卫星钟原理与应用.

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1、卫星钟原理与应用 英达康 华志斌 主要内容 n什么是卫星钟 nGPS简介 n北斗简介 n卫星钟天线安装注意事项 n电力系统常用对时信号介绍 n卫星钟常见术语释义 nIDC520介绍 nIDC510A介绍 nIDC540介绍 什么卫星钟 n卫星钟是一种授时设备，它通过接收卫星 信号，解算并重建当地时间，通过适当的 对时信号为需要授时的设备提供对时服务 。可以提供定时服务的卫星系统目前有 GPS,GLANASS,北斗和在建的伽利略系统 。目前国内主要使用GPS和北斗系统。 GPS简介 nGPS是由美国军方研制并控制的卫星导航 定位系统，1993年建成使用，该系统含24 颗卫星（不计备份星），卫星运

2、行周期为 12小时，该星座设计使地球上98的地方 在任意时间可视4颗以上的卫星，理论上接 收机接收到4颗卫星的信号就可以确定接收 天线点的地理位置和当前时间。 北斗系统简介 n北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主发展、独立运行 的全球卫星导航系统。 目前投入使用的为1代北斗系统， 由位于地球同步轨道的3颗卫星组成（不含备份星），北 斗二代正在建设中，系统全部建设完成后将由5颗静止轨 道和30颗非静止轨道卫星组成。1代北斗系统下，注册的 正式北斗用户可通过问答方式得到定位和对时服务，非注 册用户可以通过设定海拔高

3、度获得自主对时服务。 卫星天线安装注意事项 n请保持卫星天线垂直向上的姿态 n注意使卫星天线有尽量大的可视空域，特别是1代 北斗只有3颗同步静止轨道卫星，任何南向空域的 遮挡都将影响系统的正常工作。 n注意卫星天线不要小弧度弯折，保持天线外保护 层的完好，天线馈线不能硬力拉扯，天线馈线不 要与干扰性电缆平行铺设，馈线防雷器注意接地 ，天线馈线不能随意延长 电力系统常用对时信号介绍 nPPS/PPM/PPH 秒脉冲/分脉冲/时脉冲 秒/分/时脉冲在整秒、整分、整时的准时延发生跳变，输出一个脉冲， 一般脉冲长度在100毫秒到200毫秒之间，本公司设备默认均输出200毫 秒的脉冲。卫星钟以光耦方式无

4、源输出，输出电路原理图为 为给其它设备对时，需要根据要求接入直流电源，脉冲信号设计容量为 20毫安，根据接入的直流电源电压确定串入的电阻的大小和功率，常用 使用原理图为： 在个别现场也有使用RS485或TTL电平发送对时脉冲信号的。 n串口报文对时 一般通过RS232或RS485方式发送对时报文，本公司卫星钟目前支持两种格 式的对时报文，分别满足“上海电网GPS时间同步系统技术原则”(简称“上海格 式”）和“电力系统时间同步系统规范”（简称“电力格式”），这两种报文都属于 广播报文，每秒广播一帧，每帧首字节的起始位对应该秒的准时沿。设备出 厂时默认输出“上海格式”，下面介绍“上海格式”，“电力

5、格式”请参考说明书。 HH LH HM LM HS LS HD LD HM LM TY HY TY EY DD TP HP TP HP C 0DH 同 帧 时 时 分 分 秒 秒 日 日 月 月 年 年 年 年 校 标 频 频 频 频 频 频 结 步 头 十 个 十 个 十 个 十 个 十 个 千 百 十 个 验 准 率 率 率 率 率 率 束 标 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位 字 时 帧 十 个 十 百 报 符 志 节 结 头 位 位 分 分 文 位 束 校 验 当装置锁定有效对时信号发送S，否则就停发S，S的ASCII码为53H；为 发送时间信息的信息头，T的

6、ASCII码为54H，因为本厂的卫星钟都内置守时 模块，精度较一般设备的内部晶振精度高2个数量级以上，当被对时设备收到 不带(S)的报文时仍使用该报文进行对时，除非设备接冗余的对时通道，可通 过该字节判断哪个报文更准确。当卫星钟没安装测频模块时，与频率相关的 帧尾部不出现。对时报文默认设置9600bps，一个起止位，8个数据位，一个 结束位。 nIRIG-B对时信号 IRIG-B对时信号有时又简称B格式，最早的B格式信号为方便磁带机记录是通过 幅值调制调制在1K Hz的正弦信号上的，现在称这种B格式为交流B格式，也叫B 格式AC码。由于其对时精度不高，使用不方便，已不长使用，现在常用的B格式

7、为方波B格式，也叫B格式DC码，通常通过RS485发送，极少数场合有要求TTL 电平发送的。 B格式信号每秒发送一帧，每帧含100个码元，每个码元宽度为10毫秒，共有3种 码元，分别对应P码、1码和0码，通过不同的占空比来进行区分，如下图所示： 需要注意的一点是，国际上最早的B格式中不含有年信息，后来在其控制 字段扩展了年信息，我国电力行业B格式中的年信息定义与国际标准相同 ，本公司所有产品的B格式中都含有符合国际标准的年信息。交流格式的 年信息见下图，调制比未严格定义，通常未3:12:1。 P码 1码0码 nNTP/SNTP网络对时 网络时间协议NTP（Network Time Protoc

