GPS校時器在局域網時間同步中的應用

一、概述
在通信領域，“同步”概念是指頻率的同步，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。目前，在通信網中，頻率和相位同步問題已經基本解決，而時間的同步還沒有得到很好的解決。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，*起碼在一個局域或城域網絡內要和北京時間同步。時間同步網絡是保證時間同步的基礎，構成時間同步網絡可以采取有線方式，也可以采取無線方式。在這里我們主要介紹互聯網時間同步技術及產品，也就是通過支持NTP協議的GPS校時器（濟南唯尚W系列）實現網絡時間同步。
時間的基本單位是秒，它是國際單位制（SI單位制）的七個基本單位之一。1967年的國際計量大會（CGDM）給出了新的秒定義：“秒是銫133（133Cs）原子在0K溫度基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9 192 631 770個周期所持續的時間，即“原子秒”（TAI）。現在常用的協調世界時實際上是經過閏秒調整的原子秒。
目前在國際基準和國家基準層面所使用的主要是銫原子鐘。中國計量科學研究院建立的冷原子噴泉銫原子鐘其頻率復現性為5?10－15，已接近國際先進水平。其實，在應用層面上并不需要國家基準這樣高的時間和頻率準確度。不同的應用對準確度的要**不同的。

 二、時間同步網絡技術

    目前有多種時間同步技術，每一種技術都各有特點，不同技術的時間同步精度也存在較大的差異。

       長短波授時時間同步技術

    利用無線電信號授時已經具有80多年的歷史，國際上長波授時主要使用羅蘭-C系統，國內發射臺設在沿海地區，主要用于**和導航，尚不民用。

       電話撥號時間同步技術

電話撥號授時（ACTS）使用的設備相對簡單，只需電話線、模擬調制解調器、PC及客戶端軟件即可。目前這種計算機主要用于校準家庭個人計算機時間，同時不具備實時性。

       GPS時間同步技術

GPS時間同步技術是當前較成熟并在國際上廣泛采用的時間同步技術。目前國際上除了美國的GPS還有前蘇聯的GLANASS系統和我國的“北斗”系統。GLANASS系統由于經濟原因，健康星的數量有限，穩定性和可靠性無法保障。“北斗”系統正在健康快速的發展中。所以，目前GPS、北斗屬于比較成熟可靠的系統。

        互聯網時間同步技術

  使用互聯網同步計算機的時間是十分方便的，目前這種方式在局域網內得到廣泛的應用。微軟公司已將網絡時間協議（NTP）嵌入到Windows XP系統中，只要計算機能聯網，就能進行局域網或廣域網內的計算機時間校準。標準的NTP協議采用的是RFC 1305標準，簡化的網絡時間協議（SNTP）采用的是RFC 1769標準。NTP協議包含一個64bit的協調世界時（UTC）時間戳，時間分辨率時200ps，并可以提供1~50ms的時間精度（依賴網絡負載）。但實驗表明這種技術在洲際間的校準精度只能達到幾百毫秒甚至只能達到秒的量級。所以，在龐大的網絡中應設立**和二級時間服務器來解決精度的問題。 

另外，還有兩個相對簡單的、低精度的互聯網時間協議：Time協議（RFC868）和Daytime協議（RFC867），可以提供1s校準精度的廣域網時間同步。 

三、選用濟南唯尚的GPS校時器解決時間同步問題。

一直以來，濟南唯尚電子有限公司致力于GPS校時器的研發，可根據客戶的要求單獨定做，并取得了廣大客戶的認可。目前產品分幾十個型號可滿足不同行業的網絡時間同步需求。同時，唯尚公司的產品已經在電力、鐵路、衛星、**、電信、安防、政府機關等行業廣泛應用。

唯尚產品采用19英寸1U機架式設計，內置GPS接收機，以GPS衛星時間為標準時間源，支持NTP協議（V2.0/V3.0/V4.0）和SNTP協議，可以為局域網內成百上千的計算機、路由器等提供時間校準*終來達到整個網絡時間同步。 

在前面互聯網時間同步技術中提到因為網絡負載以及延時的原因導致洲際間的校準精度只能達到幾百毫秒甚至只能達到秒的量級。那么在龐大的網絡中需要**二級網絡時間服務器來很好的解決校準精度和冗錯的問題。從主干網絡到各分支網絡需要保持應用界面的時間同步。如果僅僅在主干網絡中設立一臺網 絡 時間服務器，那么分支網絡中的客戶端由于網絡延時等原因不能保證所需精度，那么通過在地市級網絡中也設立網 絡 時間服務器就能解決這一問題，因為這種情況下各地的GPS接收機在接收到3顆以上衛星信號時大家的時間源都是當前的標準時間，所以時間源的一致性得到保證。同時，即便某地的GPS接收機發生故障，這時本地的網 絡 時間服務器可作為NTP的客戶端向上主干網網絡的**時間服務器請求標準時間繼續提供精準的時間源為本地網絡的客戶端提供校準服務。在極端情況下，當主干網網絡中設立的**時間服務器GPS也發生故障時，分支網的時間服務器具備高精準的自守時功能（守時精度1×10 －12即30年誤差1s）仍然能提供精準的時間源。

四、GPS校時器的特點：

1．模塊化結構，NTP/SNTP端口數量可靈活配置，*多配置20路相互獨立的10/100M網口。

2．雙CPU同時工作，32位CPU雙核處理器，性能極大提高。

3．支持單星授時模式，適用于收星效果不佳的情況，有屋頂和貼窗天線可供選擇。

4．自保持能力強，裝置收不到衛星信號后，自保持能力優于0.42μS/min。

5．可同時為幾十萬臺客戶端、服務器、工作站提供時間服務。

6．支持WINDOWS9X/NT/2000/XP/2003、LINUX、UNIX、SUN SOLARIS、IBM AIX、HP-UX等操作系統及支持NTP協議的路由器、交換機、智能控制器等網絡設備。

7．裝置采用全模塊化即插即用結構設計，支持板卡熱插拔，配置靈活，維護方便，同時為將來現場網絡改造擴建時增加對時端口提供了方便。

五、GPS校時器的詳細參數：
1．時間源：GPS、北斗、CDMA、IRIG-B、恒溫晶振OCXO、原子鐘可選；

2．電源：220V/110V交、直流自適應,雙電源冗余；

3．GPS接收頻率：1575.42MHz,接收靈敏度：捕獲〈-160dBW，跟蹤〈-163dBW。捕獲時間：裝置冷啟動時，〈5min；裝置熱啟動時，〈1min。

4．北斗接收器：通道：6；接收靈敏度：-157.6dBW；冷啟動首捕時間：≤2秒；失鎖重捕時間：≤1 秒；1PPS精度：優于100nS。

5．平均無故障間隔時間(MTBF)≥150000小時；平均維修時間（MTTR）：一般不大于30分，使用壽命不少于20年。正常使用條件下無須維護。

6．授時精度：脈沖、B碼：0.1μS，串口：10μS ，NTP/SNTP：1-10ms；

7．網口支持協議：NTP/SNTP ，ARP，UDP/ Time，Telnet，ICMP，SNMP，MD5；

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