sigma:
    Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
    因此,假设来回网络链路是对称的,即传输时延相等,那么可以计算客户端与服务器之间的时间误差Delta为:
    Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2
    客户端调整自身的时间Delta,即可完成一次时间同步。
    • 计时方式
    NTP采用UTC时间计时,NTP时间戳包括自1900-01-01 00:00:00开始的UTC总秒数,当前秒的亚秒数。
    当正闰秒时,60秒和下一分钟的0秒的NTP总秒数一致的,因此NTP报文专门定义了闰秒指示域来提示。
    • 误差分析
    局域网内计算机利用NTP协议进行时间同步,时间同步精度在5ms左右,主要误差包括:
    1)计算机打时间戳的位置在应用层,受协议栈缓存、任务调度等影响,不能在网络报文到来时马上打戳;
    2)各种中间网络传输设备带来的传输时延不确定性以及链路的不对称性,将进一步降低NTP时间同步精度。
    4.2 PTP
    为克服NTP的各种缺点,PTP(Precision Time Protocol,精确时间同步协议)应运而生,最新协议是IEEE1588v2,可实现亚微秒量级的时间同步精度。
    • 基本原理
    主从节点在网络链路层打时间戳,利用支持IEEE1588协议的PHY片,精准记录时间同步网络报文接受或发送的时刻。交换机、路由器等网络中间节点准确记录时间同步报文在其中停留的时间,实现对链路时延的准确计算。
    • 时间同步过程
    PTP默认使用组播协议,二层或四层UDP组播都可以,一般我们使用基于UDP组播,使用319和320两个端口。
    PTP定义了三种角色:OC、BC和TC。我们一般接触的是OC:主时钟和从时钟,交换机、路由器一般是BC或TC。
    由于硬件性能有限,网络报文发送时记录的时刻信息,可以在随后的Follow_Up跟随报文中发出,这就是PTP的双步模式(Two-step)。
    下图是两OC主从时钟之间的同步过程:

    • a.主时钟向从时钟发送Sync报文,并在本地记录发送时间t1;从时钟收到该报文后,记录接收时间t2。
    • b.时钟发送Sync报文之后,紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。
    • c.从时钟向主时钟发送Delay_Req报文,用于发起反向传输延时的计算,并在本地记录发送时间t3;主时钟收到该报文后,记录接收时间t4。
    • d.主时钟收到Delay_Req报文之后,回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。
    • 时差计算
    与NTP一样的原理,从时钟根据拥有的t1~t4这四个时间戳,由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为:
    Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
    假设网络是对称的,从时钟相对于主时钟的时钟偏差为:
    Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2
    • 计时方式
    与NTP不同,PTP采用TAI世界原子时间计时,而且PTP计时的起点与unix时间一致,即UTC时间1970年1月1日0点。
    PTP主钟会告知从钟,当前UTC相对于TAI的累计偏移量,从钟据此计算当前准确的UTC时间。
    • 误差分析
    PTP能准确记录报文发送和接受的时间,也能计算中间链路的延时,剩下影响最大的就是网络链路的不对称性了。
    在实际工程中,网络中间链路设备不支持PTP协议,大大降低了PTP的同步精度。目前,PTP主要应用在通信同步网、电力同步网等行业网络系统里。
    • 同步拓扑
    PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起,可通过BMC(Best Master Clock,最佳主时钟)协议动态选举出最优时钟,最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中。
    BMC算法与STP(Spaning Tree Protocl)生成树协议类似,最终形成无环路的树形网络拓扑,且都是动态选举,能适应最佳主时钟切换的变化。
    • 扩展应用——PTP over SDH
    充分利用各行业已有的SDH通信网络,利用PTP-E1信号转换设备,架设PTP同步网络,除了需要考虑链路倒换问题之外,SDH网络的时延稳定性可大幅提升网络时间同步精度。
    4.3 SyncE同步以太网
    以太网最早只能传输数据信号,有另外独立的频率同步网络,随着以太网的快速发展,SyncE(Synchronized Ethernet)同步以太网技术诞生后,企业们有了新的选择。
    • 基本原理
    时钟节点利用以太网(1000M、1G、10G等)物理层的空闲间隙,传递位宽时钟信号,实现时钟频率信号(25M、125M等)的自上而下传递。
    • 协议控制
    类似于SDH网络等时间间隔传递的SSM同步状态信息,同步以太网(Sync-E)利用链路层ESMC协议封装传递SSM信息,SSM信息包含时钟质量信息,接收端据此选择合适的上级网络时钟。
    • 应用
    一般商业PHY片提供SyncE功能选项,开启该功能模式,即可利用PHY恢复出来的频率信号,校准本地时钟频率或分频后用于本地计时。

