城軌道交通時鐘系統(tǒng)

1、時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)行的重要組成局部之一,其主要作用是為城軌工作人員和乘客提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間,并為其他各相關(guān)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間信號,使各系統(tǒng)的定時設(shè)備與本系統(tǒng)同步,從而實(shí)現(xiàn)城軌全線統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn).提供時間信息的時鐘系統(tǒng)分為一級母鐘系統(tǒng)與二級母鐘系統(tǒng),一級母鐘系統(tǒng)安裝在限制中央,二級母鐘系統(tǒng)安裝在各車站和車輛段, 用以驅(qū)動分布在站段內(nèi)的子鐘顯示正確的 時間.城軌時鐘系統(tǒng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)時鐘設(shè)備,在輸出時間信號的同時,亦輸出為通信設(shè)備提供的時鐘同步信號,使各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備能同步運(yùn)行.亦可另行配置通信綜合定時供應(yīng)系統(tǒng)BITS,單獨(dú)提供時鐘同步信號.如上所述,城軌同步系統(tǒng)分為兩類： 一類是基

2、于協(xié)調(diào)世界時UTC組建的時間同步系 統(tǒng)；另一類是用于數(shù)字通信設(shè)備的時鐘同步系統(tǒng)或數(shù)字同步系統(tǒng).時間同步系統(tǒng)定時例如每隔1s或1min輸出標(biāo)準(zhǔn)時間年、月、日、時、分、秒、毫秒信號；而時鐘同步系 統(tǒng)那么輸出高穩(wěn)定度、連續(xù)的正弦波或脈沖信號. 第一節(jié)時鐘系統(tǒng)技術(shù)根底一、時間的概念一般來說,任何一個周期運(yùn)動只要具有以下條件,都可以成為確定時間的基準(zhǔn).2運(yùn)動是連續(xù)的、周期的.2運(yùn)動的周期具有充分的穩(wěn)定性.2運(yùn)動的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性,即要求在任何地點(diǎn)與時間,都可以通過觀察和實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn) 這種周期運(yùn)動.最常用的時間系統(tǒng)有三大類：世界時、原子時與力學(xué)時.力學(xué)時系統(tǒng)通常在天文學(xué)中使 用,在這里不作介紹.1 .世界時

3、系統(tǒng)世界時系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動為基準(zhǔn)的時問系統(tǒng).由于觀察地球自轉(zhuǎn)時所選擇空間參考點(diǎn)的不同,世界時系統(tǒng)又有幾種形式：恒星時、平太陽時和世界時.以平子夜為零時起算的格林威治平太陽時稱為世界時.平太陽時是地方時,地球上各地點(diǎn)的平太陽時不同.為了使用方便,將地球按子午線劃分為24個時區(qū),每個時區(qū)以中央子午線的平太陽時為該區(qū)的區(qū)時.零時區(qū)的平太陽時即為世界時.由于地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部的位置是不固定的極移,而且地球自轉(zhuǎn)速度是不均勻的,它不僅包含有長期減緩的趨勢,還包含一些短周期的變化和季節(jié)性的變化.因此世界時不是一個嚴(yán)格均勻的時間系統(tǒng).2 .原子時系統(tǒng)1原子時原子秒定義為：葩原子 133原子基態(tài)兩個超精細(xì)

4、結(jié)構(gòu)能態(tài)間躍遷輻射的電磁振蕩 9192631770周所經(jīng)歷的時間,為 1原子秒.原點(diǎn)定義為1958年1月1日的世界時.經(jīng)過國際上 100多臺原子鐘的相互比照,并經(jīng) 數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時,稱為國際原子時.2協(xié)調(diào)世界時UTC原子時雖然是秒長均勻、 穩(wěn)定度很高的時間系統(tǒng), 但與地球自轉(zhuǎn)無關(guān). 世界時雖然不均 勻,但與地球自轉(zhuǎn)精密相關(guān).原子時的秒長與世界時的秒長不等,大約每年差1秒.為了協(xié)調(diào)原子時與世界時的關(guān)系,建立了一種折中的時間系統(tǒng),即為協(xié)調(diào)世界時 UTC.根據(jù)國際規(guī)定,協(xié)調(diào)世界時的秒長采用原子時的秒長,其累計(jì)時刻與世界時刻之差保持在0.9秒之內(nèi),當(dāng)超過時,采用跳秒閏秒的方法來調(diào)整.閏秒一般

5、規(guī)定在6月30日或12月3 1日最后1秒時參加.具體日期由國際時間局在兩個月之前通知各國.目前,世界各國發(fā)布的時間(包括中國的北京時間),均以UTC為基準(zhǔn).(3) GPS時間系統(tǒng)(GPST)為了定位的需要,全球定位系統(tǒng)( GPS)建立了專用的時間系統(tǒng)( GPST).GPST屬原 子時系統(tǒng),秒長與原子時的秒長相同,但原點(diǎn)不同. GPST原點(diǎn)定在1980年1月6日0時, 與UTC時刻一致.因此 GPST與UTC .之間的差值為秒的整數(shù)倍, 1999年差值為19秒.由上可見,使用 UTC作為基準(zhǔn)時鐘,具有最大的公信力.而采用 GPS接收機(jī)輸出的 ToD時間信息,獲得精確的 UTC及北京時間,又是最為

6、經(jīng)濟(jì)、便捷的方法.二、時鐘同步技術(shù)在時鐘同步系統(tǒng)中,時鐘源的精度、時鐘信號的傳輸方式和同步方式是同步技術(shù)中的關(guān) 鍵局部,它們將直接影響到系統(tǒng)的精度.1 .時鐘源的精度目前常見的時鐘源有石英晶振、葩原子鐘、鋤原子鐘等,它們可到達(dá)的精度為：(1)標(biāo)準(zhǔn)石英晶振：± 23 10-2s/4 h;(2)葩原子鐘：士 13 10-6s/1d;(3)鋤原子鐘：士 33 10-3s/30do2 .時鐘信號的傳輸方式目前時鐘信號傳輸?shù)某Ｓ梦锢磉B接方式為：(1) RS- 232/422串口是最常用的設(shè)備外接時鐘接口 ；(2) VME總線用于工作站的時鐘連接；(3)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時鐘

7、連接；(4) PCM用于時鐘信號的遠(yuǎn)距離傳輸.3 .時鐘信號的同步方式通常采用主從同步方式,由高精度的上級時鐘去同步低精度的下級時鐘,使下級時鐘的精度與上級時鐘接近.同步電路一般采用數(shù)字鎖相環(huán)電路.三、時鐘信號的格式目前常用的時鐘信號的格式主要有IRIG、DCLS、ACTS、NTP等,它們的主要差異為傳輸介質(zhì)與信號精度的不同.(1) IRIGIRIG是由IRIG (美國靶場儀器組)組織開發(fā),目前分為A、B、C、D、E、F、G和H版本,較常用的是IRIG -B,其傳輸介質(zhì)分為雙絞線與同軸電纜,準(zhǔn)確度為 10 100步.(2) DCLSDCLS是IRIG -B的一種特殊形式,無傳輸距離的限制,準(zhǔn)確

