HR高精度北斗衛星時間同步系統

HR高精度北斗衛星時間同步系統

HR高精度北斗衛星時間同步系統即網絡各個節點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合相關標準的規定。時間同步是指網絡各個節點時鐘以及通過網絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協調世界時（UTC）同步，最起碼在一個局域或城域網絡內要和北京時間同步

HR高精度北斗衛星時間同步系統即網絡各個節點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合相關標準的規定。時間同步是指網絡各個節點時鐘以及通過網絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協調世界時（UTC）同步，最起碼在一個局域或城域網絡內要和北京時間同步

隨著數字網絡的不斷發展,基于網絡協議(IP)的技術不斷涌現，因為它足夠的方便、靈活和可擴展性。局域網（LANs）、廣域網（WANs）以及蜂窩網絡都是IP網絡應用的常見例子。當我們在工業控制、測試和測量領域、傳輸聲音、視頻等信息的數據主干應用方面采用IP網絡技術時，時間的同步是我們考慮的關鍵要點。例如聲音和視頻質量對不確定性的延遲和抖動非常的敏感，裝配生產線上的機器人彼此之間也需要嚴格的同步。

IP網絡和以太網最初設計時并沒有考慮同步問題，但是這在現在非常的有必要。如果你的產品需要時間同步需要在設計上采取哪些措施呢？目前已經有幾種解決方案，這里我們與大家討論四種常見的解決方案：網絡時間協議（NTP）、精簡的網絡時間協議（SNTP）、精確的時間協議（PTP）以及借助導航系統時間同步，比如定位系統GPS。幸運的是從架構的角度來看這些不同的實現方案有很多的共同之處。

主時鐘源

同步網絡通常都會有一個主時鐘，它的來源一般都是協調世界時（UTC），UTC是基于地球的自轉而確立的公立時間。UTC與國際原子時（TAI）保持著固定的關系，兩者之間的固定關系是根據地球自轉減慢的速度而周期性的增加到UTC上的閏秒時間而保持的，目前UTC時間比TAI時間快了將近36秒。另一個度量標準是UT1，它是以平子夜作為0時開始的格林格林威治平太陽時加上人工極移校正后的時間標準，UTC與UT1之間的關系保持在9秒以內。

目前有很多個時間服務器，但是在美國的就是來自國家科學技術研究所（NIST）提供的時間，NIST提供的時間是基于UTC、UTC1和網絡時間協議（NTP）服務器的，其他網絡的計算機和主時鐘源都是根據這個服務器來確定的，然而還有很多的輔助服務器存在，而且時間信息也可以來自于導航衛星。

時間研究要素

在網絡設計中存在異步和同步的時間模型，所有同步的方法都需要有一個內聚層次的定時解決方案。參考時鐘對于網絡元素的同步是必須的，網絡元素通常需要一個電壓控制的晶體振蕩器（VCXO）、鎖相環（PLL）或者時鐘生成器通過調整實現同步狀態。目前比較流行的方案包括Abracon公司推出的超低相位噪聲的VXCO和IDT公司推出的82P33814-1NLG同步管理單元，支持多種同步模式。

無論選擇哪種解決方案，設計系統都需要能夠提供適當的抖動衰減和相位噪聲剔除，并且與網絡中的其他元素保持適當的同步公差。時間設計方面要包括一定的保持特性，即在被通知同步狀態之前保持時鐘的能力以防止主時鐘或參考時鐘出現故障。

HR高精度北斗衛星時間同步系統

常用的同步解決方案

網絡時間協議（NTP）和精簡網絡時間協議（SNTP）

的公共網絡時間同步方法就是NTP以及其精簡版SNTP，公共的NTP子網在所有大陸甚至在海底都設有服務器，為互聯網上無數的計算機提供時間支持服務。NTP服務器時間是基于UTC的，但是NIST組織架設了一個基于UT1的NTP服務器。

NTP協議使用軟件時間戳來實現精確的時間同步，精度范圍從100µs 到100ms 或者更大。很多因素會導致差異，但是通常都是由于網絡延遲、硬件、操作系統、環境溫度變化引起的振蕩器漂移以及時間更新引起的時間間隔引起的。

當我們確定需要對客戶端的本地時間進行調整時，還需要將往返時間延遲考慮在內。NTP和SNTP使用相同的過程來確定校正因子，計算結果是假設往返兩方向的延遲都是相同的而確定的，因此在客戶端與服務端之間一共發生了四個數據包交換。

NTP和SNTP之間的主要區別是SNTP客戶端需要周期性的直接從單個SNTP服務器同步它們的時間，因此，SNTP主要用于不需要太高精度要求的應用程序，NTP則采用基于狀態的復雜算法來提升精度。

