GPS同步时钟工作原理特性及应用概况

GPS同步时钟也是基于最新型GPS高精度定位授时模块开发的基础型授时应用产品。能够按照用户需求输出符合规约的时间信息格式，从而完成同步授时服务。 GPS同步时钟主要由以下几部分组成：GPS/GNSS接收机，其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或铷钟，本地同步校准单元，测差单元，误差处理及控制结构，输入输出等几部分。

我们知道通信系统可以分成同步通信系统和异步通信系统两种。

所谓同步通信，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。这样一方面省去了存储器（异步通信系统需要存储器保存接收到的信号后再解码），同时也确保了实时性。

在最初的同步通信系统中，我们会找到一个时钟源，然后把所有的收发子系统都接到这个时钟源上。小型的同步通信系统完全可以这样做，比如一台电脑中的一个同步通信的系统，他们就用电缆线接到一个共同的时钟源上，再来收发信号。

可是一旦同步通信的系统变大到全国性的呢？如果还用电缆或者光缆接到同一个时钟源上，会发生很多问题。首先，建设的成本太大了，要在全国范围内铺设线路，只为传输一个时钟信号，不划算。其次，如果收发信机分别在黑龙江和广东，时钟信号即使以光速传过去，还会产生一定的延时。

那么这个问题怎么解决呢？

随着GPS系统民用化和其越来越广泛的应用，人们似乎看到了解决方案。后来就诞生了以‘GPS时钟’（GPS clock）为主的‘时钟信号广播系统’（radio clock）。

每个GPS卫星上都有2~3个高精度的原子钟，这几块原子钟互为备份的同时，也互相纠正。另外地面的控制站会定期发送时钟信号，和每一颗卫星进行时钟校准。这样的时钟系统堪称世界上最精准的了，为什么不能用来做radio clock呢。不管什么同步通信系统，大家都接入GPS卫星信号，将其中的时钟信号解码，那大家就有了精准的同步时钟源了。

当然你可能会担心卫星信号传送到地面的延迟问题。GPS信号中自带了误差纠正码，接收端可以很容易的把延迟的这段传输延迟去掉。另外，由于卫星信号很微弱，只有在室外才能接受的到，因此每个GPS授时系统都应当有室外天线，否则就不能用了。

这样一来上面列出的两个问题都解决了。用来铺设全国性电缆并不是每家公司都有资金实力的，而且铺设的成本用来买GPS接收器，那肯定可以买到无数个了。而延时的问题，也被GPS出色的编码系统所解决了。真的是太完美了。

关于radio clock，世界上还有其他的一些系统，包括欧盟的伽利略卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统等，都有授时的功能。

时间（周期）与频率

互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，所以有人把晶体振荡器叫‘时基振荡器’。钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。

四种实用的时间频率标准源（简称钟）

◆ 晶体钟

◆ 铷原子钟

◆ 氢原子钟

◆ 铯原子钟

常用的时间坐标系

时间的概念包含时刻（点）和时间间隔（段）。时系（时间坐标系）是由时间起点和时间尺度单位--秒定义（又分地球秒与原子秒）所构成。常用的时间坐标系：

◆ 世界时（UT）

◆ 地方时

◆ 原子时（AT）

◆ 协调世界时（UTC）

◆ GPS时

定时、时间同步与守时

◆ 定时：是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程）；授时（指采用适当的手段发播标准时间的过程）；

◆ 时间同步：是指在母钟与子钟之间时间一致的过程，又称时间统一或简称时统）；

◆ 守时：是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程，国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组钟长期运行性能表现最好的一台被定主钟（MC）。

2.GPS时间是怎样建立的

为了得到精密的GPS时间，使它的准确度达到<100ns（相对于UTC（USNO/MC））：

◆ 每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；

◆ GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；

◆ 采用UTC（USNO/MC）为参考基准。

GPS定时原理

基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延（Δt），以达到对本地钟的定时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，主要误差有：

◆ 信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；

◆ 信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；

◆ 接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。

GPS校频原理

根据频率和周期互为倒数的关系，可采用比时法（测时间间隔）的方法（以GPS的秒信号为参考）来测量本地钟的频率准确度（Δf/f），以达到校频的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地钟与GPS时的时差值）。