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  • 基于北斗GPS共视技术的机场站点高精度时间同步方法.pdf
  • 北斗对时装置(GPS时间同步系统)应用安全追溯系统

    北斗对时装置(GPS时间同步系统)应用安全追溯系统
    北斗对时装置(GPS时间同步系统)应用安全追溯系统

    摘要:药食品质量安全追溯系统中各计算机设备间必须保持精确的时间同步,才能保证对药品食品各种相关信息的记录准确可靠。基于网络时间协议(NTP),结合安全追溯系统的网络结构特点,设计了一种低成本、低负载、较为可靠的时间同步方案,选用卫星(GPS北斗)作为整个系统的时钟源,构建了中心服务器级、分区服务器级以及生产、销售企业或组织级三个级别构成的网络时间同步网络,并可以根据实际情况灵活调整。将时间同步的服务端和客户端的实现封装成为单独的类库,采取动态链接库的形式,便于与现有的追溯系统集成。系统各设备间时间同步的精度可以达到数十毫秒,满足药品食品安全追溯的要求。
    引言
    药品食品质量安全追溯系统要求在产品生产、加工、运输、销售的各个环节详细记录过程档案信息,实现源头可追溯、流向可跟踪、信息可存储、产品可召回的目标。追溯系统是促进生产信息透明化,提高食品卫生安全的重要措施。时间信息在过程档案的记录中具有十分重要的作用,整个系统的各种计算机设备之间必须保持精确的时间同步,才能保证对产品的各种相关信息的记录存储准确有效,保证这些记录作为追溯分析依据的权威性和公信性。
    追溯系统基于多种不同的计算机和网络通信设备工作,这些设备主要依靠自身的时钟振荡器工作,由于温湿度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因,其时钟的振荡频率和标准频率之间存在一些误差,设备与设备之间存在着一定的时间误差,这些误差乍看似乎微不足道,而在长期积累后会产生相当大的影响。同时,在追溯系统中还较多的使用了包括掌上电脑在内的嵌入式设备来读取产品的标识(条形码、电子标签等),以及在现场填报过程档案数据。这些嵌入式设备多采用电池供电,其时钟不准确的现象更为突出,经常需要进行时间校准,以保证档案记录中的时间与标准时间一致。在目前的追溯系统中,设备的时间校准往往取决于使用者的习惯,手段常为参照自选的标准手工设定时钟,这种办法效率低下、准确程度较低,无法满足对产品从生产到流通的全过程进行精确溯源、全面追踪的要求。
    本文在NTP网络时间同步技术的基础上,结合产品质量安全追溯系统的网络结构特点,设计了一种低成本、低负载、较为可靠的时间同步方案,选用卫星(GPS北斗)作为整个系统的时钟源,构建了中心服务器级、分区服务器级以及生产、销售企业或组织级三个级别构成的网络时间同步,可以根据实际情况灵活增减级别,并在时钟源以下的设备级别加入新的设备。整个网络稳定可靠、精度较高,能充分满足产品质量追溯的要求。
    1、NTP网络时间同步原理
    时间同步是指网络各节点设备的时钟时刻和时间间隔与世界标准时间(Universal Time Coordinated, UTC)同步,保证各设备的时间信息基于UTC时间的误差限定在足够小的范围内。
    NTP(Network Time Protocol,网络时间协议)由美国德拉瓦大学的David L.Mills 教授于1985 年提出,用于实现互联网上计算机的精确的时间同步。SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)的全称是“简单网络时间同步协议”,是一个简化了的NTP服务器和NTP客户端策略,不需要实现NTP协议的所有功能,其功能是使网络内设备的时钟与标准的时钟源保持同步。NTP对性能差异很大的客户端及服务器均能适用,且适用于客户端及服务器所在网络有大范围的网络延迟和抖动的情况。NTP协议同步系统时钟有两种工作模式。一是广播模式Multicast/Broadcast mode):此种工作模式适用于高速的局域网内部,服务器在固定周期向多个客户机主动发出时间信息,客户机根据此时间信息校正系统时钟;二是客户机/服务器模式(Client/Server mode),客户机定时向授时服务器请求时间信息,根据双方交换的时间信息,实现客户机与NTP服务器时钟的同步。
    客户机/服务器模式下客户机首先向服务器发送一个NTP包,其中包含了该包离开客户机时的时间戳T1,当
    服务器接收到该包时,依次填入数据包到达时的时间戳T2 和包离开时的时间戳T3,然后立即把包返回给客户机,客户机接收到响应包时再填入包回到客户机的时间戳T4,客户机利用这4个时间戳和包交换的往返延迟(TQ和TR)就能够计算出客户机与服务器之间的时钟偏移量ΔT,如图1 所示。
    现已知T1、T2、T3、T4 和参数TQ、TR,可以得出时钟偏移量ΔT 的方程式有:
    T2=T1+TQ+ΔT (1)
    T4=T3+TR-ΔT (2)
    假设发送和响应NTP 包在网络上的延迟时间TQ、TR 相等,则根据方程式(1)和方程式(2)可以得出:

