精准授时，GPS北斗卫星授时同步时钟系统的天花板

精准授时，GPS北斗卫星授时同步时钟系统的天花板
精准授时，GPS北斗卫星授时同步时钟系统的天花板
对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要的，而且也是最关键的国家基础设施之一。精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量。它为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。
精密授时在以通信、电力、控制等工业领域和国防领域有着广泛和重要的应用。现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础。它对整体社会的支撑几乎是全方位的，星基导航和授时是未来发展的必然趋势。
目前的卫星授时同步技术主要有美国的全球卫星导航系统GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS、中国的北斗一号导航定位系统和欧盟的伽利略全球导航定位系统Galileo,基于授时的安全考虑，现阶段国内电力企业主要依赖全球卫星定位系统GPS时间同步技术，但GPS受美国限制，且GPS是免费使用，因此可靠性低，自主性差。为了满足电力生产业务及管理业务等方面对时间的需求和安全需要，有必要对北斗一号授时时间同步技术进行研究和推广应用。在本文中只介绍北斗授时技术及在电力系统的应用。
本文所指的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时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）同步。

二．北斗授时原理及特点
1．北斗一号授时原理
授时是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。
卫星导航系统通常由三部分组成：导航授时卫星、地面检测校正维护系统和用户接收机。对于北斗一号局域卫星系统，地面检测中心要帮助用户一起完成定位授时同步。北斗授时系统图示1.
图1 北斗一号授时系统工作示意图
在北斗导航系统中，授时用户根据卫星的广播或定位信息不断的核准其时钟钟差，可以得到很高的时钟精度；根据通播或导航电文的时序特征，通过计数器，可以得到高精度的同步秒脉冲1pps信号，用于同/异地多通道数据采集与控制的同步操作。
“北斗一号”为用户机提供两种授时方式：单向授时和双向授时。单向授时的精度为100ns，双向授时的精度为20ns。在单向授时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互信息，只需接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步；双向授时模式下，用户机与中心站进行交互信息，向中心站发射授时申请信号，由中心站来计算用户机的时差，再通过出站信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐。
1.1 单向授时
北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间，用户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差，则北斗时间和用户钟时间虽然读数相同其出现时刻却是不同的。
地面中心站在出站广播信号的每一超帧单向授时就是用户机通过接收北斗通播电文信息，由用户机自主计算出钟差并修正本地时间，使本地时间和北斗时间同步。周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间（天、时、分信号与时间修正数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息通过一种特殊的方式调制在出站信号中，经过中心站到卫星的传输延迟、卫星到用户机的延迟以及其它各种延迟（如对流层、电离层、sagnac效应等）之后传送到用户机，也就是说用户机在本地钟面时间为观测到卫星的时间，由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间的时延获得，后则根据导航电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先获取的自身位置信息计算。
一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测1颗卫星，就可以实现精密的时间测量或者同步。若观测2颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性。

图2 北斗一号单向授时机原理框图
1.2 双向授时
双向授时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即可。为了说明方便，给出简化模型：中心站系统在T0时刻发送时标信号ST0，该时标信号经过延迟后到达卫星，经卫星转发器转发后经到达授时用户机，用户机对接收到的信号进行的处理也可看做信号转发，经过空间的传播时延到达卫星，卫星把接收的信号转发，经过空间的传播时延传送回中心站系统。也即表示时间T0的时标信号ST0，最终在T0 + + + + 时刻重新回到中心站系统。中心站系统把接收时标信号的时间与发射时刻相差，得到双向传播时延 + + + ，除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延。中心站把这个单向传播时延发送给用户机，定时用户机接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值修正本地钟，使之与中心控制系统的时间同步。

