GPS校时服务器知识拓展

GPS校时服务器

GPS校时服务器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。

时区

由于地理分布的不同，地球上的区域会使用同一个时间定义，即为时区。

当我们在上海看到太阳升起时，居住新加坡的人要再过半小时才能看到太阳升起，而远在英国伦敦的居民则还在睡梦中，要再过8小时才能见到太阳。世界各地的人们，在生活和工作中如果各自采用当地的时间， 对于日常生活、交通等会带来许许多多的不便和困难。为了照顾到各地区的使用方便，又使其他地方的人容易将本地的时间换算到别的地方时间上去，1884年在华盛顿召开国际经度会议决定将地球表面按经线从南到北，每相隔15度划一个区域，这样一共有24个区域，并且规定相邻区域的时间相差1小时。在同一区域内的东端和西端的人看到太阳升起的时间*多相差不过1小时。当人们跨过一个区域，就将自己的时钟校正1小时（向西减1小时，向东加1小时），跨过几个区域就加或减几小时。这样使用起来就很方便。

现今全球共分为24个时区。由于实用上常常1个国家，或1个省份同时跨着 2个或更多时区，为了照顾到行政上的方便，常将1个国家或 1个省份划在一起。所以时区并不严格按南北直线来划分，而是按自然条件来划分。例如，我国幅员宽广，差不多跨5个时区，但实际上只用东八时区的标准时即北京时间为准。

标准时区  经度  时差

GMT , Greenwich Mean Time  0  W/E  标准时间

CET , Central European  15  E +1  东一区

EET , Eastern European  30  E +2  东二区

BT  , Baghdad  45  E +3  东三区

USSR, Zone 3   60  E  +4 东四区

USSR, Zone 4  75  E  +5 东五区

Indian, First  82.3E  +5.5东五半区

USSR, Zone 5  90  E  +6 东六区

SST , South Sumatra  105 E  +7 东七区

JT  , Java  112 E  +7.5东七半区

CCT , China Coast (台湾所在地)  120 E +8  东八区

JST , Japan  135 E  +9  东九区

SAST, South Australia  142 E +9.5东九半区

GST , Guam  150 E  +10 东十区

NZT , New Zealand  180 E  +12 东十二区 Int'l Date Line 180 E/W  国际日期变更线

BST , Bering  165 W  -11 西十一区

SHST, Alaska/Hawaiian  150 W -10 西十区

YST , Yukon  135 W  -9  西九区

PST , Pacific  120 W  -8 西八区

MST , Mountain  105 W  -7 西七区

CST , Central  90  W  -6 西六区

EST , Eastern  75  W  -5 西五区

AST , Atlantic  60  W  -4 西四区

Brazil, Zone 2  45  W  -3 西三区

AT  , Azores  30  W -2  西二区

WAT , West Africa 15  W  -1  西一区

GPS

GPS(GlobalPositioNIng System，全球定位系统)是20世纪70年代美国研制的新一代卫星导航、授时、定位系统。24颗**的GPS卫星上都各自带有原子钟，能够全天候向地面广播精确的UTC标准时间。在许多通用GPS解码芯片解码出的数据流中，除了有位置信息，还包含时间信息(年月日时分秒)

PPS(Pulseper Second，秒脉冲信号)，PPS标识了时间信息的起点，其精确度可以到微秒量级。

GPS校时器

GPS校时器的工作原理简单说就是它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型（NTP网口、RS232/422/485串口、1PPS、1PPM、1PPH、B码可选）来传输给自动化系统中需要时间信息的设备，例如计算机，是通过网口或者串口实现精确授时，保持整个系统时间同步的。

校时服务器（timeserver）是利用NTP的一种服务器，通过它可以使网络中的机器维持时间同步。在大多数的地方，NTP可以提供1-50ms的可信赖性的同步时间源和网络工作路径。

校时方式

NTP（Network Time Protocol）是由美国德拉瓦大学的David L. Mills教授于1985年提出，由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间同步到另一服务器或参考时钟源。它使用UTC作为时间标准，是基于无连接的IP协议和UDP协议的应用层协议，使用层次式时间分布模型，所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对设备及进程延迟的严格控制。除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时，它是设计用来在Internet上使不同的机器能维持相同时间的一种通讯协定。

在配置时，NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。实际应用中，又有确保秒级精度的简单的网络时间协议。

网络时间协议（NTP）的详细说明在RFC-1305[Mills 1992]中。RFC-1305对 NTP协议自动机在事件、状态、转变功能和行为方面给出了明确的说明。它以合适的算法以增强时钟的准确性，并且减轻多个由于同步源而产生的差错，实现了准确性低于毫秒的时间服务，以满足目前因特网中路径量测的需要。

NTP是一个跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议，它通常可获得毫秒级的精度。RFC2030[Mills1996]描述了SNTP（Simple NetworkTime Protocol），目的是为了那些不需要完整NTP实现复杂性的主机，它是NTP的一个子集。通常让局域网上的若干台主机通过因特网与其他的NTP主机同步时钟，接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务