    由方程式(3)可以看出客户机系统时钟偏差量ΔT与T1、T2 差值和T4、T3 差值相关,而与T2、T3 的差值无关,即时钟偏差量与时钟服务器的响应速度无关。客户机根据时钟偏移量ΔT 来调整本系统时钟,以使其时间与服务器时间一致。
    2、系统时间同步的设计和实现
    时间同步对于产品质量安全追溯系统有着重要的作用,为了使系统内各设备之间保持时间同步,需要解决四个方面的问题:一是尽量选取非常精确的时间源,各设备与该时间源的误差值应较小;二是自动实现时间同步,排除人工因素;三是降低系统开销,适应现有追溯系统的网络条件,同时具备较好的扩充能力;四是尽量屏蔽异质网络和设备之间的差异。系统时间同步的设计方案将逐一讨论这些问题。
    产品质量安全追溯系统一般由多个子系统构成,包括生产子系统、加工子系统、运输子系统、销售子系统,以及对用户权限进行配置管理的子系统等,这些子系统通过网络连结为一个整体进行工作。其中涉及的网络多种多样,包括以太网、无线WLAN网络、GPRS/CDMA无线网络、蓝牙/红外传输网络等。同时子系统运行的计算机软、硬件环境也存在较大的差异。为适应现有的网络条件,使系统差异较大的网络和设备环境能顺利的协同工作,满足不同的设备进行校时的需要,设计了一个统一的与各子系统相对独立的时间同步网络,其结构如图2所示。