8、度為101000 ®(3) ACTSACTS是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院提出,無傳輸距離的限制,準(zhǔn)確度為101000步.(4) NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)屬于標(biāo)準(zhǔn)的Internet協(xié)議,基于UDP報(bào)文.用來在IP網(wǎng)中提供 高精度與高可靠性的時鐘信號傳輸. 目前網(wǎng)絡(luò)中通用的時鐘傳遞格式標(biāo)準(zhǔn)為 1992年公布的： NTP版本3.另外還有秒脈沖(PPS),雖然不屬于標(biāo)準(zhǔn)的時鐘信號格式,但它的應(yīng)用十分廣泛,通 常使用同軸電纜傳輸.四、全球定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)航衛(wèi)星定時測距全球定位系統(tǒng)簡稱全球定位系統(tǒng)(GPS).它是一種可以定時和測距的導(dǎo)航系統(tǒng),可向艦船、飛機(jī)和車輛提供全球、全天候、連續(xù)、實(shí)

9、時效勞的高精度三維位置、 三維速度和時間信息.1994年7月美國完成目前在軌的 24顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射.GPS由空間系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和 GPS接收終端三大局部組成.1.空間系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星星座GPS空間系統(tǒng)在相對赤道傾斜角55°的6個軌道上部署了 24顆衛(wèi)星.其中的21顆為主用的根本星,3顆為備用星,3顆在軌的備用星可以隨時替代發(fā)生故障的其他衛(wèi)星.導(dǎo)航 衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為 7.5年,軌道距地面高度為 20228 km,運(yùn)行周期為12恒星小時.GPS的衛(wèi) 星布局可保證覆蓋全球,使用戶在地平線10.以上的任何地點(diǎn)、任何時刻可以同時收到至少4 410顆衛(wèi)星的信號.足以提供全球任一

10、地點(diǎn)的移動或固定用戶作連續(xù)實(shí)時的三維 定位、導(dǎo)航.GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上裝備了無線收發(fā)信機(jī)、天線、葩原子鐘穩(wěn)定度為10-1310-14、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航電文存儲器.每顆衛(wèi)星以兩個L波段頻率發(fā)射無線電載波信號：L1=1575.42 MHz 波長約為 19 cmL2=1227.60 MHz 波長約為 24 cm在L1載波上測距用 P碼Precise精搜索碼,碼長約30 m和C/A碼Coarse/Acquisition 粗搜索碼,碼長約300 m.P碼只供美國軍方與授權(quán)用戶使用,C/A碼供民用定位效勞. 此外,在載波上還調(diào)制了 50bit/s的數(shù)據(jù)導(dǎo)航電文,其內(nèi)容包據(jù)：衛(wèi)星星歷、電離層模型系數(shù)、 狀態(tài)信息、時

11、問信息和星鐘偏差/漂移等信息.2,地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控 GPS的工作,是GPS系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,是保證GPS協(xié)調(diào)運(yùn)行的 核心局部.地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個主控站、五個監(jiān)控站和三個注入站 向衛(wèi)星發(fā)射更新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)組成,內(nèi)部各設(shè)有一組標(biāo)準(zhǔn)原子鐘.1主控站主控站負(fù)責(zé)接收、 處理來自各監(jiān)控站跟蹤數(shù)據(jù).完成衛(wèi)星星歷和原子鐘計(jì)算, 衛(wèi)星軌道和鐘差參數(shù)計(jì)算,用以產(chǎn)生向空間衛(wèi)星發(fā)送的更新導(dǎo)航數(shù)據(jù).這些更新數(shù)據(jù)送到注入站,利用S頻段17501850 MHz向衛(wèi)星發(fā)射.由于衛(wèi)星上的原子鐘有足夠精度,故導(dǎo)航更新 數(shù)據(jù)約每天才更新一次.2監(jiān)控站監(jiān)控站為無人值守站, 共有5個.除主控站上的監(jiān)控站外,監(jiān)控站對衛(wèi)星進(jìn)行

12、跟蹤與測軌,以2200-2300 MHz頻率接收衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù),進(jìn)行軌道預(yù)報(bào),并收集當(dāng)?shù)貧庀蠹按髿?和對流層對信號的時延數(shù)據(jù),連同時鐘修正、軌道預(yù)報(bào)參數(shù)一起傳送給主控站.3注入站3個注入站將主控站送來的衛(wèi)星星歷、鐘差信息和軌道修正參數(shù),每天一次注入衛(wèi)星上 的導(dǎo)航電文存儲器中.3. GPS接收終端GPS根本定位原理為：位于地面的GPS接收機(jī)檢測 GPS衛(wèi)星發(fā)送的擴(kuò)頻信號,通過相關(guān)運(yùn)算獲取到達(dá)時間ToA信息并由此計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離,再結(jié)合衛(wèi)星播送的星 歷信息計(jì)算衛(wèi)星的空間位置,完成定位計(jì)算.有3顆衛(wèi)星時,假設(shè)衛(wèi)星與接收機(jī)鐘差很小即可 實(shí)視二維定位,4顆可見衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)三維定位,更多的可見衛(wèi)星可

13、提升定位精度.GPS接收機(jī)在全球任何地方,任何時刻均能接收到至少 4顆衛(wèi)星信號,終端可根據(jù)接收到多顆衛(wèi)星的 導(dǎo)航信息,計(jì)算出自己的三維位置經(jīng)緯度與海拔高度、運(yùn)動速度與方向以及精確的時間信息.五、時鐘的穩(wěn)定度與精度以下討論時鐘穩(wěn)定度與精確度精度的定義以及兩者之間的關(guān)系.時鐘穩(wěn)定度為一段時間內(nèi)的時鐘走時誤差；時鐘精度為該時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時間我國為北京時間之間的誤差.例如,有一塊表假設(shè)每天快慢在1s之內(nèi),那么該表日穩(wěn)定度為± 1s/d,假設(shè)每月快慢在 5s之內(nèi),那么月穩(wěn)定度為± 5s/月.假設(shè)這塊表的使用者每天對一次表校時,那么該表的精確度為土 1s/d或士 1s/月；假設(shè)每月對一次表

14、,那么該表的精確度為土 5s/d或士 5s/月. 可見,時鐘的精度取決于其穩(wěn)定度和校正時間的頻度.時鐘穩(wěn)定度常用相對值來表示,例如：時鐘日穩(wěn)定度為± 1s/d,可表為：1s/24 h3 60min3 60s =1.1573 10-5;時鐘月穩(wěn)定度為土 5/月可表為：5s/ 30d3 24h3 60min3 60s =1.929 3 10-6.時鐘穩(wěn)定度用相對值來表示時,通常前面省去土符號.時鐘穩(wěn)定度值與測量的持續(xù) 時間有關(guān),可以有短期、日、月、年長期等穩(wěn)定度,在不注明時間的情況下,一般為年 穩(wěn)定度.當(dāng)前,人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮隅姟⒈?其驅(qū)動源均為晶體振蕩器.時鐘走時的穩(wěn)定度完全決定于驅(qū)動

15、時鐘振蕩器的頻率穩(wěn)定度,即晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度與時鐘穩(wěn)定度兩者具有相同的值.例如：某時鐘驅(qū)動源的日頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度為：1.1573 10-5,那么該時鐘的走時日穩(wěn)定度亦為1.1573 10-5 ±1s/d.假設(shè)驅(qū)動源采用標(biāo)稱頻率為1MHz晶體振蕩器,那么可以推算出驅(qū)動該時鐘的晶振,每日頻率變化小于土1.1573 10-53 106Hz=± 11.57Hz.即該標(biāo)稱頻率為1MHz晶體振蕩器的日頻率穩(wěn)定度為1.1573 10-5,精度為土 11.57Hz/d 假設(shè)在開始測試時振蕩器的實(shí)際頻率等于標(biāo)稱頻率.由上述討論可見,時鐘同步網(wǎng)與時間同步網(wǎng)的輸出信號具有穩(wěn)定度與精度兩個要求