NTP是用来使计算机时间同步化的一种协议，其同步时钟源不仅仅局限于网络的时间服务器，还包括时钟设备，如石英钟，原子钟，GPS接收器等。NTP服务器软件将这些时钟源抽象成相应的数据结构，对应于不同的内存地址，通过读取该地址中的信息，进行统计学算法的处理来同步计算机的时钟。

NTP服务器软件通过共享内存的方式读取该地址段中的时间信息，进而完成校正系统时钟的工作。

NTP的三种工作模式

客户/服务器模式：客户机周期性地向服务器请求时间信息，服务器用来同步客户机但不能被客户机同步。客户机首先向服务器发送一个NTP包，其中包含了该包离开客户机时的时间戳，当服务器接收到该包时，依次填入包到达时的时间戳、交换包的源地址和目的地址、填入包离开时的时间戳，然后立即把包返回给客户机。客户机在接收到响应包时再填入包返回时的时间戳。客户机用这些时间参数就能够计算出2个关键参数：包交换的往返延迟和客户机与服务器之间的时钟偏移。客户机使用时钟偏移来调整本地时钟，以使其时间与服务器时间一致。

主/被动对称模式：网络时间服务器与客户/服务器模式基本相同。**区别在于双方均可同步对方或被对方同步。

广播模式：没有同步的发起方。在每个同步周期中，服务器向网络广播广播带有自己时间戳的消息包，所有的目标节点被动接收这些消息，以此调整自己的时间。一般用于网络延时非常小，或者对时间精度要求不高的地方，如同局域网内，使用广播模式可节省带宽。

NTP服务器是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。

　　NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传播。按照离外部UTC源的远近将所有服务器归入不同的Stratum（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。

GPS校时系统

GPS校时系统分为三个部分：GPS天线、GPS接收器和与GPS接收器连接的计算机，其相应的功能和应用如下：

(1)GPS天线用于接收GPS信号。采用的是蘑菇头GPS天线，使用时将天线蘑菇头安装在天线支架上并装固于房屋顶端或平台上，要保证天线蘑菇头有尽可能大的视场（360度天空），不得有障碍物遮挡，如果配有避雷器，将避雷器连接在机器和天线中间。

(2)GPS接收器由电源、GPS校时服务器，连接线组成。使用时将电源线与GPS校时服务器电源输入紧密连接，打开本机的电源开关，用万用表测量电源插头火线与零线之间的静态电阻，不短路和断路即为正常。再用万用表测量电源插头的火线与地线之间、零线与地线之间的静态电阻，断路状态即为正常。

(3)计算机设备用于处理GPS数据，要求支持串口和网口等设备，以实现GPS数据接收和校时输出。

NTP服务器正常工作的必要条件：正确的配置、可用的网络、有效的GPS信号。（计算机设备通过互联网与网络时间服务器进行校时同步的。）

在这里们使用的GPS校时服务器（即为SYN2101型NTP网络时间服务器），是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款基于NTP/SNTP协议的时间服务器，接收GPS卫星信号，从GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息通过TCP/IP网络传输，为网络设备（用户）提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，同时产生1PPS（秒信号）同步脉冲信号及串口时间信息，前面板显示年月日时分秒等信息，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

技术指标

设备特点      

性价比高，应用广泛；

授时精度高；

完全保证数据安全性，可全设置同一个网段或者不同网段；

支持多种流行的时间发布协议；

整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定。

注意事项

通过GPS天线接收GPS发送的无线电信号。

  GPS接收天线需架设于室外，GPS（天线）视场不应有地平高度大于12°的成片障碍物，以免阻挡卫星信号的接收，天线所需的电源由本机通过天线馈线（同轴电缆）提供，扩展天线馈线长度时，在1.5GHz频率上不超过5dB衰减的电缆可以使用，电缆阻抗50欧姆和75欧姆均可。

本机天线为“蘑菇”型天线，为保证天线安装牢固和可靠，在天线安装时，可选择一根铸铁水管（长度可考虑1～1.5米），将天线置于铸铁管的一端，铸铁管的另一端电焊在加重的金属底座上，然后安置于房顶即可。

当天线馈线垂直向下而具有一定重力时，请注意避免天线顶部直接受力过大而损坏天线。

天线安装时的示意图如下：

在使用过程中，GPS卫星时钟如果收不到卫星，应从几个方面检查到底那个环节穿线问题。

1）检查gps卫星校时钟的卫星天线连接接口是否有5V直流电压（一般的GPS时钟内的卫星接收机都是5V，也有3.3V或者15的接收机），如果有说明gps时钟内部的卫星接收机是正常工作的。

2）用万用表检查连接GPS天线使用的天线馈线是否是好的

3）如果以上两个都是没问题的，那么检查下GPS天线的位置，GPS天线*后放在楼顶且周围没有遮挡物。如果位置没有问题也可以考虑换个天线试试看，一般GPS天线的使用寿命不超过10年。