图3 北斗一号双向授时机原理框图
1.3 双向授时和单向授时的对比
（1）从双向授时和单向授时的原理：介绍中可以看出，双向授时和单向授时的主要差别在于从中心站系统到用户机传播时延的获取方式：单向授时用系统广播的卫星位置信息按照一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延，卫星位置误差、建模误差（对流层模型、电离层模型等）都会影响该时延的估计精度，从而影响最终的定时精度；双向授时无需知道用户机位置和卫星位置，通过来回双向传播时间除以2的方式获取，更精确的反映了各种延迟信息，因此其估计精度较高。在北斗系统中单向授时精度的系统设计值为100ns，双向授时为20ns，实际授时用户机的性能通常优于该指标。
（2）单向授时需要事先计算用户机的位置，若位置未知，则需先发送定位请求来获得位置信息。双向授时无需知道用户机的位置，所有处理都由中心站系统完成。
（3）单向授时由于采用被动方式进行，不占用系统容量（需要获取定位位置信息）。而双向授时是通过与中心站交互的方式来进行定时，因此会占用系统容量，受到一定的限制。
2. 北斗授时的特点
(1) 北斗授时精度优于20~100ns，精确程度高；
(2) 授时系统及设备工作稳定可靠，干扰小；
(3) 多种输出方式；
(4) 便携低耗
(5) 应用范围：航空航海、陆上交通、科学考察、极地探险、设备巡检、系统监控等。

三、北斗授时在电力系统中的应用
目前电力系统内部各送端、受端的分布广泛而分散，自动化装置内部都带有实时时钟，其固有误差难以避免，随着运行时间的增加，积累误差会越来越大，会失去正确的时间计量作用。如何实现实时时钟能够的时间同步，达到全网的时间统一，一直是电力系统追求的目标。若在各端安装一台北斗授时机，则北斗授时机的高精度就能保证各地时间信号与UTC的相对误差都不超过20～１００ns。这种卫星覆盖范围内的高精度时间同步在电力系统检测和测量中具有极高的利用价值。
在实际应用中，使用卫星授时信号进行精确的异地或同地多通道数据采集与控制的精确同步目的，主要是使用卫星信号接收端得到pps的秒脉冲信号或者使用再由此信号得到PPM、PPH脉冲信号，同步启动多通道的数据模数转换器ADC、数字控制模数转换器，同步打开或关闭各个通道开关；还用于测量判断，制作精确时间标签，如电力系统中的各种故障定位等。在授时设备中，接收端每秒钟向外发送1PPS秒脉冲和定位、时钟信息。PPS秒脉冲信号与外传数据信息有严格的时间关系，在使用中，还可能实现时间转换。

图4 北斗一号授时在电力系统中的应用原理框图
电力系统时间同步需求表１
业务系统信号类型信号精度信号接口
线路行波故
障测距装置秒脉冲及时间报文 1us 静态空接点
雷电定位系统秒脉冲及时间报文 1us RS一232
功角测量系统秒脉冲及时间报文 40us RS一232
故障录波器 IRIG-B或分脉冲及时间报文 1ms RS一422
事件顺序记录装置 IRIG一B或分脉冲及时间报文 1ms RS一422
微机保护装置 IRIG一B或分脉冲及时间报文１０ms RS一232
RTU IRIG-B或分脉冲及时间报文 1ms RS-422
各级调度自动化系统 IRIG-B或分脉冲及时间报文 1ms RS一232
变电站监控系统 IRIG-B或分脉冲及时间报文 1ms RS-422
自动记录仪表 IRIG-B或分脉冲及时间报文 10ms RS一232
负荷监控系统时间报文 ≤0.5s RS-422
近年来，随着电网运行技术水平的提高，大部分变电站采用综合自动化方案，远方集中控制、操作，既提高了劳动生产率，又减少了认为误操作的可能。因此，自动化系统实时时钟的时间同步要求是变电站自动化系统的最基本要求。为了保证电网安全以及经济运行，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，这些装置的正常工作和作用的发挥，同样离不开统一的全网时间基准。

结语
北斗卫星授时技术已经逐步成熟，深入日常生产、生活的各个领域和方面。产品稳定可靠、便携低耗、成本低的北斗卫星授时设备，实现精确的时钟授时和同步数据采集控制，在工控时间同步方面具有广阔的应用前景。利用导航卫星进行物体定位、时钟授时与同步数据采集控制，可以达到传统测量控制手段所不及的精确程度，在航海航空、陆上交通、科学考察、极地探险、地理测量、气象预报、设备巡检、系统监控等方面应用日益广泛。

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