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1、时钟系统时钟系统是城市轨道交通运行的重要组成部分之一，其主要作用是为城轨工作人员和乘客提供统一的标准时间，并为其他各相关系统提供统一的标准时间信号，使各系统的定时设备与本系统同步，从而实现城轨全线统一的时间标准。提供时间信息的时钟系统分为一级母钟系统与二级母钟系统，一级母钟系统安装在控制中心，二级母钟系统安装在各车站和车辆段，用以驱动分布在站（段）内的子钟显示正确的时间。城轨时钟系统所采用的标准时钟设备，在输出时间信号的同时，亦输出为通信设备提供的时钟同步信号，使各通信节点设备能同步运行。亦可另行配置通信综合定时供给系统（BITS ） ，单独提供时钟同步信号。如上所述，城轨同步系统分为两类：一
2、类是基于协调世界时（UTC）组建的时间同步系统；另一类是用于数字通信设备的时钟同步系统（或数字同步系统） 。时间同步系统定时（例如每隔 1s 或 1min）输出标准时间（年、月、日、时、分、秒、毫秒）信号；而时钟同步系统则输出高稳定度、连续的正弦波或脉冲信号。第一节时钟系统技术基础一、时间的概念一般来说，任何一个周期运动只要具有下列条件，都可以成为确定时间的基准。运动是连续的、周期的。运动的周期具有充分的稳定性。运动的周期必须具有复现性，即要求在任何地点与时间，都可以通过观察和实验复现这种周期运动。最常用的时间系统有三大类：世界时、原子时与力学时。力学时系统通常在天文学中使用，在这里不作介绍。
3、1世界时系统世界时系统是以地球自转运动为基准的时问系统。由于观察地球自转时所选择空间参考点的不同，世界时系统又有几种形式：恒星时、平太阳时和世界时。以平子夜为零时起算的格林威治平太阳时称为世界时。平太阳时是地方时，地球上各地点的平太阳时不同。为了使用方便，将地球按子午线划分为 24 个时区，每个时区以中央子午线的平太阳时为该区的区时。零时区的平太阳时即为世界时。由于地球自转轴在地球内部的位置是不固定的（极移） ，而且地球自转速度是不均匀的，它不仅包含有长期减缓的趋势，还包含一些短周期的变化和季节性的变化。因此世界时不是一个严格均匀的时间系统。2原子时系统（1）原子时原子秒定义为：铯原子 133
4、 原子基态两个超精细结构能态间跃迁辐射的电磁振荡9192631770 周所经历的时间，为 1 原子秒。原点定义为 1958 年 1 月 1 日的世界时。经过国际上 100 多台原子钟的相互对比，并经数据处理推算出统一的原子时，称为国际原子时。（2）协调世界时（UTC）原子时虽然是秒长均匀、稳定度很高的时间系统，但与地球自转无关。世界时虽然不均匀，但与地球自转精密相关。原子时的秒长与世界时的秒长不等，大约每年差 1 秒。为了协调原子时与世界时的关系，建立了一种折中的时间系统，即为协调世界时（UTC） 。根据国际规定，协调世界时的秒长采用原子时的秒长，其累计时刻与世界时刻之差保持在 0.9 秒之内
5、，当超过时，采用跳秒（闰秒）的方法来调整。闰秒一般规定在 6 月 30 日或 12 月 3 1 日最后 1 秒时加入。具体日期由国际时间局在两个月之前通知各国。目前，世界各国发布的时间（包括中国的北京时间） ，均以 UTC 为基准。（3）GPS 时间系统（GPST）为了定位的需要，全球定位系统（GPS）建立了专用的时间系统（GPST） 。GPST 属原子时系统，秒长与原子时的秒长相同，但原点不同。GPST 原点定在 1980 年 1 月 6 日 0 时，与 UTC 时刻一致。因此 GPST 与 UTC之间的差值为秒的整数倍，1999 年差值为 19 秒。由上可见，使用 UTC 作为基准时钟，具
