GPS時鐘

GPS時鐘也是基於最新型GPS高精度定位授時模組開發的基礎型授時套用產品。能夠按照用戶需求輸出符合規約的時間信息格式，從而完成同步授時服務。其主要原理是通過GPS或其他衛星導航系統的信號馴服晶振，從而實現高精度的頻率和時間信號輸出，是目前達到納秒級授時精度和穩定度在1E12量級頻率輸出的最有效方式。

基本介紹

• 中文名：GPS時鐘
• 外文名：GPS clock

概況

高精度時間基準已經成為通信、電力、廣播電視、安防監控、工業控制等領域的基礎保障平台之一。衛星導航定位系統可提供高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時服務，授時性能優異；高精度、低成本；安全可靠；全天候；覆蓋範圍廣。

GPS時鐘原理圖

GPS時鐘也是基於最新型GPS高精度定位授時模組開發的基礎型授時套用產品。能夠按照用戶需求輸出符合規約的時間信息格式，從而完成同步授時服務。 GPS時鐘主要分為兩類，一類是GPS授時儀，主要輸出時標信息，包括1PPS及TOD信息；另外一類是GPS同步時鐘，後者輸出利用衛星信號馴服OCXO或者銣鐘得到的高穩定頻率信息，以及本地恢復的更平穩的時標信號。

GPS同步時鐘主要由以下幾部分組成：GPS/GNSS接收機，其中可以為GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或銣鐘，本地同步校準單元，測差單元，誤差處理及控制結構，輸入輸出等幾部分。

其主要原理是通過GPS或其他衛星導航系統的信號馴服晶振，從而實現高精度的頻率和時間信號輸出，是目前達到納秒級授時精度和穩定度在1E12量級頻率輸出的最有效方式。

內部還可以增加IRIG-B碼，DCF77碼，NTP時間伺服器等單元。

設計

由於恆溫晶振精密控溫，使晶體工作在零溫度係數點的溫度上，具有很高的頻率精度和穩定度，是目前石英晶振器件中頻率穩定度最高的一種。晶振的頻率精度是指晶振的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差，精度引起的偏差會給測量系統引入累積誤差。不管是貼片晶振還是外掛程式晶振頻率穩定度都是指秒級間隔內的瞬時穩定度，即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機變化，瞬時穩定度通常會給測量系統引入隨機誤差。本裝置採用新型的高穩定度恆溫晶振OD02 - 5T型晶振，它的頻率精度達到10- 8量級，頻率穩定度達到10- 11量級。頻率調整範圍是電壓調整（0~5V）為- 9 ×10 - 7/8 ×10- 7 ,這種可調特性使得此恆溫晶振通過GPS的校準輸出頻率精度可以達到10- 9.

典型產品

衛星跟蹤性能

通道數：50通道

冷啟動時間：32秒

熱啟動時間：小於1秒

定位精度：小於2.5米

1pps秒脈衝精度：30ns（1σ），綜合由於0.5μS;

1PPS信號格式：BNC接口，TTL電平，阻抗：50Ω

授時精度

保持模式15ns，非保持模式30ns

IRIG-B碼輸出精度：小於0.5us（起始上升沿與1PPS同步）

頻率精度

10MHz：1路，BNC，標準正弦波，50Ω

準確度：小於1E-12（內置高穩恆溫晶振）

超低相噪。

本款時鐘詳細指標請見北京寰亞翔宇公司網站。

誕生原因

我們知道通信系統可以分成同步通信系統和異步通信系統兩種。

所謂同步通信，要求發收雙方具有同頻同相的同步時鐘信號，只需在傳送報文的最前面附加特定的同步字元，使發收雙方建立同步，此後便在同步時鐘的控制下逐位傳送/接收。這樣一方面省去了存儲器（異步通信系統需要存儲器保存接收到的信號後再解碼），同時也確保了實時性。

