專利名稱：Gps/ntp雙輸入同步時鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種GPS/NTP雙輸入同步組網(wǎng)時鐘，尤其涉及一種利用傳輸 網(wǎng)絡(luò)，將每個孤立的GPS時鐘同步裝置組成一個完全同步的時間網(wǎng)絡(luò)，屬于通信 技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，許多行業(yè)對時間精度的要求也越來越高。在 電力、交通、通信、金融等各個領(lǐng)域，精確的時間信號才能夠保證各種自動化設(shè) 備的正常運(yùn)行，而l秒鐘的時間差都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計失誤，造成無法挽回的 經(jīng)濟(jì)損失。目前針對這一問題普遍的解決方法是建立時間同步系統(tǒng)。即將絕對時間UTC 應(yīng)用于各大廠礦企業(yè)內(nèi)，使得廠內(nèi)有時間標(biāo)記需求的設(shè)備能夠使用同一個時間參 照體系，從而使各類設(shè)備的內(nèi)部時間保持一致。目前應(yīng)用最成熟的是GPS衛(wèi)星對時技術(shù)。GPS是美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， 由24顆在空間運(yùn)行的GPS衛(wèi)星和地面控制站組成，在地球表面任一地點(diǎn)、任一 時刻GPS衛(wèi)星信號接收器都可收到足夠多數(shù)量的GPS衛(wèi)星信號。精確計算接收器 所在當(dāng)前空間位置和時間，其時間精度相對UTC時間誤差可達(dá)納秒級。GPS時鐘 是一個非常精確的時間源，絕大多數(shù)的時間同步網(wǎng)絡(luò)都把它作為基準(zhǔn)時間源。獲得GPS時間需要依靠專門的GPS時鐘同步裝置，其內(nèi)部裝有一個GPS接收 單元，通過電纜與天線連接，接收GPS時間信號。然后再通過一系列轉(zhuǎn)換電路將 該信號轉(zhuǎn)換成IRIG-B、脈沖、時間報文等各種信號格式進(jìn)行輸出。通常精度要 求較高的GPS時鐘同步裝置還會配置內(nèi)部時鐘，可以是原子鐘或晶體振蕩器。當(dāng) 跟蹤GPS信號時，裝置內(nèi)部時間基準(zhǔn)單元將衛(wèi)星信號及內(nèi)部時鐘信號進(jìn)行分析合 成，綜合了衛(wèi)星信號長穩(wěn)好和內(nèi)部時鐘信號短穩(wěn)好的優(yōu)點(diǎn)，通過內(nèi)部時鐘濾除信 號的抖動和漂動，使信號更穩(wěn)定；當(dāng)GPS信號不可用時，裝置能夠通過內(nèi)部時鐘 的保持功能，持續(xù)提供良好精度的時間信號輸出。目前全球用于時間同步的技術(shù)，歸納起來有兩種方案。
方案l:每個獨(dú)立區(qū)域放置一套或冗余的兩套GPS時鐘同步裝置，通過時鐘擴(kuò)展裝置輸出上百個時間信號，提供給通常lkm距離內(nèi)的設(shè)備對時，而這些獨(dú)立 區(qū)域之間，則相對GPS保持同步。如圖1所示，GPS接收單元1通過GPS天線獲 取時間信號，再將信號送入時間基準(zhǔn)單元2，另外時間保持單元0CX0振蕩器3 和實(shí)時時鐘4也不斷與時間基準(zhǔn)單元2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。時間基準(zhǔn)單元2將以上多 個時間信號來源進(jìn)行分析和處理后，輸出到總線5上，同時還產(chǎn)生一路10MHz 和一路1PPS基準(zhǔn)信號。如圖1所示，各信號輸出卡板6和顯示卡板7都同時與 總線5交換配置信息，實(shí)現(xiàn)各種所需信號的輸出。方案2，用一套或冗余的兩套GPS時鐘同步裝置輸出一定數(shù)量的DCLS信號， 每一路DCLS信號通過DDN, DCN網(wǎng)絡(luò)的傳輸手段傳送至數(shù)百公里以外的地方，再 通過具有時延補(bǔ)償功能的接收裝置進(jìn)行接收、解碼、擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)所有需要時間信 號的設(shè)備的時間同步。