GPS同步时钟的介绍

                   GPS同步时钟系统

GPS同步时钟系统是将网络环境中的各种设备或主机的时间信息(年月日时分秒)基于UTC（UniversalTimeCoordinated）时间偏差限定在足够小的范围内（如100ms），这种同步过程中组成的成套系统。

随着网络的飞速发展，设备的日益增多，许多网络应用和网络安全对时间同步问题提出了迫切需求。因此基于NTP服务器的时间同步解决方案成为解决这些问题的合理选择。

网络的不断普及，许多单位都建了自己的园区网，使用的网络设备和服务器日益增多。这些设备都有自己的时钟，而且是可以调节的。但是无法保证网络中的所有设备和主机的时间是同步的，因为这些时钟每天会产生数秒、甚至数分钟的误差。经过长期运行，时间差会越来越大，这种偏差在单机中影响不太大，但在网络环境下的应用中可能会引发意想不到的问题。如在分布式计算环境中，由于每个主机时间不一致，会造成同一操作在不同主机的记录时间不一致，将导致服务无法正常地进行。随着各种网络应用的不断发展，对时间的要求也越来越高，否则会引发许多的问题。

GPS时间获取

　　由于时间服务器不能自动与GPS系统同步，使用VB语言编写了一套自动接收并校准此服务器时间的程序，每秒同步服务器一次，使服务器时间与GPS系统时刻保持一致。程序通过服务器串口可以接收GPS卫星信号。

　　如图1所示，GPGGA为GPS定位信息，GPGSA是当前卫星信息，GPGSV表示可见卫星信息，GPRMC推荐定位信息。为了方便读取gps时间同时获取日期信息，我们选用GPRMC信息　

　　$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，*hh

　　<1>UTC时间，hhmmss(时分秒)格式

　　<2>卫星定位状态

　　<3>纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)

　　<4>纬度半球E(北半球)或S(南半球)

<5>经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)

<6>经度半球E(东经)或W(西经)<7>UTC日期，yymmdd(年月日)格式

时间同步

目前，有两种重要的时间同步技术，即网络时间协议(NetworkTimeProtocol，NTP)协议和直接连接时间传输技术。其中直接连接时间传输技术，需要所有客户端直接连接到标准时间源。NTP适用于网络环境下，可以在一个无序的网络环境下提供精确和健壮的时间服务。

Gps卫星同步时钟是指通过GPS系统获取时间源，经过处理以常见的接口输出。此类仪器统称Gps卫星同步时钟，国际上统称为时间服务器、NTP网络时间服务器、GPS同步时钟。此类安全可靠，授时精度能达到微秒级。应用的行业也比较广泛。如：银行、基金、证券、电信、部队、电力、铁路、民航等一些对时间要求比较高的行业。

时间服务器可以利用以下三种方式与其他服务器对时：broadcast/multicast

　，client/server，symmetric。

　　broadcast/multicast方式主要适用于局域网的环境，时间服务器周期性的以广播的方式，将时间信息传送给其他网路中的时间服务器，其时间仅会有少许的延迟，而且配置非常的简单。但是此方式的精确度并不高，对时间精确度要求不是很高的情况下可以采用。

　　symmetric的方式得一台服务器可以从远端时间服务器获取时钟，如果需要也可提供时间信息给远端的时间服务器。此一方式适用于配置冗余的时间服务器，可以提供更高的精确度给主机。

　　client/server方式与symmetric方式比较相似，只是不提供给其他时间服务器时间信息，此方式适用于一台时间服务器接收上层时间服务器的时间信息，并提供时间信息给下层的用户。

　　上述三种方式，时间信息的传输都使用UDP协议。每一个时间包内包含*近一次的事件的时间信息、包括上次事件的发送与接收时间、传递现在事件的当地时间、及此包的接收时间。在收到上述包后即可计算出时间的偏差量与传递资料的时间延迟。时间服务器利用一个过滤演算法，及先前八个校时资料计算出时间参考值，判断后续校时包的精确性，一个相对较高的离散程度，表示一个对时资料的可信度比较低。仅从一个时间服务器获得校时信息，不能校正通讯过程所造成的时间偏差，而同时与许多时间服务器通信校时，就可利用过滤算法找出相对较可靠的时间来源，然后采用它的时间来校时。

在了解了GPS数据格式后，利用VB提供的函数取出我们所需要的时间信息，从GPS读取的时间是英国格林威治时间，我们需要把它转化成北京时间，也就是对应的时间上加8小时。接收软件每天根据接收到的GPS时间自动校准本地服务器时间，为了确保接收时间数据的准确性，接收到的GPS时间与服务器本地时间进行比较，如果时间差超过设定闻值不校准，进行报警提示。同时记录日志，方便管理人员查看。

特点

1. 保证Internet内所有的计算机时间同步

2. 网口授时精度：1～10ms

3. 12通道GPS接收机

4. 可用于WIN95/98/ME/NT/2000，Unix，Linux等

5. 串口输出精度可达微秒级

6. 可同步数万台客户端、服务器、工作站等设备时钟[1]

