一种高精度的GPS复合授时方法
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一种高精度的GPS复合授时方法
作者：王振华
来源：《数字技术与应用》2013年第03期
摘要：授时问题一直以来是在野外使用的各类设备需要解决的一个重要问题，尤其是使用非实时操作系统的设备要实现高精度授时是比较困难的。本文中针对非实时操作系统设备提出了一种基于GPS授时的毫秒级授时方案，以普通装有WINDOWS操作系统的计算机授时为例，通过将GPS授时板的秒脉冲信号与串口授时信号复合使用来提高非实时系统的授时精度，达到对普通计算机系统的毫秒级授时，且成本低、易实现。
关键词：GPS 复合授时高精度
中图分类号：TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0219-02
1 前言
授时问题一直以来是在野外使用的各类设备需要解决的一个重要问题，尤其是对采用非实时操作系统的设备进行高精度授时。本文中基于广泛应用的GPS授时技术提出了一种复合授时方法，通过GPS授时板来对采用非实时操作系统的设备进行毫秒级授时，与专业级的时钟服务器授时相比，这种复合授时方法具有成本低、性价比高、授时不依赖网络等多项优势[1]。
2 非实时设备授时的精度问题
对采用非实时操作系统的设备进行高精度授时主要要解决两个问题：
首先，需要高精度的时钟源信号（野外通常使用GPS时钟信号来授时）。
其次，高精度时钟信息如何送到目标机系统中进行校时。以普通装有WINDOWS系统的计算机为例，由于操作系统的非实时性，因而无论使用何种通讯方式进行校时，该计算机获取时钟数据的过程中都要经过数据发送、系统中断、系统接收等环节。每个环节都会带来不确定延迟，因此，通常使用的通过接收中断、串口读入数据的授时方法，其精度不会很高（通常会有几百毫秒的延迟），根本无法使计算机系统达到毫秒级授时精度。
3 一种高精度的复合授时方法
本文中提出的授时方法通过复合使用GPS授时板的两种授时信号向计算机授时：（1）秒脉冲（1PPS）授时；（2）串口授时。由于GPS授时板的秒脉冲（1PPS信号）的上升沿能够与GPS卫星上的UTC时钟保持纳秒级同步，因此该信号是一种高精度授时信号，但该信号无法直接被计算机所使用。而通过串口授时的方式非常便于计算机读取时钟信息，但串口授时的
无卡授时模块模块说明书
无卡CDMA时间同步 模块说明书 型号：VISEN-M1 西安伟洲电子科技有限公司 Xi’an vzhou Electronics and Technology Co.,Ltd.
前言 概述 本文档通过介绍无卡CDMA授时模块的介绍、脚位说明、软件设计、应用方案和定制服务等，用以指导用户对模块进行产品生产、测试、应用，更方便快捷的进行各种终端产品的设计。 应用于： 1、生产厂家 2、模块设计开发工程师
1 特性说明 ◆CDMA无卡授时，精度为1MS; ◆3.3V TTL UART, 波特率为9600bps，可根据客户要求进行特 制； ◆输出数据有：年、月、日、星期、时、分、秒，农历月日、 毫秒； ◆工作电压为DC5V ，电流1A； ◆工作温度为：-30℃~+75℃； 2 模块对外接口说明 VZTIME-V2 模块采用双排针的方式与外部相连，模块接口定义（从上向下） 3 接口协议 ①、在秒脉冲上升沿后输出有效UTC时间 $CDRMC,072325.000,A,0000.000000,0,00000.000000,0,0.000,000.000,220513,,0,*HH $CDGGA,072325.000,0000.000000,0,00000.000000,0,0,00,0.000,00.000,0,0,0,,*HH 如果客户有特殊要求，可进行客制！ 4、公司简介 西安伟洲电子科技有限公司是一家专注于时间同步产品研发的高新技术企业，于2008年在西安市长安区科技产业园注册成立。公司以西安邮电大学为依托，以学校在职教授及技术骨干为核心研发技术团队。研发人员中85%拥有本科以上学历，研发技术团队曾参与多项国家级项目设计和研发工作，取得了丰硕的成果和经验。公司业务主要以通信技术为核心，涉及领域包括军队、教育、电力、水力、银行、税务、医院、交通等。
北斗+GPS光纤拉远授时系统
GPS/北斗光纤拉远授时系统有效解决TD-SCDMA基站选址难题 中国移动建设运营的第三代移动通信TD-SCDMA-SCDMA网络是严格要求同步的 TD-SCDMAD系统，目前基站的时间同步由单一GPS授时系统实现。传统GPS授时系统， 由于拉远距离、工程施工和抗干扰能力等受限因素，限制了TD-SCDMA系统采用BBU+RRU 光纤拉远分布式基站的优势发挥，在TD-SCDMA站址选择日益困难的现状下，进一步加剧 基站选址的难度，已经成为TD-SCDMA站址选址的瓶颈。 在TD-SCDMA网络工程建设中，TD-SCDMA站址选择成为基站建设的重点问题，需主 要克服以下几点：首先，GPS天线与基站BBU侧的接收机通过射频馈线连接，射频馈线较 粗而且韧性差不易弯曲，其工程施工的难度限制了BBU与天面的拉远距离，极大地降低了BBU机房选址的灵活性；其次，射频馈线的信号衰减性限制了GPS射频信号的传输距离，拉远距离为百米之外就需要增加线路补偿放大器，加装放大器既增加了故障维护点又加大了施工难度，进一步加大新增站址的BBU机房选址灵活性；另外，GPS卫星系统属于美国军方，将使TD-SCDMA系统的正常运行受制于人，非常情况下，卫星系统一旦关闭或受干扰，TD-SCDMA系统将工作紊乱和瘫痪，整网安全存在很大隐患。 在TD-SCDMA网络建设过程中，GPS授时系统的替代解决方案一直是中国移动研究的 课题之一，大唐移动与中国移动持续加强创新合作，面对网络工程建设中的实际问题，推出了GPS/北斗双模一体化光纤拉远授时系统解决方案。该方案采用GPS/北斗双模一体化设计，相比传统GPS授时系统在拉远距离、工程实施、抗干扰能力、美化天面外观、安装维护便 捷性等方面有明显的优势，可实现TD-SCDMA系统天线和GPS/北斗天线的共抱杆安装，给GPS/北斗天线布放及基站选址提供了极大的灵活性，有效解决了网络建设中的基站选址难题，满足运营商快速建网的需求。 GPS/北斗光纤拉远授时系统解决工程施工难题 针对传统GPS单一授时系统普遍存在的传输距离受限、施工困难、易受干扰及安全隐 患的问题，为适应更广泛的布站场景，本方案采用GPS/北斗双模一体化设计，并且采用光 纤拉远的方法有效解决工程施工中传输距离受限和施工困难的难题。一体化GPS/北斗光纤 拉远授时系统方案，就是在天面部分将GPS/北斗天线与接收机进行一体化设计，接收机输 出的PPS与TOD信息通过光纤拉远的方法传输给基站机房内的BBU，BBU时钟恢复模块恢复PPS和TOD信息，并且传送到BBU需要同步的模块。基站设计不再需要考虑接收机的类型（GPS/北斗）、型号、厂家、尺寸等一系列问题，只需要基站和拉远接收机有相同的标 准接口和时间传输机制（如图1所示）。
