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  • GPS授时系统

    2015-04-26 11:15:46
    用于设计GPS授时学者使用,比较强大,开发大脑
  • 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...

    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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  • 北斗同步时钟(GPS授时系统)技术原理阐述 北斗同步时钟(GPS授时系统)技术原理阐述 1、有关时间的一些基本概念: (1)、时间(周期)与频率: 互为倒数关系,两者密不可分,时间标准的基础是频率标准,所以有人把...

    北斗同步时钟(GPS授时系统)技术原理阐述
    北斗同步时钟(GPS授时系统)技术原理阐述

    1、有关时间的一些基本概念:

    (1)、时间(周期)与频率:

    互为倒数关系,两者密不可分,时间标准的基础是频率标准,所以有人把晶体振荡器叫‘时基振荡器’。钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。

    (2)、四种实用的时间频率标准源(简称钟):

    ①晶体钟

    ②铷原子钟

    ③氢原子钟

    ④铯原子钟

    (3)、常用的时间坐标系:

    时间的概念包含时刻(点)和时间间隔(段)。时系(时间坐标系)是由时间起点和时间尺度单位–秒定义(又分地球秒与原子秒)所构成。常用的时间坐标系:

    ① 世界时(UT)

    ②地方时

    ③原子时(AT)

    ④协调世界时(UTC)

    ⑤GPS时

    (4)、定时、时间同步与守时:

    ①定时:是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程);授时(指采用适当的手段发播标准时间的过程);

    ②时间同步:是指在母钟与子钟之间时间一致的过程,又称时间统一或简称时统);

    ③守时:是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程,国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时,守时钟组钟长期运行性能表现最好的一台被定主钟(MC)。

    2、GPS时间是怎样建立的?

    为了得到精密的GPS时间,使它的准确度达到<100ns(相对于UTC(USNO/MC)):

    ①每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟;

    ②GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统;

    ③采用UTC(USNO/MC)为参考基准。

    3、GPS定位、定时和校频的原理

    (1)、GPS定位原理:是基于精确测定GPS信号的传输时延(Δt),以得到GPS卫星到用户间的距离(R)R=C×Δt ----------------------- [1](式中C为光速)同时捕获4颗GPS卫星,解算4个联立方程,可给出用户实时时刻(t)和对应的位置参数(x、y、z)共4个参数。R={(Xs-Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)}1/2 ---- [2](式中Xs、Ys、Zs为卫星的位置参数;Xu、Yu、Zu为用户的的位置参数)

    (2)、GPS定时原理:
      基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延(Δt),以达到对本地钟的定时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差,主要误差有:

    ①信号发射端:卫星钟误差、卫星星历(位置)误差;

    ②信号传输过程:电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差;

    ③接收端:接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。
      (3)、GPS校频原理:

    根据频率和周期互为倒数的关系,可采用比时法(测时间间隔)的方法(以GPS的秒信号为参考)来测量本地钟的频率准确度(Δf/f),以达到校频的目的。Δf/f=(Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3](式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地钟与GPS时的时差值)。

    4、进一步提高定时准确度的几种途径:

    ①采用GPS双频、相位测量技术;

    ②选用更高精度的GPS时间传递接收机;

    ③采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。

    GPS在时频领域的应用

    1、国际时间标准的协调与建立:

    从二十世纪八十年代末,国际计量局(BIPM)的时间部,就开始正式采用标准化的GPS共视比对方法,把全世界几十个守时中心的主钟沟通起来,并建立了准确度最高的国际原子时(TAI)和国际协调世界时(UTC/BIPM)。我国有三个实验室参加了国际时间标准的协调,它们是:

    ①中国科学院陕西天文台(CSAO);

    ②国家计量研究院(NIM);

    ③航天无线电计量测试研究所(BIRM)

    2、新型时频计量传递系统的建立

    (1)、传统时频计量传递的特点:

    ①一般是按国家级计量单位、一级计量站、二级计量站和使用单位四级逐级传递;

    ②受检时频标准源或仪器设备必须往返搬运,检定校准后的状态在搬运中难免受到破坏;

    ③传统的时频计量一般只能按检定周期(一般为一年)进行,难以进行经常性和实时的计量测试。

    (2)、通过采用GPS共视法时间比对和互联网技术,可以建立不需搬运的、实时的、完全新型的时频遥远校准系统。

    3、GPS时间同步技术在电信、电力和铁路领域的应用:

    ①我国的通信网已基本上实现了数字化,为了保证整个电信网络的正常运行、提高网络服务质量和增强网络功能,通信网必须采用高精度的时间同步技术。目前,我国的通信网采用的是4级时钟(铯原子钟、铷原子钟、高稳晶体钟和普通晶体钟)分级时间同步的方法。随着电信技术的发展,通信网时间同步精度的要求越来越高。这种分级时间同步的方法已不能满足要求。因此,我国的通信网迫切需要采用GPS时间同步技术。GPS时间同步技术的优点:精度高、可靠性好、成本较低。

    ②GPS时间同步技术在电力供电系统、铁路运输系统也有广阔的应用前景。

    结语:
      从以上的论述可以看出:GPS卫星信号是一种十分重要的全世界可共享的信息源,GPS信息可以提供精确的定位、定时和校频,GPS时间同步技术在国际时间频率的协调、新型时频计量传递系统建立、数字通信系统、电力和供电系统、铁路运输系统以及许多其他领域都有广阔的应用前景。

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    ylbtech-部署-GPS授时系统:GPS授时系统

    GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品,GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号,将这些信息通过各种接口类型来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

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    1、
    中文名:GPS授时系统 外文名:GPS time transfer system
    设    备:计算机、保护装置 机    组:分散控制系统(DCS)

    目录

    1. 前言
    2. 简介
    2、
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    1、

    前言

    随着计算机和网络通信技术的飞速发展, 火电厂热工自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。
    使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一全厂各种系统的时钟,已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内的 机组分散控制系统(DCS)、辅助系统可编程控制器(PLC)、厂级监控信息系统(SIS)、电厂管理信息系统(MIS)等主时钟通过合适的GPS时钟信号接口,得到标准的TOD(年月日时分秒)时间然后按各自的时钟同步机制,将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内,从而达到全厂的时钟同步
     
     