在最初的同步通信系統中，我們會找到一個時鐘源，然後把所有的收發子系統都接到這個時鐘源上。小型的同步通信系統完全可以這樣做，比如一台電腦中的一個同步通信的系統，他們就用電纜線接到一個共同的時鐘源上，再來收發信號。

可是一旦同步通信的系統變大到全國性的呢？如果還用電纜或者光纜接到同一個時鐘源上，會發生很多問題。首先，建設的成本太大了，要在全國範圍內鋪設線路，只為傳輸一個時鐘信號，不划算。其次，如果收發信機分別在黑龍江和廣東，時鐘信號即使以光速傳過去，還會產生一定的延時。

那么這個問題怎么解決呢？

隨著GPS系統民用化和其越來越廣泛的套用，人們似乎看到了解決方案。後來就誕生了以‘GPS時鐘’（GPS clock）為主的‘時鐘信號廣播系統’（radio clock）。

每個GPS衛星上都有2~3個高精度的原子鐘，這幾塊原子鐘互為備份的同時，也互相糾正。另外地面的控制站會定期傳送時鐘信號，和每一顆衛星進行時鐘校準。這樣的時鐘系統堪稱世界上最精準的了，為什麼不能用來做radio clock呢。不管什麼同步通信系統，大家都接入GPS衛星信號，將其中的時鐘信號解碼，那大家就有了精準的同步時鐘源了。

當然你可能會擔心衛星信號傳送到地面的延遲問題。GPS信號中自帶了誤差糾正碼，接收端可以很容易的把延遲的這段傳輸延遲去掉。另外，由於衛星信號很微弱，只有在室外才能接受的到，因此每個GPS授時系統都應當有室外天線，否則就不能用了。

這樣一來上面列出的兩個問題都解決了。用來鋪設全國性電纜並不是每家公司都有資金實力的，而且鋪設的成本用來買GPS接收器，那肯定可以買到無數個了。而延時的問題，也被GPS出色的編碼系統所解決了。真的是太完美了。

關於radio clock，世界上還有其他的一些系統，包括歐盟的伽利略衛星導航系統、中國的北斗衛星導航系統等，都有授時的功能。

實現方法

常規時鐘頻率產生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會老化，易受外界環境變化影響，長期的精度漂移影響；原子鐘長期使用後也會產生偏差，需要定時校準。而GPS系統由於其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統進行修正，所以其自身時鐘系統長期穩定，具有對外界物理因素變化不敏感特性。晶體或銣鐘以GPS為長期參考，可以獲得低成本、高性能的基準時鐘。現有同步時鐘的比較如表1所示。

在網路正常工作狀態下，GPS時鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準確度；由於在某些特殊情況下GPS時鐘信號會暫時消失，所以基於GPS的時鐘模組一般需要另一個外部時鐘作為後備輸入，預留有外接時鐘的時基和頻標信號（如GLONASS、中國雙星、銣原子鐘等）接口。另外，GPS時鐘其頻率準確度還具有自身保持性能。

GPS時鐘頻率模組提供所需的各種時頻的信號，並輸出定位時間信息、GPS接收機是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時鐘和頻率處理模組激活狀態、異常告警等等。圖1是GPS時鐘模組的原理圖。

套用

電力自動化系統內有眾多需與GPS時鐘同步的系統或裝置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機保護裝置等。在確定GPS時鐘時應注意以下幾點：

(1)這些系統分屬熱控、電氣、系統專業，如決定由DCS廠商提供的GPS時鐘實現時間同步(目前通常做法)，則在DCS契約談判前，就應進行專業間的配合，確定時鐘信號接口的要求。(GPS時鐘一般可配置不同數量、型式的輸出模組，如事先無法確定有關要求，則相應契約條款應留有可調整的餘地。)

(2)各系統是否共用一套GPS時鐘裝置，應根據系統時鐘接口配合的難易程度、系統所在地理位置等綜合考慮。各專業如對GPS時鐘信號接口型式或精度要求相差較大時，可各自配置GPS時鐘，這樣一可減少專業間的相互牽制，二可使各系統時鐘同步方案更易實現。另外，當系統之間相距較遠(例如化水處理車間、脫硫車間遠離集控樓)時，為減少時鐘信號長距離傳送時所受的電磁干擾，也可就地單設GPS時鐘。分設GPS時鐘也有利於減小時鐘故障所造成的影響。