16、.時間同步網(wǎng)輸出時間的精度是相對于基準(zhǔn)時間通常為UTC的偏差；而時鐘同步網(wǎng)輸出時鐘的精度是相對于標(biāo)稱頻率的偏差. 六、鎖相環(huán)路在時鐘系統(tǒng)中通常采用多級主從同步法,即用較高穩(wěn)度的上級時標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)時間振蕩逐級同步較低穩(wěn)定度的下級時標(biāo)振蕩,從而使全網(wǎng)時鐘同步運(yùn)行. 下級時鐘對上級時鐘的同步,目前通常采用鎖相環(huán)路來完成.1 .鎖相環(huán)路的根本原理鎖相環(huán)路的功能是用一個基準(zhǔn)振蕩,去同步鎖定一個頻率穩(wěn)定度低于基準(zhǔn)振蕩的受控振蕩器,使受控振蕩的頻率穩(wěn)定度等于基準(zhǔn)振蕩的頻率穩(wěn)定度.該鎖相環(huán)路由鑒相器、低通濾波器與壓控振蕩器VCO 組成.其輸入基準(zhǔn)振蕩頻率為Fi,初相為9 t;輸出壓控振蕩頻率為 Fo,初相為o t,

17、根本鎖相環(huán)路框圖如圖 81 所示.圖81根本鎖相環(huán)路框圖為容易理解鎖相環(huán)路的根本原理,這里只介紹同頻鎖相.環(huán)路中的壓控振蕩器VCO可以是LC振蕩器,也可以是晶體振蕩器.與獨(dú)立振蕩器不同的是,在壓控振蕩器的振蕩槽路或等效振蕩槽路上并有變?nèi)荻O管.變?nèi)荻O管的PN結(jié)的電容量隨著加在二極管上的反向偏壓的變化而變化.圖8- 2為一個LC壓控振蕩器原理圖.-心偏.置電庫圖8 2 Lc壓控振蕩器原理圖設(shè)鎖相環(huán)路中的鑒相器是線性的, 其輸出電壓正比于基準(zhǔn)振蕩與壓控振蕩的相位差,即:Ud=Kd 0 (t) G (t)環(huán)路在鎖定狀態(tài)下,鑒相器的輸出電壓Vd通過低通濾波器加在壓控振蕩器上,迫使壓控振蕩器具有與基準(zhǔn)

18、振蕩相同的頻率.即環(huán)路在鎖定狀態(tài)下,輸出壓控振蕩的頻率等于基準(zhǔn)振蕩的頻率？o=?i.系統(tǒng)無頻率誤差,而具有一個剩余相位差00,就是該剩余相位差才能保證壓控振蕩與基準(zhǔn)振蕩同步.一般將Ud=0時的VCO振蕩頻率稱為 VCO的自由振蕩頻率；將 UdW0的VCO振蕩頻 率稱為VCO的受控振蕩頻率.假設(shè)基準(zhǔn)振蕩器與壓控振蕩器的頻率都是固定不變的,且VCO自由振蕩頻率恰好等于基準(zhǔn)振蕩頻率時,由于反應(yīng)環(huán)路的自調(diào)整作用,能使壓控振蕩器的輸出電壓與基準(zhǔn)振蕩器的輸出電壓最后的相位差為 0.由于某種原因,例如溫度變化或電源電壓變化造成VCO自由振蕩頻率發(fā)生變化時,首先使壓控振蕩器的輸出電壓與基準(zhǔn)振蕩器的輸出電壓之間

19、的相位差 發(fā)生變化,于是鑒相器輸出一個直流電壓反過來限制VCO振蕩的頻率變化.通過反應(yīng)環(huán)路反復(fù)自行調(diào)整,使得VCO自由振蕩頻率變化過程變成了一個相位變化的過程(小于90°或180.),壓控振蕩器的輸出電壓與基準(zhǔn)振蕩器的輸出電壓之間的相位差使鑒相器輸出相應(yīng)的 電壓,從而使壓控振蕩器受控,受控振蕩頻率等于基準(zhǔn)振蕩頻率.在實(shí)際使用中,可以對基準(zhǔn)頻率輸出進(jìn)行倍頻或?qū)嚎卣袷庉敵鲞M(jìn)行分頻,完成低頻振蕩同步高頻振蕩；亦可以對基準(zhǔn)頻率輸出進(jìn)行分頻或?qū)嚎卣袷庉敵鲞M(jìn)行倍頻,完成高頻振蕩同步低頻振蕩.2 .同步范圍與捕獲范圍為了討論的簡單化與可測量性,假設(shè)基準(zhǔn)振蕩?i發(fā)生變化,迫使VCO的受控振蕩頻率

20、隨之變化,以滿足同步要求.但是,VCO振蕩跟蹤基淮頻率變化是有一定范圍的,超過了此范圍環(huán)路將“失鎖,即VCO振蕩頻率不再跟蹤基淮頻率的變化了. 下面用圖8-3來說明這一過程,同時引出鎖相 環(huán)路的“同步范圍和“捕獲范圍兩個重要概念.圖 8-3的縱坐標(biāo)代表加到 VCO上的 限制電壓 比；橫坐標(biāo)代表外加基淮頻率 ？i ,其中？p為VCO的自由振蕩頻率.圖83鎖相環(huán)路的“同步范圍和“捕獲范圍圖8 3 (a)表示外加基準(zhǔn)頻率 ？i由低向高緩慢變化的情況,設(shè) ?i由遠(yuǎn)低于？p處逐漸 向？p靠近.在？i小于？2時環(huán)路失鎖,當(dāng)？i = ?2時環(huán)路鎖定,限制電壓 匕出現(xiàn)一個負(fù)的躍變； 當(dāng)？i升高至？i=?p時,

21、比=0, ?i繼續(xù)升高限制電壓 七變正,當(dāng)？i升高至？4時環(huán)路失鎖,控 制電壓躍變?yōu)?.接著反過來緩慢降低外加基準(zhǔn)頻率？如圖8-3 (b)所示.當(dāng)？i=?4時環(huán)路并不能鎖定.?i進(jìn)一步降低至？3時環(huán)路鎖定,限制電壓 比出現(xiàn)一個正的躍變；？i繼續(xù)減少,比降低, 當(dāng)降至？i=?p時,七=0.？i繼續(xù)降低,限制電壓 七變負(fù),當(dāng)？降低至？1時,環(huán)路失鎖,限制 電壓躍變?yōu)?.在鎖相環(huán)路中,同步范圍與捕獲范圍的定義為：環(huán)路在已經(jīng)鎖定的狀態(tài)下,變化？i,向低變到？1時或向高變到？4時環(huán)路才會失鎖.即是?i在？1？4頻率范圍內(nèi)環(huán)路能保持鎖定,那么同步范圍為：?L= (?4-?1)/2環(huán)路在未鎖定的狀態(tài)下,變化

22、當(dāng)？i由低向高變到？2或由高向低變到？3時環(huán)路才會進(jìn)入鎖定,那么捕獲范圍定義為：?C= (?3-?2)/2可見同步范圍大于捕獲范圍.理論與實(shí)踐都證實(shí),在環(huán)中參加低通濾波器的截止頻率越低,捕獲范圍越小,只有在環(huán)中不參加低通濾波器的情況下,捕獲范圍才等于同步范圍.而同步范圍大小那么與環(huán)中介入的 低通濾波器無關(guān).其物理意義如下：當(dāng)環(huán)路失鎖時,鑒相器輸出重復(fù)頻率為 ？P- ?i或？i- ?P的差拍振蕩信 號.該差拍信號通過低通濾波器時受到衰減,以致在？i由低向高變到?2之前和在？i由高向低變到？3之前,加到VCO上的差拍信號幅度太小,不能使 VCO的頻率擺動到等于 ？i,故 不能捕獲.只有？i由低向高

