各种时钟体的说明(同步时钟网)

原子钟：

原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hactare)、铯(Seterium))、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障

铯钟：

它们要求时间要准到千分之一秒，甚至百万分之一秒。为了适应这些高精度的要求，人们制造出了一系列精密的计时器具，铯钟就是其中的一种。铯钟又叫”铯原子钟’。它利用铯原子

内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟达到500万年才相差1 秒。现在国际上，普遍采用铯原子钟的跃迁频率作为时间频率的标准，广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

铷钟：

一、铷钟的基本原理：

铷钟又被称为铷原子钟，铷钟的工作原理与其他原子钟一致，均是使用能级跃迁理论来测定时间：原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。通过以这种共振频率为节拍器，原子钟可以来测定时间。例如：假定特定原子的共振频率为1000Hz，则该原子能级跃迁时释放的电磁波振动1000次的时间即为1秒。

目前市场上的原子钟产品共分为三大类：铷钟、铯钟和氢钟。铯钟和氢钟精度较高，价格昂贵，往往应用在国防卫星，科研计量等领域，较少被应用在民用生产测试，研发制造等方面。铷钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带的特点，并且价格合适，非常适合于在各个领域使用。

二、GPS控制校准的铷钟：

钟具有短期稳定性高，体积小巧，便于携带，价格合适的特点，非常适合于在各个领域使用，但由于铷原子的原子特性的原因，铷钟并不具有铯钟和氢钟那样优秀的长期稳定度，因而需要校准。为了提高铷钟的长期稳定度，可以通过使用GPS系统来对铷钟进行控制和校准。

GPS系统通过测量时间差来实现定位测量，为了达到较高的定位精度，GPS系统内部时间测量精度极高。通过使用GPS系统来对铷钟进行校正，可以很好的提高铷钟的长期稳定度，降低铷钟输出信号的飘移。

三、铷钟的应用领域：

铷钟的应用领域主要有三个方面：科研测量，生产制造，广电电力。

在科研测量研究单位，铷钟既可以为测量提供高精度的基准源，也可以作为测量校准仪器的高精度外部时基。

在生产制造领域，铷钟可为需要高精度频率基准输出的生产线提供频率基准输出，这些基准信号被用来对电子产品进行校准。铷钟还可以作为产线测量仪器的外部高精度时基，大大提高产线测试的精度，确保产品质量。

在广电电力系统中，铷钟可以被作为系统的主钟来使用，从而有效地实现系统内部各个部分的同步。

GPS时钟在数字同步网中的应用

数字同步网是数字通信网正常运行的基础，也是保障各种业务网运行质量的重要手段。他与电信管理网、信令网一起并列为电信网的3大支撑网，在电信网中具有举足轻重的地位。

1 数字同步网的基本原理和结构

对于任何通信设备，都需要时钟为其提供工作频率，所以时钟性能是影响设备性能的一个重要方面。时钟常被称为设备的心脏。时钟工作时的性能主要由2个方面决定：自身性能和外同步信号的质量。而外同步信号的质量就是由数字同步网来保证的。当设备组成系统和网络后，数字同步网必须为系统和网络提供精确的定时，以保障其正常运行。网内各节点时钟的精度影响一个数字通信网工作是否正常。

数字同步网是一个由节点时钟设备和定时链路组成的实体网，他通过网同步技术为各种业务网的所有网元分配定时信号（频率或者时间信号），以实现各种业务网的同步。网同步是指为了保证数字通信网正常工作，分配定时信号到网内所有节点，要求网内所有节点的时钟频率和相位严格控制在一定的容差范围内。

数字同步网的结构主要取决于同步网的规模、网络中的定时分配方式和时钟的同步方法，而这些又取决于业务网的规模、结构和对同步的要求。同步网一般可分为准同步方式和同步方式2大类。准同步方式常用于国际间链路，各节点独立设置基准时钟（如铯原子钟），其时钟基准一般都优于或满足G．811规定的基准钟，频率准确度保持在10－11极窄的频率容差之内。各国国内的数字通信网则普遍采用同步方式，节点时钟之间一般采用主从同步方法：将网内节点时钟分级，各级时钟具有不同的频率准确度和稳定度。设置高稳定度和高准确度时钟（如铯原子钟或GPS时钟，其频率准确度应≤±1×10－11／d）为基准主时钟（最高级时钟或一级时钟），网内其他节点时钟则称为从时钟，用从时钟锁相环技术与基准主时钟（或上一级时钟）频率同步，使全网时钟工作在同一频率上。

