科普 | 三分鐘了解什么是GPS衛(wèi)星同步授時(shí)服務(wù)

1、什么是GPS衛(wèi)星授時(shí)?

GPS衛(wèi)星同步授時(shí)是針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)、控制裝置等進(jìn)行校時(shí)的高科技產(chǎn)品，GPS授時(shí)產(chǎn)品它從GPS衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備（計(jì)算機(jī)、保護(hù)裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)RTU），這樣就可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

2、常見的授時(shí)方式

目前主流的時(shí)間同步信號(hào)及接口方式有NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)、串口授時(shí)、IRIG-B碼授時(shí)、1PPS/1PPM授時(shí)等。其中1PPS/1PPM脈沖和IRIG-B碼授時(shí)精度最高可達(dá)到納秒量級(jí)， NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)一般情況下精度可達(dá)毫秒量級(jí)。1PPS/1PPM和IRIG-B碼都需要專用接口和線纜，而NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)方式則可采用網(wǎng)絡(luò)的方式。

（1）NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)

NTP授時(shí)是通過NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器提供授時(shí)服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)上以指定時(shí)間服務(wù)器為基準(zhǔn)時(shí)間源，提供授時(shí)服務(wù)，局域網(wǎng)所有的電腦、服務(wù)器和其他設(shè)備均可通過網(wǎng)絡(luò)與時(shí)間服務(wù)器保持同步。

具體的實(shí)現(xiàn)方案是在網(wǎng)絡(luò)上指定若干時(shí)間服務(wù)器，為用戶提供授時(shí)服務(wù)，并且這些時(shí)間服務(wù)器間應(yīng)該能夠相互比對(duì)，提高準(zhǔn)確度。局域網(wǎng)內(nèi)所有的PC、服務(wù)器和其他設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)與時(shí)間服務(wù)器保持同步，NTP協(xié)議自動(dòng)判斷網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償。從而使局域網(wǎng)設(shè)備時(shí)間保持統(tǒng)一精準(zhǔn)。 

（2）串口授時(shí)

時(shí)間輸出通過串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時(shí)間報(bào)文。報(bào)文中可插入時(shí)鐘狀態(tài)等信息。這種方法可以通過軟件看到當(dāng)前的時(shí)間信息并隨時(shí)校正計(jì)算機(jī)時(shí)間。

（3）IRIG-B碼授時(shí)

B碼授時(shí)方式IRIG共有A、B、D、E、G、H幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)。在時(shí)間同步中比較常用，有DC碼 (BC電平偏移)、AC碼 (1kHz正弦載波調(diào)幅)等格式。IRIG-B信號(hào)每秒輸出一幀，每幀長(zhǎng)為一秒。一幀共有100個(gè)碼元，由不同脈沖寬度的碼元來代表二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)志位。

（4）1PPS/1PPM授時(shí)方式

此格式時(shí)間信號(hào)每秒或每分時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。顯然，脈沖輸出不含具體時(shí)間信息。

3、GPS衛(wèi)星同步授時(shí)服務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景

 

最早期的高精度授時(shí)要求，來自航空航天天飛行器。往往以極高的速度飛行，如果沒有精準(zhǔn)的時(shí)間同步，就無法對(duì)飛行器的準(zhǔn)確位置進(jìn)行確認(rèn)。尤其是太空對(duì)接等場(chǎng)景，如果兩個(gè)飛行器的時(shí)間不同步，那么距離就會(huì)差之千里，飛行姿態(tài)也會(huì)存在巨大誤差，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

除了航天領(lǐng)域之外，隨著高精尖科技逐漸在各行各業(yè)落地，很多和我們生活息息相關(guān)的系統(tǒng)，也有了高精度授時(shí)需求。例如電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

 

（1）電力系統(tǒng)

我們通常使用的都是交流電，交流電中的電流方向是隨時(shí)間變化的。當(dāng)不同的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，如果時(shí)間不一致，輕則帶來多余的能量損耗，重則直接短路，毀壞設(shè)備，癱瘓電網(wǎng)，造成大規(guī)模停電。

（2）金融領(lǐng)域

現(xiàn)如今都是數(shù)字化金融，所有的交易都通過電腦和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。系統(tǒng)時(shí)間不同步，很可能導(dǎo)致交易失敗，在瞬息萬變的市場(chǎng)中錯(cuò)過機(jī)會(huì)。不同步的時(shí)間，也有可能被黑客利用，給系統(tǒng)帶來安全隱患。

（3）通信系統(tǒng)

通信基站的切換、漫游需要精準(zhǔn)的時(shí)間控制，對(duì)同步精度的要求高，也需要足夠的穩(wěn)定性。以TD-LTE為代表的TDD時(shí)分系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求更高，系統(tǒng)時(shí)間同步要求在±1.5μs。我們現(xiàn)在使用的5G，基本上也是采用TDD時(shí)分復(fù)用模式。在大速率數(shù)據(jù)傳輸過程中，對(duì)時(shí)間同步精度要求極高。如果通信設(shè)備之間時(shí)間不同步，將影響時(shí)隙和幀，進(jìn)而影響業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。

除了上述行業(yè)之外，包括學(xué)校、醫(yī)院、交通調(diào)度、地理測(cè)繪、氣象監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，都對(duì)高精度時(shí)間同步有需求。

 

 

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