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  • 北斗/GPS授时原理

    千次阅读 2020-08-13 22:17:32
    每颗GPS卫星都携带有高精度原子钟,其中铯原子钟频率稳定性达到了 、铷原子钟的频率稳定性达到了 ,地面主控站监测站长期保持对其跟踪并修正,使得星载原子钟GPS主钟之间高精度同步,因此GPS授时具有高精度、...

    高精度星载原子钟和地基高精度时间尺度,是保障卫星导航系统精度和可靠稳定运行的基石,是系统的核心技术之一。卫星导航信号包含了高精度频率、时间信息,这些信号成为传递标准时间UTC的最佳手段和工具。每颗GPS卫星都携带有高精度原子钟,其中铯原子钟频率稳定性达到了 、铷原子钟的频率稳定性达到了 ,地面主控站和监测站长期保持对其跟踪并修正,使得星载原子钟和GPS主钟之间高精度同步,因此GPS授时具有高精度、长期的高稳定性等特点。
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      授时是GNSS卫星导航系统三大基本服务之一,具有受众广、精确性好、长期稳定等特点,是目前主要的授时方法。高精度的星载原子钟和地面监测站的高精度时间尺度,是系统的核心技术之一,保障了GNSS系统时间与UTC时间同步在100ns以内。因此GNSS卫星信号可以传递标准时间UTC,使用接收机解算即可获取高精度时间。
      我们分析GPS为例,每一颗卫星都搭载有原子钟,地面监控中心和主控中心也有原子钟,通过闭环校准系统使得各个导航卫星的星载原子钟与GPS主钟精密同步。高精度原子钟价格高昂体积庞大,不适合便携式通用接收机使用,因此常规GPS接收机会采用价格低廉的石英晶体振荡器作为频率源,由于晶体振荡器受温度、湿度、压力、震动、老化等影响使得晶体振荡器的频率发生漂移,导致接收机本地时间与GPS时间存在较大偏差。授时接收机接收到GNSS卫星信号,通过定位、定时算法解算出接收机钟差,计算出接收机定位时刻对应的GPS时间,将接收机本地时间同步到GPS时间,导航电文第4子帧第18页给出了GPS时间与协调时UTC之间的差值,利用这个差值把本地时间同步到UTC时间。
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  • GPS授时系统(北斗授时设备)应用及案例 GPS授时系统(北斗授时设备)应用及案例 随着网络的飞速发展,设备的日益增多,许多网络应用网络安全对时间同步问题提出了迫切需求。因此基于NTP的时间同步解决方案成为...

    GPS授时系统(北斗授时设备)应用及案例
    GPS授时系统(北斗授时设备)应用及案例

    随着网络的飞速发展,设备的日益增多,许多网络应用和网络安全对时间同步问题提出了迫切需求。因此基于NTP的时间同步解决方案成为解决这些问题的合理选择。本方案介绍了大型生产型企业的网络时间同步技术中的NTP协议的原理、工作模式和体系结构,并结合企业的MES网络结构讨论了NTP在企业网中的应用。
    1、 引言:
    随着网络的普及,许多企业单位都建了自己的园区网,使用的网络设备和服务器日益增多。这些设备都有自己的时钟,而且是可以调节的。但是无法保证网络中的所有设备和主机的时间是同步的,因为这些时钟每天会产生数秒、甚至数分钟的误差。经过长期运行,时间差会越来越大,这种偏差在单机中影响不太大,但在网络环境下的应用中可能会引发意想不到的问题。如在分布式计算环境中,由于每个主机时间不一致,会造成同一操作在不同主机的记录时间不一致,将导致服务无法正常地进行,对企业的业务来往导致的结果是可想而知的。
    2、 时间同步的概述:
    将网络环境中的主机服务器或各种设备的时间信息(年月日时分秒)基于UTC(Universal Time Coordinated)时间偏差限定在足够小的范围内(如1-10ms),这种同步过程叫做时间同步。
    3、 NTP的工作原理:
    3.1、NTP的概述
    NTP最早由美国Delaware大学的教授设计实现的,由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间同步到另一服务器或参考时钟源。它使用UTC作为时间标准,是基于无连接的IP 协议和UDP协议的应用层协议,使用层次式时间分布模型,所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对设备及进程延迟的严格控制。在配置时,NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。图1是一个UDP分组中的NTP信息。其中,LI是润秒插入或删除指示;VN是NTP协议版本号;Mode、Stratum和Precision分别代表工作模式、时钟级别和本地钟精度。Poll是当前发送NTP消息的时间间隔的期望值。Root Delay表示主要参考源的总延迟。Root Dispersion表示相对于主要参考源的正常差错。Synchronizing Distance和Synchronizing Dispersion是当前往返延迟和相对于PRS的误差范围。Reference Timestamp代表当前时钟参考源的种类和最近一次更新时间,为管理目的而设立。后面三个字段分别代表三个时间戳:Originate Timestamp发送方最后接触包的时间,Receive Timestamp接收方收到包的时间,Transmit Timestamp接收方发送echo reply时最后接触包的时间。Authenticator是密匙指示标志和加密的校验盒。

