时钟同步系统发展及相关技术介绍

随着互联网科技的发展，高精度的时钟同步系统的应用就越来越广泛，在电力、通信、医院、学校等场合，时钟同步至关重要。那么时间是什么，目前时钟同步的相关技术发展怎么样，发展时钟同步系统的意义有哪些等问题，就是摆在时钟同步系统生产厂家的问题。

西安同步电子科技有限公司就是一家专业生产时钟同步系统的厂家，公司为了普及时钟同步系统相关技术问题，特撰写此文与大家共同学习。有需要相关时钟同步系统产品的，都可以直接与我们的子母钟系统专员、电力时钟同步系统专员和时统设备专员联系。

1、时间及时间计量

时间是物质存在的基本形式，通过某种运动的物质为参考物，将其运动过程作为计量时间，把其他物质的运动过程与参考物比较，从而判别和排列事件发生的先后顺序和运动快慢程度，从而对它们进行观察、分析和研究。

时间的计量通常包含两种不同的含义：时刻和时长。时长即为时间间隔，表示物质运行过程中的不同状态之间的时间历程。时刻是指物质在某一运动过程中的瞬间状态与时间原点坐标的时间间隔。

客观物质世界的运动和发展过程差别较大：天体的年龄上百亿年，而人类文明史仅仅几千年，一些基本粒子寿命还不足纳秒。如此广泛的区间，使用**的物质运动过程来计量时间是不可行的，必须根据实际问题，采用不同的时间计量方法。

地球自转运动成为人类第一个计量时间的标准，单位是平太阳日，即为日常生活中的天，一天有秒。世界时不仅是一种时间计量系统，同时也是对地球自转的直接描述，通过天文观测测定，也叫天文测时。受到晴天夜的影响，天文测时需要精密的天文时计将天文测时记录下来。天文台通过无线电讯等传播方法，将该时刻发送出去，为用户服务，从而进行授时工作。

随着科技的不断发展，时间计量单位秒也在改进中，近二十年来主要发生了二次改革。第一次为历书时的诞生，由于地球自转不均勻，在二十世纪将世界时进行了调整。根据1958年国际天文学联合会的决议，1960年使用历书时替代世界时。历书时与世界时不同，历书时以地球公转为基础，历书时起始于年月日时。历书时通过月球测定，一般只有秒的精度，该精度过低无法满足高科技领域的工作需要。第二次为原子时代替历书时，起始于1958年1月1日0时。

虽然时间计量单位进行了二次重大的改革，但世界时在日常生活中仍然被广泛使用。为了将原子时和世界时进行协调，国际上规定了以协调世界时为标准时间和频率。协调世界时和原子时在单位记录上是相等的，两者在时刻上也十分相近，其差值为在一秒以内。为了保持该差值，可能需要对协调世界时进行相应的调整。

随着科技的不断发展，尤其在数字通信、远距离无线电导航工作领域，人们对时间的精度要求越来越高，时钟同步技术和授时技术也不断发展。时间频率的无线电讯号波段十分广泛，从高频、低频最终演变成无线电频谱；传递讯号的手段也不断发展，由最早的授时台不断演化出了电视台、导航卫星、直播电视卫星、通讯卫星以及微博中继通讯站，甚至讯号方式也在不断的变化，从单一的秒脉冲方式到后来的多脉冲以及中间编码等。时钟同步的精度也随着这些科技的不断进步不断的提高，由最初秒级别提高到纳秒级乃至皮秒级。

2、时钟同步系统技术的发展

时间同步就是将不同地方的时钟对准，以其中一个时间作为标准时间，将另一个时钟调整成标准时间，从而达到时钟同步。

时钟同步的关键技术是将标准时间传送到待校正的目的时钟，时钟传递技术历史悠久，在近代发展突飞猛进。在发明无线电之前，直接釆用搬钟法，曾经近百台时钟搬运到巴黎，与巴黎本地时钟进行比对。20世纪初期，人们开始使用无线电波广播时间信号。中国于1926年在上海开始使用无线电广播信号，在1981年7月份过后，中国开始使用由陕西天文台广播的短波无线信号为人民提供标准时间和标准频率信号。由于使用短波需要经过大气层，然后经反射时间信号才能传递给目的用户，其时间精度仅为毫秒级。为了获取更高的精度，改用了频率相位较稳定的低频电频信号，精度可达到微秒级。

