北斗對(duì)時(shí)器（網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)器）帶你了解衛(wèi)星授時(shí)

北斗對(duì)時(shí)器（網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)器）帶你了解衛(wèi)星授時(shí)

京準(zhǔn)電子科技官微—ahjzsz

一、引言

    對(duì)于一個(gè)進(jìn)入信息社會(huì)的現(xiàn)代化大國(guó)，導(dǎo)航定位和授時(shí)系統(tǒng)是重要的，而且也是關(guān)鍵的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施之一。精密時(shí)間是科學(xué)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)諸方面的基本物理參量。它為一切動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和時(shí)序過程的測(cè)量和定量研究提供了*的時(shí)基坐標(biāo)。精密授時(shí)在以通信、電力、控制等工業(yè)領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域有著廣泛和重要的應(yīng)用。現(xiàn)代武器實(shí)（試）驗(yàn)、戰(zhàn)爭(zhēng)需要它保障，智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)的建立和數(shù)字化地球的實(shí)現(xiàn)需要它支持。現(xiàn)代通信網(wǎng)和電力網(wǎng)建設(shè)也越來越增強(qiáng)了對(duì)精度時(shí)間和頻率的依賴。從建立一個(gè)現(xiàn)代化國(guó)家的大系統(tǒng)工程總體考慮，導(dǎo)航定位和授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該說是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。它對(duì)整體社會(huì)的支撐幾乎是，星基導(dǎo)航和授時(shí)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

    目前的衛(wèi)星授時(shí)同步技術(shù)主要有美國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS、俄羅斯的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS、中國(guó)的北斗一號(hào)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和歐盟的伽利略導(dǎo)航定位系統(tǒng)Galileo,基于授時(shí)的安全考慮，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電力企業(yè)主要依賴衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS時(shí)間同步技術(shù)，但GPS受美國(guó)限制，且GPS是免費(fèi)使用，因此可靠性低，自主性差。為了滿足電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)及管理業(yè)務(wù)等方面對(duì)時(shí)間的需求和安全需要，有必要對(duì)北斗一號(hào)授時(shí)時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行研究和推廣應(yīng)用。在本文中只介紹北斗授時(shí)技術(shù)及在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。

    本文所指的時(shí)間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及通過網(wǎng)絡(luò)連接的各個(gè)應(yīng)用界面時(shí)鐘的時(shí)刻和時(shí)間間隔與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）同步。

二．北斗授時(shí)原理及特點(diǎn)

    1．北斗一號(hào)授時(shí)原理

    授時(shí)是指接收機(jī)通過某種方式獲得本地時(shí)間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差，然后調(diào)整本地時(shí)鐘使時(shí)差控制在一定的精度范圍內(nèi)。

    衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常由三部分組成：導(dǎo)航授時(shí)衛(wèi)星、地面檢測(cè)校正維護(hù)系統(tǒng)和用戶接收機(jī)。對(duì)于北斗一號(hào)局域衛(wèi)星系統(tǒng)，地面檢測(cè)中心要幫助用戶一起完成定位授時(shí)同步。北斗授時(shí)系統(tǒng)圖示1.

圖1 北斗一號(hào)授時(shí)系統(tǒng)工作示意圖

    在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，授時(shí)用戶根據(jù)衛(wèi)星的廣播或定位信息不斷的核準(zhǔn)其時(shí)鐘鐘差，可以得到很高的時(shí)鐘精度；根據(jù)通播或?qū)Ш诫娢牡臅r(shí)序特征，通過計(jì)數(shù)器，可以得到高精度的同步秒脈沖1pps信號(hào)，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(hào)”為用戶機(jī)提供兩種授時(shí)方式：?jiǎn)蜗蚴跁r(shí)和雙向授時(shí)。單向授時(shí)的精度為100ns，雙向授時(shí)的精度為20ns。在單向授時(shí)模式下，用戶機(jī)不需要與地面中心站進(jìn)行交互信息，只需接收北斗廣播電文信號(hào)，自主獲得本地時(shí)間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步；雙向授時(shí)模式下，用戶機(jī)與中心站進(jìn)行交互信息，向中心站發(fā)射授時(shí)申請(qǐng)信號(hào)，由中心站來計(jì)算用戶機(jī)的時(shí)差，再通過出站信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶按此時(shí)間調(diào)整本地時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)對(duì)齊。