    图1:UDP分组中的NTP信息
    3.2、NTP的工作原理
    NTP 协议精确度最关键的原因在于由网络延迟的随机性而引起的时钟延迟计算的不准确。由于延迟不准确,所以无法依靠从时间服务器到客户机的单边传输来传递精确的时间信息。为了解决这个问题,在NTP协议中使用时间服务器和客户机之间的双向信息交换和时间戳(timestamp)的概念。
    3.3、NTP的工作模式
    NTP的工作模式有三种、
    ⑴客户/服务器模式:客户机周期性地向服务器请求时间信息,服务器用来同步客户机但不能被客户机同步。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,当服务器接收到该包时,依次填入包到达时的时间戳、交换包的源地址和目的地址、填入包离开时的时间戳,然后立即把包返回给客户机。客户机在接收到响应包时再填入包返回时的时间戳。客户机用这些时间参数就能够计算出2个关键参数:包交换的往返延迟和客户机与服务器之间的时钟偏移。客户机使用时钟偏移来调整本地时钟,以使其时间与服务器时间一致。
    ⑵主/被动对称模式:与客户/服务器模式基本相同。唯一区别在于双方均可同步对方或被对方同步。
    ⑶广播模式:没有同步的发起方。在每个同步周期中,服务器向网络广播广播带有自己时间戳的消息包,所有的目标节点被动接收这些消息,以此调整自己的时间。一般用于网络延时非常小,或者对时间精度要求不高的地方,如同局域网内,使用广播模式可节省带宽。
    3.4、NTP系统体系结构
    NTP采用层次式时间分布模型。网络体系结构主要包括主时间服务器、从时间服务器、客户机和各节点之间的传输路径。主时间服务器与高精度时间源进行同步,为其他节点提供时间服务。各客户端从时间服务器经由主服务器获得时间同步。正常情况下,节点(包括时间服务器和客户机)只用最可靠、最准确的服务器及传输路径进行同步,所以通常的同步路径为一个层次结构。其中,主时间服务器位于根节点,其他从时间服务器随同步精度增加而位于靠近叶子节点的层上,主机和服务器处于叶子节点。NTP将传输路径分为主动同步路径和备份同步路径,两者都同时进行时间信息包的传输,但节点只用主动同步路径数据进行同步处理。