    简介

    一、GPS时钟及输出
    1.1 GPS时钟
    全球定位系统(Global Positioning System,GPS)由一组 美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成, 共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内,根据时间和地点,地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化
    GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低 功率无线电信号,通过计算得出GPS时间的接受装置。 为获得准确的GPS时间,GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号,计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后, GPS时钟只要接受到1颗GPS卫星信号就能保证时钟的走时准确性
    作为火电厂的标准时钟,我们对GPS时钟的基本要求是:至少能同时跟踪8颗卫星,有尽可能短的冷、热启动时间,配有后备电池,有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。
    1.2 GPS 时钟信号输出
    目前,电厂用到的 GPS时钟输出信号主要有以下三种类型:
    1.2.1 1PPS/1PPM输出
    此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然,时钟 脉冲输出不含具体时间信息。
    1.2.2  IRIG-B输出
    IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在 时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码,有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波 调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps),每帧长为一秒。一帧共有100个 码元(100pps),每个码元宽10ms,由不同正 脉冲宽度的码元来代表 二进制0、1和位置标志位(P),见图1.2.2-1。
    为便于理解,图1.2.2-2给出了某个 IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用 BCD码表示,控制功能码(Control Functions,CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day,SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用,本例未采用)。
    1.2.3 RS-232/ RS-422/ RS-485输出
    此时钟输出通过EIA标准 串行接口发送一串以 ASCII码表示的日期和时间报文,每秒输出一次。时间报文中可插入 奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式,下图为一个用17个字节发送标准时间的实例:
    1.3 电力自动化系统GPS时钟的应用
    电力自动化系统内有众多需与GPS 时钟同步的系统或装置,如 DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、 故障录波器微机保护装置等。在确定 GPS时钟时应注意以下几点:
    • 时间同步(目前通常做法),则在DCS合同谈判前,就应进行专业间的配合,确定 时钟信号接口的要求。(GPS时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块,如事先无法确定有关要求,则相应 合同条款应留有可调整的余地。)
    • 系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各专业如对 GPS时钟信号接口型式或精度要求相差较大时,可各自配置GPS时钟,这样一可减少专业间的相互牵制,二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外,当系统之间相距较远(例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼)时,为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰,也可就地单设GPS时钟。分设GPS时钟也有利于减小 时钟故障所造成的影响。
    • 时钟同步接口可选时,可优先采用。但要注意的是, IRIG-B只是B类编码的总称,具体按编码是否调制、有无CF和SBS等又分成多种(如IRIG-B000等),故时钟接收侧应配置相应的解码卡,否则无法达到准确的时钟同步。
    • 时钟同步。 RS-232时间输出虽然使用得较多,但因无标准格式,设计中应特别注意确认 时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。
    • 时钟同步信号在网络中有较大的时延,也应考虑分别各自与 GPS时钟同步。
    • TELEPERMXP 时钟同步方式
    这里以西门子公司的 TXP系统为例,看一下 DCS内部及时钟是如何同步的。
    TXP的电厂 总线是以 CSMA/CD为基础的 以太网,在总线上有二个主时钟:实时发送器(RTT)和一块AS620和CP1430通讯/时钟卡。正常情况下,RTT作为TXP系统的主时钟,当其故约40s后,作为备用时钟的CP1430将自动予以替代(实际上在ES680上可 组态2块)CP1430作为后备主时钟)。见图2-1。
    RTT可自由运行(free running),也可与外部 GPS时钟通过TTY接口(20mA电流回路)同步。与GPS时钟的同步有串行报文(长32字节、9600波特、1个启动位、8个 数据位、2个停止位)和秒/分脉冲二种方式。
    RTT在 网络层生成并发送主时钟对时报文,每隔10s向电厂总线发送一次。RTT发送时间报文最多等待1ms。如在1ms之内无法将 报文发到总线上,则取消本次时间报文的发送:如报文发送过程被中断,则立即生成一个当前时间的报文。 时钟报文具有一个 多播地址和特殊帧头,日期为从1984.01.01至当天的天数,时间为从当天00:00:00,000h至当前的ms值,分辨率为10ms。