GPS自动授时数码管显示程序
#include "reg52.h" #define LEDPORT P0 sbit D1=P3^4; sbit D2=P3^5; sbit D3=P3^6; sbit D4=P3^7; sbit LED=P2^5; sbit CLK=P2^1; sbit IO=P2^2; sbit RST=P2^3; sbit ACC0=ACC^0; sbit ACC7=ACC^7; unsigned char flash; unsigned char dp=0xff; bit rev_start,rev_stop; unsigned char code tab[]={0xA0,0xBE,0x64,0x2C,0x3A,0x29,0x21,0xBC,0x20,0x28,0xff};//数码管码表 unsigned char buf[80]; //请把GPS那货发来的数据放到我的肚子里 void TimerInit() { TMOD=0x21; TH0 = 0xF1; //4ms左右 TL0 = 0x9A; EA=1; ET0=1; TR0=1; SCON = 0x50; //使用串行工作方式1，10位异步收发8位数据，波特率可变（由T1的溢出率控制） TH1 = 0xFD; //9600波特率的初值 TL1 = TH1; //9600波特率的初值 ES = 1; TR1 = 1; } void inputbyte(unsigned char ucDa) { unsigned char i; ACC = ucDa;
for(i=8; i>0; i--) { IO = ACC0; //相当于汇编中的RRC CLK = 1; CLK = 0; ACC = ACC >> 1; } } unsigned char outputbyte(void) { unsigned char i; for(i=8; i>0; i--) { ACC = ACC >>1; //相当于汇编中的RRC ACC7 = IO; CLK = 1; CLK = 0; } return(ACC); } /******************************************************************** * * 名称: v_W1302 * 说明: 先写地址，后写命令/数据 * 功能: 往DS1302写入数据 * 调用: v_RTinputbyte() * 输入: ucAddr: DS1302地址, ucDa: 要写的数据 * 返回值: 无 ***********************************************************************/ void write(unsigned char ucAddr, unsigned char ucDa) { RST = 0; CLK = 0; RST = 1; inputbyte(ucAddr); //地址，命令 inputbyte(ucDa); //写1Byte数据 CLK = 1; RST =0; } /******************************************************************** * * 名称: uc_R1302
无线控制授时技术(RCT)及其应用
无线控制授时技术(RCT) ＣＴ发射机及接收机技术原理、ＲＣＴ编码技术以及ＲＣＴ技术目前在各国的应用情况。给 关键词：无线控制授时 BPC WWCB MSF DFC JJY RCT １Ｃ 情况正确的时间在人们日常生活中是不可或缺的。随着微处理器在家用电器、工业产品中的日益普及，许多产品中嵌入了时间处理、显示模块。目前多数产品中的时钟源由晶体振荡产生比较精确的时间。但是在许多场合，由于晶体振荡需要电源供给，在掉电或更换电池时，原有时间会丢失，系统时间被复位，此时必须依照广播、电视或电话公司提供的标准时间手工重新校对；另外在跨时区旅行时，也需要重新校对时间。这给人们带来许多不便。目前随着ＲＣＴ技术的应用，使得需要标准时间的系统通过内嵌微型ＲＣＴ接收装置自动设置标准时间，时间精度一般为秒级且与国家标准时间同步、无需手工调整。从而实现了计时装置计量时间和显示时间的精确性（与授时中心的标准时间同步）、统一性（所有接收该时间信号的计时装置都显示同一时间）。在ＲＣＴ技术广泛应用之前，也有使用ＧＰＳ（全球定位系统）接收标准时间的装置，但由于其电路复杂、成本高昂而没有得到普及。在北美及欧洲，由于ＲＣＴ技术的普及，使得市场对具有自动接收时间功能的钟表及其它计时装置产生了很高的需求。不同的国家使用了不同的时间编码格式和发射频率。表１给出了目前已发射长波授时信号的几个主要国家的时间编码标准及其使用频率。表1 各国RCT技术使用的时间编码及发射频率国家名时间编码标准发射基站地点使用的频率发射功率接收半径中国BPC陕西西安68.6kHz100kW2000km美国WWVBFort Collins60kHz50kW2000km英国MSFRugby60kHz251200km 德国DFCFrankfurt77.5kHz50kW1500km日本JJY40JJY60本州福岛九州富网40kHz60kHz50kW50kW1000km1000km①中国的长波授时编码标准为ＢＰＣ。目前该长波授时的时间编码还未正式公开，其专利由西安高华实业有限公司持有。