對于這種方案，需要下游的同步時鐘裝置具有DCLS接收 功能，如圖2所示，GPS接收單元1通過GPS天線獲取時間信號，DCLS輸入卡板 8通過屏蔽線纜或光纜接收上游信號，DCLS輸入卡板是一種用于接收時間信號的 卡板，能夠通過電纜接收DCLS時間信號，并將DCLS解碼，從而輸出串口時間報 文信號和精度優(yōu)于1微秒的1PPS信號。GPS接收單元1和DCLS輸入卡板8再分別將信號送入時間基準(zhǔn)單元2，另外， 時間保持單元0CX0振蕩器3和實(shí)時時鐘4也不斷與時間基準(zhǔn)單元2進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換。時間基準(zhǔn)單元2將以上多個時間信號來源進(jìn)行分析和處理后，輸出到總線5 上，同時還產(chǎn)生一路10MHz和一路1PPS基準(zhǔn)信號，信號輸入卡板8、各信號輸 出卡板6和顯示卡板7都同時與總線5交換配置信息,實(shí)現(xiàn)各種所需信號的輸出。其中DCLS輸入卡板是一種用于接收時間信號的卡板，能夠通過電纜接收 DCLS時間信號，并將DCLS解碼，從而輸出串口時間報文信號和精度優(yōu)于l微秒 的1PPS信號。以上兩種方案各有其缺點(diǎn)方案l:所有GPS時鐘同步裝置之間永遠(yuǎn)是相對衛(wèi)星時間的同步，任何天線、電纜、環(huán)境的變化都可能造成相對誤差的增加且不可預(yù)料，因此不能從根本上解決時間同步的問題；且所有站點(diǎn)都依賴受控于美國的GPS,存在極大的安全 隱'患。方案2:傳輸DCLS信號需要特定的傳輸網(wǎng)絡(luò)的支撐，并且這些支撐網(wǎng)絡(luò)并 不普及；且長距離傳輸時產(chǎn)生不同的時延，與GPS對時精度出現(xiàn)明顯誤差。當(dāng)前國內(nèi)許多電廠、變電站、通信大樓內(nèi)分別建立了獨(dú)立的GPS時間同步 系統(tǒng)，但由于各站內(nèi)的GPS性能良莠不齊，直接影響到時間基準(zhǔn)信號的準(zhǔn)確性； 即使所有電站全部使用同樣的GPS設(shè)備，當(dāng)某些設(shè)備由于特殊原因無法接收GPS 信號而切換到內(nèi)部保持輸出時，與其他正常運(yùn)行的GPS設(shè)備也會造成信號的差 異。因此僅實(shí)現(xiàn)局部的同步是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，迫切需要建立統(tǒng)一的時間同步網(wǎng)。即 利用通信網(wǎng)絡(luò)，采用NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議進(jìn)行對時已成為發(fā)展趨勢。該方式具有投 資省，軟件安裝方便，精度高的特點(diǎn)，最易于大量推廣采用。對于無法上LAN局 域網(wǎng)的設(shè)備，可以通過可接入用戶設(shè)備物理接口，如IRIG-B、 RS232等進(jìn)行單 獨(dú)傳送時間信息。NTP協(xié)議可用復(fù)雜的算法對傳輸過程中的時間延遲進(jìn)行補(bǔ)償， 并且減輕多個由于同步源而產(chǎn)生的差錯，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確性達(dá)到毫秒級的時間服務(wù)， 專業(yè)的工業(yè)級產(chǎn)品甚至達(dá)到微秒級的時間服務(wù)。另外還可介由加密確認(rèn)的方式來 防止惡毒的協(xié)議攻擊，保障了網(wǎng)絡(luò)安全。NTP對時可利用原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，距 離不受任何限制，是一種更為先進(jìn)、更為可靠的時間同步方式。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是發(fā)明一種GPS/NTP雙路輸入同步組網(wǎng)時鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)全 省范圍內(nèi)任意設(shè)備間的高精度時間同步。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種GPS/NTP雙路輸入同步 組網(wǎng)時鐘，包括GPS接收單元、時間基準(zhǔn)單元、時間保持單元0CX0振蕩器、實(shí) 時時鐘、總線、至少一個輸出卡和顯示卡板，GPS接收單元一端與GPS天線連接， 另一端與基準(zhǔn)單元連接，基準(zhǔn)單元分別與時間保持單元0CX0振蕩器和實(shí)時時鐘 連接，同時通過總線與至少一個輸出卡和顯示卡板連接，其特征在于，基準(zhǔn)單元 和總線分別與NTP輸入卡板連接，NTP輸入卡板與RG45線纜連接。