    1.1 單向授時(shí)

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

    地面中心站在出站廣播信號(hào)的每一超幀單向授時(shí)就是用戶機(jī)通過接收北斗通播電文信息，由用戶機(jī)自主計(jì)算出鐘差并修正本地時(shí)間，使本地時(shí)間和北斗時(shí)間同步。周期內(nèi)的幀數(shù)據(jù)段發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北斗時(shí)間（天、時(shí)、分信號(hào)與時(shí)間修正數(shù)據(jù)）和衛(wèi)星的位置信息，同時(shí)把時(shí)標(biāo)信息通過一種特殊的方式調(diào)制在出站信號(hào)中，經(jīng)過中心站到衛(wèi)星的傳輸延遲、衛(wèi)星到用戶機(jī)的延遲以及其它各種延遲 （如對(duì)流層、電離層、sagnac效應(yīng)等）之后傳送到用戶機(jī)，也就是說用戶機(jī)在本地鐘面時(shí)間為觀測(cè)到衛(wèi)星的時(shí)間， 由用戶機(jī)測(cè)量接收信號(hào)和本地信號(hào)的時(shí)標(biāo)之間的時(shí)延獲得，后則根據(jù)導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星位置信息、延遲修正信息以及接收機(jī)事先獲取的自身位置信息計(jì)算。

    一般來說，對(duì)已知精密坐標(biāo)的固定用戶，觀測(cè)1顆衛(wèi)星，就可以實(shí)現(xiàn)精密的時(shí)間測(cè)量或者同步。若觀測(cè)2顆衛(wèi)星或者更多衛(wèi)星，則提供了更多的觀測(cè)量，提高了定時(shí)的穩(wěn)健性。

圖2 北斗一號(hào)單向授時(shí)機(jī)原理框圖

1.2 雙向授時(shí)

    雙向授時(shí)的所有信息處理都在中心控制站進(jìn)行，用戶機(jī)只需把接收的時(shí)標(biāo)信號(hào)返回即可。為了說明方便，給出簡(jiǎn)化模型：中心站系統(tǒng)在T0時(shí)刻發(fā)送時(shí)標(biāo)信號(hào)ST0，該時(shí)標(biāo)信號(hào)經(jīng)過延遲后到達(dá)衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后經(jīng)到達(dá)授時(shí)用戶機(jī)，用戶機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行的處理也可看做信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過空間的傳播時(shí)延到達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星把接收的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過空間的傳播時(shí)延傳送回中心站系統(tǒng)。也即表示時(shí)間T0的時(shí)標(biāo)信號(hào)ST0，終在T0 + + + + 時(shí)刻重新回到中心站系統(tǒng)。中心站系統(tǒng)把接收時(shí)標(biāo)信號(hào)的時(shí)間與發(fā)射時(shí)刻相差，得到雙向傳播時(shí)延 + + + ，除以2得到從中心站到用戶機(jī)的單向傳播時(shí)延。中心站把這個(gè)單向傳播時(shí)延發(fā)送給用戶機(jī)，定時(shí)用戶機(jī)接收到的時(shí)標(biāo)信號(hào)及單向傳播時(shí)延計(jì)算出本地鐘與中心控制系統(tǒng)時(shí)間的差值修正本地鐘，使之與中心控制系統(tǒng)的時(shí)間同步。

圖3 北斗一號(hào)雙向授時(shí)機(jī)原理框圖

    1.3 雙向授時(shí)和單向授時(shí)的對(duì)比

    （1）從雙向授時(shí)和單向授時(shí)的原理：介紹中可以看出，雙向授時(shí)和單向授時(shí)的主要差別在于從中心站系統(tǒng)到用戶機(jī)傳播時(shí)延的獲取方式：?jiǎn)蜗蚴跁r(shí)用系統(tǒng)廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計(jì)算模型由用戶機(jī)自主計(jì)算單向傳播時(shí)延，衛(wèi)星位置誤差、建模誤差（對(duì)流層模型、電離層模型等）都會(huì)影響該時(shí)延的估計(jì)精度，從而影響終的定時(shí)精度；雙向授時(shí)無需知道用戶機(jī)位置和衛(wèi)星位置，通過來回雙向傳播時(shí)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(jì)精度較高。在北斗系統(tǒng)中單向授時(shí)精度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)值為100ns，雙向授時(shí)為20ns，實(shí)際授時(shí)用戶機(jī)的性能通常優(yōu)于該指標(biāo)。

