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GPS同步时钟工作原理特性及应用概述

电脑杂谈  发布时间:2019-09-23 16:05:01  来源:网络整理

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GPS同步时钟也是基于最新型GPS高精度定位授时模块研发的基础型授时应用产品。能够根据客户意愿输出符合规约的时间信息格式,从而完成同步授时服务。 GPS同步时钟主要由以上几个别组成:GPS/GNSS接收机,其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等,高精度OCXO或铷钟,本地同步检测单元,测差单元,误差处理及控制结构,输入输出等几部分。

gps同步时钟

我们清楚通信平台可以分成同步通信系统和轮询通信平台两种。

所谓同步通信,要求发收双方具备同频同相的同步时钟信号,只需在传送报文的最上面附加特定的同步字符,使发收双方确立同步,此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。这样一方面省去了存储器(异步通讯平台必须存储器保存接收到的讯号后再解码),同时也保证了实时性。

在最初的同步通信系统中,我们会找到一个时钟源,然后把所有的收发子系统都接到这个时钟源上。小型的同步通信系统完全可以这样做,比如一台电脑中的一个同步通信的平台,他们就用电缆线接到一个共同的时钟源上,再来收发信号。

可是如果同步通信的平台变大到全国性的呢?如果还用电线以及光缆接到同一个时钟源上,会出现这些难题。首先,建设的成本太大了,要在全国范围内铺设线路,只为传输一个时钟信号,不划算。其次,如果收发信机分别在黑龙江和上海,时钟信号但是以光速传过去,还会造成一定的延时。

那么这个难题如何解决呢?

随着GPS系统民用化和其越来越广泛的应用,人们或许看见了解决方案。后来就问世了以‘GPS时钟’(GPS clock)为主的‘时钟信号广播系统’(radio clock)。

每个GPS卫星上都有2~3个高精度的原子钟,这几块原子钟互为备份的同时,也相互纠正。另外地面的控制站会定期发送时钟信号,和每一颗卫星进行时钟检测。这样的时钟系统成为世界上最准确的了,为什么不能用来做radio clock呢。不管哪个同步通信系统,大家都接入GPS卫星信号,将其中的时钟信号解码,那你们就有了准确的同步时钟源了。

当然你可能会担心卫星讯号传送到地面的推迟问题。GPS信号中自带了偏差纠正码,接收端可以很容易的把延迟的这段传输延迟去掉。另外,由于卫星信号很微弱,只有在室外从而接受的到,因此每位GPS授时系统都应该有户外天线,否则就不能用了。

极速赛车APP下载这样一来上面列举的两个问题都缓解了。用来铺设全国性电缆并不是每家公司都有资金实力的,而且铺设的费用用来买GPS,那恐怕可以买到无数个了。而延时的问题,也被GPS出色的编码系统所解决了。真的是太完美了。

极速赛车APP下载关于radio clock,世界上还有其它的一些平台,包括美国的伽利略卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统等,都有授时的功能。

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。

gps同步时钟图

四种实用的时间频率标准源(简称钟)

◆ 晶体钟

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◆ 铷原子钟

◆ 氢原子钟

◆ 铯原子钟

常用的时间坐标系

时间的概念包括时刻(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:

◆ 世界时(UT)

◆ 地方时

◆ 原子时(AT)

◆ 协调世界时(UTC)

◆ GPS时

定时、时间同步与守时

◆ 定时:是指按照参考时间标准对本地钟进行检测的过程);授时(指运用适度的方式发播标准时间的过程);

◆ 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);

◆ 守时:是指将本地钟已校准的标准时间维持下来的过程,守时中心通常都采取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体现最好的一台被定主钟(MC)。

2.GPS时间是如何建立的

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)):

◆ 每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟;

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◆ GPS全部卫星与地面测控站组成一个闭环的手动修正平台;

◆ 采用UTC(USNO/MC)为参考基准。

GPS定时原理

基于在用户端精确测量和扣除GPS时间信号的存储速率(Δt),以超过对本地钟的定时与检测。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在存储过程中和接收端所采用的偏差,主要误差有:

◆ 信号发射端:卫星钟误差、卫星星历(位置)误差;

◆ 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;

◆ 接收端:接收机时延误差、接收机坐标精度、接收机噪声误差。

GPS校频原理

根据频率和周期互为倒数的关系,可采取比时法(测时间间隔)的方式(以GPS的秒信号为参考)来检测本地钟的频度准确度(Δf/f),以超过校频的目的。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)。

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4.进一步提升定时准确度的几种途径

◆ 采用GPS双频、相位测量技术;

◆ 选用更高精度的GPS时间释放接收机;