    OM650从电厂总线上获取时间报文。在OM650内,使用Unix功能将时间传送给终端总线上的SU、OT等。通常由一个PU作为 时间服务器,其他OM650设备登录为是境客户。
    AS620的AP在启动后,通过调用“同步”功能块,自动与CP1430实现 时钟同步。然后CP1430每隔6s与AP对时。
    TXP时钟的精度如下:
    从上述TXP时钟同步方式及时钟精度可以看出,TXP系统内各进钟采用的是主从分级同步方式,即下级 时钟与上级时钟同步,越是上一级的时钟其精度越高。
    1. 三、时钟及 时钟同步误差
    3.1时钟误差
    众所周知,计算机的时钟一般都采用 石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的 时钟脉冲,计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于 时钟振荡器脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响,故 时钟本身不可避免地存在着误差。例如,某精度为±20ppm的时钟,其每小时的误差为:(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)=72ms,一天的累计误差可达1.73s;若其工作的环境温度从额定25℃变为45℃,则还会增加±25ppm的额外误差。可见,DCS中的时钟若不经定期同步校准,其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。
    随着晶振制造技术的发展,目前在要求高精度时钟的应用中,已有各种高稳定性晶振体可供选用,如 TCXO(温度补偿晶振)、 VCXO(压控晶振)、 OCXO(恒温晶振)等。
    3.2 时钟同步误差
    如果对类似于TXP的时钟同步方式进行分析,不难发现 时钟在自上而下的同步过程中产生的DCS的绝对对时误差可由以下三部分组成:
    3.2.1  GPS时钟与卫星发射的UTC(世界协调时)的误差
    这部分的误差由GPS时钟的精度所决定。对1PPS输出,以脉冲前沿为准时沿,精度一般在几十ns至1μs之间;对IRIG-B码和 RS-232串行输出,如以 中科院国家授时中心的地钟产品为例,其同步精度以参考码元前沿或起始相对于1PPS前沿的偏差计,分别达0.3μs和0.2ms。
    3.2.2 DCS主时钟与 GPS时钟的同步误差
    DCS网络上的主时钟与GPS时钟通过“ 硬接线”方式进行同步。一般通过DCS某站点内的 时钟同步卡接受GPS时钟输出的标准时间编码、硬件。例如,如在接受端对RS-232输出的 ASCII码字节的发送延迟进行补偿,或对 IRIG-B编码采用 码元载波周期计数或高频销相的 解码卡,则主时钟与GPS时钟的同步精度可达很高的精度。
    3.2.3 DCS各站点主从 时钟的同步误差
    DCS主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步,其间存在着时钟报文的 发送时延传播时延、处理 时延。表现在:(1)在主时钟端生成和发送时间报文时,内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等;(2)在时间报文上网之前,还必须等待网络空闲(对 以太网),遇冲突还要重发;(3)时间报文上网后,需一定时间通过DCS 网络媒介从主时钟端传送到子时钟端(电磁波在光纤中的传播速度为2/3光速,对 DCS局域网而言,传播时延为几百ns,可忽略不计);(4)在从 时钟端的网络通信接口确认是时间报文后,接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些 时延或多或少地造成了DCS主从时钟之间、从从时钟之间的 时间同步误差。
    当然,不同 网络类型的DCS、不同的时钟通信协议和同步算法,可使网络对时的同步精度各不相同,上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上,随着人们对网络 时钟同步技术的不懈研究,多种复杂但又高效、高精确的时钟 同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如,互联网上广为采用的网络 时间协议(Network Time Protocol, NTP)在 DCS局域网上已能提供±1ms的对时精度(如GE的ICS 分散控制系统),而基于IEEE1588的标准精确时间协议(Standard Precision Time Protocol, PTP)能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。
    1. 四、时钟精度与SOE设计
    虽然 DCS的普通 开关量扫描速率已达1ms,但为满足SOE分辨率≤1ms的要求,很长一段时间内,人们都一直都遵循这样的设计方法,即将所有SOE点置于一个控制器之下,将事件触发开关量信号以 硬接线接入SOE模件,其原因就在于不同控制器其时钟存在着一定的误差。关于这一点,西门子在描述其TXP系统的FUN B模件分散配置的工程实际情况来看,由于时钟不能同步而无法做到1ms SOE分辩率,更有甚至因 时钟相差近百ms,造成SOE 事件记录顺序的颠倒。
    那么,如何既能满足工程对于SOE分散设计的要求(如设置了公用 DCS后,机组SOE与公用系SOE应分开,或希望进入控制器的 MFT、ETS的跳闸信号无需经输出再返至SOE模件就能用于SOE等),又不过分降低SOE分辨率呢?通过对DCS产品的分析不难发现,通常采用的办法就是将控制器或SOE模件的时钟直接与外部 GPS时钟信号同步。例如,在ABB Symphony中,SOEServerNode(一般设在公用DCS网上)的守时主模件(INTKM01)接受 IRIG-B时间编码,并将其产生的 RS-485 时钟同步信号链接到各控制器(HCU)的SOE 时间同步模件(LPD250A),其板载硬件计时器 时钟可外接1PPM 同步脉冲,每分钟自动清零一次;再如,MAX1000+PLUS的分散处理单元(DPU 4E)可与IRIG-B同步,使DPU的DI点可同时用做SOE,由于采用了1PPM或RS-485、IRIG-B 硬接线时钟“ 外同步”,避开了 DCS时钟经网络同步目前精度还较差的问题,使各受控时钟之间的偏差保持在较小的范围内,故SOE点分散设计是可行的。
    由此可见,在工程设计中应结合采用的DCS特点来确定SOE的设计方案。不可将1ms的 开关量扫描速率或1ms的控制器(或SOE模件)时钟相对误差等同于1ms的SOE分辨率,从而简单地将SOE点分散到系统各处。同时也应看到,SOE点“分散”同“集中”相比,虽然分辨率有所降低,但只要 时钟 相对误差很小(如与1ms关一个 数量级),还是完全能满足电厂事故分析实际需要的。
