精密时钟系统建设方案

1精密时钟系统1.1概述在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差符合相关标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）同步最起码在一个局域或城域网络内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。在这里我们主要介绍互联网时间同步技术及产品，也就是通过支持NTP协议的网络时间服务器实现网络时间同步。时间的基本单位是秒，它是国际单位制（SI单位制）的七个基本单位之一。1967年的国际计量大会（CGDM）给出了新的秒定义：“秒是铯133（133Cs）原子在0K温度基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间”，即“原子秒”（TAI）。现在常用的协调世界时实际上是经过闰秒调整的原子秒。目前在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟其频率复现性为5×10－15，已接近国际先进水平。其实，在应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度。不同的应用对准确度的要求是不同的，下表列举了一些典型的应用对时间准确度的要求（应用界面时间相对于UTC时间的误差）。1.2时间同步网络技术目前有多种时间同步技术，每一种技术都各有特点，不同技术的时间同步精度也存在较大的差异，如下表所示：1.2.1长短波授时时间同步技术利用无线电信号授时已经具有80多年的历史，国际上长波授时主要使用罗兰-C系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于军事和导航，尚不民用。1.2.2电话拨号时间同步技术电话拨号授时（ACTS）使用的设备相对简单，只需电话线、模拟调制解调器、PC及客户端软件即可。目前这种计算机主要用于校准家庭个人计算机时间，同时不具备实时性。1.2.3GPS时间同步技术GPS时间同步技术是当前较成熟并在国际上广泛采用的时间同步技术。目前国际上除了美国的GPS还有前苏联的GLANASS系统和我国的“北斗”系统。GLANASS系统由于经济原因，健康星的数量有限，稳定性和可靠性无法保障。“北斗”系统尚未民用，而且无法做到实时覆盖。目前GPS属于比较成熟可靠的系统。1.2.4互联网时间同步技术使用互联网同步计算机的时间是十分方便的，目前这种方式在局域网内得到广泛的应用。微软公司已将网络时间协议（NTP）嵌入到WindowsXP系统中，只要计算机能联网，就能进行局域网或广域网内的计算机时间校准。标准的NTP协议采用的是RFC1350标准，简化的网络时间协议（SNTP）采用的是RFC1769标准。NTP协议包含一个64bit的协调世界时（UTC）时间戳，时间分辨率时200ps，并可以提供1~50ms的时间精度（依赖网络负载）。但实验表明这种技术在洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。所以，在庞大的网络中设立一级和二级时间服务器来解决精度的问题。另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time协议（RFC868）和Daytime协议（RFC867），可以提供1s校准精度的广域网时间同步。1.2.5网络时间服务器网络时间服务器已经在：电力、铁路、军队、电信、政府机关等行业有着广泛的应用。DNTS时间服务器是GPS时间同步技术和互联网时间同步技术的结合。采用19英寸1U机架式设计，内置GPS接收机，以GPS卫星时间为标准时间源，支持NTP协议（V2.0/V3.0/V4.0）和SNTP协议。能够为局域网内成百上千的计算机、路由器等提供时间校准。下图为网络时间服务器的应用方案：在前面互联网时间同步技术中提到因为网络负载以及延时的原因导致洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。那么在庞大的网络中需要一级二级网络时间服务器来很好的解决校准精度和冗错的问题。图为大型网络解决方案：在上面的方案中，从省中心网络到各地市级网络需要保持应用界面的时间同步。如果仅仅在省级网络中设立一台网络时间服务器那么地市级网络中的客户端由于网络延时等原因不能保证所需精度，那么通过在地市级网络中也设立网络时间服务器就能解决这一问题，因为这种情况下各地的GPS接收机在接收到3颗以上卫星信号时大家的时间源都是当前的标准时间，所以时间源的一致性得到保证。同时，即便某地的GPS接收机发生故障这是本地的网络时间服务器可作为NTP的客户端向上一级省中心网络的一级时间服务器请求标准时间继续提供精准的时间源为本地网络的客户端提供校准服务。在极端情况下，当省级网络中设立的一级时间服务器GPS也发生故障时，一级时间服务器具备高精准的自守时功能（守时精度1×10－12即30年误差1s）仍然能提供精准的时间源。1.2.6GPS时钟服务器指标产品尺寸19英寸1U接收机内置36通道GPS接收机内置时钟内置恒温晶振，当GPS信号丢失情况下仍须输出标准时间信号液晶显示LCD液晶显示时间，2行每行20个字符，显示时间、卫星颗数及设备工作状态LED分别指示电源，卫星锁定状态，保持工作状态，告警，NTP有效指示吞吐量可满足每秒每口2000次时间请求本地告警支持SNMP告警,本地干接点告警输出，最大电流10A输出接口RS232/485,IRIG-B,10M,1PPS,10M正弦波输出,BNC接口1PPS输出,BNC接口IRIG-B码输出,BNC接口IRIG-B码输入,BNC接口RS232输出，支持TL1协议输入接口串口输入，可人工设置时间，可做外部时钟源守时功能当GPS信号丢失情况下仍须输出标准时间信号，恒稳晶振精度达1E-9以上加密验证提供MD5加密验证功能网管功能有完善的SNMP网管功能功能扩展支持扩展选择其它功能模块设置管理支持Web页面、telnet等设置管理方式授时记录可通过网页及telnet查看授时记录，安装软件可保存无数条记录UDP工作模式提供UDP广播协议，能够接电子钟LED显示屏可设置至少8个UDP远端IP地址及端口号：输出中新创科时间数据包：共32字节，具体说明如下偏移描述00...01年(00...99)02...03月(01...12)04...05日(01...31)06...07时(00...23)08...09分(00...59)10...11秒(always00)12星期(1-Mo,2-Tue,...)13夏令时标志(0-no,1-yes)14字符串结束符,‘\0‘15字符串结束符,‘\0‘16...1932位CET/CST时间UNIX格式20...2332位GMT时间UNIX格式24...31全0