23、變到？2；由高向低變到？3時,差拍信號頻率降低,低通濾波器 對差拍信號的衰減減少,加到VCO上的差拍信號幅度加大,使 VCO頻率的擺動加大到能夠包括？2或？3時,系統(tǒng)才能進(jìn)入平衡(鎖定),圖84所示為當(dāng)？i頻率升高接近與到達(dá) ?2 捕捉過程中的差拍信號.而環(huán)路在已鎖定狀態(tài)下, 鑒相器輸出為一直流信號, 低通濾波器對其無衰減,故同步范圍與低通濾波器的截止頻率無關(guān).圖8- 4捕捉過程中的差拍信號而在時鐘系統(tǒng)中,基準(zhǔn)振蕩頻率穩(wěn)定度高于VCO振蕩,應(yīng)該視為基準(zhǔn)頻率 ？i固定,而VCO自由振蕩頻率？P變化.當(dāng)?P偏離？i時同樣存在一定的同步范圍與捕獲范圍.在預(yù)先調(diào)整好？=?的情況下,為保證鎖相環(huán)路的鎖定

24、,要求VCO的自由振蕩頻率不漂出同步范圍,即要求 VCO自由振蕩頻率穩(wěn)定度W同步范圍(?4 ?1)/2?p.為保證暫時 停電或基準(zhǔn)信號暫時消失后的重新捕獲,那么要求VCO的自由振蕩頻率再處在環(huán)路的捕獲范圍之內(nèi),即要求 VCO自由振蕩頻率穩(wěn)定度W捕獲范圍(?3?2)/2?P.第二節(jié)城軌時鐘系統(tǒng)的功能需求時鐘系統(tǒng)作為城軌通信系統(tǒng)的一個局部, 在城軌運(yùn)營過程中為工作人員、 乘客及全線機(jī) 電系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間,使全線各機(jī)電系統(tǒng)的定時設(shè)備與時鐘系統(tǒng)同步, 從而實(shí)現(xiàn)城軌 全線統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn),以提升運(yùn)營效率和質(zhì)量.一、時鐘系統(tǒng)的根本功能需求1 .可靠性時鐘系統(tǒng)所有設(shè)備均能滿足一天24h不間斷連續(xù)運(yùn)行.2

25、 .同步校對限制中央一級母鐘設(shè)備接收外部 GPS標(biāo)準(zhǔn)時間(時標(biāo))信號進(jìn)行自動校時,保持與GPS 時標(biāo)信號的同步.一級母鐘周期地送出統(tǒng)一的同步脈沖和標(biāo)準(zhǔn)時間信號給其他系統(tǒng),并通過輸出信道統(tǒng)一校準(zhǔn)各二級母鐘,從而使整個時鐘系統(tǒng)長期無累積誤差運(yùn)行.系統(tǒng)具備降級使用功能.當(dāng)一級母鐘在失去GPS時標(biāo)時應(yīng)能獨(dú)立正常工作；二級母鐘在傳輸通道中斷的情況下,應(yīng)能獨(dú)立正常工作； 各子鐘在失去外部時鐘驅(qū)動信號時,亦能獨(dú) 立正常工作.在降級使用中允許時鐘精度下降.3 .時鐘精度在GPS時標(biāo)同步下,一級母鐘受控時鐘精度應(yīng)在土13 10-10 (s/d)以上.一級母鐘獨(dú)立時鐘精度(不受控情況下) 應(yīng)在± 13

26、10-8 (s/d)以上,二級母鐘獨(dú)立時鐘精度應(yīng)在土 13 10-7 (s/d)以上,一級和二級母鐘都應(yīng)帶有日期、時間顯示.4 .日期、時間顯示一級母鐘能產(chǎn)生全時標(biāo)信息,格式為：年,月,日,星期,時,分,秒,毫秒,并能在 設(shè)備上顯示.二級母鐘具有日期、時間顯示功能.一級母鐘和二級母鐘具有數(shù)字式及指針式子鐘的多路輸出接口.數(shù)字式及指針式子鐘均應(yīng)有時、分、秒顯示,顯示應(yīng)清楚,數(shù)字子鐘具備12h和24h兩種顯示方式的轉(zhuǎn)換功能(亦可選用帶日期顯示的數(shù)字子鐘).子鐘安裝位置應(yīng)便于觀看.子鐘為雙面或單面顯示設(shè)備, 設(shè)在限制中央、車站和車輛段 /停車場等必要的區(qū)域和房間內(nèi).5 .為其他系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號中

27、央一級母鐘設(shè)備設(shè)有多路標(biāo)準(zhǔn)時間碼輸出接口,能夠在整秒時刻給其他各相關(guān)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號.6 .設(shè)備冗余一、二級母鐘采用主、備母鐘冗余配置,并具有熱備功能.當(dāng)主母鐘出現(xiàn)故障時,自動 切換到備母鐘,由備母鐘全面代替主母鐘工作.主母鐘恢復(fù)正常后, 備母鐘自動切換回主母鐘.7 .系統(tǒng)擴(kuò)容和升級系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)方式,可方便地進(jìn)行擴(kuò)容.對每個節(jié)點(diǎn)二級母鐘系統(tǒng)的改動都不會 影響整個系統(tǒng).節(jié)點(diǎn)設(shè)備擴(kuò)容時無需更換軟件和增加限制模塊,只需適當(dāng)增加接口板便可擴(kuò)大系統(tǒng)的容量.8 .可監(jiān)控性主要時鐘設(shè)備應(yīng)具有自檢功能, 并可由中央維護(hù)檢測終端采集檢測的結(jié)果,實(shí)時顯示各設(shè)備的工作狀態(tài)和故障狀態(tài).當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,維護(hù)

28、檢測終端能夠進(jìn)行聲光報(bào)警, 指示故 障部位,對故障狀態(tài)和時間進(jìn)行打印和存儲記錄,并具有集中告警和聯(lián)網(wǎng)告警功能.9 .防電磁干擾列車電機(jī)所產(chǎn)生的電磁波會對時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,需采取必要的防護(hù)舉措,防止干擾信號進(jìn)入時鐘設(shè)備與線纜.二、一級母鐘的功能需求一級母鐘是整個時間系統(tǒng)的中樞局部,其工作的穩(wěn)定性很大程度上決定了整個系統(tǒng)的可靠性,因此,充分考慮了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)可靠性等綜合因素,將其設(shè)計(jì)為主、備冗余 配置的雙機(jī)系統(tǒng).主、備機(jī)具有自檢和互檢功能,并且主、備機(jī)之間可實(shí)現(xiàn)自動或手動切換. 一級母鐘的時間依靠接收 GPS時標(biāo)信號來校準(zhǔn),以免產(chǎn)生累積誤差.一級母鐘的具體功能 需求如下：(1) 一級母鐘能