本實(shí)用新型將GPS接收單元和NTP輸入卡板相結(jié)合，在同一裝置中實(shí)現(xiàn)兩路 信號的輸入，并可設(shè)置主備用，實(shí)現(xiàn)GPS和NTP兩路輸入信號的冗余配置，擴(kuò)展其 在各種環(huán)境中的應(yīng)用范圍。當(dāng)裝置作為一級主時鐘時，將GPS信號做為主用信號， GPS信號丟失時，可自動切換到NTP信號輸入，跟蹤到上級時間服務(wù)器；當(dāng)裝置作
為下級時鐘時，以地面鏈路信號為主用，當(dāng)傳輸故障或其他原因造成NTP信號不 可用時，可自動切換到GPS信號輸入，保證系統(tǒng)的對時精度。由于NTP信號通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，傳輸通道非常普及，且應(yīng)用非常方 便，相對于DCLS信號在傳輸中會造成較大的時延，NTP信號可利用自身的算法，動態(tài)的計算實(shí)時的傳輸延遲并自動進(jìn)行補(bǔ)償，大大提高了時間信號傳輸?shù)木龋?還利用了NTP信號優(yōu)越的組網(wǎng)性能，提升了裝置的組網(wǎng)特性。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1. 實(shí)現(xiàn)了一臺裝置GPS/NTP雙路冗余輸入，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2. 除利用NTP自身的算法，還特別運(yùn)用了獨(dú)特的處理技術(shù)，隨時比較和處理 內(nèi)部被GPS同步過的時間基準(zhǔn)單元與NTP時間數(shù)據(jù)包之間的關(guān)系，提高對時精度；3. 可通過軟件技術(shù)動態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳輸中的時間延遲，鎖定GPS時相對UTC輸 出精度可達(dá)100ns，網(wǎng)絡(luò)對時精度最高300us;4. 模塊化設(shè)計，涵蓋目前通用的所有信號格式，可滿足不同的系統(tǒng)需求；5. 擁有完善的遠(yuǎn)程管理體系6. 支持SNMP告警、干接點(diǎn)告警。

圖1為原方案1GPS輸入同步組網(wǎng)時鐘結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為原方案2GPS輸入同步組網(wǎng)時鐘結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為GPS/NTP雙路輸入同步組網(wǎng)時鐘結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 本實(shí)用新型所用的所有組件均為外購。如圖3所示,為GPS/NTP雙路輸入同步組網(wǎng)時鐘結(jié)構(gòu)示意圖，所述的GPS/NTP 雙路輸入同步組網(wǎng)時鐘由GPS接收單元1、時間基準(zhǔn)單元2、時間保持單元OCXO 振蕩器3、實(shí)時時鐘4、總線5、至少一個輸出卡6、顯示卡板7和NTP輸入卡板 9組成，GPS接收單元1 一端與GPS天線連接，另一端與基準(zhǔn)單元2連接，基準(zhǔn) 單元2分別與時間保持單元OCXO振蕩器3和實(shí)時時鐘4連接，并輸入看門狗程 序，同時通過總線5與至少一個輸出卡6和顯示卡板7連接，實(shí)時時鐘4與石英連接，基準(zhǔn)單元2和總線5分別與NTP輸入卡板9連接，NTP輸入卡板9與RG45 線纜連接。NTP: Network Time Protocol即網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，是用于時間同步的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議，可以獲得并且分發(fā)時間。