    图2:客户/服务器模式的一个实现模型
    该模型中,本地时钟进程:处理由修正模块得出的偏移量并且用NTP中专用算法对本地时钟的相位和频率进行调节。传送进程:由和每个远端实体对应的不同定时器触发,用以从数据库中收集信息,并向远端实体发送NTP消息。每个消息包括发送时的本地时间戳,前一次收到的时间戳,还有用来判断同步网络层次结构以及管理连接的信息。接收进程:接收NTP消息,计算出远端时钟和本地时钟之间的偏移量。修正模块:处理与各个远端实体之间的偏移量,并用NTP中的一个算法选择最佳的一个。本地时钟进程:处理由修正模块得出的偏移量并且用NTP中专用算法对本地时钟进行调节。
    4、 时钟服务器在企业MES系统的应用
    4.1、MES的概述
    MES (Manufacturing Execution System)工厂制造执行管理系统是企业信息集成的纽带,是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术。MES以产品的生产和销售为处理对象,聚焦于定货、交货期、成本和顾客的联系等,对时间的要求是苛刻的。
    4.2、MES系统时间同步框架
    如此重要的MES系统,网络时间同步的重要性是可见的,时钟服务器就是针对MES系统中的计算机服务器、网络设备等进行校正时间的高科技产品,时钟服务器它从GPS卫星上获取标准的时间信号,将这些信息通过各种NTP网络接口来传输给MES系统中需要时间信息的设备,这样网络中有了标准的时钟源就可以达到整个系统的时间同步(见图3)。

    图3、MES系统网络时间同步拓扑图
    4.3、时钟服务器产品介绍
    ⑴、HR型时钟服务器采用SMT表面贴装技术生产,大规模集成电路设计,以高速芯片进行控制,具有精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单等特点,全自动智能化运行,免操作维护,适合无人值守且广泛应用于电力、金融、通信、交通、广电、石化、冶金、国防、教育、IT、公共服务设施等各个领域(产品图4)。

    HR型时钟服务器有2路RS232串行信号,2路RS422/485串行信号,1路NTP网络对时信号
    ⑵、时钟服务器特点
    ①时间精度高,NTP信号精度可达1-10ms。
    ②机箱经防磁处理,抗干扰能力强。
    ③采用高性能、宽范围开关电源,工作稳定。
    ④GPS接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计, 信号接收可靠性高,⑤不受地域条件和环境的限制。
    ⑥串口、脉冲信号输出可编程,按键设置,操作方便。
    ⑦装置的所有输出信号均经隔离输出,抗干扰能力强。
    ⑧装置具有多种串行信息输出与交互方式,以满足不同用户的需求。
    ⑨装置可通过数码管在线显示当前收星个数,直观反映装置的同步状况。
    ⑩架装式结构,1U、19”标准机箱,安装方便。

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  • GPS北斗共视授时中的多径效应分析 ...众所周知,GPS授时具有很高的精度,但也有卫星钟差。GPS共视授时却可以消除,但不能完全消除非共同的误差,这些误差成为影响GPS共视测量精度的主要因素。这些限制性因素

    GPS北斗共视授时中的多径效应分析

    在国防建设、国民经济和基础科学研究中,离不开时间频率的作用,它也是一个重要的基本物理量。精确度高的时间频率对我国的通信事业以及国防建设等起着重要的意义。GPS共视授时作为目前时间频率远距离量值传递的主要方法之一,传递不确定度可达几个纳秒。该技术也是目前国际计量局(BIPM)用于国际原子时合作的基本手段之一。

    众所周知,GPS授时具有很高的精度,但也有卫星钟差。GPS共视授时却可以消除,但不能完全消除非共同的误差,这些误差成为影响GPS共视测量精度的主要因素。这些限制性因素主要包括:对流层延迟误差、电离层时延误差、卫星信号多径干扰误差、接收机位置误差、几何时延误差以及接收机内部误差等。

    本文详细研究了共视授时技术,阐述了基本原理,给出了数学模型,同时分析了共视授时的主要误差之一——多径干扰误差,在该基础上分析了目前抗多径的方法,再探讨了GPS共视授时中具体抗多径干扰的方案。该结论对提高共视授时实验的精确性有一定的参考价值。

    GPS共视授时基本原理

    GPS共视技术由美国标准技术研究院(NIST)于20世纪90年代初提出。共视法的含义是指:在地球上的两个原子钟,能够在任何地点,在同一时间能够同时接收同一个卫星时间信号进行比对。目前,共视法也是国际计量局(BIPM)用于国际原子时合作的基本手段之一。