29、夠顯示年、月、日、星期、時、分、秒等全時標(biāo)時間信息.(2) 一級母鐘具有統(tǒng)一調(diào)整起始時間、變更時鐘快慢的功能.(3) 一級母鐘可通過設(shè)置在前面板上的鍵盤實(shí)現(xiàn)對時間的統(tǒng)一調(diào)整.(4) 一級母鐘接收時標(biāo)信號接收機(jī)發(fā)送的時標(biāo)信號.時標(biāo)信號接收機(jī)正常工作時,該 信號將作為一級母鐘的時間基準(zhǔn)；外部所有的時標(biāo)信號接收出現(xiàn)故障時,一級母鐘將采用自身的高穩(wěn)定晶振產(chǎn)生的時間信號作為時間基準(zhǔn),保持自身及二級母鐘正常工作并向時鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備(維護(hù)檢測終端)發(fā)出告警或向限制中央集中網(wǎng)管發(fā)出告警.(5) 一級母鐘能與外部時標(biāo)信號保持同步.(6) 一級母鐘通過分路輸出接口箱采用標(biāo)準(zhǔn)的RS422接口與傳輸子系統(tǒng)相連,通過城

30、軌傳輸系統(tǒng)向設(shè)置于各車站 /車輛段的二級母鐘發(fā)送時標(biāo)信號,統(tǒng)一校準(zhǔn)各個二級母鐘, 并負(fù)責(zé)向限制中央其他機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備提供時標(biāo)信號.當(dāng)二級母鐘、子鐘或傳輸通道出現(xiàn)故障時,能立即向時鐘系統(tǒng)網(wǎng)管中央發(fā)出告警.(7) 一級母鐘同時通過城軌傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)通道,經(jīng)由分路輸出接口箱接收二級 母鐘回送的自身和二級母鐘所屬子鐘的運(yùn)行狀態(tài)信息.(8) 一級母鐘能夠?qū)崟r檢測市電電網(wǎng)的頻率波動情況,當(dāng)頻率波動過大時,可發(fā)出報(bào) 警以提醒設(shè)備治理人員采取必要舉措.(9) 一級母鐘通過標(biāo)準(zhǔn)的 RS 232接口與網(wǎng)管終端相連,以實(shí)現(xiàn)對時鐘系統(tǒng)主要設(shè)備 和部件的監(jiān)控.(10) 一級母鐘具有 80路標(biāo)準(zhǔn)的RS422接口(可擴(kuò)至

31、512個).其中向各車站/車輛 段提供時標(biāo)信號接口 30路,預(yù)留25路接口用于將來擴(kuò)展使用；向其他系統(tǒng)提供20路接口.(11) 一級母鐘通過20路標(biāo)準(zhǔn)的RS422接口,向城軌其他機(jī)電系統(tǒng)以及需要統(tǒng)一時 間的系統(tǒng)發(fā)送全時標(biāo)時間信號,以實(shí)現(xiàn)城軌全線時間的嚴(yán)格統(tǒng)一.(12) 一級母鐘通過對主、備母鐘工作狀態(tài)的循環(huán)自檢和互檢,在發(fā)現(xiàn)故障時能夠立即實(shí)現(xiàn)母鐘主、備機(jī)的自動轉(zhuǎn)換；非故障狀態(tài)下,主、備母鐘也可以手動進(jìn)行轉(zhuǎn)換.三、二級母鐘的功能需求二級母鐘設(shè)置在各車站/車輛段的通信設(shè)備室內(nèi).為了保證系統(tǒng)的可靠性,二級母鐘設(shè) 置為主、備機(jī)模式.在正常情況下,主機(jī)工作,當(dāng)出現(xiàn)故障時,自動轉(zhuǎn)換到熱備份的備用機(jī) 上工作

32、,提升了系統(tǒng)的可靠性.二級母鐘的具體功能需求如下：(1)二級母鐘通過接收一級母鐘發(fā)出的時標(biāo)信號,與一級母鐘保持同步.二級母鐘采用RS-422接口,通過城軌傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道與中央母鐘相連接.(2)二級母鐘通過 RS422接口向所在區(qū)域的子鐘發(fā)送時標(biāo)信號,以實(shí)現(xiàn)對子鐘時間顯示精度的校準(zhǔn),同時接收子鐘回送的工作狀態(tài)信息,并能夠向一級母鐘回饋?zhàn)陨砑八犠隅姷墓ぷ餍畔?(3)二級母鐘每秒一次接收一級母鐘的時標(biāo)信號,從每秒的零毫秒時刻開始以4800/9600波特率連續(xù)發(fā)送21個含有年、月、日、星期、時、分、秒的時間字符,并且包含起始位、結(jié)束位、校驗(yàn)位、GPS校時等字符信息.二級母鐘在接收到結(jié)束符

33、后,可直接用接收到的時間信息來替換自身設(shè)備的毫秒計(jì)時；然后再依次校準(zhǔn)秒、分、時、日、月、年、星期 等計(jì)時單元.二級母鐘的發(fā)送和接收可同步進(jìn)行.(4)二級母鐘具有獨(dú)立的高穩(wěn)定晶振,一級母鐘對二級母鐘是校時或同步的關(guān)系,而 不是替代關(guān)系,當(dāng)中央一級母鐘或數(shù)據(jù)傳輸通道出現(xiàn)故障時,二級母鐘將依靠自身晶振產(chǎn)生的時間信號獨(dú)立工作,驅(qū)動所轄子鐘的運(yùn)行,并立即向時鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備發(fā)出失步告警信號.(5)二級母鐘具有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸接口,通過RS 232接口可接入移動網(wǎng)管計(jì)算機(jī)(筆記本電腦),在本車站可實(shí)現(xiàn)對本站設(shè)備以及各個車站設(shè)備的監(jiān)測.(6)二級母鐘具有日期、時間顯示功能,時間顯示器以年、月、日、星期、時、分、秒

34、格式顯示.時間顯示器平常顯示日歷和時間,需要時也可作為檢測窗口使用,用戶可以通過切換按鍵很方便的順序查詢本二級主、備母鐘,接口模塊以及本站所有子鐘的運(yùn)行狀態(tài).二級母鐘并具備人工調(diào)整功能.(7)二級母鐘具有子鐘分路輸出接口.通過屏蔽電纜線連接本車站/車輛段內(nèi)各子鐘.二級母鐘采用標(biāo)準(zhǔn) RS- 422接口,直接電纜方式與所在區(qū)域的子鐘相連接.連接子鐘的接 口數(shù)量為10路.每路最多可帶 20個子鐘.其接口同時可接指針式和數(shù)字式子鐘.(8)二級母鐘配有 10路標(biāo)準(zhǔn)時間接口( RS-422),為站內(nèi)其他系統(tǒng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時 間信息.(9)二級母鐘各接口局部故障,不影響整個系統(tǒng)正常工作.四、子鐘的功能需求車站

35、/車輛段的子鐘均通過 RS- 422接口,采用直接電纜方式與本車站 /車輛段二級母鐘 相連,接收二級母鐘發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時間信號, 對自身的精度進(jìn)行校準(zhǔn), 向工作人員及乘客直接 指示時間信息.子鐘在接收到標(biāo)準(zhǔn)時間信號后,向所歸屬二級母鐘回送自身的工作狀態(tài).所有子鐘均具有獨(dú)立的計(jì)時功能, 平時跟蹤二級母鐘工作.當(dāng)二級母鐘出現(xiàn)故障或因其 他原因,接收不到時標(biāo)信號時, 子鐘仍能依靠自身晶振工作, 并向時鐘系統(tǒng)治理中央發(fā)出告 警.子鐘可分為指針式子鐘和數(shù)字式子鐘兩大類；從外觀結(jié)構(gòu)上分單面和雙面兩種類型；從安裝方式上可分成懸掛式和壁掛式兩種.數(shù)字式子鐘從顯示方式上可分為日歷數(shù)字式子鐘和無日歷數(shù)字式子鐘.數(shù)字式