我国的数字通信网规模庞大，分布范围广，所以数字同步网一般要接受几个基准主时钟共同控制。如果采取定时链路来传输定时信号，那么随着数字传输距离的增长，传输损伤逐渐增大、可靠性逐渐降低。而利用装配在基准钟上的GPS接收机跟踪UTC（世界协调时），来实现对基准钟的不断调整，使之与UTC保持一致的长期频率准确度，从而达到各个基准钟同步实用的。并且，在数字同步网中采用GPS配置基准钟，实现方法简单，同步时间精度高，

提高了全网性能，成本却相对低廉，并且便于维护管理，所以GPS时钟在基准钟中得到广泛使用。

2 GPS授时的基本原理

GPS是NAVSTAR／GPS（Navigation SatelliteTiming and Ranging／Global Positioning System）的简称，是由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星等间隔分布在6个互成60°的轨道面上，这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。GPS由3部分构成：

①GPS卫星（空间部分）；

②地面支撑系统（地面监控部分）；

③GPS接收机（用户部分）。

GPS向全球范围内提供定时和定位的功能，全球任何地点的GPS用户通过低成本的GPS 接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。GPS要实时完成定位和授时功能，需要4个参数：经度、纬度、高度和用户时钟与GPS主钟标准时间的时刻偏差，所以需要接受4颗卫星的位置。若用户已知自己的确切位置，那么接受1颗卫星的数据也可以完成定时。

若设（x，y，z）为接收机的位置，（xn，yn，zn）为已知卫星的位置，则列解下列方程就可以得到x，y，z和标准时间T：

其中：ΔT为用户时钟与GPS主钟标准时间的时差；Tn为卫星n所发射信号的发射时间；

τn为卫星n上的原子钟与GPS主钟标准时间的时差。

由于GPS采用被动定位原理，所以星载高稳定度的频率标准是精密定位和授时的关键。工作卫星上一般采用的是铯原子钟作为频标，其频率稳定度达到（1～2）×10－13／d。GPS卫星上的卫星钟通过和地面的GPS主钟标准时间进行比对，这样就可以使卫星钟与GPS 主钟标准时间之间保持精确同步。GPS卫星发射的几种不同频率的信号，都是来自卫星上同一个基准频率。GPS接收机对GPS卫星发射的信号进行处理，经过一套严密的误差校正，使

输出的信号达到很高的长期稳定性。定时精度能够达到300 ns以内。在精确定位服务PPS （Precise Position Service）下，GPS提供的时间信号与UTC之差小于100 ns。若采用差分GPS技术，则与UTC之差能达到几个纳秒。

3 GPS时钟的实现方法

常规时钟频率产生方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化影响，长期的精度漂移影响；原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时校准。而GPS系统由于其工作特性的需要，定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感特性。晶体或铷钟以GPS为长期参考，可以获得低成本、高性能的基准时钟。现有同步时钟的比较如表1所示。

在网络正常工作状态下，GPS时钟具有与GPS主钟相同的频率准确度；由于在某些特殊情况下GPS时钟信号会暂时消失，所以基于GPS的时钟模块一般需要另一个外部时钟作为后备输入，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时钟其频率准确度还具有自身保持性能。

GPS时钟频率模块提供所需的各种时频的信号，并输出定位时间信息、GPS接收机是否工作正常、输出的时间信号是否有效、时钟和频率处理模块激活状态、异常告警等等。图1是GPS时钟模块的原理图。

4 现状与展望

根据《中华人民共和国通信行业标准数字同步网工程设计规范》，数字同步网按分布式多个基准时钟的组网建设，以基准钟的同步范围划分同步区，每个同步区内采用主从同步方法。区域基准钟（LPR）的主用基准为GPS，备用基准来自全网基准钟（PRC）。LPR平时以接收GPS信号为主用信号，以接收PRC信号为备用。GPS不可用时，LPR同步于PRC。

我国现有数字同步网的网络结构如图2所示。

由于GPS全球卫星定位系统归美国政府所有，受控于美国国防部，对世界各地的用户未有任何政府承诺，而且用户只支付了GPS接收机的费用，并未支付GPS系统的使用费用，因此这种方法自主性差，也带来一些不稳定因素，例如故意降低GPS精度；关闭GPS在某个地区的发送信号；增加随机扰码；周围环境对GPS无线信号的干扰等。

可以充分利用但不能完全依靠，因此还需要有由铯钟组成的基准钟PRC，以他作为全网同步的根本保证。还有GPS在某些特殊情况下信号暂时消失，或者GPS不正常工作，这些可以通过监控GPS数据来发觉，这些情况如果不做处理带来的结果是基准钟将降质为二级时钟，所以此时要控制区域基准钟（LPR）改为同步于全网基准钟（PRC），同步质量就可以保证。

目前有GPS、CLONASS、北斗双星导航卫星系统CNSS、欧洲GALILEO等多元化定位资源环境，可以打破了独家垄断，促使资源更加开放。