1970年后，以甚低频作载波的奥米加导航系统幵始使用，其使用范围覆盖世界各个角落，尤其是在西太平洋、北大西洋和北美地区。该系统不仅仅可以播报时间，而且可以进行相关导航任务，授时精度为百纳秒级。全世界除了奥米加导航系统外，还有20个由10个国家组建的甚低频发播台。其中包括由14条台链、44个发播台站组成的美国罗兰C长波导航系统，发射频率100KHZ，其精度比甚低频导航系统更高，授时精度为1PS，地波覆盖范围广，而且价格低廉、地面结果相对简单，精度也足够高，因此一直受大众的欢迎，成为了国家时间基准和频率基准比对的主要手段。

陕西天文台于1979年开始试播长波时号，发射频率和信号格式等与罗兰导航系统相同。20世纪60年代后期到70年代，许多国家都试验了用电视信号传递时间的方法，其精度可达微秒级。目前这一方法己得到了许多国家采用。我国于1974年由北京天文台开始进行无源电视授时方法的试验，已达到国际水平。

随着技术的不断发展，各种频率和波段的无线电波的各项指标，如覆盖范围、传输精度、传输方法已经发展到了瓶颈，难以进一步提高。空间技术的不断发展，打破了传统无线电波授时的瓶颈，人造卫星解决了传统授时的许多困难，覆盖范围大，传输过程中经过的电离层和对流层相对整个传输过程距离很短，因此可以精确估算出卫星授时的传播时延，从而进一步提高授时的精度。

在1962年，英国和美国之间首次利用了低轨道的通信卫星完成了两个不同国家时间比对，最终卫星链比对精度为1PS，卫星链包括了地球站的守时实验室的通信链，其精度约为20PS。随着科技的发展，通信、导航、空间跟踪、地球物理、大地测量、射电天文等领域对时间的精密越来越高，使用高精度的用户不断增加，运用卫星系统进行时间频率传递的技术越来越受人们的重视。目前的子午仪卫星系统的传递时间与世界协调时保持在10PS范围内。

美国国家标准技术局的广播服务卫星系统由GPS、GLONASS，GOES组成，可以连续的为人们提供标准时间，该系统有两颗分别位于赤道上空的同步卫星范围覆盖了西半球大部分地球和美国全境，卫星播发时间信息，时间信息包含了完整的年时间、和卫星当前位置，通过接收机可以获取实时精度为100PS精确时间。

1976年，美国利用应用技术卫星进行双向比对试验，精度为1NS。后来，美国在年使用了民用通信卫星进行双向比对试验，精度高达100PS。在1979年，中国的交响乐通信卫星等上历书舞台，被用来首次进行了时间对比试验，试验的目标分别为法国和德国。

3、时钟同步系统的意义

随着科学技术的发展，高精度的时间被运用在各个领域，尤其在国防和其他高尖端的科技领域中，时间同步要求精度在纳秒或者更高。众所周知，对于国防科研试验，时钟同步尤其重要，如火箭的准确的发射时刻关系到整个实验的成败，而这个时刻的准确标志是时钟同步系统确定的，不仅仅是火箭的发射时刻，时钟同步系统和国防科研试验的许多重要事件密不可分，如火箭在发射前的点火时刻、发射后的关机时刻、多级火箭级间的分离时间、火箭与航天器的分离时间、航天器入轨时间、航天器回收制动火箭点火时间、常规武器试验的炮口时间和离梁的时间等都需要时钟同步系统提供准确的时刻。