36、子鐘均采用超高亮或高亮LED數(shù)碼管顯示,且顯示清楚醒目,色澤均勻,視覺柔和,顯示字符邊緣清楚, 字體飽滿.子鐘均有時、分、秒顯示,日歷數(shù)字式子鐘還帶有年、 月、日、星期等顯示信息.電源開關(guān)亦可用作子鐘死機(jī)時的重新啟動.所有數(shù)字子鐘均具有 12/24制計(jì)時顯示格式,也可以通過監(jiān)控系統(tǒng)有選擇地進(jìn)行局部和 全部子鐘顯示格式的定時切換.其中室內(nèi)子鐘的防護(hù)等級為IPR41;室外子鐘的防護(hù)等級為 IP>56o數(shù)字式子鐘的運(yùn)行是靠自身系統(tǒng)進(jìn)行,通過定時接收二級母鐘的標(biāo)準(zhǔn)時間信號,將時間指示刷新后與二級母鐘一致.所有數(shù)字式子鐘均具有記憶功能,內(nèi)置實(shí)時時鐘集成電路和充電電池,停電后可繼續(xù)保持實(shí)時時間數(shù)據(jù)數(shù)

37、年,上電后立即自動顯示正確時間.第三節(jié)城軌時鐘系統(tǒng)的構(gòu)建一、時鐘系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)時鐘系統(tǒng)按限制中央一級母鐘和車站/車輛段二級母鐘兩級組網(wǎng)方式設(shè)置,系統(tǒng)主要包括：GPS信號接收單元、限制中央主 /備一級母鐘系統(tǒng)、車站車輛段主/備二級母鐘、時間顯示單元簡稱子鐘、時鐘系統(tǒng)網(wǎng)管終端、電源、接口設(shè)備及傳輸通道等構(gòu)成.限制中 心設(shè)置一級母鐘與限制中央中的子鐘,沿線各車站、車輛段/停車場設(shè)置二級母鐘和子鐘.限制中央一級母鐘接收并同步來自GPS衛(wèi)星的時標(biāo)信號,配置在限制中央一級母鐘為其他各機(jī)電系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間信號,使各子系統(tǒng)的定時設(shè)備與時鐘系統(tǒng)同步,限制中央一級母鐘并通過傳輸線路向各車站和車輛段的二級母鐘傳送

38、時標(biāo)信號,從而實(shí)現(xiàn)城軌全線執(zhí)行統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn).時鐘系統(tǒng)框圖如圖8 5所示.中央母鐘1上或常址：才小也口.痛3T£* 審檢 I1號相 禺就一,： 一ra,*盯航7耳電里_T黑中博的用眈1T 一宿甘基攜T_rr由第泰沈1T諾正施警捉戰(zhàn)T在首心擰再播"1T電力比比系推一|至各系統(tǒng)NTP效勞器1片號外路輸出接1 I箱地路行我他系流的留V展接口10加躋|1'RS-W/4a5teU1 口路卜內(nèi)帶了鐘R S-422,4g5 接口 R'T234H5接門限制中央點(diǎn)時點(diǎn)傳輸設(shè)梟車輛段二級母鐘信摩.停朝率、檢糕庫值班室車站信號樓,停群,邈涯觸圖圖85城軌時鐘系統(tǒng)框圖、時鐘系統(tǒng)的主

39、要設(shè)備1 .限制中央一級母鐘限制中央母鐘的時間依靠接收外部同步時標(biāo)信號來進(jìn)行校準(zhǔn),以免產(chǎn)生累積誤差,外部同步時標(biāo)信號采用 GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星時標(biāo)信號,對自身時鐘進(jìn)行校準(zhǔn),從而消除累積誤 差.當(dāng)接收外部同步時標(biāo)信號的裝置出現(xiàn)故障時,一級母鐘將利用自身的高穩(wěn)定度晶振產(chǎn)生的時鐘信號驅(qū)動二級母鐘正常工作,并向時鐘網(wǎng)管設(shè)備提供告警.當(dāng)外部時間信號設(shè)備恢復(fù)時,一級母鐘將自動跟隨.限制中央一級母鐘通過城軌專用傳輸系統(tǒng)定時每秒將同步時標(biāo)信號發(fā)送給車站/車輛段的二級母鐘,同步二級母鐘.限制中央一級母鐘包括GPs信號接收模塊和一級母鐘模塊.（1） GPS信號接收模塊為了提升時鐘系統(tǒng)輸出時標(biāo)信號的精度,限制中央母

40、鐘受控于GPS時標(biāo)信號.為此,限制中央母鐘配置 GPS接收機(jī),向時間系統(tǒng)提供高精度的時間基準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)時間系統(tǒng)的無 累積誤差運(yùn)行.GPS信號接收模塊設(shè)計(jì)上應(yīng)具有 48個并行信道,即同時最多可以接收48個GPS衛(wèi)星的信號.該模塊從接收的GPS信號中分解出時標(biāo)信息,用以同步一級母鐘中的受控高穩(wěn)定度晶體振蕩器,使該晶體振蕩輸出的時鐘信號精度到達(dá)GPS時鐘信號的精度±13 10-10s/d以上.（2） 一級母鐘一級母鐘為受 GPS時標(biāo)信號限制的高穩(wěn)定度溫補(bǔ)晶體振蕩器.該母鐘采用主備冗余結(jié) 構(gòu).并通過城軌傳輸系統(tǒng)同步各受控晶體振蕩器通過系統(tǒng)總線將時標(biāo)信號傳送給其他系統(tǒng),車站與車輛段的二級母鐘.當(dāng)

41、GPS信號接收模塊無法正常接收 GPS信號時,由晶體振蕩器的獨(dú)立振蕩精度為土 13 10-8s/d以上提供時鐘信號.一級母鐘帶有時鐘驅(qū)動電路,用以驅(qū)動限制中央中的子鐘；并帶有時鐘系統(tǒng)網(wǎng)管接口, 用以連接網(wǎng)管終端.2 .二級母鐘在各車站/車輛段的通信設(shè)備用房內(nèi)設(shè)置二級母鐘,通過城軌傳輸通道接收限制中央母 鐘發(fā)出的時標(biāo)信號, 產(chǎn)生并輸出時間限制信號,用于驅(qū)動本站所有的子鐘.同時,二級母鐘向限制中央一級母鐘回送的各站二級母鐘及子鐘的運(yùn)行狀態(tài)信息.二級母鐘預(yù)留系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)接口,以便接入便攜式終端進(jìn)行設(shè)備維護(hù)治理.3 .子鐘子鐘接收二級母鐘發(fā)出的時標(biāo)驅(qū)動信號,進(jìn)行時間信息顯示.子鐘能夠脫離二級母鐘單獨(dú)運(yùn)

42、行,子鐘顯示方式為指針或數(shù)字方式.考慮到乘客導(dǎo)乘信息系統(tǒng)在站臺、站廳區(qū)均設(shè)有PIS顯示屏,此設(shè)備上已顯示了時間信息,故在車站站臺、站廳區(qū)可少設(shè)子鐘.4 .傳輸通道限制中央一級母鐘至二級母鐘的傳輸通道利用城軌專用傳輸網(wǎng)提供的電路數(shù)據(jù)傳輸通 道亦可采用分組數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn).每站占用2路一主一備通道,接口標(biāo)準(zhǔn)為RS- 422 ,傳輸速率9600bit/so限制中央母鐘、車站車輛段二級母鐘至子鐘間的傳輸通道,采用時 鐘屏蔽電纜.5 .網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測終端在限制中央的通信設(shè)備用房內(nèi)時鐘監(jiān)測治理終端網(wǎng)管終端,通過數(shù)據(jù)傳輸通道,實(shí)時監(jiān)測全線時鐘系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)施故障定位、報(bào)警.并通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備向城軌綜合網(wǎng)管系統(tǒng)傳輸