同时该公司也是中国第一台长波授时电波钟的开发者。②美国的长波授时编码标准为ＷＷＶＢ，发射基站位于Ｃｏｌｏｒａｄｏ州的ＦｏｒｔＣｏｌｌｉｎｓ。由于美国只建有一个长波授时的发射站，因而在距离发射站较远的地区信号较弱，对接收芯片的灵敏度要求比较高。③英国的长波授时编码标准为ＭＳＦ，发射基站位于Ｔｅｄｄｉｎｇｔｏｎ的Ｒｕｇｂｙ。由于英国本土面积较小，一个长波授时发射站就可以覆盖英伦三岛，时间编码信号较强，对接收芯片的灵敏度要求不高。④德国的长波授时编码标准为ＤＣＦ，与ＭＳＦ类似。２０世纪５０年代末，德国就在Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ建立了长波授时中心。德国国土面积较小，且ＤＦＣ的长波授时信号发射站功率很强，是ＲＣＴ技术中对接收芯片的灵敏度要求最低的，因而比较容易开发。⑤日本的长波授时编码标准为ＪＪＹ。由于日本地形狭长，在本洲福岛的４０ｋＨｚ（ＪＪＹ４０）发射机不能覆盖日本全国。日本通信综合研究所于２００１年１０月在九州富冈新建了６０ｋＨｚ的授时发射站（ＪＪＹ６０）。[!--empirenews.page--]图2 MSF授时信号编码格式２ＲＣＴ的技术原理无线控制授时系统由时间编码信号的长波授时发射台及其接收装置共同组成。最初的无线授时系统（包括短波授时和长波授时）只应用于军事目的,现已转为民用。２．１无线控制授时系统的授时信号发送原理ＲＣＴ系统授时信号发送装置的系统构成如图１所示。首先，通过在标准授时中心内的铯（或铷）原子钟产生标准时间。例如，铯原 进行分频产生实时的标准时间信息，如年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等。然后将标准时间信号传送给时间编码发生器编码，编码后的时间信号通过调制器调制到长波载波信号（４０ｋＨｚ～８０ｋＨｚ）上，经过功率放大器将信号沿传输线传送到天线塔发射出去。由于授时信号属于长波信号，以地波形式沿地球表面传播。２．２ＲＣＴ技术系统授时信号的接收原理ＲＣＴ接收机通过内置微型无线接收系统接收长波时间编码信号，由专用芯片
浅议基站IP网络授时系统
浅议基站IP网络授时系统 摘要：随着IP（Internet Protocol）网络的发展，大部分通信网络都实现了IP传输，但由于IP网络是异步网络，IP 网络中的设备无法通过物理链路获取时钟，因此需要为网络设备提供一种新的获取时钟的同步方式。 关键字：授时系统 前言：IP 网络同步主要应用于无线基站的同步，包括WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）中NodeB/AP（Access Preamble）基站设备的频率同步；GSM（Global System for Mobile communications）中BTS（Base Transceiver Station）基站设备的频率同步，CDMA2000、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）和WiMAX中us级别的高精度时间同步。为满足业务设备的高精度时间和时钟同步需求，本文以SYNLOCK T6020设备为例，分析授时系统在不同组网环境（不同的传送网、不同的网络规模）下，高精度时间和时钟同步系统的应用。 1.系统结构 SYNLOCK T6020 主要由频率同步模块、分频鉴相模块、时间恢复模块、锁相模块、1588 处理模块、接口转换模块、CPU 模块、GPS（Global Positioning System）/PPS 时间同步接口、FE/GE 接口、维护接口等组成。 接口转换模块将GE数据转换成FE数据，提供给CPU处理；同时将非1588信息和1588的general信息提供给CPU处理，并发送CPU的网络协议。 维护接口模块通过维护串口和维护网口，主用板将设备链接到集中维护终端。 2.同步定时接口 1）卫星接口 SYNLOCK T6020 提供GPS卫星接口。设备的GPS 接口是1.5G的射频接口，而卫星卡和设备单板的接口是TTL（Transistor-Transistor Logic）的PPS与TTL串口，单板通过这些串口信息可计算出时间和位置信息。 在观测到三颗卫星的情况下，可以得到三个方程组，求解出接收站的三维位置信息。如果观测到四颗以上的卫星，则可以计算出本地时间。 2）1588 接口 IEEE 1588（PTP）的基本功能是使分布式网络内设备的时间与服务器精确
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基于ARM的GPS同步授时系统设计 摘要：基于国际航海标准NMEA-0183为数据协议，以保证电力系统精准授时为目的，通过ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模块NEO-5Q为核心控制数据采集和传输，实现了GPS同步授时的设计方案。系统采用GPS接收模块接收卫星发送的标准数据串，通过微控制器对GPIRMC最小定位信息中的时间数据进行筛选和处理，最后经上位机授时软件对本地计算机进行成功校时，保证了系统的可行性。 关键词：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS 时间同步在工业应用中是十分重要的基础工作，特别是对时间要求较高的电力系统。近年来，电力系统大多采用不同厂家的计算机监控系统、谐波分析系统、故障录波装置、微机保护、电能质量计费系统等，时间数据大多是设备提供自己独立的时钟，而时钟因产品质量差异，在对时精度上都会有一定的偏差，从而使整个系统不能在统一的时间基础上进行数据的分析和比较，给事故后采取正确的故障分析判断带来很大的困难。 由于电力系统传统的时间同步方法只能保证全系统时钟误差在毫秒级，很难达到目前要求的精度。GPS同步授时系统具有授时精度高、范围广、可靠性高全天候且又不受各种干扰影响的特点，因此，采用GPS同步授时系统比采用传统的时钟设备有着明显的优势，并且可广泛应用于对时统精度较高的行业中。 