NTP支持多播/任播、客戶端/服務器、點對點模式，而SNTP通常應用于客戶端-服務端模式，NTP系統廣播時間信息是分層的并建立不同的層級，每個級別被分配給一個對應層級（Stratum）的序號，Stratum 1服務器是層，提供全局的時間同步服務，上層的需要根據底層的時間信息來同步。（網絡事件結構為進一步研究提供了很好的使用信息來源，并且提供了一個參考實現方案稱為NTPd，適用于Unix和Windows操作系統）  

與NTP和PTP協議不同，GPS系統的可變延遲問題則不一樣，因為時間信息都直接來自于衛星，限制的因素是接收器必須有一條暢通無阻的通路，大氣環境以及衛星相對接收器的位置都會對精度產生影響。因為給每個網絡元素都集成一個接收器會很昂貴，因此工程師們會有效的控制成本，不過GPS時代相關產品已經便宜很多了，使得實際的解決方案的同步精度能夠達到100ns以內。

GPS系統接收器還有一個好的特性就是它可以應用于封閉網絡，即沒有互聯網連接。它們同樣可以為PTP網絡提供精確的主時鐘源。

總結

除了上文提到的時間同步方法，當然還有其他的方案比如“同步網絡（SyncE）”和“范圍內儀表組時間編碼（IRIG）”，這些都值得我們深入去研究。這些技術都是通過分發信號實現同步但是都需要專用的硬件平臺。

“同步網絡”已經成為一種標準受到越來越多的歡迎，傳統的時間劃分多路復用網絡演變為基于IP的切換和多路復用實現方案（上文提到的DP83640就是基于SyncE技術實現的）。為了進一步的探索，可以參考國際電信聯盟相關標準：ITU-T Rec.G8261，62，64。

網絡時間同步解決方案也可以通過上文提到的方法組合來實現，比如基于PTP的工業控制網絡可以從GPS接收器獲取其主時鐘源，當然也可以從NTP衍生服務器獲取。許多可行的方法和組合可以一起工作，最終目標是通過網絡實現精確的時間同步，但是每種技術都有自己的功能特性，而且隨著網絡和技術的發展逐漸都能夠滿足現代應用的大部分需求。

北斗衛星校時器產品介紹：

北斗衛星校時器是針對計算機、自動化裝置等進行校時而研發的高科技設備，該產品可從GPS衛星（北斗衛星、B碼接口、PTP）上獲取標準的時間信號，將這些信號通過各種接口（NTP/SNTP、串口、B碼、PTP、脈沖）傳輸給自動化系統中需要時間信息的設備（計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU），這樣系統中就有了一個標準的時間源，從而達到整個系統的時間一致。

HR系列北斗衛星校時器內部采用ARM嵌入式系統技術生產，以高速芯片進行控制，無硬盤和風扇設計，精度高、穩定性好、功能強、無積累誤差、不受地域氣候等環境條件限制、性價比高、操作簡單、全自動智能化運行，免操作維護，適合無人值守。該產品可以為計算機網絡系統、電力自動化系統、水利自動化系統、電子商務系統、網上B2B系統以及數據庫的保存維護等系統提供精密的標準時間信號和時間戳服務，已經被成功應用在廣電、交通、金融、通信、安防、電力、水利、醫療、教育、IT等領域。

二、北斗衛星校時器產品特點：

◆ 高精度，串口/脈沖可達30ns，NTP客戶端優于2ms，時間同步快。

◆ 雙CPU同時工作，32位CPU雙核處理器，采用DSP/CPLD完成實時高速處理；

◆ 具有可擴展無限個獨立的物理隔離10/100M網口（每個端口具有獨立的MAC地址），每個網口可以靈活的配置使用，可以用在不同的子網和物理隔離網絡里；

◆ 作一級時間服務器，可同時為上萬臺客戶端、服務器、工作站提供時間服務。

◆ 支持WINDOWS9X/NT/2000/XP/2003/vista、LINUX、UNIX、SUN SOLARIS、IBM AIX、HP-UX等操作系統及支持NTP協議的所有網絡設備。

◆ 多種配置方法（TELNET/WEB），易于管理和升級，支持MD5加密和SNMP網管；

◆ 設備支持NTP和SNTP協議，且提供IBIG-B碼互備信號接口，要實現計算機網絡及其網絡設備無需額外編程便可自動精確同步時間。

◆ 支持電源中斷、GPS失歩干接點信號告警（訂貨時須說明）。

◆ 專用嵌入式系統，無硬盤和風扇設計，防震設計，系統穩定可靠。

◆ 機箱經防磁處理，抗干擾能力強。

◆ 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。

◆ 裝置具有多種串行信息輸出與交互方式，以滿足不同用戶的需求。

◆ 串口信號輸出可編程，按鍵設置,操作方便。

◆ 裝置可通過數碼管在線顯示當前收星個數，直觀反映裝置的同步狀況。

◆ 機架式結構，1U/2U、19”標準機箱,安裝方便。