    GPS授时系统的特点:
    1.时间精度高,达30nS。
    2.守时精度高。装置内部守时单元采用了先进的时间频率测控技术与智能驯服算法,晶体选用高精度 恒温晶体振荡器,使装置守时准确度优于7*10-9(0.42μS/分钟),即在外部 时间基准异常的情况下,每天时钟走时误差不超过0.6mS。
    3.支持单GPS、单北斗、双GPS、双北斗、 GPS/北斗双系统卫星接收机配置。
    4.应用GPS授时技术/北斗授时技术/B码基准解码接收技术/高稳晶体振荡器守时技术授时,实现多基准冗余授时,能够智能判别GPS信号、北斗信号、外部B码时间基准信号的稳定性和优劣,并提供多种时间基准配置方法。
    5.采用精准的测频与“智能学习算法”,使守时电路输出信号与GPS卫星/北斗卫星信号/ IRIG-B 时间基准保持精密同步,消除因 晶体振荡器老化造成的 频偏带来的影响。
    6.具有外部时间基准信号 时延补偿功能,能够补偿外部时间基准信号(IRIG-B)的传输延时,从而保证了时间基准信号的精度。
    7.由于装置输出的1PPS等时间信号是内置振荡器的分频秒信号输出,同步于GPS/北斗系统但并不受GPS/北斗秒 脉冲信号跳变带来的影响,相当于UTC时间基准的复现。
    8.GPS授时系统采用 双电源冗余供电,并选用高性能、宽范围开关电源,工作稳定可靠,装置电源供电 自适应。(按订货技术协议配置,缺省为单电源。)
    9.机箱经防磁处理,抗干扰能力强。
    10.GPS/北斗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,不受电厂/变电站地域条件和环境的限制。
    11.装置可输出一路特殊的供主时钟间互联的 IRIG-B(DC)码信号,该信号作为互联主时钟的“后备”外部 时间基准,当主时钟的“主”外部时间基准故障时,该信号停止输出。消除当主时钟互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。
    12.装置具有自复位能力,在因干扰造成装置程序出错时,能自动恢复正常工作。
    13.装置所有输入、输出信号均 电气隔离,抗干扰能力强。
    14.装置的某一路输出信号短路,不会影响其它输出信号。
    15.装置的某一路输出信号允许短路5分钟以上,不会造成对该输出回路的永久性损坏。
    16.装置前面板有“电源指示”灯、“秒脉冲指示” 灯、“GPS/北斗信号输入” 灯、“B码信号输入” 灯、“GPS/北斗信号输入异常” 灯、“B码信号输入异常” 灯多种工作状态指示,便于运行值班人员的日常巡视。
    17.装置有电源中断告警、GPS/北斗失步告警、外部“B码输入”(后备 时间基准)消失告警多路报警(继电器空接点)信号输出,可接入电厂/变电站内的监控系统,在线监控装置的运行状况。
    18.装置可通过数码管显示跟踪到的有效卫星个数,直观地反映装置的收星状况。
    19.装置提供一路可编程的TTL 脉冲信号(1PPS/1PPM/1PPH)供 时钟的准确度指标测试。
    20.GPS授时系统采用全 模块化 即插即用结构设计,支持板卡 热插拔,配置灵活,维护方便。为将来其它信号基准源(珈俐略卫星信号、上游地面链路的DCLS信号、PTP、 NTP 时间基准信号等) 的接入提供了方便,为今后建设三网合一的 数字同步网打下基础。同时为将来现场改造扩建时增加或更改对时信号接口提供了方便。
    21.装置不仅实现了板卡全兼容,还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台,具备优异的兼容能力。装置可提供多路脉冲信号(1PPS、1PPM、1PPH、事件,空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光)、 IRIG-B信号(TTL、422、232、AC、光)、DCF77信号(有源、无源)、时间报文( RS232、RS422/485、光)、 PTPNTP/ SNTP网络时间信号,可以满足电厂/变电站内不同设备的对时接口要求。
    22.完善的北斗和GPS信号的性能监测,自动或手动选择主用卫星信号。支持本地和远程网管,通过WEB方式对设备进行远程管理,完成对设备的卫星接收状况、设备工作状态、参数设置等信息进行管理。
    GPS授时系统详细参数:
      1.时间源:GPS、北斗、CDMA、 IRIG-B、恒温晶振 OCXO原子钟可选;
    2.电源:220V/110V交、直流自适应,双电源冗余;
    3.GPS接收频率:1575.42MHz, 接收灵敏度:捕获〈-160dBW,跟踪〈-163dBW。捕获时间:装置 冷启动时,〈5min;装置热启动时,〈1min。正常状态下可同时跟踪8~12颗GPS卫星;装置冷启动时不小于4颗卫星;装置热启动时不小于1颗卫星。内部电池:电池类型:锂电池;电池寿命:≮25000h。
    4.北斗接收器:通道:6; 接收机灵敏度:-157.6dBW;冷启动首捕时间:≤2秒; 失锁重捕时间:≤1 秒;1PPS精度:优于100nS。
    5.平均无故障间隔时间( MTBF)≥150000小时;平均维修时间( MTTR):一般不大于30分,使用寿命不少于20年。正常使用条件下无须维护。
    6.GPS授时系统授时精度:脉冲、B码:0.1μS,串口:10μS , NTP/ SNTP:1-10ms;
    7.时间保持单元守时精度:时间保持单元 晶体振荡器选用 OCXO,守时精度优于7*10-9(0.42μS/min)。
    8. 绝缘电阻:≮20MΩ。
    9.功耗:≤20 W。
    10.天线长度标配30m,可选50、60、70、80、100、120、150、200米。
    11.外形尺寸:1U/2U、19英寸标准机架式机箱。
    1. 五、结束语
    5.1 目前火电厂各控制系统已不再是各自独立的 信息孤岛,大量的实时数据需在不同地方打上时戳,然后送至SIS、MIS,用于各种应用中。因此,在设计中应仔细考虑各种系统的 时钟同步方案和需达到的时钟同步精度。
    5.2 在 DCS设计中不仅要注意了解系统主、从时钟的绝对对时精度,更应重视时钟之间的相对误差。因为如要将SOE点分散设计的同时又不过分降低事件分辨率,其关键就在于各 时钟的偏差应尽可能小。
    5.3 完全有理由相信,随着网络时钟同步技术的不断发展,通过网络对系统各时钟进行高精度的同步将变得十分平常。今后电厂各系统的对时准确性将大大提高,像SOE点分散设计这种基于高 精确度时钟的应用将会不断出现。
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  • STM32+GPS授时+DS1302