1 GPS同步授时系统原理 如图1所示，整个系统以Cortex-M3为内核的ARM微处理器 STM32f103rbt6为核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS数据接收模块接收卫星数据，微处理器从卫星数据中提取标准UTC时间码同时将其转换成标准北京时间码传输给本地计算机，最后由上位机授时软件对本地计算机进行校时，完成授时过程。 1．1 ARM微处理器STM32f103rbt6 STM32f103rbt6是意法半导体公司一款基于Conex-M3内核的32位微控制器，它主要应用于智能仪表、变频器、工控网络、高端家电和操作界面等领域。STM32f103系列微控制器开发简单，有丰富的语句代码库，与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35％且代码最多可省45％。综合考虑选用了此款微控制器为本系统的核心。 该微控制器特点如下： 1)Cortex-M3内核、哈佛总线结构(可达90 DMIPS)； 2)20 K字节的SRAM，128 K字节的Flash；主频72 MHz，可在系统编程； 3)带唤醒功能的低功耗模式、内部RC振荡器、内置复位电路； 4)在待机模式下，典型的耗电值仅为2μA，非常适合电池供电的应
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GPS卫星授时器常用的同步方式 关键词：卫星授时,GPS卫星授时器 卫星授时是通过导航卫星来进行发播或转播标准时间信号的授 时手段。凭借授时成本低，精度高，实现简单等特点获得广泛的应用。目前常用导航卫星有中国的北斗导航系统和美国的GPS。卫星授时与定位是结合在一起的，一般用户在获得自身精确定位基础上即可实现精确授时。 GPS卫星授时器一般由天线、射频单元、信号处理单元、数据处理单元和输出接口单元组成。 目前GPS卫星授时器有多种时间同步接口标准实现时间的传递。对于广域分布式网络而言，采用卫星授时接收机得到标准时间后，需要将这个时间发布给系统的每个部分。 常用的时间同步接口有时间编码，典型的时间码如IRIG-B码，有直流码和交流码之分。交流码（AC）信号是进行了调制，传输距离较远。在短距离内也常用到时间报文接口，通过RS232串口传递时间。光纤优于不受电磁干扰，目前也成为常用的时间传递手段。 NTP网络时间同步采用网络协议来实现计算机的时间同步，目前得到越来越广泛的应用。通过网络上确定若干网点作为时钟源网站，以此来为实现与UTC时间的同步，为用户提供统一、标准的时间传递服务。互联网上时间同步的复杂性，这一点在NTP时间协议设计的最开始就考虑到了，做了专门的处理。因此目前在实际应用当中当时钟源有效的情况下可以实现时间的校正跟踪，假如发生网络故障的情况
下也依然能维持时间的稳定。保证网络在一定时间内保持精准的时间同步，因此采用基于UDP/IP的层次式时间分布模型的NTP机制可满足不同的互联网环境。推荐的相关gps卫星授时器型号为SYN2151型。 随着对时间同步精度要求的提高，ntp网络授时ms级别精度在许多对同步精度要求更高的领域已经无法满足需求。这种情况IEEE 1588 PTP受到许多用户的关注，PTP的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”。以SYN2411型IEEE1588主时钟为例，ptp授时精度高，可达到ns级别但是必须有硬件电路支持才可以使用需要主从搭配。ptp协议里面有两种对时方式，一种是mac方式，一种是udp模式，精度是一样的，常用的是udp模式。 时间报文是指由授时设备在接收到基准时间源后对时间信息进 行提取校正并按照一定格式输出的时间信息。例如SYN2306C型GPS 北斗授时导航接收机，时间报文一般与秒脉冲结合在一起使用，其授时原理如图所示，一般报文信息在秒脉冲脉冲后某一个时间间隔内输出，报文消息中包含了秒脉冲对应的时刻，秒脉冲的上升时间一般小于5ns，利用秒脉冲精度的上升沿可提供数ns级的授时精度。 目前时间报文中NEMA协议应用最为广泛，NEMA协议中与时间有关的命令主要有GGA、GLL、RMC等命令。 本文章版权归西安同步所有，尊重原创，严禁洗稿，未经授权，
多模GNSS高精度授时在电力系统中的应用分析
多模GNSS高精度授时在电力系统中的应用分析 孙晓波李冶天 （黑龙江电力调度通信中心，黑龙江哈尔滨150090）） 摘要:分析了电力系统对高精度同步时钟需求以及全球导航卫星系统（GNSS）应用的可行性, 给出多模GNSS授时装置的架构，举例分析GNSS高精度授时技术在电压相角测量、输电线路故障定位中的应用，其对于推动电力系统时间同步技术的发展具有重要的意义。 关键词:GNSS、电力系统、高精度、授时 Multi-Mode GNSS High Precision Time Service Device Application Analysis in Power System. SUN Xiaobo, LI Yetian (Heilongjiang Electric Power Dispatch Communication Center,Harbin 150090) Abstract:：The paper analyzed the need for high precision synchronous clock and the application feasibility of Global Navigation Satellite System in power system, gave the framework of Multi-mode time service device based on GNSS, analyzed the application of high precision time service in voltage phase measurement and fault location of transmission line, showed its signification in pushing development of time synchronization technique in power system. Keyword: GNSS, power system, high precision, time service 我国电力系统是以超高压输电、大机组和自动化为主要特征的现代化大电网。