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全球卫星中同步时钟的主要应用

来源:时频网作者:小安网址:http://www.syn029.com

            卫星同步时钟

卫星同步时钟是通过接收美国“GPS/北斗/欧盟“伽利略”/俄罗斯“格洛纳斯”/中国“北斗”地球同步卫星等外部时间基准信号,通过智能时间源控制算法,实现多时间源的智能切换,输出高精度、可靠的时间信号和时间信息。目前,国内广泛使用的有美国的GPS卫星和我们国家的北斗卫星。

今天我们给大家介绍的卫星同步时钟系统主要是有我公司生产SYN4505型标准同步时钟、GPS授时天线、天线支架组成,对广电、金融、移动通信、石油、电力、交通、工业以及国防等领域进行时间同步。

地球同步卫星

卫星定位授时同步技术中的关键部件是人造地球导航卫星组。目前,全球主要的导航卫星组有美国的全球卫星定位系统GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS、中国的北斗导航系统和欧盟的伽利略全球导航系统Galileo

具体如下所示:

美国GPS:由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制,于1993年全部建成的新一代空间卫星导航定位系统。1994年,美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权,但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”,一旦发生战争,美国可以关闭对某地区的信息服务。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到19943月,全球覆盖率高达98%24GPS卫星星座己布设完成。

欧盟“伽利略”1999年,欧洲提出计划,准备发射30颗卫星,组成“伽利略”卫星定位系统。

俄罗斯“格洛纳斯”:始于上世纪70年代,需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境;如要提供全球定位服务,则需要24颗卫星。

中国“北斗”:2003年我国北斗一号建成并开通运行,不同于GPS,“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。去年512日四川大地震发生后,北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流,北斗二号系列卫星将进入组网高峰期。目前,北京时间6122330分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功发射了第23颗北斗导航卫星。

地球同步卫星是人为发射的一种卫星,它相对于地球静止于赤道上空.从地面上看,卫星保持不动,故也称静止卫星。从地球之外看,卫星与地球以相同的角速度转动,角速度与地球自转角速度相同,故称地球同步卫星,在平常的计算中我们认为这是匀速圆周运动。运转周期24小时地球同步卫星距赤道的高度约为36000千米,线速度的大小约为3.1公里每秒,这个线速度是最小的发射速度同时也是最大的环绕速度。

在民用方面,GPSGLONASS和北斗的定位精度是米级,卫星授时时钟精度是毫秒级,数据同步能力在1μs以下。未来的Galileo导航卫星系统,其民用定位授时同步精度是GPS10倍左右。上述几种导航卫星系统中,GPS是能够进行全方位、全天候、长时期卫星定位授时同步的最好的卫星导航设备。目前,美国与俄罗斯一道正在维护GLONASS,共同构成GPS+GLONASS系统,卫星数目倍增,卫星定位授时同步的精度、范围、效率和可靠性将会得到更进一步的提高。

卫星定位授时同步的基本原理

  卫星导航基于多普勒效应的多普勒频移规律:fΔ=λ/ν式中,fΔ为运行物体之间的电磁波信号频率变化,λ是其信号电磁波的波长,ν是其相对速度。所接收卫星信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应关系。也就是说,只要获得卫星的多普勒频移曲线,就可确定卫星的轨道。反之,已知卫星运行轨道,根据所接收到的多普勒频移曲线,便能确定接收体的地面位置。

  全球卫星导航的基本原理是:卫星发射导航电文,其中包括测距精度因子、开普勒参数、轨道摄动参数、卫星钟差参数νti、大气传播迟延修正参数等。地面接收机根据码分多址CDMACode Division Multiple Access)或频分多址FDMAFrequency DivisionMultiple Access)的特点区分各导航卫星,接收并识别相应的导航电文,测量发来信号的传播时间Δti,利用导航电文中的一系列参数逐步计算出卫星的位置(xi,yi,zi)。设接收机所在待测点位置为(x,y,z),接收机时钟钟差为νt0,接收机只要能接收到至少4颗卫星信号,就可确定其位置和钟差:

  在全球导航系统下,用户接收机根据卫星导航电文不断地核准其时钟钟差,可以得到很高的时钟精度,这就是精确的卫星授时;根据导航电文的规律性的时序特征,通过计数器,可以得到高精度的同步秒脉冲PPSPulse Per Second)信号,用于同/异地多通道数据采集与控制的同步操作。