    GPS共视授时中的抗多径方法

    随着卫星导航系统愈加倾向于民用,米国取消了SA干扰,同时又开放了一个GPS信号频段,对流层和电离层时延误差也得到修正,共视授时的精度主要受多径影响。

    通常GPS共视授时,可以通过采用抗多径干扰天线或改进接收机的性能来抗多径。但GPS共视授时的高精确性也受多径残差的影响,仍需作为一个主要误差来考虑。并且随着卫星导航的发展,共视中的其它误差得到有效消除,GPS共视中的主要误差很大程度上是多径干扰。故除了考虑天线和接收机方面的因素外,还要进一步研究提高抗多径的方案来保证共视授时的高精确性。

    1) 选择和改善接收机天线周围的环境。

    一般进行共视授时,两地的接收机位置保持固定不变,且天线的位置是精确测量固定的。故利用这种特点,选择适当的测试场地或改善周围的环境,可提高抗多径能力。

    由于多径由测试地点周围环境对信号的反射造成,故要注意GPS接收机天线周围有没有容易产生反射的物体,同时铺设能够有效吸收电波的材料。例如可以选择周围没有金属物品、干燥的地面、地形平坦建筑复杂度低的环境。并且地面矮小的植被如草丛、灌木丛能够有效的吸收微波信号,可以优先选择这种环境。测量的时候也需考虑到天气的影响,天气情况的好坏也使多径影响不同,例如雨天导致地面反射增强,多径干扰明显。

    2) 根据多径的周日特性进行修正

    在GPS共视测量中,当接收机天线位置精确测量后,位置就保持不变。而多径影响主要由接收机天线周围的反射波干扰引起,反射波又主要由天线周围的环境引起,固定位置的天线其周围的环境一般不变,这样多径效应具有一定的周期性。GPS卫星周期是11小时58分,故地球和卫星相对位置将在23小时56分后首次重复,因此23小时56分也是多径效应周期。在进行GPS共视授时时,测试接收机跟踪某颗卫星,由接收到的卫星信号分析出卫星的方位角和仰角与多径干扰的关系,进而得出其函数修正公式,消除多径误差。一般GPS共视测量的卫星相对的方位角和仰角都是固定的,这样只需得出多径影响的某个特定的卫星方位角和仰角,而不用知道卫星方位角和仰角整个变化过程的函数关系。共视测量时都按照BIPM共视表进行,用单通道接收机可每天进行48次全长跟踪,且每天要比前一天提前4分钟,即23小时56分。

    3)由接收机测量卫星信号的性噪比进行修正

    进行共视实验时,对测试接收机接收到的信号,分析其值的信噪比判定观测结果的质量。通过减小那些因多径干扰产生误差的观测值的权重来对数据进行事后处理,从而达到削弱多路径误差影响的目的。这种方法可以有效的降低多径干扰误差。

    4)利用定时中对接收机观测数据的事后处理

    GPS观测的数据都带有噪声,通过滤波器对其数据序列滤波能够去除噪声,Vondrak数字滤波器就是其中的一种。去除噪声影响后并提取多路径误差的模型,同时由多径效应的周日特性函数关系,能够对后续的GPS观测数据序列进行改正,以提高GPS共视授时的精度。

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  • 北斗/GPS卫星时钟系统(北斗/GPS卫星授时系统-北斗/GPS卫星校时系统) 北斗/GPS卫星时钟系统(北斗/GPS卫星授时系统-北斗/GPS卫星校时系统) 技术交流-岳峰-15901092122;yf_cs@163.com;Q-522508213 GPS卫星同步...