它的用途是把連入網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時間同 歩到某些時間標(biāo)準(zhǔn)，并可以提供高精準(zhǔn)度的時間校正，且可借由加密確認(rèn)的方式 來防止惡毒的協(xié)議攻擊。NTP輸入卡板是一種用于接收時間信號的卡板，能夠通過網(wǎng)絡(luò)接收NTP時間 信號，并將NTP解碼，從而輸出串口時間報文信號和1PPS信號。工作時，GPS接收單元1通過GPS天線獲取時間信號，NTP輸入卡板9通過 RG45線纜或屏蔽線纜接收上游信號，GPS接收單元1和NTP輸入卡板9再分別 將信號送入時間基準(zhǔn)單元2,另外，時間保持單元0CX0振蕩器3和實(shí)時時鐘4 也不斷與時間基準(zhǔn)單元2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。時間基準(zhǔn)單元2將以上多個時間信號來 源進(jìn)行分析合成，綜合了衛(wèi)星信號長穩(wěn)好和振蕩器信號短穩(wěn)好的優(yōu)點(diǎn)，并濾除抖 動和漂動，提高的信號的穩(wěn)定性。時間基準(zhǔn)單元2將合成后的信號輸出到總線5 上，同時還產(chǎn)生一路10MHz和一路1PPS基準(zhǔn)信號，即秒脈沖信號，也是一種通 用時間信號格式，每秒發(fā)一個脈沖，信號輸入卡板9、各信號輸出卡板6和顯示 卡板7都同時與總線5交換配置信息，實(shí)現(xiàn)各種所需信號的輸出。當(dāng)裝置在跟蹤NTP的狀態(tài)下，應(yīng)同時跟蹤GPS信號約半小時，時間基準(zhǔn)單元 2利用這段時間不斷將NTP信號與GPS信號進(jìn)行對比，并進(jìn)行一系列計算過程， 算出NTP傳輸過程中的實(shí)時的延遲，自動設(shè)置并隨時調(diào)整補(bǔ)償值，使得NTP對時 精度大大提高。經(jīng)過這一過程，半小時后斷掉GPS天線，裝置在僅跟蹤NTP信號 時精度可保持在300微秒以內(nèi)。時間基準(zhǔn)單元2包含多個微控制芯片，通過軟件控制GPS和其他輸入信號的 主備用情況，實(shí)現(xiàn)兩路信號的智能切換。
權(quán)利要求1. 一種GPS/NTP雙路輸入同步組網(wǎng)時鐘，包括GPS接收單元(1)、時間基準(zhǔn)單 元(2)、時間保持單元OCXO振蕩器(3)、實(shí)時時鐘(4)、總線(5)、至少一 個輸出卡(6)和顯示卡板(7)， GPS接收單元(1) 一端與GPS天線連接，另 一端與基準(zhǔn)單元(2)連接，基準(zhǔn)單元(2)分別與時間保持單元0CX0振蕩器 (3)和實(shí)時時鐘(4)連接，同時通過總線(5)與至少一個輸出卡(6)和顯 示卡板(7)連接，其特征在于，基準(zhǔn)單元(2)和總線(5)分別與NTP輸入 卡板(9)連接，NTP輸入卡板(9)與RG45線纜連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種GPS/NTP雙路輸入同步組網(wǎng)時鐘，包括GPS接收單元、時間基準(zhǔn)單元、時間保持單元OCXO振蕩器、實(shí)時時鐘、總線、至少一個輸出卡和顯示卡板，GPS接收單元一端與GPS天線連接，另一端與基準(zhǔn)單元連接，基準(zhǔn)單元分別與時間保持單元OCXO振蕩器和實(shí)時時鐘連接，同時通過總線與至少一個輸出卡和顯示卡板連接，其特征在于，基準(zhǔn)單元和總線分別與NTP輸入卡板連接，NTP輸入卡板與RG45線纜連接。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了一臺裝置GPS/NTP兩路輸入信號的對時模式，形成了輸入的冗余配置，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；能夠針對不同的系統(tǒng)需要設(shè)置主用信號，擴(kuò)展了裝置的應(yīng)用范圍，并且利用時延補(bǔ)償功能，網(wǎng)絡(luò)對時精度能夠達(dá)到300微秒以內(nèi)；同時具備完善的遠(yuǎn)程管理功能。
文檔編號H04B7/185GK201039176SQ200720069790
公開日2008年3月19日 申請日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者亞 朱, 王雅芬, 蘇金廣, 邱祖雄 申請人:上海泰坦通信工程有限公司