    2014-09-01 10:55:28
    这是个GPS授时系统,GPS采集时钟信号,经过STM32处理后,将数据赋给DS1302,这样保持DS1302与GPS同步。显示模块采用TFT液晶ili9320。代码显示结果是GPS时间和DS1302的时间。
  • 自己编写的基于Qt开发的GPS定位系统以及授时模块,亲测可行,已增加注释,个人认为比较详细,有界面,很适合初学者,界面功能还算比较完善,包含时间,日期,经纬度,卫星等各种内容,推荐。
  • 针对标校系统需要精确授时与同步各模块工作问题,结合标校系统的需求,提出基于GPS技术来授时同步标校系统的设计方案。该方案通过采用ARM处理器和GPS芯片,合理运用嵌入式开发有关技术,完成了系统授时同步功能的软...
  • 基于GPS北斗卫星授时系统和NTP网络授时服务器的设计与开发 安徽京准科技提供@请勿转载@@ 更多资料请参考—— ahjzsz.com 天文观测设备对于控制系统的时间准确度有严格要求。为此,采用搭建高精度NTP服务器的方法实现...

    基于GPS北斗卫星授时系统和NTP网络授时服务器的设计与开发

    安徽京准科技提供@请勿转载@@ 更多资料请参考—— ahjzsz.com

    天文观测设备对于控制系统的时间准确度有严格要求。为此,采用搭建高精度NTP服务器的方法实现系统校时。基本思路是从NMEA018 3数据中提取时间信息,通过PPS信号来保证高精度。具体实现方法是采用GPS接收模块G591来构造硬件电路,软件部分需要NTP服务器软件和GPS的正确安装和配置。对照实验表明,基于GPS的NTP服务器校时精度可以达到微秒量级,工作性能稳定而可靠。

    0
    引言
    准确的时间是天文观测所必需的。天文望远镜在特定时间内的准确指向、CCD曝光时间的控制以及不同波段观测数据所进行的高精度同步比对等应用需要系统至少有亚毫秒的时间准确度。然而就目前来看,一般的计算机和嵌入式设备所使用的晶体振荡器的精度为几个或者几十个ppm(百万分之一秒),并且会受温度漂移的影响,使得每天的误差能够达到秒级,若再考虑元器件的老化或外界干扰等因素,误差可能会超过10 s,如果不及时校正,其误差积累将不可忽视。
    网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是美国特拉华大学的MILLS David L.教授在1982年提出的,其设计目的是利用互联网资源传递统一和标准的时间。目前,使用GPS信号实现校时的研究工作很多,大多只是通过读取GPS模块解码出的串行数据,提取其中的时间信息来纠正系统时钟,该过程并不涉及NTP的使用,精度较低,一般为几十到几百毫秒。对此,本文充分利用了NTP服务器软件对GPS时钟源的支持,采用串行数据和秒脉冲相结合的方式来校准时间,校时精度大为提高。

    1 GPS同步时钟的校时方式
    1.1 GPS介绍
    GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是20世纪70年代美国研制的新一代卫星导航、授时、定位系统。24颗专用的GPS卫星上都各自带有原子钟,能够全天候向地面广播精确的UTC标准时间。在许多通用GPS解码芯片解码出的数据流中,除了有位置信息,还包含时间信息(年月日时分秒)和PPS(Pulseper Second,秒脉冲信号),PPS标识了时间信息的起点,其精确度可以到微秒量级。
    1.2 校时方式介绍
    NTP是用来使计算机时间同步化的一种协议,其同步时钟源不仅仅局限于网络的时间服务器,还包括时钟设备,如石英钟,原子钟,GPS接收器等。NTP服务器软件将这些时钟源抽象成相应的数据结构,对应于不同的内存地址,通过读取该地址中的信息,进行统计学算法的处理来同步计算机的时钟。
    使用GPS作为同步时钟源的校时方案主要有三种:脉冲同步方式、串行同步方式和综合方式。本文采用的GPSD校时方案是综合方式。三种方式的对照如表1所示。