    北斗/GPS卫星时钟系统(北斗/GPS卫星授时系统-北斗/GPS卫星校时系统)

    北斗/GPS卫星时钟系统(北斗/GPS卫星授时系统-北斗/GPS卫星校时系统)

    技术交流-岳峰-15901092122;yf_cs@163.com;Q-522508213

    GPS卫星同步时钟是针对计算机、自动化装置等进行校时而研发的高科技产品,GPS卫星同步时钟从GPS卫星上获取标准的时间信号,将这些信号通过各种接口传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU),这样就可以达到整个系统的时间同步。GPS卫星同步时钟通过接收GPS卫星、北斗卫星、CDMA、PTP、B码等外部时间基准信号,GPS卫星同步时钟通过智能时间源控制算法,实现多时间源的智能切换,输出高精度、可靠的时间信号和时间信息。

    ◆ GPS卫星同步时钟利用卫星双向授时功能,方便构建全电力系统的全网时间同步网络,实现全网时间同步。

    ◆ GPS卫星同步时钟利用卫星双向通信功能,可以构建中心主站系统对各厂站时间同步系统的集中监测和远程维护,提高设备的运行可靠性。

    ◆ GPS卫星同步时钟采用表面贴装技术生产,以高速芯片进行控制,无硬盘和风扇设计,精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单、全自动智能化运行,免操作维护,适合无人值守。

    ◆ GPS卫星同步时钟有标准RS232、RS422/485、1PPS/PPM/PPH、IRIG-B、DCF77、NTP/SNTP网络对时等接口形式,可以适应各种不同设备的对时需要,广泛应用于电力、金融、通信、交通、广电、安防、石化、冶金、水利、国防、医疗、教育、政府机关、IT等领域。

    ★ GPS卫星同步时钟主要用途

    ◆ 将时间显示给运行人员观察或作人工记录的时间显示屏。

    ◆ 记录与时间有关的信息的装置(系统):如故障录波器、事件顺序记录装置、RTU远动装置、计算机监控(监测)系统、电网预决策分析系统、各级调度SCADA/EMS系统、系统实时动态监测系统(WAMS)、电能量计费系统、水调自动化系统、电厂机组控制系统、电力市场交易系统、配电网自动化系统、负荷控制和用电管理系统、通信网监控系统、电厂和调度生产信息管理系统、电力企业信息管理系统(MIS)、调度录音电话等

    ◆ 有必要记录其动作时间的控制装置(系统):如微机保护装置、变电站监控系统的后台系统、电网安全自动装置等

    ◆ 工作原理建立在时间同步基础上的装置(系统):如雷电定位系统、同步相量测量装置(PMU)、线路故障行波测距装置等

    ◆ 要求在同一时刻记录其采集数据的系统:如保护信息管理机、电网频率按秒考核系统等

    ◆ 用于继电保护试验,检验线路纵联保护(高频相差保护装置)

    ◆大型局域网的时间同步

    ◆ 其它要求时间统一的装置(系统)

    ★ GPS卫星同步时钟主要特点

    ◆ 多种卫星系统时间接收,双向授时方式

    ◆ 卫星双向短报文通信,向中心主站发送设备运行状态信息

    ◆ 冗余接收GPS、B码、PTP等多路时间源

    ◆ 输出B码、PTP、脉冲信号、串口时间信息、NTP/SNTP等

    ◆ 模块化设计,输出信号互相隔离

    ★ GPS卫星同步时钟主要技术指标

    ◆ 开机捕获时间:—热启动≤1min;冷启动≤5min

    ◆接收灵敏度:捕获〈-130dBm,跟踪〈-133dBm。

    ◆ 授时精度≤100ns ;授时记录:保存最新4500条;请求吞吐量:每秒14500次时间请求;

    ◆ 电网频率测量分辨率0.001HZ

    ◆ 守时精度≤40µs/H(晶振)

    ★ GPS卫星同步时钟供电方式

    ◆ 支持双电源供电方式

    ◆ 交流电源:220V,允许偏差-20%~+15%

    ◆ 直流电源:220V/110V,允许偏差-20%~+15%

    ★ GPS卫星同步时钟环境条件

    ◆ 工作温度:-45℃~+85℃

    ◆ 存储温度:-50℃~+90℃

    ◆ 相对湿度:100%(装置内部应无凝露,也不结冰)

    ◆ 大气压力:66kPa~108kPa

    ◆ 平均无故障工作时间(MTBF)>90000小时

    转载于:https://www.cnblogs.com/yfcs999/archive/2012/11/13/XINGFU.html

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