◆ 采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。

高精度时间基准已经作为通讯、电力、广播电视、安防监控、工业控制等领域的基础保障系统之一。卫星导航定位平台可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务,授时性能优异;高精度、低成本;安全可靠;全天候;覆盖范围广。

GPS时钟也是基于最新型GPS高精度定位授时模块研发的基础型授时应用产品。能够根据客户意愿输出符合规约的时间信息格式,从而完成同步授时服务。 GPS时钟主要分为两类,一类是GPS授时仪,主要输出时标信息,包括1PPS及TOD信息;另外一类是GPS同步时钟,后者输出利用卫星信号驯服OCXO或者铷钟得到的高稳定速率信息,以及本地恢复的更平稳的时标信号。

GPS同步时钟主要由以上几个别组成:GPS/GNSS接收机,其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等,高精度OCXO或铷钟,本地同步检测单元,测差单元,误差处理及控制结构,输入输出等几部分。

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极速赛车APP下载其主要机理是借助GPS或其它卫星导航平台的讯号驯服晶振,从而推动高精度的频度和时间信号输出,是现在超过纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出的最有效方式。

内部还可以减少IRIG-B码,DCF77码,NTP时间服务器等单元。

GPS同步时钟一种高科技智能的、可独立工作的时间服务器兼完整的基准时钟源(PRS),它能提供基于NTP/SNTP协议的标准时间及自我完善性监控的、高稳定的一级时钟同步信号。GPS同步时钟从GPS(或北斗)地球同步卫星上获取标准时钟信号息,通过专用接口及协议向外传输

极速赛车APP下载GPS时钟、GPS同步时钟、卫星同步时钟都是一样的,都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数字产品它从GPS卫星上获得标准的时间信号,将这种信息借助各类接口种类来存储给自动化系统中必须时间信息的设施(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),这样就可以超过整个平台的时间同步。

常规时钟速率造成方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化,易受外界环境差异制约,长期的误差漂移影响;原子钟长期使用后也会造成误差,需要定时检测。而GPS系统由于其工作特点的必须,定期对自身时钟系统进行修正,所以其自身时钟系统大量稳定,具有对外界物理原因变化不脆弱特性。晶体或铷钟以GPS为大量参考,可以获得低成本、高性能的基准时钟。

在网络正常工作状况下,GPS时钟具有与GPS主钟相同的频度准确度;由于在这种特殊状况下GPS时钟信号会暂时消失,所以基于GPS的时钟模块通常应该另一个外部时钟成为后备输入,预留有外接时钟的时基和频标信号(如GLONASS、中国双星、铷原子钟等)接口。另外,GPS时钟其速率准确度还具备自身保持性能。

卫星授时

GPS时钟频率模块提供所需的各类时频的信号,并输出定位时间信息、GPS接收机是否工作正常、输出的时间信号能否有效、时钟和速率处理组件激活状况、异常故障等等。

电力自动化系统内有很多需与GPS时钟同步的平台或装置,如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确认GPS时钟时应留意以上几点:

(1)这些系统分属热控、电气、系统,如决定由DCS厂商提供的GPS时钟实现时间同步(目前一般做法),则在DCS合同谈判前,就应进行间的配合,确定时钟信号接口的规定。(GPS时钟通常可配置不同数量、型式的输出组件,如事先无法确认有关要求,则相应协议条款应留有可调整的余地。)

(2)各系统是否共用一套GPS时钟装置,应按照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量。各如对GPS时钟信号接口型式或效率要求相差较大时,可各自配置GPS时钟,这样一可避免间的互相牵制,二可使各平台时钟同步方案更易推动。另外,当系统之间相隔较远(例如化水处理车间、脱硫工段远离集控楼)时,为避免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时钟也有促使减小时钟故障所产生的妨碍。

(3)IRIG-B码可靠性高、接口规范,如时钟同步接口可选时,可优先选用。但要切记的是,IRIG-B只是B类编码的统称,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,否则难以超过准确的时钟同步。

(4)1PPS/1PPM脉冲并不传送TOD信息,但其同步效率较高,故常用于SOE模件的时钟同步。RS-232时间输出其实使用得较好,但因无标准格式,设计中应格外留意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式是否达成一致。

(5)火电厂内的控制和信息系统虽已互连,但因各平台的时钟同步协议可能不尽相似,故仍需分别接入GPS时钟信号。即使是借助网桥相连的机组DCS和公用DCS,如果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。

通过站间和星地时间比对监测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步。具体操作如下:通过分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行检测,采集各种监测数据后将其发送至主控站,由主控站完成卫星轨道精密确定及其他导航参数的确认、广域差分信息和完好性信息处理,形成上行注入的导航电文及参数。通过以下工作同步完成后,星地间的时钟也就同步了!