4.进一步提高定时准确度的几种途径

◆ 采用GPS双频、相位测量技术；

◆ 选用更高精度的GPS时间传递接收机；

◆ 采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。

高精度时间基准已经成为通信、电力、广播电视、安防监控、工业控制等领域的基础保障平台之一。卫星导航定位系统可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务，授时性能优异；高精度、低成本；安全可靠；全天候；覆盖范围广。

GPS时钟也是基于最新型GPS高精度定位授时模块开发的基础型授时应用产品。能够按照用户需求输出符合规约的时间信息格式，从而完成同步授时服务。 GPS时钟主要分为两类，一类是GPS授时仪，主要输出时标信息，包括1PPS及TOD信息；另外一类是GPS同步时钟，后者输出利用卫星信号驯服OCXO或者铷钟得到的高稳定频率信息，以及本地恢复的更平稳的时标信号。

GPS同步时钟主要由以下几部分组成：GPS/GNSS接收机，其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或铷钟，本地同步校准单元，测差单元，误差处理及控制结构，输入输出等几部分。

其主要原理是通过GPS或其他卫星导航系统的信号驯服晶振，从而实现高精度的频率和时间信号输出，是目前达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出的最有效方式。

内部还可以增加IRIG-B码，DCF77码，NTP时间服务器等单元。

GPS同步时钟一种高科技智能的、可独立工作的时间服务器兼完整的基准时钟源(PRS)，它能提供基于NTP/SNTP协议的标准时间及自我完善性监控的、高稳定的一级时钟同步信号。GPS同步时钟从GPS(或北斗)地球同步卫星上获取标准时钟信号息，通过专用接口及协议向外传输

GPS时钟、GPS同步时钟、卫星同步时钟都是一样的，都是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS数字产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。

常规时钟频率产生方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化影响，长期的精度漂移影响；原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时校准。而GPS系统由于其工作特性的需要，定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感特性。晶体或铷钟以GPS为长期参考，可以获得低成本、高性能的基准时钟。

在网络正常工作状态下，GPS时钟具有与GPS主钟相同的频率准确度；由于在某些特殊情况下GPS时钟信号会暂时消失，所以基于GPS的时钟模块一般需要另一个外部时钟作为后备输入，预留有外接时钟的时基和频标信号（如GLONASS、中国双星、铷原子钟等）接口。另外，GPS时钟其频率准确度还具有自身保持性能。

GPS时钟频率模块提供所需的各种时频的信号，并输出定位时间信息、GPS接收机是否工作正常、输出的时间信号是否有效、时钟和频率处理模块激活状态、异常告警等等。

电力自动化系统内有众多需与GPS时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确定GPS时钟时应注意以下几点：

(1)这些系统分属热控、电气、系统专业，如决定由DCS厂商提供的GPS时钟实现时间同步(目前通常做法)，则在DCS合同谈判前，就应进行专业间的配合，确定时钟信号接口的要求。(GPS时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块，如事先无法确定有关要求，则相应合同条款应留有可调整的余地。)

(2)各系统是否共用一套GPS时钟装置，应根据系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各专业如对GPS时钟信号接口型式或精度要求相差较大时，可各自配置GPS时钟，这样一可减少专业间的相互牵制，二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外，当系统之间相距较远(例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼)时，为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰，也可就地单设GPS时钟。分设GPS时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。

(3)IRIG-B码可靠性高、接口规范，如时钟同步接口可选时，可优先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B类编码的总称，具体按编码是否调制、有无CF和SBS等又分成多种(如IRIG-B000等)，故时钟接收侧应配置相应的解码卡，否则无法达到准确的时钟同步。

(4)1PPS/1PPM脉冲并不传送TOD信息，但其同步精度较高，故常用于SOE模件的时钟同步。RS-232时间输出虽然使用得较多，但因无标准格式，设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。

(5)火电厂内的控制和信息系统虽已互连，但因各系统的时钟同步协议可能不尽相同，故仍需分别接入GPS时钟信号。即使是通过网桥相连的机组DCS和公用DCS，如果时钟同步信号在网络中有较大的时延，也应考虑分别各自与GPS时钟同步。

通过站间和星地时间比对观测与处理完成地面站间和卫星与地面站间时间同步.具体操作如下：通过分布国土内的监测站负责对其可视范围内的卫星进行监测,采集各类观测数据后将其发送至主控站,由主控站完成卫星轨道精密确定及其它导航参数的确定、广域差分信息和完好性信息处理,形成上行注入的导航电文及参数.通过以上工作同步完成后,星地间的时钟也就同步了!