我国电力系统的运行实行分层控制，电力系统设备的运行往往要靠几十公里甚至数百公里外的调控中心指挥。电力系统运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些都需要统一的、精确的时间基准。为保证电网安全、经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置广泛应用，如调度自动化系统、故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、变电站计算机监控系统、火电厂机组自动控制系统、雷电定位系统等等，这些自动化装置都需要统一的时间基准，这是保障设备安全运行和管理的重要基础。这些装置的正常工作和作用的发挥，同样离不开统一的电力系统的时间基准。 1 电力系统对高精度同步时钟需求分析 随着电力系统规模的日益增大，电力系统的安全、稳定、可靠运行对时间的基准同一性、同步性及精度要求也在进一步提高，在电厂、变电站及调控中心等建立专用的时间同步系统已经显得十分迫切和必要。电网对时间同步的迫切需求主要体现在电网调度、电网故障判断等与电力生产直接相关的自动控制领域。同时，随着数字电网建设的加快,一些新的系统,如电网预决策分析系统对时间同步的需求更迫切。电力自动化设备(系统) 对时间同步精度有不同的等级要求 ,大致分为以下4 类[1-4]: 1) 时间同步准确度不大于1 μs :包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。 2) 时间同步准确度不大于 1 ms :包括故障录波器、SOE 装置、电气测控单元/ 远程终端装置(RTU) / 保护测控一体化装置等。 3) 时间同步准确度不大于10 ms :包括微机保护装置、安全自动装置、馈线终端装置( FTU) 、变压器终端装置( TTU) 、配电网自动化系统等。 4) 时间同步准确度不大于1 s :包括电能量采集装置、用电监控终端装置、电气设备在
NTP网络授时系统设计与实现——NTP网络授时系统服务器硬件设计
第3章NTP网络授时系统服务器硬件设计 3.1 服务器端硬件系统结构图 NTP服务器的硬件设计，按照最小设计的原则，以保证整个硬件的尺寸符合要求，只提供系统所必须的功能，如串口、以太网口等。系统结构如图3-1所示： 图3-1 NTP服务器硬件实现框图 3.2 系统硬件选型 3.2.1 芯片选型 根据前面的需求分析和硬件总体设计，结合实际应用和实现的需要，选择以下硬件芯片，如表3-1所示。 表3-1 NTP服务器芯片选型
3.2.2 S3C4510B简介 本系统选择了ARM架构的Samsung的S3C4510B处理器作为整个服务器硬件的核心。 ARM(Advanced RISC Machines)架构是面向低预算市场设计的第一款RISC 微处理器，除了RISC的一些特点外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证提高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。 ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，支持Thumb(16位)/ARM（32位）双指令集，大量使用存储器而使指令执行速度更快，寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定等优点，主要应用在工业控制、无线通讯、网络应用、消费电子、成像产品、安全产品、存储产品、汽车行业等领域[10]。 S3C4510B是Samsung公司生产的基于以太网应用的高性价比16/32位RISC 微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器核[11]。另外，S3C4510B的片内外围功能模块主要包括： ——2个带缓冲描述符（Buffer Descriptor）的HDLC通道 ——2个UART通道 ——2个GDMA通道 ——2个32位定时器 ——18个可编程的I/O口 S3C4510B的片内逻辑电路包括： ——中断控制器 ——DRAM/SDRAM控制器 ——系统管理器 ——ROM/SRAM和FLASH控制器
GPS授时系统
GPS授时系统设计 摘要：使用GPS25一LVS OEM板(接收机)接收卫星信号，通过串口异步通信把数据传送给89C51单片机，单片机通过并口控制LED显示，从而实现GPS准确授时．同时，介绍了GPSOEM板输出的数据形式，并采用NMEA_0183格式中最常用的“$GPGGA”格式输出，由“$G —PGGA”数据输出格式可编写出相关的接收程序． 关键词：GPS授时；0EM板；秒脉冲 0 引言 时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展．人们对时间精度的要求也越来越高．天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到9 10-．因此“原子钟”广 10-，“原子钟”精度可达12 泛运用到精密测量和日常生活、生产领域．GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号，然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间，由此可制作出GPS精密时钟．目前已有专门用于授时的授时型接收机，可以提供ns级的精确时间，但由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及．本文采用具有定时功能的GPS 0EM板的串口输出的协调世界时进行授时，可提供经济、实用、准确的公众时间，避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便．． 0.1 GPS系统简介