6、有最大的公信力。而采用 GPS 接收机输出的ToD 时间信息，获得精确的 UTC 及北京时间，又是最为经济、便捷的方法。二、时钟同步技术在时钟同步系统中，时钟源的精度、时钟信号的传输方式和同步方式是同步技术中的关键部分，它们将直接影响到系统的精度。1时钟源的精度目前常见的时钟源有石英晶振、铯原子钟、铷原子钟等，它们可达到的精度为：（1）标准石英晶振：210 -2s/4 h；（2）铯原子钟：110 -6s/1d；（3）铷原子钟：310 -3s/30d。2时钟信号的传输方式目前时钟信号传输的常用物理连接方式为：（1）RS 232/422 串口是最常用的设备外接时钟接口；（2）VME 总线用于工作站
7、的时钟连接；（3）网络时间协议（NTP）用于计算机网络的时钟连接；（4）PCM 用于时钟信号的远距离传输。3时钟信号的同步方式通常采用主从同步方式，由高精度的上级时钟去同步低精度的下级时钟，使下级时钟的精度与上级时钟接近。同步电路一般采用数字锁相环电路。三、时钟信号的格式目前常用的时钟信号的格式主要有 IRIG、DCLS 、ACTS、NTP 等，它们的主要差别为传输介质与信号精度的不同。（1）IRIGIRIG 是由 IRIG（美国靶场仪器组）组织开发，目前分为 A、B、C 、D 、E、F 、G 和H 版本，较常用的是 IRIGB ，其传输介质分为双绞线与同轴电缆，准确度为10100s。（2）D
8、CLSDCLS 是 IRIGB 的一种特殊形式，无传输距离的限制，准确度为 101000s。（3）ACTSACTS 是由美国国家标准和技术研究院提出，无传输距离的限制，准确度为101000s。（4）NTP网络时间协议（NTP）属于标准的 Internet 协议，基于 UDP 报文。用来在 IP 网中提供高精度与高可靠性的时钟信号传输。目前网络中通用的时钟传递格式标准为 1992 年公布的：NTP 版本 3。另外还有秒脉冲（PPS） ，虽然不属于标准的时钟信号格式，但它的应用十分广泛，通常使用同轴电缆传输。四、全球定位系统（GPS）导航卫星定时测距全球定位系统简称全球定位系统（GPS） 。它是一
9、种可以定时和测距的导航系统，可向舰船、飞机和车辆提供全球、全天候、连续、实时服务的高精度三维位置、三维速度和时间信息。1994 年 7 月美国完成目前在轨的 24 颗 GPS 导航卫星的发射。GPS 由空间系统（导航卫星星座） 、地面监控系统和 GPS 接收终端三大部分组成。1空间系统（导航卫星星座）GPS 空间系统在相对赤道倾斜角 55的 6 个轨道上部署了 24 颗卫星。其中的 21 颗为主用的基本星，3 颗为备用星，3 颗在轨的备用星可以随时替代发生故障的其他卫星。导航卫星设计寿命为 7.5 年，轨道距地面高度为 20128 km，运行周期为 12 恒星小时。GPS 的卫星布局可确保覆盖
10、全球，使用户在地平线 10以上的任何地点、任何时刻可以同时收到至少 4（410）颗卫星的信号。足以提供全球任一地点的移动或固定用户作连续实时的三维定位、导航。GPS 导航卫星上装备了无线收发信机、天线、铯原子钟（稳定度为 10-1310 -14） 、计算机、导航电文存储器。每颗卫星以两个 L 波段频率发射无线电载波信号：L1=1575.42 MHz（波长约为 19 cm）L2=1227.60 MHz（波长约为 24 cm）在 L1 载波上测距用 P 码（Precise 精搜索码，码长约 30 m）和 C/A 码（Coarse/Acquisition 粗搜索码，码长约 300 m） 。P 码只供
11、美国军方与授权用户使用，C/A码供民用定位服务。此外，在载波上还调制了 50bit/s 的数据导航电文，其内容包据：卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时问信息和星钟偏差/ 漂移等信息。2地面监控系统地面监控系统负责监控 GPS 的工作，是 GPS 系统的神经中枢，是保证 GPS 协调运行的核心部分。地面监控系统由一个主控站、五个监控站和三个注入站（向卫星发射更新的导航数据）组成，内部各设有一组标准原子钟。（1）主控站主控站负责接收、处理来自各监控站跟踪数据。完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，用以产生向空间卫星发送的更新导航数据。这些更新数据送到注入站，利用 S 频段（1750
