GPS時(shí)鐘在網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的應(yīng)用

一、概述
　　在通信領(lǐng)域，“同步”概念是指頻率的同步，即網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位同步，其誤差應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。目前，在通信網(wǎng)中，頻率和相位同步問(wèn)題已經(jīng)基本解決，而時(shí)間的同步還沒(méi)有得到很好的解決。時(shí)間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的各個(gè)應(yīng)用界面的時(shí)鐘的時(shí)刻和時(shí)間間隔與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）同步，最起碼在一個(gè)局域或城域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)要和北京時(shí)間同步。時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)是保證時(shí)間同步的基礎(chǔ)，構(gòu)成時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)可以采取有線(xiàn)方式，也可以采取無(wú)線(xiàn)方式。在這里我們主要介紹互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)及產(chǎn)品，也就是通過(guò)支持NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器（中新創(chuàng)科DNTS系列）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。
　　時(shí)間的基本單位是秒，它是國(guó)際單位制（SI單位制）的七個(gè)基本單位之一。1967年的國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGDM）給出了新的秒定義：“秒是銫133（133Cs）原子在0K溫度基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)輻射的9 192 631 770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間”，即“原子秒”（TAI）。現(xiàn)在常用的協(xié)調(diào)世界時(shí)實(shí)際上是經(jīng)過(guò)閏秒調(diào)整的原子秒。
　　目前在國(guó)際基準(zhǔn)和國(guó)家基準(zhǔn)層面所使用的主要是銫原子鐘。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立的冷原子噴泉銫原子鐘其頻率復(fù)現(xiàn)性為5?10－15，已接近國(guó)際先進(jìn)水平。其實(shí)，在應(yīng)用層面上并不需要國(guó)家基準(zhǔn)這樣高的時(shí)間和頻率準(zhǔn)確度。不同的應(yīng)用對(duì)準(zhǔn)確度的要求是不同的，表1列舉了一些典型的應(yīng)用對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度的要求（應(yīng)用界面時(shí)間相對(duì)于UTC時(shí)間的誤差）。

表1：一些典型的應(yīng)用對(duì)時(shí)間精度的應(yīng)用

二、時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

目前有多種時(shí)間同步技術(shù)，每一種技術(shù)都各有特點(diǎn)，不同技術(shù)的時(shí)間同步精度也存在較大的差異，如表2所示：

表2：各種常用的時(shí)間同步技術(shù)

2         長(zhǎng)短波授時(shí)時(shí)間同步技術(shù)

利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)授時(shí)已經(jīng)具有80多年的歷史，國(guó)際上長(zhǎng)波授時(shí)主要使用羅蘭-C系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)發(fā)射臺(tái)設(shè)在沿海地區(qū)，主要用于軍事和導(dǎo)航，尚不民用。

4         電話(huà)撥號(hào)時(shí)間同步技術(shù)

電話(huà)撥號(hào)授時(shí)（ACTS）使用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，只需電話(huà)線(xiàn)、模擬調(diào)制解調(diào)器、PC及客戶(hù)端軟件即可。目前這種計(jì)算機(jī)主要用于校準(zhǔn)家庭個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)間，同時(shí)不具備實(shí)時(shí)性。

6         GPS時(shí)間同步技術(shù)

GPS時(shí)間同步技術(shù)是當(dāng)前較成熟并在國(guó)際上廣泛采用的時(shí)間同步技術(shù)。目前國(guó)際上除了美國(guó)的GPS還有前蘇聯(lián)的GLANASS系統(tǒng)和我國(guó)的“北斗”系統(tǒng)。GLANASS系統(tǒng)由于經(jīng)濟(jì)原因，健康星的數(shù)量有限，穩(wěn)定性和可靠性無(wú)法保障。“北斗”系統(tǒng)尚未民用，而且無(wú)法做到實(shí)時(shí)覆蓋。目前GPS屬于比較成熟可靠的系統(tǒng)。

8         互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)

使用互聯(lián)網(wǎng)同步計(jì)算機(jī)的時(shí)間是十分方便的，目前這種方式在局域網(wǎng)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。微軟公司已將網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）嵌入到Windows XP系統(tǒng)中，只要計(jì)算機(jī)能聯(lián)網(wǎng)，就能進(jìn)行局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)時(shí)間校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的NTP協(xié)議采用的是RFC 1350標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP）采用的是RFC 1769標(biāo)準(zhǔn)。NTP協(xié)議包含一個(gè)64bit的協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）時(shí)間戳，時(shí)間分辨率時(shí)200ps，并可以提供1~50ms的時(shí)間精度（依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載）。但實(shí)驗(yàn)表明這種技術(shù)在洲際間的校準(zhǔn)精度只能達(dá)到幾百毫秒甚至只能達(dá)到秒的量級(jí)。所以，在龐大的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)設(shè)立一級(jí)和二級(jí)時(shí)間服務(wù)器來(lái)解決精度的問(wèn)題。

另外，還有兩個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的、低精度的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間協(xié)議：Time協(xié)議（RFC868）和Daytime協(xié)議（RFC867），可以提供1s校準(zhǔn)精度的廣域網(wǎng)時(shí)間同步。

二、西昌衛(wèi)星發(fā)射中心運(yùn)用北京中新創(chuàng)科的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器解決時(shí)間同步問(wèn)題。