1973年12 月，美国国防部组织陆海空三军联合研制新一代的卫星导航系统：“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称 GPS。原系美国国防部军事系统中的一个组成部分，现已广泛应用于航海、航天、测量、通信、导航、智能交通等诸多领域。它是新一代精密卫星定位系统，是现代科学技术迅速发展的结晶。 GPS 是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可连续、实时地为无限多用户提供。由于 GPS 定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而己成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。这个系统向全球范围内的用户提供高精度的三维位置和精密时间信息。 0.2 GPS系统的组成 GPS 系统主要由 3 大部分组成，即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分（图 0-1）。 图 0-1 GPS 系统的组成 （1）、空间星座部分
GPS授时精度
GPS授时系统编辑 GPS授时系统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，GPS授时产品它从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来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。 中文名GPS授时系统 外文名GPS time transfer system 设备计算机、保护装置 机组分散控制系统(DCS) 目录 1前言 2简介 1前言 编辑 随着计算机和网络通信技术的飞速发展，火电厂热工自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。 使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一全厂各种系统的时钟，已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内的机组分散控制系统(DCS)、辅助系统可编程控制器(PLC)、厂级监控信息系统(SIS)、电厂管理信息系统(MIS)等的主时钟通过合适的GPS时钟信号接口，得到标准的TOD(年月日时分秒)时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到全厂的时钟同步。 2简介 编辑 一、GPS时钟及输出 1.1 GPS时钟
全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。 GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS 卫星信号就能保证时钟的走时准确性。 作为火电厂的标准时钟，我们对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。 1.2 GPS时钟信号输出 目前，电厂用到的GPS时钟输出信号主要有以下三种类型： 1.2.1 1PPS/1PPM输出 此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。 1.2.2 IRIG-B输出 IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位(P)，见图1.2.2-1。 为便于理解，图1.2.2-2给出了某个IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用BCD码表示，控制功能码(Control Functions，CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用，本例未采用)。 1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485输出 此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，下图为一个用17个字节发送标准时间的实例： 1.3电力自动化系统GPS时钟的应用
gps授时系统的应用
gps授时系统的应用 将局域网上各种需要同步时钟的设备的时间信息基于GPS时间 偏差限定在足够小的范围内，这种时钟系统便就叫做GPS授时系统。有源同步和无源同步 任何时间应用系统都应该具有维持时间增长和缩减，该应用系统的用户获取时间的事实上已经成为世界上大多数时间应用系统的基 本唯一途径就是访问系统的时间保持体系该时间保时间标准，用户计算机内部的时间同步必须与有源实践同步，即必须引访问系统时间保持体系的过程就是用户将自己的时入GPS的时间信号才显得有绝对的意义，在这里，我钟与内部时间基准同步的过程。由于该系统的内部们将计算机网络中能够起到维持时间增长、保持时间时间基 准与外部时间没有关联，同步过程仅限于内稳定的体系称之为时间服务器部。所以，我们可称之为无源同步或相对同步。 世界协调时与国际原子时保持一致，国际时间管理局将分布在世界25个国家的10多个原子时标经过加权平均以后得到的时间，并且，世界所有官方的标准时间系统都遵从UTC的跳秒。 UTC时间被称为绝对标准时间，用于研究时，同时也被称为自然的物理时间。GPS信号中的高精密时间信号主要由每颗卫星上装载的两个艳原子钟和两个铆原子钟来维持，并且通过地面控制站与UTC保持同步。GPS的时间信号事实上已经成为世界上大多数时间应用系统的基本时间标准，所以研究计算机网络的时间同步必须研究有源同步，即必须引入GPS的时间信号才显得有绝对的意义，在这里，我们