43、告警信息,實(shí)施集中治理與集中告警.三、時鐘系統(tǒng)的連接接口1 .限制中央母鐘輸出接口限制中央一級母鐘向各車站 /車輛段的二級母鐘、系統(tǒng)網(wǎng)管、城軌的其他機(jī)電系統(tǒng)通過 傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)通道,發(fā)送時標(biāo)信號的接口均采用RS-422接口,以點(diǎn)對點(diǎn)或總線方式連接.限制中央一級母鐘與車站 /車輛段二級母鐘之間,也可以采用 NTP接口,通過分組 數(shù)據(jù)IP通道傳送時標(biāo)信號.需要時標(biāo)信號的其他機(jī)電系統(tǒng)包括：PIS、CCTV系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、專用 系統(tǒng)、公務(wù)通彳t系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、綜合 UPS系統(tǒng).2 .限制中央母鐘與限制中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)的單設(shè)接口限制中央一級母鐘設(shè)備單設(shè)兩路時標(biāo)輸出接口,在整

44、秒時刻給城軌限制中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間信號.3 .限制中央母鐘與信號系統(tǒng)的單設(shè)接口限制中央母鐘設(shè)備單設(shè)兩路時標(biāo)信號輸出接口,提供“NMEA0183 格式時間信號給城軌限制中央信號系統(tǒng).4 .母鐘與子鐘的接口二級母鐘連接子鐘的時標(biāo)接口采用RS 422總線方式,也可點(diǎn)對點(diǎn)方式.第四節(jié)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時問同步與 NTP協(xié)議一、概述每臺計(jì)算機(jī)都有自己的時間,并且是可以調(diào)節(jié)的. 一般情況下,很難保證網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)具有相同的時間,但在不少應(yīng)用場合下,網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)需要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間,例如： 在調(diào)度系統(tǒng)中上級調(diào)度下達(dá)的調(diào)度指揮命令與下級接受該命令的時間；CCTV系統(tǒng)錄像回放時所顯示的視頻記錄時間；信號系

45、統(tǒng)中列車出發(fā)/到達(dá)時間；電力監(jiān)控中合 /拉閘時間；AFC 系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)的順序等,都需要網(wǎng)絡(luò)時間的同步.網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)中各臺計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的時間不斷地進(jìn)行調(diào)整,使其時間盡量地統(tǒng)一于標(biāo)準(zhǔn)時間.二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時間同步方法從實(shí)現(xiàn)機(jī)制來看,時間同步有硬件和軟件兩種同步方法,各有不同的精度與本錢.目前,世界各國發(fā)布的時間包括中國的北京時間,均以協(xié)調(diào)世界時UTC作為基準(zhǔn).UTC是基于地球自轉(zhuǎn)/天文歷法和葩原子鐘相結(jié)合的基準(zhǔn)時間.硬件時間同步系指利用一定的硬件設(shè)施接受UTC進(jìn)行時間同步.在實(shí)際應(yīng)用中,采用GPS系統(tǒng)獲得精確的 UTC基準(zhǔn)時間是最為經(jīng)濟(jì)、便捷的方法.城軌的時鐘系統(tǒng)采用硬件時 間同步技術(shù),同

46、步于 GPS接收機(jī)輸出的ToD時間信號,并采用電路數(shù)據(jù)方式傳輸同步時標(biāo) 信號,故可獲得很高的時間同步精度.軟件時間同步亦是接受 UTC 在城軌中為限制中央母鐘通過RS422等電路數(shù)據(jù)接口輸出的同步時標(biāo)信號 進(jìn)行時間同步,與硬件時間同步的不同點(diǎn)在于,軟件時間同步利用時間同步算法,通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時間同步.軟件同步信息在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳送,特別是在廣域網(wǎng)上傳輸時延大且有很大的不確定性,使得軟件同步可以到達(dá)的同步精度較低通常為毫秒級.然而軟件時間同步比硬件時間同步更加靈活,本錢也低.在城軌應(yīng)用中采用混合時間同步方式.其中的城軌時鐘系統(tǒng)采用硬件時間同步方式產(chǎn)生高精度的標(biāo)準(zhǔn)時間信號.同步城軌中的列車自動

47、監(jiān)控系統(tǒng)ATS、通信系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)AFC、電力監(jiān)控系統(tǒng)SCADA、防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)FAS、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)BAS、基 于通信的列車限制系統(tǒng) CBTC、列車的全自動駕駛系統(tǒng) FAO、辦公室自動化系統(tǒng) OA 等網(wǎng)絡(luò)的主時間效勞器NTP效勞器,并通過城軌專用傳輸網(wǎng)同步車輛段與車站各局域網(wǎng) 的從時間效勞器,進(jìn)而同步相應(yīng)局域網(wǎng)中的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)例如 CCTV中的網(wǎng)絡(luò)攝像頭、 AFC中的進(jìn)出站檢票機(jī)等.三、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP除了可以估算消息包在網(wǎng)絡(luò)中的往返時間外,還可以估算計(jì)算機(jī)之間的時鐘偏差,用以在無序的因特網(wǎng)環(huán)境中提供精確與健壯的時間效勞,把計(jì)算機(jī)的時間同步到某個基準(zhǔn)時間上.當(dāng)前幾乎所有

48、的授時網(wǎng)站都是基于NTPv3 NTP第三版本的,它們提供的時間精度在廣域網(wǎng)上為數(shù)十毫秒,在局域網(wǎng)上那么為亞毫秒級或更高.NTP的應(yīng)用越來越廣泛,在互聯(lián)網(wǎng)上工作的時間效勞器已超過十萬臺.1. NTP的工作模式1客戶機(jī)/效勞器模式：采用一對一連接,效勞器可同步客戶機(jī)；客戶機(jī)不能同步服 務(wù)器.2對稱模式：與客戶機(jī)/效勞器模式根本相同, 但雙方均可同步對方或被對方所同步, 先發(fā)出申請連接的一方工作在主動模式下；另一方工作在被動模式下.3播送/多播模式：效勞器與各客戶機(jī)工作在一對多的連接方式下,效勞器主動發(fā)出 時間信息,客戶機(jī)接收此信息調(diào)整自己的時間.由于忽略了網(wǎng)絡(luò)時延,精度較低,適合用于高速局域網(wǎng)中.

49、2. NTP協(xié)議的工作原理NTP以客戶機(jī)/效勞器模式進(jìn)行通信,客戶機(jī)發(fā)送一個請求數(shù)據(jù)包,效勞器接收后回送 一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包.兩個數(shù)據(jù)包都帶有發(fā)送與接收的時間戳,根據(jù)這四個時間戳, 可用來計(jì)算客戶機(jī)與效勞器之間的時間偏差和網(wǎng)絡(luò)時延.在圖86中,T1為客戶機(jī)發(fā)送查詢請求包的時刻；T2為效勞器收到查詢請求包的時刻；T3為效勞器回復(fù)時間信息包的時刻；T4為客戶機(jī)收到時間信息包的時亥限客戶機(jī)效勞耦根據(jù)上述過程的時間關(guān)系可得：丁2= 一+ + 8T4= T3 + 8根據(jù)以上兩式可解得效勞器和客戶機(jī)之間的時間偏差為以及兩者之間的單程網(wǎng)絡(luò)傳輸時間a0= 丁2-T1一 丁4-T31 /29= 丁2-Ti + 丁4