国际时间标准的协调与建立

从二十世纪八十年代末，国际计量局（BIPM）的时间部，就开始正式采用标准化的GPS共视比对方法，把全世界几十个守时中心的主钟沟通起来，并建立了准确度最高的国际原子时（TAI）和国际协调世界时（UTC/BIPM）。我国有三个实验室参加了国际时间标准的协调，它们是：

◆ 中国科学院陕西天文台（CSAO）；

◆ 国家计量研究院（NIM）；

◆ 航天无线电计量测试研究所（BIRM）。

新型时频计量传递系统的建立

（1）、传统时频计量传递的特点：

◆ 一般是按国家级计量单位、一级计量站、二级计量站和使用单位四级逐级传递；

◆ 受检时频标准源或仪器设备必须往返搬运，检定校准后的状态在搬运中难免受到破坏；

◆ 传统的时频计量一般只能按检定周期（一般为一年）进行，难以进行经常性和实时的计量测试。

（2）、通过采用GPS共视法时间比对和互联网技术，可以建立不需搬运的、实时的、完全新型的时频遥远校准系统。

下面列举3款常用的gps同步时钟产品：

SYN2101型NTP网络时间服务器是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款基于NTP/SNTP协议的时间服务器，接收GPS卫星信号，从GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息通过TCP/IP网络传输，为网络设备（用户）提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，同时产生1PPS（秒信号）同步脉冲信号及串口时间信息，前面板显示年月日时分秒等信息，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

SYN4505型标准同步时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款多功能时钟设备，内装高精度恒温晶振0CXO，接收北斗二代/GPS/GLONASS卫星信号和IRIG-B码信号，优先选择卫星信号，使用外部定时信号对本机进行时间同步，产生交直流IRIG-B码信号、时、分、秒脉冲信号、NTP网络授时，串行口时间信息和1PPS（秒信号）同步脉冲信号，是电力系统建立时间尺度、实现时间统一同步的实用电子仪器。

SYN4102型GPS同步时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款高精度锁相时钟频率源，接收GPS信号，使恒温晶振输出频率同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是一款高性价比时频产品。

以上三款产品具有：信号丰富可提供跟踪UTC时间的10MHz，1pps、IRIG-B、RS232、RS422、RS485等信号。参考源灵活，根据不同需要可配置为单GPS、单北斗或GPS/GLONASS参考源。高可靠性，工业级元器件、大规模集成电路和**的高效智能保持算法保证了该产品优异的可靠性和可用性。高准确度，在全天有星的情况下，天平均频率准确度优于1E-12（连续跟踪GPS信号24小时后）；满足ITU-T G.811对1级基准时钟源的要求。

同步时钟采用了低相噪锁相环技术和大规模集成电路设计，内置高稳定度恒温晶振OCXO和高品质、高精度授时型GPS接收机,采用先进的GPS频率测控技术，对晶体振荡器 的输出频率进行精密测量与调节，使其输出频率精确同步在GPS系统上，提供高精度的时间频率基准信号，能够输出满足ITU-T G.811要求1级基准时钟源，可以使用在数字交换机、SONET和SDH传输系统上。同时还可以为任何级别的定时信号发生器（TSG）提供1级时钟同步信号，可以向外提供跟踪与UTC时间的2.048Mb/s(E1)和2.048MHz输出信号。

同步时钟的Opt-EIO选项能够提供再定时功能，可接收E1信号并利用本身精准的时间参考信号对其进行重新解码，输出波形符合ITU-T G.703码型为HDB3的 E1信号，当设备自身降质或者断电时，将启动直通模式将接收到的E1信号输出。

同步时钟输出的1pps信号是GPS驯服晶振输出频率信号经过分频后得到的，相位与载波信号严格一致，且不受GPS秒脉冲短时间随机跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的“复现”。这种特性特别适合于通信基站等对时间频率要求严格的系统。

同步时钟具有智能学习算法，在GPS驯服晶振的过程中能够不断“学习”晶振的漂移等特性，当GPS出现异常或不可用时，能够自动切换到保持模式，利用高效的智能保持算法，依靠内置高稳晶振继续提供高可靠性的时间和频率信号输出，在短时间内仍保持有较高的精度。当设备断电重新开机后，设备可以利用原来已经存储的历史数据，使时钟在较短的时间内达到较高的准确度。