    整个时间同步网络结构分为三级,依次为中心服务器级、分区服务器级以及生产、销售企业或组织级。各个级别包括不同的计算机设备:中心服务器是保存中央数据库的专门计算机,是依据产品种类或涉及的行业而划分的特定服务器,例如食品质量溯源中心服务器,在国家或省一级设置。分区服务器是根据集中填报数据、审查数据的需要而设置的介于中心服务器和第三级设备之间的计算机。最后一级是实际供应链中的企业或集体组织的计算机,覆盖产品生产、加工、运输、销售的各个环节,包括台式电脑、掌上电脑、标识读写仪等多种类型的设备。中心服务器和分区服务器之间使用有线的网络环境进行互联,而分区服务器和第三级设备之间既可以使用有线的网络环境,也可以使用无线网络进行通信,以充分利用现有的网络设备资源。第一级设备(中心服务器)从标准的时钟源获取准确的时间,向第二级设备授时,实现与第二级设备的时间同步,第二级设备向第三级设备授时,实现与第三级设备的时间同步。同时,第二级设备除了会向第一级设备请求校时外,还可以彼此之间进行校时,由于不同的通路其网络传输延时不同,通过从多种通路分别请求校时,大大保证了系统的可靠性和校时的准确性。同理,第三级设备向多个第二级设备请求校时,一方面可以获取更精准的时间,另一方面也可以在某一个设备出现故障时仍能正常工作。整个时间同步网络较为可靠,能稳定地实现整个网络内设备的时间同步,除非大部分的设备同时出现瘫痪,在局部计算机出现意外情况下仍能正常工作。
    系统在时间同步时使用NTP协议,其传输基于用户数据报协议(User Datagram Protocol, UDP),要求的资源开销和网络带宽很小,能有效地避免拥塞。同时该协议是TCP/IP的应用层协议,支持TCP/IP的网络都可以使用这种方法进行校时。追溯系统涉及多种异质网络和设备绝大多数都对TCP/IP协议提供了很好的支持,因此可以不关心异质网络和设备之间的差别,实现追溯系统内整体的时间的同步。
    测试表明NTP时间同步网络在广域网范围内可以达到几个毫秒的精度,完全可以满足追溯系统对时间同步精度的要求。目前的产品质量追溯系统的数据库结构包括中央数据库和并列数据库,采用的也不一定都是时间同步网络结构的三级结构,这时也可以直接将三级网络结构缩减为二级甚至一级使用,或者扩充至更多级别,只要保证选用一个稳定、可靠、成本较低的时钟源,其它设备都通过NTP协议方式与该时钟源进行时间校准,即可以实现整个系统内的时钟同步。时间同步网络结构的三级结构在设计上有较大的弹性,除了上述的可以减增级别外,还可以在时钟源以下的设备级别加入新的设备,只要该设备及其连接的网络支持TCP/IP协议,即可以构成一个完整的系统时间同步网络,实现新加入设备的时间与原有设备一致。
    3、系统时间同步网络的特点
    1)以卫星时间作为第一级服务器的标准时钟源,使用NTP网口/串口方式获取卫星时间,其误差在毫秒级,准确可靠;
    2)整个网络的成本较低,仅需要增加作为时钟源的卫星硬件设备;
    3)具有较大的灵活性,可以根据实际追溯系统的结构和现有网络情况调整网络的级别,可以随时加入或减少连结到网络的设备;
    4)系统运行采取的是多对多的模式,一个服务器对应于多个客户端,一个客户端也可以对应多个服务器,存在多条通路,不仅可以减少一个服务器的负荷,还可以在网络或设备存在故障时起到分流和备用的作用,增强了系统工作的可靠性和稳定性;
    5)整个系统的负载较小,一个NTP数据包的字节数仅为几十个字节,且第三级设备校时的频率是在每30min内进行2次,系统开销非常小。
    4、结论
    本文从分析NTP协议入手,结合产品质量追溯系统的结构特点,提出了基于NTP的时间同步办法,建立了系统时间同步网络,并将时间同步的服务端和客户端封装为独立的类库,以实现与各种现有系统的装配。与现有系统进行集成装配的应用表明,基于NTP的时间同步网络负载较小,是产品质量安全追溯系统中实现时间同步的有效办法。本文主要探讨的是一个时间源的情况下整个系统进行校时的办法,实际情况下的可能存在多个不同的时间源,需要进一步研究在这种情况如何稳定可靠地实现系统的时间同步。

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空空如也

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