(3)IRIG-B碼可靠性高、接口規範，如時鐘同步接口可選時，可優先採用。但要注意的是，IRIG-B只是B類編碼的總稱，具體按編碼是否調製、有無CF和SBS等又分成多種(如IRIG-B000等)，故時鐘接收側應配置相應的解碼卡，否則無法達到準確的時鐘同步。

(4)1PPS/1PPM脈衝並不傳送TOD信息，但其同步精度較高，故常用於SOE模件的時鐘同步。RS-232時間輸出雖然使用得較多，但因無標準格式，設計中應特別注意確認時鐘信號授、受雙方時鐘報文格式能否達成一致。

(5)火電廠內的控制和信息系統雖已互連，但因各系統的時鐘同步協定可能不盡相同，故仍需分別接入GPS時鐘信號。即使是通過網橋相連的機組DCS和公用DCS，如果時鐘同步信號在網路中有較大的時延，也應考慮分別各自與GPS時鐘同步。

特性

保證Intranet/Internet內所有的計算機時間同步；

授時精度：1～10ms；

時間源雙機熱備份，恆溫晶振自守時（可選）；

支持雙電源工作備份（可選）；

支持協定ARP，UDP，Telnet，ICMP，SNMP，DHCP，TFTP，NTP/SNTP，Time/UDP，NTP V4，V3，V2，V1；

1-4個獨立乙太網口速率10/100M，協定兼容：Ethernet 2.0/IEE 802.3；

12通道GPS接收機，尋星時間小於10秒；

裝置可通過面板線上顯示當前收星個數，直觀反映裝置的同步狀況；

可用於WIN95/98/ME/NT/2000，Unix，Linux等；

串口輸出精度可達微秒級；

串口信號輸出可程式，按鍵設定,操作方便；

提供MD5加密驗證，防止非法獲取時間；

提供UDP廣播協定，可接LED顯示屏；

完善的SNMP網管功能；

可同步數萬台客戶端、伺服器、工作站等設備時鐘；

裝置的所有輸出信號均經隔離輸出，抗干擾能力強；

裝置具有多種串列信息輸出與互動方式，以滿足不同用戶的需求；

採用高性能、寬範圍開關電源，工作穩定；

GPS接收天線重點考慮了防雷設計、穩定性設計、抗干擾設計，信號接收可靠性高，不受地域條件和環境的限制；

架裝式結構，標準機箱,安裝方便；

客戶端軟體操作簡單，顯示直觀，占用系統資源小；

可選模組：IRIG-B碼輸入/輸出，CDMA，北斗接收機，1PPS，1PPM，1PPH；

無線時鐘

目前市場上普遍使用的GPS時鐘系統是GPS子母數碼時鐘，即各個數碼子鐘需要用GPS母鐘來傳送標準時間信息。在使用的時候需要在室外合適位置架設GPS天線，在每台數碼子鐘和GPS母鐘之間需要連線電纜，但是很多時候建築物不具備室外架設天線條件，在母鐘和子鐘之間連線電纜也很麻煩。

CDMA時鐘不需要母鐘，也不需要架設天線，而是在子鐘內部電路接收聯通CDMA標準時間信號，溯源到UTC時間，即在任何可以使用聯通CDMA手機的地方均可使用CDMA數碼時鐘顯示標準時間。具有傳統GPS子母鐘系統顯示標準時間的特點，同時克服了原GPS子母時鐘系統使用安裝受使用地點條件限制、成本高的弊端。

該時鐘系統可用於於機場、醫院、電力、火車站、捷運輕軌、廣播電視時鐘、體育館時鐘、車載時鐘、辦公大樓時鐘、酒店時鐘、學校時鐘等不同領域的公共場所。