GPS授时系统实现时钟同步的两种方式

GPS授时系统在电力系统得到广泛应用，特别是最近几年智能化变电站的发展，对gps授时系统的精度和功能提出来越来越高的要求。在GPS授时系统的实现方案中，根据GPS信号的构成，有两种不同的同步实现方法，一种为脉冲同步方式，另一种为串行同步方式。

1、GPS系统介绍

GPS全称为卫星测时测距导航全球定位系统。GPS是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可以实时并且长久地为大量用户提供导航信息。GPS定位有诸多优点，如高精度、低成本、高速度、强实时性，拥有精确的授时、距离测量、导航定位等功能。

2、GPS系统组成

GPS系统分别由空间卫星部分、地面控制部分以及用户设备部分三大部分组成，三者通过卫星信号进行通信，从而提供定时、定位、测距等服务。

2.1空间卫星部分

gps星座图

空间星座由卫星组成，其中包含21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，24颗卫星分布在6个不同的平面轨道上，轨道平面形成度的夹角，轨道倾斜角为55度。GPS空间卫星可以发射两种不同波段的载波信号：L1波段和L2波段。由于卫星上安装了高精度的原子钟，而原子钟的稳定性**，因而GPS有高精度的时间源，GPS精密设备保证了定位系统可以持续性向用户提供高精度的时间。

2.2地面监控部分

GPS卫星随着地球的自转，其空间位置也不断改变，在GPS导航系统里，GPS卫星的精确位置，即空间坐标是已知的，通过卫星运动和相关的轨道参数，可以计算出卫星的空间坐标。地面监控系统为每颗GPS卫星提供播发星历，控制着每颗卫星的运行轨道，因此地面监控系统地位十分重要，卫星能否正常在轨道上运行与地面监控部分密切相关。地面监控部分还有一个很重要的作用就是保持卫星之问的时间同步，即GPS时间系统。GPS卫星之间时钟同步是GPS系统的基础。

目前，全球有5个地面监控站，其中包括1个主控站、3个注入站和1个监控站。每个监控站负责不同的功能。监控站负责测量各颗卫星的距离和卫星之间的距离，同时对气象信息进行采集，将最终的观测数据和采集数据传输给主控站。主控站接收来自监控站的数据，如GPS卫星的距离信息、GPS实时状态信息、监控站的实时状态信息等。通过整合的接收信息，实时的编写每颗卫星的导航报文，将相关的报文传送给相应的注入站。除此之外，监控站还需协调监测站和注入站。注入站接收来自主控站的卫星导航报文信息，并将报文信息发送给每颗卫星。

2.3用户设备部分

地面监控部分和空间卫星是GPS系统的基础组成部分，为了向用户提供系统的相关服务，需要使用相关的GPS用户设备。GPS用户设备部分包括个部分：GPS接收机、数据处理软件、微处理器和终端设备。用户设备主要完成GPS卫星信号的接收，通过接收相关的卫星导航信息，将导航信息进行相关的计算，通过数据处理软件计算，从而获取最终的精密定位和授时结果。

3、GPS授时技术

从日常生活到国防科技，人们都依赖这GPS授时技术，在不同的领域和不同的应用中，人们对授时有着不同的精度需求，如在日常生活中，人们的精度在秒级别，而在航空领域中往往需要纳秒甚至皮秒级精度。

为了保证时间的精度，GPS卫星安装了四台原子时钟，并且受到地面监控的严格控制，GPS的地面主站能够保持5纳秒的精度，从而使GPS时钟一直与世界协调时保持一致，时差要求在一秒之内。GPS可以向外界播发GPS信号，信号包含了GPS卫星的钟差、钟速、位置等详细信息，使得GPS可以大范围的进行较高精度的授时应用。GPS需要进行授时技术，必须将GPS信号使用某些方式进行传递，一般有两种方法进行GPS信号的传递：

（1）一站单机授时法，仅用一台GPS接收机，观察某个固定为GPS卫星，从而到达目标时钟和GPS授时。

（2）共视比对授时法，与单站授时不同，共视授时使用两台GPS接收机，在某个特定的时刻，在两个不同的观测站，观测同一颗GPS卫星，从而将用户时钟进行同步。在共视授时过程中，在两个不同观测站的接收机在观测同一颗GPS卫星时，时间同步时刻要求不苟刻，在分钟内，授时精度无明显差别，该特性为用户的授时提供方便，因此该方法得到了广泛的应用。