12、 1850 MHz）向卫星发射。由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约每天才更新一次。（2）监控站监控站为无人值守站，共有 5 个。除主控站上的监控站外，监控站对卫星进行跟踪与测轨，以 22002300 MHz 频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站。（3）注入站3 个注入站将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入卫星上的导航电文存储器中。3GPS 接收终端GPS 基本定位原理为：位于地面的 GPS 接收机检测 GPS 卫星发送的扩频信号，通过相关运算获取到达时间（ToA ）信息
13、并由此计算出卫星到接收机的距离，再结合卫星广播的星历信息计算卫星的空间位置，完成定位计算。有 3 颗卫星时，若卫星与接收机钟差很小即可实视二维定位，4 颗可见卫星可实现三维定位，更多的可见卫星可提高定位精度。GPS 接收机在全球任何地方，任何时刻均能接收到至少 4 颗卫星信号，终端可根据接收到多颗卫星的导航信息，计算出自己的三维位置（经纬度与海拔高度） 、运动速度与方向以及精确的时间信息。五、时钟的稳定度与精度以下讨论时钟稳定度与精确度（精度）的定义以及两者之间的关系。时钟稳定度为一段时间内的时钟走时误差；时钟精度为该时钟与标准时间（我国为北京时间）之间的误差。例如，有一块表若每天快慢在 1s
14、 之内，则该表日稳定度为1s/d，若每月快慢在 5s 之内，则月稳定度为5s/月。假设这块表的使用者每天对一次表（校时） ，则该表的精确度为1s/d 或 1s/月；若每月对一次表，则该表的精确度为 5s/d 或5s/月。可见，时钟的精度取决于其稳定度和校正时间的频度。时钟稳定度常用相对值来表示，例如：时钟日稳定度为1s/d，可表为：1s/ （24 h60min60s）=1.157 10-5；时钟月稳定度为5/月可表为：5s/（30d 24h60min60s） =1.92910-6。时钟稳定度用相对值来表示时，通常前面省去符号。时钟稳定度值与测量的持续时间有关，可以有短期、日、月、年（长期）等稳
15、定度，在不注明时间的情况下，一般为年稳定度。当前，人们日常使用的电子钟、表，其驱动源均为晶体振荡器。时钟走时的稳定度完全决定于驱动时钟振荡器的频率稳定度，即晶体振荡器的频率稳定度与时钟稳定度两者具有相同的值。例如：某时钟驱动源的日频率稳定度稳定度为：1.15710 -5，则该时钟的走时日稳定度亦为 1.15710-5（ 1s/d） 。若驱动源采用标称频率为 1MHz 晶体振荡器，则可以推算出驱动该时钟的晶振，每日频率变化小于1.15710 -5106Hz=11.57Hz。即该标称频率为 1MHz 晶体振荡器的日频率稳定度为 1.15710-5，精度为11.57Hz/d（假设在开始测试时振荡器的
16、实际频率等于标称频率） 。由上述讨论可见，时钟同步网与时间同步网的输出信号具有稳定度与精度两个要求。时间同步网输出时间的精度是相对于基准时间（通常为 UTC）的偏差；而时钟同步网输出时钟的精度是相对于标称频率的偏差。六、锁相环路在时钟系统中通常采用多级主从同步法，即用较高稳度的上级时标（标准时间）振荡逐级同步较低稳定度的下级时标振荡，从而使全网时钟同步运行。下级时钟对上级时钟的同步，目前通常采用锁相环路来完成。1锁相环路的基本原理锁相环路的功能是用一个基准振荡，去同步（锁定）一个频率稳定度低于基准振荡的受控振荡器，使受控振荡的频率稳定度等于基准振荡的频率稳定度。该锁相环路由鉴相器、低通滤波器与压控振荡器（VCO）组成。其输入基准振荡频率为 Fi，初相为 i（t） ；输出压控振荡频率为 Fo，初相为 o（t ） ，基本锁相环路框图如图81 所示。图 81 基本锁相环路框图为容易理解锁相环路的基本原理，这里只介绍同频锁相。环路中的压