7. 可选模块：IRIG-B码输入/输出，CDMA，北斗接收机，1PPS，1PPM，1PPH

GPS同步时钟系统的主要设备及功能

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。

高精度时间基准已经成为通信、电力、广播电视、安防监控、工业控制等领域的基础保障平台之一。卫星导航定位系统可提供高精度、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*新型GPS高精度定位授时模块开发的基础型授时应用产品。能够按照用户需求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频率信息，以及本地恢复的更平稳的时标信号。

GPS同步时钟系统主要由以下几部分组成：GPS/GNSS接收机，其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或铷钟，本地同步校准单元，测差单元，误差处理及控制结构，输入输出等几部分。

电力自动化系统内有众多需与GPS时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确定GPS时钟时应注意以下几点：为防止对时间服务器的恶意破坏，NTP使用了识别(Authentication)机制，检查来对时的信息是否是真正来自所宣称的服务器并检查资料的返回路径，以提供对抗干扰的保护机制。

(1)这些系统分属热控、电气、系统专业，如决定由DCS厂商提供的GPS时钟实现时间同步(目前通常做法)，则在DCS合同谈判前，就应进行专业间的配合，确定时钟信号接口的要求。(GPS时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块，如事先无法确定有关要求，则相应合同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，应根据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虑。各专业如对GPS时钟信号接口型式或精度要求相差较大时，可各自配置GPS时钟，这样一可减少专业间的相互牵制，二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外，当系统之间相距较远(例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼)时，为减少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时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。

(3)IRIG-B码可靠性高、接口规范，如时钟同步接口可选时，可优先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B类编码的总称，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，否则无法达到准确的时钟同步。　

(4)1PPS/1PPM脉冲并不传送TOD信息，但其同步精度较高，故常用于SOE模件的时钟同步。RS-232时间输出虽然使用得较多，但因无标准格式，设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。

(5)火电厂内的控制和信息系统虽已互连，但因各系统的时钟同步协议可能不尽相同，故仍需分别接入GPS时钟信号。即使是通过网桥相连的机组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。

时钟同步也叫“对钟”。要把分布在各地的时钟对准（同步起来），*直观的方法就是搬钟，可用一个标准钟作搬钟，使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与系统的标准时钟对准，然后使系统中的其他时针与搬钟比对，实现系统其他时钟与系统统一标准时钟同步。所谓系统中各时钟的同步，并不要求各时钟完全与统一标准时钟对齐。只要求知道各时钟与系统标准时钟在比对时刻的钟差以及比对后它相对标准钟的漂移修正参数即可，勿须拨钟。只有当该钟积累钟差较大时才作跳步或闰秒处理。因为要在比对时刻把两钟“钟面时间对齐，一则需要有精密的相位微步调节器会调节时钟用动源的相位，另外，各种驱动源的漂移规律也各不相同，即使在两种比对时刻时钟完全对齐，比对后也会产生误差，仍需要观测被比对时钟驱动源相对标准钟的漂移规律，故一般不这样做。在导航系统用户设备中。除授时型接收机在定位后需要调整1PPS信号前沿出现时刻外（它要求输出秒信号的时刻与标推时钟秒信号出现时刻一致），一般可用数学方法扣除钟差。时间同步的另一种方法是用无线电波传播时间信息。即利用无线电波来传递时间标准．然后由授时型接收机恢复时号与本地钟相应时号比对，扣除它在传播路径上的时延及各种误差因素的影响，实现钟的同步。随着对时钟同步精度要求的不断提高，用无线电波授时的方法，开始用短波授时（ms级精度），由于短波传播路径受电离层变化的影响，天波有一次和多次天波，地波传播距离近，使授时精度仅能达到ms级。后来发展到用超长波即用奥米伽台授时，其授时精度约10μs左右，后来又用长波即用罗兰C台链兼顾授时，其授时精度可达到μs，即使罗兰C台链组网也难于做到全球覆盖。后来又发展到用卫星钟作搬钟。用超短波传播时号．通过用户接收共视某颗卫星，使其授时精度优于搬钟可达到10ns精度。看来利用卫星授时是实现全球范围时钟精密同步的好办法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度，通过共视方法，把卫星钟当作搬运钟使用，且能使授时精度高于直接搬钟，直接搬钟难于使两地时钟去共视它。共视可以消除很多系统误差以及随时间慢变化的误差，快变化的随机误差可通过积累平滑消除。

　如果您的计算机属于某个域，则计算机的时钟可能自动被网络的域时间服务器同步。如果您的计算机是工作组模式可以利用WINDOWS操作系统自带的网络授时协议进行相应的设置，实现时间同步。首先架设一台服务器与GPS同步，并启用时间服务功能。网内客户端用户只需在本机设置启用与时间服务器同步功能即可。