GPS时钟同步系统组成

在导航领域中，GPS可以实时的定位目标的确切位置，并反馈给用户，使其在导航领域广泛应用。在当今航天航空领域，GPS技术几乎是不可或缺。空间固态GPS姿态和轨道确定的GPS接收机，可为航天器制导及控制提供位置、速度、姿态、姿态角速率和时间等多个输出状态。这种不需地面观测值和数据处理的技术，必将取代传统的测姿和地面轨道位置确定设备，实现航天器自主轨道确定和姿态确定。用于航天器的交会对接过程，就是的定位技术的应用。

航天器在空间完成交会对接是一项庞大的工程。从测量设备讲，在交会对接过程中要求有大量准确的测量信息。目前使用的各种空间测量设备、系统的性能各不相同，难以满足整个交会对接过程中的所有测量要求，使得测量工作变得非常庞大、复杂。如果在目标航天器与追踪航天器上各安装一台接收机，则交会对接的大部分阶段的测量任务可由完成。具有测量准确、精度高、不受时间限制、系统价格便宜、设备简单、可实现航天器交会自主控制等优点。

在Internet网络中，时钟同步也有着十分重要的意义。其中的一个领域即为网络时延的测量，目前中国的网络高速发展，网络的畅通对个人和企业都十分重要，观测某个网段乃至整个网络的情况十分重要，由于路由算法、网络拥塞状况的不同，数据包在传输过程中的时长也不同，通过检测数据包的网络时延可以推断网络的拥塞状况，而要精确的测量网络时延，其前提条件就是时钟同步系统，只有通过时钟同步系统将各个目标站的时钟进行同步，才能准确的计算出数据包的准确传输时延。

通过研究基于GPS的低成本实时性高精度时间同步系统，并在完成GPS时钟同步系统的基础研究上，做了相关的应用。本文利用该GPS时钟同步系统进行了两个相关的应用：一个为互联网相关应用，完成了授时精度测量。另一个为雷达时标评测系统，通过精度的测量，表明授时精度无法满足雷达时标评测的时间精度要求，需要使用时钟同步提供时间精度高的系统，在时钟同步系统的基础上，雷达时标评测系统设计了一个WEB项目，该项目完成了对雷达时标设备的时间精度评测。

4、国内外时钟同步系统现状

第一个解决区域时钟同步难题的是美国在1905年研发的无线电授时系统，也是现代化授时技术的开始。无线电波使用的短波波段，由于短波的传输容易受到传输媒介的干扰，加之以无线电波经过大气层的传输，传播的媒介随着大气不断地变化，导致传播速度也发生变化，因而传播时延的不稳定性，因此短波波段授时的精度较低。虽然当时，无线电授时从事工作人员已经确定了短波传输的缺点，而长波传输可以克服相关的困难，但直到1960年左右，人们才开始普遍使用长波作为时间传输的媒介。

第一个长波授时系统是罗兰C长波系统，长波系统具有长波波段的强干扰等特性，使得其授时系统精度较高。然而长波系统由于能量较低，长波范围相对较小，对于需要大范围进行时钟同步的应用，其还存在自身的缺陷，因此长波系统无法被广泛使用。

人造卫星的出现，使得大范围的时钟同步系统成为可能。颗人造卫星就可覆盖全球，卫星授时过程中的能量衰减较小，长距离的传输使得大气层的媒介因素导致的传播速度变化的影响大大减弱，卫星授时成为当前方法使用的授时方法。目前卫星授时系统主要有4个，分别是美国的GPS系统、中国的北斗系统、俄罗斯的GLONASS系统和欧洲旳伽利略系统。

美国的GPS是美国在1920年研发的一套海陆空全方位实时的导航、定位系，通过20年的不断完善，目前，用户已经仅仅需要相应的卫星接收终端设备，一般为GPS接收机，就可以享受系统的各类导航功能。随后，中国成为继美国、俄罗斯后的又一个拥有自己研发的卫星系统，即北斗卫星导航系统。

中国在2000年10月、2000年12月、2003年和2007年2月先后发射了4颗北斗卫星，目前，已经在上海己经有以北斗卫星导航系统的高精度手机，融合了地面增强系统，在交通工具上均能实现均值导航。北斗导航系统已经获得国际海事业组织的认可，有望在年左右实现全球导航定位，中国有望成为第三个提供全球导航定位服务的国家。