将计算机网络中能够起到维持时间增长、保持时间稳定的体系称之为GPS授时系统。 时间传递方法 从GPS到时间服务器的传递 从GPS将PTS信号通过计算机网络时间服务器传递到网络时间客户单元必须经过两个步骤:即先从GPS到时间服务器的直接时间传递,和从时间服务器到时间客户单元的网络协议传递。 直接时间传递技术主要包括3种类型6种方式第1种类型是编码型,主要有串行口RS232C时间编码和IRIG一B时统编码两种方式。 其共同特征是将年月日时分秒毫秒等时间信息以二进制、BCD或者ASCll编码方式定义到被传递的电平位和字节中去通常以异步方式传递,连接使用标准接口,使用相对方便简洁。 第2种类型是脉冲型,主要有1pps，lppm，lpph种方式,它们都是周期脉冲定时信号,这些脉冲信号都有着固定的上升沿宽度和脉冲宽度要求,并且其上升沿都严格与UTC保持优于lus的同步准确度。 第3种类型是频率参考信号,往往是一种伴生调制信号。 gps授时系统产品 GPS授时系统在先有的时钟服务器的基础上，又大幅度提高授时系统的各项性能指标，使得减少故障率及提高工作效率。基本上完全可以和国外先进的GPS授时系统相媲美。 GPS授时系统接收GPS卫星和北斗卫星授时时间信号，将标准UTC 时间信息通过网络传输，为网络设备提供精确、标准、安全、可靠和
国家电网公司_时钟同步标准
ICS XX. XX Q/GDW 国家电网公司企业标准 Q/GDW XXX.1-200X 电网时间同步系统技术规范Technical Specification for Time Synchronism System of Grid （征求意见稿） 2008年01月 200X-XX-XX发布200X-XX-XX实施 国家电网公司发布
前言 目前，我国电网各厂站和调度控制中心主站大多配备了以GPS为主的分散式时间同步系统，各网、省公司也出台了相应的技术规范。但由于缺少统一技术要求和配置标准，也缺乏时钟同步和时间精度检测的有效手段，现有时间同步系统配置不尽相同，运行情况也不够稳定，部分时钟设备时间精度不能满足要求。由调度自动化系统、变电站自动化系统、故障录波装置和安全自动装置等电力二次系统或设备提供的事件记录数据，存在时间顺序错位，难以准确描述事件顺序，不能给电网事故分析提供有效的技术支持。 为了规范、指导我国电网时间同步系统的设计、建设和生产运行，满足电网事故分析的要求，特制订《电网时间同步系统技术规范》。 《电网时间同步系统技术规范》根据国内外涉及时间统一技术的有关标准、规范和要求，本着“资源整合，信息共享”的原则，结合我国电网的工程实践和时间同步系统的现状制订而成，其要点如下： 规范时间同步系统结构、功能和技术要求； 规范调度主站、变电站的时间同步系统配置标准； 规范时间同步系统电气接口和信号类型； 统一IRIG-B 时码实现电力二次设备与时间同步系统的对时； 结合技术的发展，构建基于地面时钟源的电网时间同步系统。 本标准由国家电网公司生产技术部提出。 本标准由国家电网公司科技部归口。 本标准由江苏省电力公司江苏电力调度通信中心负责起草，国家电网公司国家电力调度通信中心、江苏省电力设计院、江苏省电力试验研究院、中国电力科学研究院、上海电力调度通信中心等单位参加编制。 本标准的主要起草人：
北斗卫星导航和授时系统的地位和作用
北斗卫星导航和授时系统的地位和作用各国对自主建设卫星导航和授时系统的必要性，均有充分认识。 一、空间战略发展的需要 卫星导航系统是空间战略系统的重要组成部分，也是大国综合实力的体现。同时，卫星上天需要轨道位置，系统运行也需要频率资源。目前这些资源的大部分，已被美国的GPS和俄罗斯的格罗纳斯所占据，在剩余的资源中，按照“先用先赢”的国际法原则，北斗系统先建成，就先占用，而欧盟的伽利略系统由于只发射了４颗卫星，已注定在这场空间资源争夺赛中败下阵来。我们在空间战略上，已抢占了主动把握了先机。 二、国家安全的战略需要 2003年3月20日，伊拉克战争爆发，美军大批轰炸机、巡航导弹猛扑巴格达，炸弹和导弹一一精准命中目标，迅速摧毁了伊军作战力量。其中，指引方向和提供定位的，正是美军卫星导航系统—GPS。我们使用他国的卫星导航和授时系统，将在诸多方面受困：一是使用权上受制于人。伊拉克战争期间，我国的一艘远洋货轮就因拒绝了美军拦截检查，船用GPS导航仪遭信号关闭，被迫停驶。二是使用精度上受制于人。目前，世界上应用最广泛是美国的GPS系统，但其高精度的军用信号就连英国、法国等国也享用不到。所以，欧盟联合研制了自己的卫星导航系统—伽利略系统。三是易受电子欺骗。在战时，敌人可通过GPS系统注
入定位和时间误差，实施欺骗，这将导致导弹失准，指控失调、作战失败的灾难性后果。美、俄等国明确规定，国家安全系统不允许使用国外导航定位和授时服务。 三、社会经济发展的需要 卫星导航系统作为重要的空间基础设施，具有巨大的社会经济效益，有力地促进了国家经济建设，推动了社会发展。目前，已在测绘、电信、水利、气象、煤炭、交通、渔业、勘探、农业、森林防火和应急救援等各个领域发挥着重要作用。同时导航系统本身就是一个巨大的市场，而目前全球95%的市场份额被GPS所占据。
用于智能电网建设的北斗_GPS高精度授时方案关键技术_赵东艳
第37卷第9期电网技术V ol. 37 No. 9 2013年9月Power System Technology Sep. 2013 文章编号：1000-3673（2013）09-2621-05 中图分类号：TM 734 文献标志码：A 学科代码：470·4054 用于智能电网建设的北斗/GPS 高精度授时方案关键技术 赵东艳，原义栋，石磊，张海峰 （北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京市海淀区 100192） Key Technology in Beidou/GPS High-Precision Time Service Scheme for Smart Grid Construction ZHAO Dongyan, YUAN Yidong, SHI Lei, ZHANG Haifeng (Beijing NARI Smart Chip Microelectronics Co., Ltd., Haidian District, Bejing 100192, China) ABSTRACT: To effectively ensure the precision of time reference of