  北斗局域卫星导航的基本原理是:以2颗位置已知的卫星为圆心,各以测定的本星至用户机距离为半径构成2个球面。地面控制中心通过电子高程地图提供一个以地心为球心、球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。三球面的交点即是用户位置。具体的定位过程是:首先由地面中心发出信号,分别经2颗卫星反射传至用户接收机,再由接收机反射2颗卫星分别传回地面中心,地面中心站计算出两种途径所需时间t1t2,设卫星的位置为(xi, yi, zi),地面中心到卫星的距离为Ri,(xi, yi, zi)、Ri可由地面中心确定,通过方程组就可以计算待测点的位置(x, y, z)。

  上述一系列复杂的运算,对全球导航系统来说,在用户接收侧进行;对北斗局域导航系统来说,是在地面中心进行的。地面中心确定用户位置后,再把定位与时钟信息通过卫星传给用户。

卫星同步时钟原理

现代自动化系统安装了各种自动化设备,如测控装置,RTU,故障录波器,微机保护装置,分时电能表等,这些自动化设备内部都有实时时钟。实时时钟实际上都是电子钟。电子钟不可避免的会有误差:初始值设置不准确;石英晶体振荡频率误差及其频率振荡的温度漂移和老化漂移;电路中电容器电容量的变化等。随着时间的推移,累积误差会越来越大。所以需要对电子钟进行定时校准。其原理就像我们日常校对手表的方式一样,隔一定时间间隔根据某时间基准信号设置一次。这个实现时钟自动校对的过程称为时钟同步。

目前,利用GPS/北斗卫星取得时间基准信号,是一种方便,经济的手段。北斗/GPS时钟接收北斗/GPS卫星的精确时间信号作为时间基准信号,并转换成各种自动化设备需要的时间信号输出,实现各个自动化设备的时间统一。

卫星同步时钟系统的构成:

 SYN4505型标准同步时钟是由我公司精心设计、自行研发生产的一款多功能时钟设备,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,优先选择卫星信号,使用外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仪器。

在使用中,组成卫星同步时钟系统,由SYN4505型标准同步时钟、GPS授时天线、天线支架组成,示意图如下:

SYN4505型标准同步时钟的主要设备及功能

Ø  授时天线

Gps北斗双模天线用于为gps北斗双模接收机提供时间信号,从而使Gps北斗双模网络同步时钟获得高精度时间参考,为将要授时的系统提供准确的时间信息。

Gps北斗双模天线主要性能如下:

形状:蘑菇头

线长:30米(可定制)

物理接口:BNC

支架:蘑菇头安装支架

Ø  GPS北斗接收机

频点:L1,B1

定时精度:优于200ns

跟踪灵敏度:-160dBm

Ø  网络输出

路数:1路(可扩展)

物理接口:RJ45

授时精度:1-10ms

支持协议:NTP/SNTP V10,V20,V30,V40,UDP,Telnet,IP,TCP

用户容量: 支持数万台客户端

吞吐量: 2000次/秒

1PPS脉冲信号:

路数:1路

电平:TTL

同步误差:≤100ns

物理接口:DB9针形接头

Ø 环境特性:

工作温度:0℃~+50℃

相对湿度:≤90%(40℃)

存储温度:-30℃~+70℃

产品功能

1)  外参考输入信号包括一路卫星信号,两路IRIG-B(DC)信号;

2)  卫星选择功能:具有六种选择,分别为GPS北斗混合授时,GPS&GLONASS混合授时,北斗GLONASS混合授时,单GPS授时,单北斗授时,单GLONASS授时,满足客户对卫星信号的各种授时需求;

3)  工作模式:包括自动模式,手动模式,守时模式等三种模式,其中自动模式表示优先选择卫星信号,然后选择IRIG-B信号;手动模式表示由用户手动选择外部参考;守时模式表示不接收外部参考,使用设备内部振荡器进行守时;

4)  系统设置功能:用户通过按键对波特率、时区,延迟等进行设置;

5)  输出IRIG-B交直流信号,输出5路RS232C串口,输出5路1PPS,5路1PPM;

6)  1路NTP网络授时功能;

7)  干接点报警功能:具有5个报警功能,分别为故障报警,卫星报警,IRIG-B(1)报警,IRIG-B(2)报警,失步报警;

8)  自动保存各种配置状态,完全满足各种客户需求。

使用方法如下:

根据装箱单检查板卡及附件是否齐备完好,如果发现包装箱严重破损,可与厂家联系,直至仪器通过性能测试。

将设备从包装箱中取出,平放于操作台或机柜。将天线插入设备的天线输入端,并保证天线可收到星。

连接好天线,开机,在3-5分钟内可收到星,显示屏里字母由V变A,可显示收星颗数。在收星2颗星以上时间有效,在收到星后从设备的网口接网线至电脑/交换机,根据说明书进行校时。

选择适当的卫星信号收发天线

  选择卫星信号接收天线,既要具有适当的信号增益,又要视其外形和大小。固定场合使用的卫星信号接收天线,可以选用高增益大体积的冠状天线;便携式移动设备的卫星接收天线可以选用微型的平板式天线和四臂螺旋式天线。常见的微型平板天线是陶瓷微波瓷介天线。陶瓷微波瓷介天线经济实用,既可以作为无源天线近间隔直接连接到前端RF下变换器,也可以与LNA一起构成有源长馈线车载天线。四臂螺旋天线性能比平板天线好,无方位要求;但价格高,杆长度大,应用未几。

GPS北斗天线收不到信号或损坏将严重影响卫星同步时钟的准确性。为了提高时间基准信号的准确性,我们把原来的GPS时钟同步系统作了改进,我公司推荐使用蘑菇头天线,SYN108型GPS北斗双模授时天线主要使用在基站、电力、时钟等需要精密授时的场合。

技术指标

电气特性

频率范围

GPS卫星L1频点:1575MHz±5 MHz

北斗二代B1频点:1561MHz±4 MHz

极化方式

右旋圆极化

天线增益

≥38dB

噪声系数

≤1.5dB

反射损耗

-14dB(即驻波比≤1.5)

P-1

≥+10dBm

干扰抑制

25dB±100MHz

供   电

3V/5V DC

工作电流

13mA/3V  26mA/5V

外形结构

最大直径

φ96mm

长    度

126mm

连接电缆

30米或任选

连接器

BNC(默认)N型(阴)或其他

安装方式

螺纹(G3/4英制管螺纹)连接

环境特性

-45 ~ ­+85­

-50 ~ +90

湿

100%

选件

根据客户要求定做类似产品。

客户使用常见问题和解决办法汇总

1.仪器的服务器配置全部都改了,对不上时间。

答:通过网线连接仪器和电脑,把电脑配置和仪器一个网段里面,浏览器输入仪器的IP,就进入网络配置,只可以按需更改IP地址,设置配置密码。配置我司仪器和配置电脑本地IP和仪器在同一网段的视频教程,见光盘视频:01_时间服务器的所有相关配置。

2.客户收到货后,有的电脑可以网络NTP对时,有的电脑不能网络NTP对时。

答:有的电脑配置过NTP服务器或者关闭了NTP服务,就会导致无法对时,需要开启NTP服务或者配置NTP客户端。没有开启NTP客户端的电脑也没有办法通过Internet网络对时,在有网络的条件下可以通过是否能够从Internet网络对时来测试该电脑是否已正确配置为NTP客户端。如何测试Internet网络对时的视频教程见光盘如下:02_如何测试Internet网络对时。电脑配置正确的NTP客户端的视频教程见光盘如下:

03_winxp   系统下如何配置NTP客户端

04_win2003系统下如何配置NTP客户端

05_win2008系统下如何配置NTP客户端

06_win7    系统下如何配置NTP客户端

07_win10   系统下如何配置NTP客户端

3.仪器通过串口线连接台式电脑可以进行对时,通过客户自己购买的USB转串口线不能给笔记本对时。

答:可能有3个原因造成,1.usb转串口线模块会生成一个com口,要选择正确的com口,才能对时。2.是客户自行购买的usb转串口模块驱动没有装好,需要从购买的usb转串口模块带的光盘装好驱动。3.usb转串口线质量参差不齐,质量差的模块容易导致数据传输错误,建议购买质量较好的模块。

4.为了布线方便,客户剪断了天线,然后自行连接进行布线布局。导致无法对时。

答:所有的天线都是标配,不得随意截断或随意叠加链接,否则无法收到星。客户购买仪器设备前需要正确丈量需要的天线长度,然后告诉我司实际要的长度,我们会提供合适的天线长度,放大器以供所需。

保修说明

西安同步电子科技有限公司对所提供的产品进行品质保证,并提供完善的技术支持和售后服务,非人为造成产品故障损坏的,我司提供壹拾贰(12)个月免费保质期。质量保证期自设备交货验收之日起。在产品质量保证期内,出现因产品自身质量造成的故障情况,采取整机返修、寄送配件、提供备用产品等方式,提供全面免费保修服务。


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