国际时间标准的协调与完善

从二十世纪八十年代末,国际计量局(BIPM)的时间部,就起初正式引入标准化的GPS共视比对方式,把全世界几十个守时中心的主钟沟通起来,并制定了准确度最高的国际原子时(TAI)和国际协调全球时(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:

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◆ 中国科学院陕西天文台(CSAO);

◆ 国家计量研究院(NIM);

◆ 航天计量检测研究所(BIRM)。

极速赛车APP下载新型时频计量传递平台的构建

(1)、传统时频计量传递的特性:

◆ 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释放;

◆ 受检时频标准源或器材设施需要往返搬运,检定校准后的状况在搬运中常常遭到破坏;

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

(2)、通过运用GPS共视法时间比对和互联网技术,可以构建不需搬运的、实时的、完全新型的时频遥远校准系统。

下面列出3款常用的gps同步时钟产品:

SYN2101型NTP网络时间服务器是由西安同步电子科技精心设计、自行研制生产的一款基于NTP/SNTP协议的时间服务器,接收GPS卫星讯号,从GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息,将这种信息借助TCP/IP网络存储,为网络设施(用户)提供准确、标准、安全、可靠和的时间服务gps接收模块工作原理,同时形成1PPS(秒信号)同步脉冲讯号及串口时间信息,前面板显示年月日时分秒等信息,是一款推动时间同步的实用时钟设备。

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SYN4505型标准同步时钟是由西安同步电子科技精心设计、自行研制生产的一款时钟设备,内装高精度恒温晶振0CXO,接收北斗二代/GPS/GLONASS卫星信号和IRIG-B码信号,优先选用卫星信号,使用内部定时信号对本机进行时间同步,产生交直流IRIG-B码信号、时、分、秒脉冲信号、NTP网络授时,串行口时间信息和1PPS(秒信号)同步脉冲信号,是电力系统建立时间尺度、实现时间统一同步的实用电子设备。

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SYN4102型GPS同步时钟是由西安同步电子科技精心设计、自行研制生产的一款高精度锁相时钟频率源,接收GPS信号,使恒温晶振输出温度同步于GPS卫星铯原子钟信号上,提高了频度信号的大量稳定性和准确度,能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准,是一款高性价比时频产品。

GPS同步时钟

以上三款产品具备:信号丰富可提供跟踪UTC时间的10MHz,1pps、IRIG-B、RS232、RS422、RS485等信号。参考源灵活,根据不同需要可配置为单GPS、单北斗或GPS/GLONASS参考源。高可靠性gps接收模块工作原理,工业级元器件、集成电路和首创的高效智能保持算法确保了该产品出色的可靠性和可用性。高准确度,在全天有星的状况下,天平均温度准确度优于1E-12(连续跟踪GPS信号24小时后);满足ITU-T G.811对1级基准时钟源的规定。

极速赛车APP下载同步时钟采用了低相噪锁相环技术和集成电路设计,内置高稳定度恒温晶振OCXO和高品质、高精度授时型GPS接收机,采用先进的GPS频率测控技术,对晶体振荡器 的输出温度进行精密检测与调节,使其输出速率准确同步在GPS系统上,提供高精度的时间速率基准信号,能够输出满足ITU-T G.811要求1级基准时钟源,可以使用在数字交换机、SONET和SDH传输平台上。同时还可以为任何级别的定时信号发生器(TSG)提供1级时钟同步讯号,可以向外提供追踪与UTC时间的2.048Mb/s(E1)和2.048MHz输出信号。

同步时钟的Opt-EIO选项无法提供再定时功能,可接收E1信号并运用本身精准的时间参考信号对其进行再次解码,输出波形符合ITU-T G.703码型为HDB3的 E1信号,当设备自身降质或者熄火时,将开启直通方式将接收到的E1信号输出。

同步时钟输出的1pps信号是GPS驯服晶振输出速率信号经过滤波后得到的,相位与载波信号严格一致,且不受GPS秒脉冲短时间随机跳变带来的影响,相当于UTC时间基准的“复现”。这种特点非常适合于通信基站等对时间速率要求苛刻的系统。

同步时钟具有智能学习算法,在GPS驯服晶振的过程中才能不断“学习”晶振的漂移等特点,当GPS出现异常或不只用时,能够手动切换到维持机制,利用高效的智能保持算法,依靠内置高稳晶振继续提供高可靠性的时间和温度信号输出,在短时间内仍维持有较高的效率。当设施断电重新开机后,设备可以借助以前早已储存的历史数据,使时钟在较短的时间内超过较高的准确度。


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