the whole grid and gradually gets rid of the dependence of smart grid operation on global positioning system (GPS), based on GPS, the first and the second generation of Beidou navigation system a tri-mode dual-channel high-precision time service scheme that can be used to the construction of smart grids is proposed, and the SOC chip implementation for the proposed time service scheme is put forward, by which not only the potential safety hazard can be eliminated, but also the troubles in product volume and cost can be effectively resolved. In the viewpoint of hardware implementation, the feasibility and advancement of the proposed high-precision time service scheme as well as the prospect of applying it in smart grids are analyzed. According to present operation situation of the second generation of Beidou system and complex application environment of power grids, in the proposed time service scheme the relatively matured first generation of Beidou navigation system is used as the main clock source, meanwhile it is compatible with GPS and the second generation of Beidou navigation system, therefore the dual-channel time service mode, by which the time service by GPS and the first and the second generation of Beidou navigation system can be independently performed, is implemented, and the time base of time service in the two channels can be combined and resolved. The time service accuracy of the proposed scheme can reach up to 15ns, namely 1σ, and the time accuracy can reach up to 1μs/h, and thus the proposed high-precision time service scheme can completely satisfy the demand of smart grid construction. KEY WORDS: smart grid; Beidou navigation system; GPS; time service 摘要：为有效保障智能电网全网时间基准的精度，并逐渐摆脱电网运行对全球定位系统(global positioning system，GPS)的依赖性，提出了可用于智能电网建设的基于北斗一代系统、北斗二代系统、GPS系统的三模双通道高精度授时方案，提出了该授时系统的SOC芯片实现方案，不但可以消除安全隐患，而且可以有效解决产品成本和体积的问题。从硬件实现的角度分析了高精度授时方案的可行性、先进性及其在智能电网中的应用前景。该授时方案针对北斗卫星导航系统运行现状和电力系统复杂的应用环境，采用较成熟的北斗一代作为主时钟源，同时兼容北斗二代和GPS，可实现北斗一代系统、北斗二代系统和GPS系统独立授时的双通道运行方式，且各通道授时时基可实现组合解算，授时精度最高可达15 ns(1σ)，守时精度可达1 μs/h，完全可以满足智能电网建设的需求。 关键词：智能电网；北斗系统；GPS；授时 0 引言 随着电网系统的大区域互联[1]和广域动态测量系统(wide area measurement system，WAMS)[2]的逐步建立，基于广域同步采样数据可切实提高继电保护装置、故障测距装置、变电站一次设备状态监测装置、安全稳定控制系统、WAMS系统算法的准确性和应用的广泛性[3]。而同步相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)[4]作为广域动态测量系统的核心终端装置，测量精度较高，并且其采样基于广域同步时钟，要求各类装置和系统基于统一的时间基准运行，以确保线路故障测距以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性[5-6]。 随着北斗卫星导航系统的建设与完善，基于北斗系统开展在电力系统授时方面的应用已是大势所趋。目前在电力应用领域中的授时产品主要以全球定位系统(global positioning system，GPS)[7]和北斗一代系统为主。GPS系统由美国军方控制，对于国家安全存在巨大隐患；北斗一代系统虽然可实现 DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2013.09.006