     


    1.3 基于GPSD的综合校时
    GPSD(GPS Daemon)是一个守护进程软件,用来处理GPS接收单元解码出的数据。基于GPSD综合校时的具体过程如图1所示。GPS天线接收GPS信号,传递给G591芯片进行解码,每秒输出NMEA0183协议格式的数据和PPS信号,MAX 232完成电平转换之后,分别经由串口的RXD和DCD端传递给计算机;GPSD软件经过处理,将准确的时间信息写到特定内存段中;NTP服务器软件通过共享内存的方式读取该地址段中的时间信息,进而完成校正系统时钟的工作。

     


    基于GPSD综合校时方案是一种优势互补的校时方式。这种方式继承了NMEA串行校时方式可以获取时间信息的优势,同时利用了PPS脉冲校时延时估计误差小、精度高的特点,是一种简便有效的校时方案。

    2 系统设计实现
    2.1 硬件平台
    GPSD综合校时方案需要的硬件设备分为三个部分:GPS天线、GPS接收器和与GPS接收器连接的计算机,其相应的功能和应用如下:
    (1)GPS天线用于接收GPS信号。本文采用的是磁吸式GPS天线,使用时要水平放置,最好置于开阔地,如天窗、窗台、阳台等;
    (2)GPS接收器由电源、GPS接收和电平转换三个模块构成如图2所示。GPS接收模块采用JRC(Japan Radio Company)设计的G591芯片,该芯片支持多达210 PRN通道,输出数据为NMEA0183协议的串行数据,波特率为9 600 b/s,适用于各种相关开发。在本设计中,G591主要用来获取时间信息和PPS信号,不涉及定位导航;电源模块采用的是AMS(Advanced Monolithie Systems)设计的AMS1117-3.3芯片,该芯片输出电压为3.3 V,最大输出电流为1 A,用来给G591和MAX232供电;电平转换模块主要采用MAXIM公司设计的MAX232芯片,该芯片负责把G591输出的CMOS电平转换成RS 232电平,供串口读取。

     


    (3)计算机设备用于处理GPS数据,要求支持串口和网口等设备,以实现GPS数据接收和校时输出。
    硬件平台搭建好了之后,本文对PPS信号和NMEA0183串行数据进行了相应的调试。对PPS信号的调试采用的是硬件方式,使用示波器来观察GPS接收器是否有秒脉冲信号输出,若天线和接收器工作正常,会检测到PPS端有脉宽为100 ms的秒脉冲输出;对NMEA数据的调试采用的是软件方式,使用Windows操作系统自带的超级终端或Linux操作系统的minicom等工具来读取串口,检测数据是否正常,正确的输出结果是NME A0183串行数据。
    若由于天线或气象原因,G591模块没有接收到信号,则不会产生PPS信号,同时NMEA0183语句中的GPRMC语句的标志位也会变成无效。
    2.2 软件平台
    2.2.1 安装过程
    本文使用的是Ubuntu 11.04操作系统,内核版本是2.6.38;需要的软件包有setserial,gpsd,gpsd-cli-ents,python-gps,ntp。在终端中使用Ubuntu自带的apt-get命令安装这些软件包,然后分别作出相应的设置:
    (1)setserial的版本是2.17,该软件是用来对串口进行相应的设置。为了能够让串口识别PPS信号,要对setserial的配置文件修改。在autoserial.conf中对接收GPS数据的串口添加low_latency关键字。
    (2)gpsd的版本是2.95。安装完成后,使用dpkgreconfigure命令要对gpsd重新进行配置,使其能够开机自动运行,读取串口数据。此外gpsd的调试方法也十分简便。如果放在后台执行,可以通过系统日志文件查看其工作状况;gpsd也可以在前台运行,通过进入调试模式来检查时间信息和PPS信号的捕获情况,详见gpsd的使用说明。
    (3)ntp的版本是4.2.6。安装完成后,要对NTP的配置文件ntp.conf进行修改。NTP服务器的正确配置决定了最终的时间同步结果。本设计选用的时间服务器只有GPS时钟源,具体配置如下:

    Linux操作系统从2.6.34版本开始支持PPS中断源,而本文采用的方案是通过共享内存的方式传递时间信息,会与PPS中断源发生冲突,所以要禁止掉内核响应PPS。127.127.28.1对应于NTP定义的一个内存段地址,gpsd进程就是通过这个地址向NTP传递时间信息。
    2.2.2 结果
    NTP服务器安装后的调试工作可以通过参照系统和NTP的日志文件,以及查看串口状态等操作来进行。本文总结了NTP服务器正常工作的必要条件:正确的配置、可用的网络、有效的GPS信号、没有其他进程占据GPS时钟源使用的串口。当NTP服务器正常工作时,使用其自带的ntpq程序可以查看NTP的工作状态,即校时的效果。如果GPS设备正常工作,NTP服务器几秒钟后就能锁定GPS时钟源,输出结果如下所示:



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    测试与分析
    3.1 对照实验
    要衡量校时系统的好坏,偏移量(offset)和抖动(jitter)是重要的参考指标。本文为验证GPS校时的有效性和可行性设计了对照实验。实验内容是测试一台计算机分别采用网络校时、串行校时以及基于GPSD的综合校时三种方式的校时效果。网络校时采用的服务器为国家授时中心的NTP服务器,地址是:210.72.154.44;串行校时只需要向NTP配置文件中添加server 127.127.28.0;
    通过编写shell脚本程序实时记录偏移量和抖动的情况。shell脚本程序主要功能是每16 s执行一次“ntpq-p”命令,将偏移量和抖动的结果输出到一个文件。

     


    计算机设备通过互联网与网络时间服务器进行同步的结果,如图3所示,实验时间为24 h。从图中可以看出经过约7 h的锁定过程,NTP软件通过网络时间服务器将系统时钟的偏移量从约80 ms稳定到10 ms以下,抖动通常能稳定在20 ms以下,但部分时段也能够达到50 ms以上。
    NTP支持的NMEA串行方式的校时结果如图4所示,实验时间为24 h。可以看出,该方案的时钟偏移量和抖动在几十毫秒的范围内变化很快,NTP难以将时钟稳定到一个更小的范围。

     


    采用基于GPSD综合方式的校时锁定过程如图5所示,实验时间为8 h。该过程持续了近8 h,时钟偏移从-18 ms稳定到10μs左右,而抖动从4 ms稳定到10μs以下。

     

    采用基于GPSD综合方式的校时稳定过程如图6所示,实验时间为24 h。可以看出,该方案的时钟偏移和抖动明显优于前两种方案,偏移量通常低于30μs,抖动也不超过50μs。这期间,从大约14 h开始偏移量恒为49μs,抖动恒为0μs,并持续了约3 h;之后偏移和抖动又分别从-230μs和60μs逐渐稳定到10μs以下。这种现象的原因是GPS信号不好,GPSD不再更新时间信息,使得NTP处于等待状态造成的。当3 h之后GPS信号再次有效时,校时系统自动开始重新锁定,无需人工干预。参考相关实验结果,证明了本实验结果的正确性。

     


    3.2 数据分析
    表2对三种校时结果数据进行了统计分析。结合图表分析可以看出,使用网络时间服务器,虽然校时工作较为稳定,但精度较低,维持在几个到几十个毫秒,主要的原因是网络传输延时的不确定性;采用单一的NMEA0183串行数据进行校时,效果并不理想,抖动太大,稳定性差,主要的原因是硬件资源分配过程中存在的随机性,使得NMEA串行数据的处理速度有随机偏差;本文采用的NMEA和PPS综合校时方案取得了较为理想的效果。授时精度可达微秒级,比上述两种方式提高了至少两个数量级。这种方式充分发挥了脉冲校时精确度高的特点,又保留了串行校时的时间信息,实现了优势互补。

     

     

    4 结语
    经过多次实验反复验证,本文采用的基于GPSD综合校时方案是一种行之有效的高精度校时方案,不仅实现了单机的精确校时,也可以通过网络提供NTP服务;相比于Linux PPS高精度校时方法,该方案操作简单,可扩展性好,校时精度同样可以达到微秒量级,能够满足大部分天文观测设备的校时需要。

    展开全文
  • gps授时时系统

    2013-03-19 21:32:50
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