8、ol）是用于互联网中时间同步的标 准互联网协议。NTP的用途是把计算机的时间同步到某些时间标准。NTP的 设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性。NTP提供的机制严格、实用、 有效，采用了Client/Server结构，具有相当高的灵活性，适应于在各种规模 、速度和连接通路情况的互联网环境下工作。在通常的环境下，NTP提供的 时间精确度在WAN上为数十毫秒，在LAN上则为亚毫秒级或者更高。 正是由于NTP考虑了互联网上的各种复杂情况，使其使用复杂，这导致了其 简化版即简单网络时间协议(SNTP)的出现。NTP协议适用于同步因特网上的 计算机时钟。当不须要实现RFC 1305 所描述的NTP完全

9、功能的情况下，可 以使用SNTP。它是一个简化了的NTP服务器和NTP客户端策略。SNTP 被设 计在一个专门的服务器( 包括一台集成的无线电时钟)里操作。SNTP往往只用 于局域网对时。由于NTP与SNTP的报文格式是相同的，所以在局域网里NTP 的sever也可以给SNTP client对时，反之亦然。本公司的网络对时插件严格 的说是SNTP server。 nIEEE1588 PTP协议网络对时 IEEE 1588（网络测控系统精确时钟同步协议）最初由Agilent Laboratories（ 安捷伦实验室）的John Eidson以及来自其它公司和组织的12名成员开发，后 来得到IEE

10、E的赞助，并于2002年11月得到IEEE批准。现在已发展到V2版， 本公司的产品支持V2版，V1版的功能还未得到验证。 IEEE 1588的基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与其他时钟保持同 步，它定义了一种精确时间协议PTP（Precision Time Protocol），用于对标 准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其 他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。该协议为小型同构或异构局域网设 计，设计者特别注意降低资源使用，使其可以在低成本终端设备上应用。该 协议对内存及CPU性能没有特殊的要求，只需要最小限度的网络带宽。 需要注意的是，PTP协议尽管没有明确要

11、求硬件支持，但是仅仅通过软件手 段实施PTP将严重影响所能达到的同步精度。特别是对于交换机，如果以太 网交换机不支持PTP边界时钟或透传时钟，由于报文交换所造成的包传递延 迟抖动将使PTP难以达到亚微秒的精度。目前，点对点PTP对时通常都能达 到好于0.1微秒的精度。 卫星钟常见术语释义 nUT1时间 简单的说，当时根据天文观测规定的时间叫做 UT1 (Universal Time)。 nUTC时间 UTC称为协调世界时 Universal Time Coordinated，它是由国际计 量局（BIPM）、国际地球自转服务(IERS)组织产生和保持的国际通用 的官方时间系统，它采用国际原子时所

12、定义的秒长，通过闰秒的方法 使其时刻与世界时UT1接近，它与UT1的最大偏差不大于1秒。 由中国科学院国家授时中心(NTSC)产生、保持和发播的我国标准时间 UTC（NTSC），与协调世界时UTC的偏差保持在50ns之内。 n闰秒 正是因为UTC与UT1会形成累积误差，当误差累积到一定程度（大于 0.9秒）是，就通过增加或减少闰秒的办法进行解决。优选每年的6月 份或12月份的最后一秒位置进行闰秒操作，次选每年的3月或9月的最 后1秒位置进行闰秒操作。 n北京时间 Beijing Standard Time， BST 北京时间是我国公认的全国统一的标准时间,采用东8时区的标准区时 （Standa

13、rd Zone Time），它比UTC提早8小时整，即北京时间 = UTC + 8h。本标准中涉及的时间，除特别注明外，均采用北京时间。 n时间准确度 Time Accuracy 时钟输出（输入）的时间信号与时间编码信息（时码和1 PPS等） 相 对于标准时间（如北京时间）的偏差，称为时间准确度。时间精度的 单位就是时间单位，比如秒，毫秒，微秒。本公司的时钟产品在同步 后时间准确度都好于1微秒，一般为0.5微秒。 n守时精度 当时钟产品不能被外部的标准时间信号同步时，时钟靠内置的守时模 块维持走时，守时模块的频率精度就是守时精度，一般用ppm为单位 ，1ppm就是百万分之一，是指每过1秒钟时钟

14、偏差1微秒。本公司的 520时钟守时精度好于0.1ppm，540时钟守时精度好于0.01ppm。 IDC520 GPS卫星钟简介 nIDC520 GPS卫星钟定位为单体卫星种，也可以作为时钟同 步系统的子钟运行。基本配置为支持GPS与B格式两路时源 输入，支持16路脉冲输出，3路RS232对时报文输出，带工 频测量功能，1路RS485格式的B码输出，带告警空接点。 通过时钟的4个插槽可以扩展B格式输出，RS485报文输出 ，RS232报文输出或脉冲输出，如果单钟输出信号路数不 够，可以通过外扩信号扩展盒来扩展485方式的B格式或分 秒脉冲。 注意，520卫星钟不支持NTP对时，不支持交流B格式对时 ，