50、一丁3 /2由以上2式可見 僅8只與T2與Ti的差值、T4與T3的差值相關(guān),而與T3和T2的差值無 關(guān),即所得結(jié)果與效勞器處理請求所需時間無關(guān).據(jù)此,客戶機(jī)可根據(jù)Ti、T2、T3、T4四個時間戳,計(jì)算出時間偏差和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時,用以調(diào)整本地時鐘.3. NTP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時間同步網(wǎng)絡(luò)一般采用如圖8-7所示的分層結(jié)構(gòu).2T 口根本時間標(biāo)準(zhǔn)圖8 7 時間同步網(wǎng)的根本結(jié)構(gòu)圖中根部ST0為基準(zhǔn)時間標(biāo)準(zhǔn), 基準(zhǔn)時間標(biāo)準(zhǔn)可以采用 GPS、UTC或國家時間標(biāo)準(zhǔn)等； STI基準(zhǔn)時間效勞器直接同步于基準(zhǔn)時間標(biāo)準(zhǔn),STI通過網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP將標(biāo)準(zhǔn)時間送ST2時間效勞器或其他工作站.ST2、ST3時間效勞器完成對時間信

51、號的傳送和分配.因網(wǎng)絡(luò)采用逐層同步的方法,故隨著層數(shù)的增加、同步時間的精度逐層下降,層數(shù)被限制在 15層之內(nèi).時間同步網(wǎng)絡(luò)的效勞范圍,建議不超過500個工作站.另外,出于對精確度與可靠性的考慮,下層設(shè)備可以同時引用多個上層或同層設(shè)備作為時間同步的參考源.在NTP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,NTP數(shù)據(jù)包均帶有時間戳.時間戳用 64位無符號數(shù)表示自公元 1900年1月1日零時起開始的秒數(shù),前 32位為整數(shù)局部,后 32位為小數(shù)局部,理論上的 精度可以到達(dá)2'32so NTP數(shù)據(jù)包的傳輸采用 UDP協(xié)議.4. NTP的處理流程圖8 8表示了 NTP在一個同步節(jié)點(diǎn)中的處理流程.對等機(jī)I過渡器【圖8 8 NTP

52、處理流程由圖8-8可見,NTP利用多個對等上級或同級的效勞器來獲得高精確度與可靠性. 當(dāng)從多個對等機(jī)獲得時間同步信息后,過濾器從這些信息中選取最正確樣本,與本地時間進(jìn)行比擬.通過選擇與聚類算法對往返延時、離差和偏移等參數(shù)進(jìn)行分析,選擇假設(shè)干個較為準(zhǔn)確的效勞器.合成算法對這些效勞器的信號進(jìn)行綜合,用以獲取更正確的時間參考.環(huán)路濾波器和可變頻率振蕩器VFO所組成的鎖頻/相環(huán)路,在時鐘校準(zhǔn)算法的限制下,調(diào)節(jié)本地 時鐘的時間和頻率.上述的鎖頻 /相環(huán)路可以采用軟件或硬件的方式來實(shí)現(xiàn),但多數(shù)采用軟 件方式.采用NTP協(xié)議構(gòu)建同步時間網(wǎng),由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,且采用標(biāo)準(zhǔn)接口,故利于維護(hù) 和平滑擴(kuò)容.廣泛用于

53、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)中計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)間的時間同步. 第五節(jié) 城軌通信系統(tǒng)的時鐘同步一、概述基于協(xié)調(diào)世界時UTC的時間同步系統(tǒng)和城軌數(shù)字通信系統(tǒng)中的時鐘同步系統(tǒng)均采用GPS時標(biāo)信號、葩原子鐘或高穩(wěn)定度的石英振蕩器作為同步時鐘源,但前者定期輸出標(biāo)準(zhǔn) 時間年、月、日、時、秒、毫秒信息,而后者的輸出為不涉及具體時間、連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時 鐘振蕩信號.數(shù)字通信系統(tǒng)中時鐘同步的作用是,使數(shù)字網(wǎng)中所有通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時鐘頻率和相位都限制在預(yù)定的容限之內(nèi),從而使通過網(wǎng)內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)字流實(shí)現(xiàn)正確、有效的傳送與交換.數(shù)字交換機(jī)在進(jìn)行時隙交換時, 要求各交換時隙在時間上對準(zhǔn), 即要求交換設(shè)備與出人 中繼接口的數(shù)據(jù)流同步.

54、解決方法為在中繼接口中設(shè)置緩沖存儲器. 該存儲器以中繼傳輸線 路所提取的時鐘寫入,以交換機(jī)時鐘讀出.于由兩者時標(biāo)的差異,有可能隔一定時間重復(fù)讀 一幀或喪失一幀,稱為滑碼.滑碼造成話音通路雜音和數(shù)據(jù)通路的誤碼.SDH節(jié)點(diǎn)間假設(shè)同步運(yùn)行那么無指針調(diào)節(jié),隨著同步性能的降低,指針調(diào)節(jié)頻次增加.頻 次大到一定程度引起輸出數(shù)字流的抖動、飄移和誤碼的超標(biāo).通信系統(tǒng)中時鐘同步的根本功能是,準(zhǔn)確地將基準(zhǔn)時鐘的時標(biāo)信號向網(wǎng)中各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳送,從而調(diào)節(jié)網(wǎng)中的通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備時鐘保持與基準(zhǔn)時鐘的一致.某些城軌時鐘沒備帶有 2048 kbit/s的通信網(wǎng)基準(zhǔn)同步信號接口, 可以直接連接城軌通信 主設(shè)備的外接時鐘接口.城軌

55、通信網(wǎng)亦可由通信綜合定時供應(yīng)系統(tǒng) BITS產(chǎn)生通信網(wǎng)基 準(zhǔn)同步信號.通信綜合定時供應(yīng)系統(tǒng)接收上級節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)同步信息,同步自身的時鐘,使其精度到達(dá)上級時鐘的精度,為所在通信設(shè)備提供時標(biāo)信號.二、通信綜合定時供應(yīng)系統(tǒng) BITS通信綜合定時供應(yīng)系統(tǒng) BITS的主要作用如下：1 .過濾輸入基準(zhǔn)同步信號BITS的基準(zhǔn)同步信號來自上級時鐘其中包括GPS時標(biāo)信號,在基準(zhǔn)同步信號傳送過程中,會引入時標(biāo)信號的抖動與飄移,且這種抖動與飄移會產(chǎn)生累積.對抖動與飄移而言,BITS中的鎖相環(huán)路相當(dāng)于一個截止頻率低于10Hz的低通濾波器,它將濾除疊加在輸入時標(biāo)信號上的相位抖動；削弱疊加在輸入日標(biāo)信號上的相位飄移,從而使BITS設(shè)備輸出一個“純潔的時標(biāo)信號.2 .保持運(yùn)行在進(jìn)入BITS設(shè)備的上級基準(zhǔn)同步信號中斷條件下,BITS設(shè)備中的時鐘臨時成為 BITS的主時鐘,它可以在一段時間內(nèi)保持(記憶)基準(zhǔn)同步信號中斷前的時鐘頻率,繼續(xù)為各類通信設(shè)備提供所容許的定時信號.3 .無感覺切換根據(jù)進(jìn)入BITS多個基準(zhǔn)同步信號的質(zhì)量,BITS設(shè)備可以對基準(zhǔn)同步信號進(jìn)行選擇性切換；或是BITS設(shè)備內(nèi)部熱備份模塊的自動切換,不會引起輸出定時信號頻率或相位的跳 變.4 .可靈活選擇多種輸出時鐘信號同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備一般擁有 2.048MHz、1.544MHz、10MHz及E1信號(成