4、GPS授时实现方式

在GPS授时系统的方案中，根据GPS信号的构成，有两种不同的同步实现方法，一种为脉冲同步方式，另一种为串行同步方式。

4.1串行同步方式

串行同步方式是各类设备每秒接收串行时间信息，时间信息为串行的数据流，根据此数据流实现授时。目前，串行同步的通信方式有各种标准，各个标准的格式也不尽相同，根据其信息码的不同可以分成ASCII码、IRIG-B码等，根据通信标准的不同，可以分为RS232C、RS422/485等。

通过串行接口RS232、RS422、RS485，可以获取到整秒的授时信息，该信息每隔一定的时间产生。授时信息数据包含了年月日时分秒等精确到秒的整秒信息。设备在接收到串行信息时，就可以通过相关软件进行授时操作。与脉冲同步方式相比，该方式相对简单，然而其最大的缺点是，串行接口获取的数据在传输过程中存在一定的时延，授时精度较低，如需进一步提高授时精度，需结合其他方式。

IRIG-B码是一种国际时间码标准，在当前电力系统中，各类设备使用IRIG-B时间码进行时间信息的获取，GPS授时系统为满足此类需求将IRIG-B码信息作为时间信息输出的一类信号。IRIG-B信号有两种不同的形式：直流电平码和正弦波调制码。其中IRIG-B码的脉冲宽度为10ms，TTL直流电平的占空比和跳转信号的幅值可以用来标准脉冲的有效与否，在IRIG-B码中，授时时刻起始于上升沿。TTL直流电平码不适于长距离的传输，其电平分辨率为10ms，不需要额外的调制解调操作，易于应用。正弦波调制码分辨率为1ms，克服了直流的缺点，能够胜任长距离的传输，常常被应用与音频传输路线。

4.2脉冲同步方式

脉冲同步方式，每隔固定的时间接收来自GPS卫星的信号，产生一个的脉冲信号，接收装置根据此脉冲使用相应的硬件和软件处理，将本地的时钟进行调整，从而到达用户时钟的同步，在理想的情况下，脉冲的周期、频率间隔均是等时间间距的接收。

脉冲的输出接口有多种，根据它们的不同，可以分为固态继电器输出、TTL输出、无源空接点输出等。其中接口TTL输出正负电平脉冲，每隔一定的时间将产生一个正负脉冲，每个脉冲的宽度不完全一样。脉冲不需要加额外的电源就可以直接输出同步信号。无源空接点输出与TTL源电平输出不同，其同步脉冲是一个由三极管构成的开关。秒脉冲输出是一种以方波形式输出的电平信号，在通常情况中，秒脉冲输出为高电平，上升沿表示接收到秒脉冲信息，而该上升沿时刻即为秒脉冲的精确时刻，也可以人为的修改为低电平。脉冲电平可以持续一段时间，一般为是毫秒级，脉冲的持续时间也可以通过相关的命令进行调整。

脉冲同步方式相对其他方式简单、易用。各类示波器和自动装置，如故障检测示波器、继电保护设备，都支持脉冲同步方式。脉冲同步方式输出的时间信号是整秒的时间脉冲，一般作为时钟清零标准，根据该标准到达设备授时。然而脉冲同步方式也有其不足之处，其中最大的缺点是该同步方式的脉冲无法立即获取精确的GPS时间信息，脉冲时刻和脉冲时间信息无法同时获取，脉冲上升沿一般在驱动中获取，而脉冲时间信息在串口中接收，导致无法立即将设备进行时钟同步。

5、GPS授时系统厂家

西安同步电子科技有限公司生产研发gps授时系统数十年，技术实力雄厚，产品种类丰富，目前在我国gps授时系统厂家中占有比较大的市场占有率，根据各技术员提出的常见问题，特总结了GPS授时系统的两种常用授时方式：脉冲同步方式和串行同步方式，希望对各应用客户有所帮助。