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

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

    2. 北斗授時(shí)的特點(diǎn)

    (1) 北斗授時(shí)精度優(yōu)于20~100ns，精確程度高；

    (2) 授時(shí)系統(tǒng)及設(shè)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(yīng)用范圍：航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險(xiǎn)、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等。

三、北斗授時(shí)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

    目前電力系統(tǒng)內(nèi)部各送端、受端的分布廣泛而分散，自動(dòng)化裝置內(nèi)部都帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其固有誤差難以避免，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，積累誤差會(huì)越來越大，會(huì)失去正確的時(shí)間計(jì)量作用。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘能夠的時(shí)間同步，達(dá)到全網(wǎng)的時(shí)間統(tǒng)一，一直是電力系統(tǒng)追求的目標(biāo)。若在各端安裝一臺(tái)北斗授時(shí)機(jī)，則北斗授時(shí)機(jī)的高精度就能保證各地時(shí)間信號(hào)與UTC的相對(duì)誤差都不超過20～１００ns。這種衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的高精度時(shí)間同步在電力系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量中具有*的利用價(jià)值。

    在實(shí)際應(yīng)用中，使用衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)進(jìn)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(hào)接收端得到pps的秒脈沖信號(hào)或者使用再由此信號(hào)得到PPM、PPH脈沖信號(hào)，同步啟動(dòng)多通道的數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)字控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同步打開或關(guān)閉各個(gè)通道開關(guān)；還用于測(cè)量判斷，制作精確時(shí)間標(biāo)簽，如電力系統(tǒng)中的各種故障定位等。在授時(shí)設(shè)備中，接收端每秒鐘向外發(fā)送1PPS秒脈沖和定位、時(shí)鐘信息。PPS秒脈沖信號(hào)與外傳數(shù)據(jù)信息有嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系，在使用中，還可能實(shí)現(xiàn)時(shí)間轉(zhuǎn)換。

圖4 北斗一號(hào)授時(shí)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用原理框圖

    電力系統(tǒng)時(shí)間同步需求表１

業(yè)務(wù)系統(tǒng) 信號(hào)類型 信號(hào)精度 信號(hào)接口

線路行波故

障測(cè)距裝置 秒脈沖及時(shí)間報(bào)文 1us 靜態(tài)空接點(diǎn)

雷電定位系統(tǒng) 秒脈沖及時(shí)間報(bào)文 1us RS一232

功角測(cè)量系統(tǒng) 秒脈沖及時(shí)間報(bào)文 40us RS一232

故障錄波器 IRIG-B或分脈沖及時(shí)間報(bào)文 1ms RS一422

事件順序記錄裝置 IRIG一B或分脈沖及時(shí)間報(bào)文 1ms RS一422

微機(jī)保護(hù)裝置 IRIG一B或分脈沖及時(shí)間報(bào)文 １０ms RS一232

RTU IRIG-B或分脈沖及時(shí)間報(bào)文 1ms RS-422

各級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng) IRIG-B或分脈沖及時(shí)間報(bào)文 1ms RS一232

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

自動(dòng)記錄儀表 IRIG-B或分脈沖及時(shí)間報(bào)文 10ms RS一232

負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng) 時(shí)間報(bào)文 ≤0.5s RS-422

    近年來，隨著電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)水平的提高，大部分變電站采用綜合自動(dòng)化方案，遠(yuǎn)方集中控制、操作，既提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，又減少了認(rèn)為誤操作的可能。因此，自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間同步要求是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求。為了保證電網(wǎng)安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，各種以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化裝置廣泛應(yīng)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(shí)間基準(zhǔn)。

結(jié)語

     北斗衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，深入日常生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)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(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)鐘授時(shí)和同步數(shù)據(jù)采集控制，在工控時(shí)間同步方面具有廣闊的應(yīng)用前景。利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行物體定位、時(shí)鐘授時(shí)與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量控制手段所不及的精確程度，在航海航空、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險(xiǎn)、地理測(cè)量、氣象預(yù)報(bào)、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面應(yīng)用日益廣泛。