一直以來(lái)，中新創(chuàng)科公司致力于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器的研發(fā)，可根據(jù)客戶(hù)的要求單獨(dú)定做，并取得了廣大客戶(hù)的認(rèn)可。目前產(chǎn)品分6個(gè)型號(hào)可滿(mǎn)足不同行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步需求。同時(shí)，中新創(chuàng)科的DNTS系列網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器已經(jīng)在：電力、鐵路、衛(wèi)星、軍隊(duì)、電信、政府機(jī)關(guān)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

中新創(chuàng)科的DNTS時(shí)間服務(wù)器是客戶(hù)可自己設(shè)置時(shí)間源保存到服務(wù)器的恒溫晶振里達(dá)到時(shí)間同步或GPS時(shí)間同步技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)的結(jié)合。一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射基地就是采用19英寸1U機(jī)架式設(shè)計(jì)，內(nèi)置GPS接收機(jī)，以GPS衛(wèi)星時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，支持NTP協(xié)議（V2.0/V3.0/V4.0）和SNTP協(xié)議，同時(shí)可以支持能夠?yàn)榫钟蚓W(wǎng)內(nèi)成百上千的計(jì)算機(jī)、路由器等提供時(shí)間校準(zhǔn)最終來(lái)達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。下圖為一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射基地利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器達(dá)到網(wǎng)絡(luò)同步的應(yīng)用方案：

圖1

在前面互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)中提到因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及延時(shí)的原因?qū)е轮揠H間的校準(zhǔn)精度只能達(dá)到幾百毫秒甚至只能達(dá)到秒的量級(jí)。那么在龐大的網(wǎng)絡(luò)中需要一級(jí)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器來(lái)很好的解決校準(zhǔn)精度和冗錯(cuò)的問(wèn)題。圖2為西昌衛(wèi)星發(fā)射中心大型網(wǎng)絡(luò)解決方案：

圖2

在上面的方案中，從主干網(wǎng)絡(luò)到各分支網(wǎng)絡(luò)需要保持應(yīng)用界面的時(shí)間同步。如果僅僅在主干網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器那么分支網(wǎng)絡(luò)中的客戶(hù)端由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等原因不能保證所需精度，那么通過(guò)在地市級(jí)網(wǎng)絡(luò)中也設(shè)立網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器就能解決這一問(wèn)題，因?yàn)檫@種情況下各地的GPS接收機(jī)在接收到3顆以上衛(wèi)星信號(hào)時(shí)大家的時(shí)間源都是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，所以時(shí)間源的一致性得到保證。同時(shí)，即便某地的GPS接收機(jī)發(fā)生故障這是本地的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器可作為NTP的客戶(hù)端向上主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一級(jí)時(shí)間服務(wù)器請(qǐng)求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間繼續(xù)提供精準(zhǔn)的時(shí)間源為本地網(wǎng)絡(luò)的客戶(hù)端提供校準(zhǔn)服務(wù)。在極端情況下，當(dāng)主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立的一級(jí)時(shí)間服務(wù)器GPS也發(fā)生故障時(shí)，分支網(wǎng)的時(shí)間服務(wù)器具備高精準(zhǔn)的自守時(shí)功能（守時(shí)精度1×10 －12即30年誤差1s）仍然能提供精準(zhǔn)的時(shí)間源。方案中的一級(jí)時(shí)間服務(wù)器采用中新創(chuàng)科DNTS-72型。

另外，中新創(chuàng)科還提供應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和數(shù)字廣播電視系統(tǒng)的時(shí)間頻率產(chǎn)品，例如可以作為CDMA鐘源為CDMA基站提供時(shí)鐘源可提供19.6608MHZ方波信號(hào)，PP2S信號(hào)，10M正弦波信號(hào)或方波信號(hào)。如作為數(shù)字集群的應(yīng)用可定制信號(hào)16.384MHZ，14.4MHZ。并支持再定時(shí)功能作為再定時(shí)設(shè)備使用。

中新創(chuàng)科時(shí)間服務(wù)器參數(shù)和性能特點(diǎn)：

1  保證Intranet/Internet內(nèi)所有的計(jì)算機(jī)時(shí)間同步

2    支持協(xié)議ARP,UDP,IP,TCP, Telnet, ICMP, SNMP, DHCP, TFTP,NTP,SNTP,Time/UDP

3   NTP V4，V3，V2;NTP Server或NTP Client可選擇

4   2個(gè)獨(dú)立以太網(wǎng)速率10/100M，協(xié)議兼容：Ethernet 2.0/IEEE 802.3

5   一個(gè)RS232/RS485口輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和位置信號(hào)(NMEA 0183)

6   一個(gè)RS232口輸入，可作為外部時(shí)間源

7   1PPS輸出

8   本地干節(jié)點(diǎn)告警功能

9      12通道GPS接收機(jī)，尋星時(shí)間小于10秒

10    內(nèi)置高精度時(shí)鐘，GPS信號(hào)丟失情況下仍可輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)

11    網(wǎng)絡(luò)較時(shí)精度小于10ms可用于WIN95/98/ME/NT/2000,Unix,Linux

12    提供MD5加密驗(yàn)證，防止非法獲取時(shí)間

13    提供UDP廣播協(xié)議，可接LED顯示屏

14    完善的SNMP網(wǎng)管功能

15    輸入電源 220VAC/50Hz,-48VDC,24VDC,10W

16  B碼輸入,B碼輸出,1PPS,1PPM,1PPH

型號(hào)：DNTS系列

選型指南

  聯(lián)系人：彭理根

電話(huà)：010-81688870

北京中新創(chuàng)科技有限公司

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