GPS時鍾在數字同步網中的應用

　　盧 山，陳為懷

　　(解放軍信息工程大學信息工程學院 河南 鄭州 450002)

　　摘要：數字同步網是數字通信網正常運行的基礎，也是保障各種業務網運行質量的重要手段。他與電信管理網、信令網一起並列為電信網的3大支撐網，在電信網中具有舉足輕重的地位。

　　1 數字同步網的基本原理和結構

　　對dui於yu任ren何he通tong信xin設she備bei，都dou需xu要yao時shi鍾zhong為wei其qi提ti供gong工gong作zuo頻pin率lv，所suo以yi時shi鍾zhong性xing能neng是shi影ying響xiang設she備bei性xing能neng的de一yi個ge重zhong要yao方fang麵mian。時shi鍾zhong常chang被bei稱cheng為wei設she備bei的de心xin髒zang。時shi鍾zhong工gong作zuo時shi的de性xing能neng主zhu要yao由you2個方麵決定：zishenxingnenghewaitongbuxinhaodezhiliang。erwaitongbuxinhaodezhiliangjiushiyoushuzitongbuwanglaibaozhengde。dangshebeizuchengxitonghewangluohou
，shuzitongbuwangbixuweixitonghewangluotigongjingquededingshi，yibaozhangqizhengchangyunxing。wangneigejiedianshizhongdejingduyingxiangyigeshuzitongxinwanggongzuoshifouzhengchang。

　　數字同步網是一個由節點時鍾設備和定時鏈路組成的實體網，他通過網同步技術為各種業務網的所有網元分配定時信號(頻率或者時間信號)，以yi實shi現xian各ge種zhong業ye務wu網wang的de同tong步bu。網wang同tong步bu是shi指zhi為wei了le保bao證zheng數shu字zi通tong信xin網wang正zheng常chang工gong作zuo，分fen配pei定ding時shi信xin號hao到dao網wang內nei所suo有you節jie點dian

，要yao求qiu網wang內nei所suo有you節jie點dian的de時shi鍾zhong頻pin率lv和he相xiang位wei嚴yan格ge控kong製zhi在zai一yi定ding的de容rong差cha範fan圍wei內nei。

　　數字同步網的結構主要取決於同步網的規模、網絡中的定時分配方式和時鍾的同步方法，而這些又取決於業務網的規模、結構和對同步的要求。同步網一般可分為準同步方式和同步方式2大類。準同步方式常用於國際間鏈路
，各節點獨立設置基準時鍾(如銫原子鍾)，其時鍾基準一般都優於或滿足G.811規定的基準鍾，頻率準確度保持在10-11極窄的頻率容差之內。各國國內的數字通信網則普遍采用同步方式，節點時鍾之間一般采用主從同步方法：將網內節點時鍾分級，各級時鍾具有不同的頻率準確度和穩定度。設置高穩定度和高準確度時鍾(如銫原子鍾或GPS時鍾，其頻率準確度應≤±1×10-11／d)為基準主時鍾(最高級時鍾或一級時鍾)
，網內其他節點時鍾則稱為從時鍾
，用從時鍾鎖相環技術與基準主時鍾(或上一級時鍾)頻率同步，使全網時鍾工作在同一頻率上。

　　我wo國guo的de數shu字zi通tong信xin網wang規gui模mo龐pang大da
，分fen布bu範fan圍wei廣guang
，所suo以yi數shu字zi同tong步bu網wang一yi般ban要yao接jie受shou幾ji個ge基ji準zhun主zhu時shi鍾zhong共gong同tong控kong製zhi。如ru果guo采cai取qu定ding時shi鏈lian路lu來lai傳chuan輸shu定ding時shi信xin號hao

，那na麼me隨sui著zhe數shu字zi傳chuan輸shu距ju離li的de增zeng長chang，傳chuan輸shu損sun傷shang逐zhu漸jian增zeng大da、可靠性逐漸降低。而利用裝配在基準鍾上的GPS接收機跟蹤UTC(世界協調時)
，來實現對基準鍾的不斷調整
，使之與UTC保(bao)持(chi)一(yi)致(zhi)的(de)長(chang)期(qi)頻(pin)率(lv)準(zhun)確(que)度(du)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)各(ge)個(ge)基(ji)準(zhun)鍾(zhong)同(tong)步(bu)運(yun)行(xing)和(he)全(quan)網(wang)高(gao)度(du)同(tong)步(bu)的(de)目(mu)的(de)是(shi)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)的(de)，也(ye)是(shi)方(fang)便(bian)實(shi)用(yong)的(de)。並(bing)且(qie)，在(zai)數(shu)字(zi)同(tong)步(bu)網(wang)中(zhong)采(cai)用(yong)GPS配置基準鍾

，實現方法簡單
，同步時間精度高
，提高了全網性能，成本卻相對低廉，並且便於維護管理，所以GPS時鍾在基準鍾中得到廣泛使用。

　　2 GPS授時的基本原理

　　GPS是NAVSTAR／GPS(Navigation SatelliteTiming and Ranging／Global Positioning System)的簡稱，是由美國國防部研製的導航衛星測距與授時、定位和導航係統，由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成
，這24顆衛星等間隔分布在6個互成60°的軌道麵上
，這樣的衛星配置基本上保證了地球任何位置均能同時觀測到至少4顆GPS衛星。GPS由

　　3部分構成：

　　①GPS衛星(空間部分)；

　　②地麵支撐係統(地麵監控部分)
；

　　③GPS接收機(用戶部分)。

　　GPS向全球範圍內提供定時和定位的功能，全球任何地點的GPS用戶通過低成本的GPS接收機接受衛星發出的信號
，獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。GPS要實時完成定位和授時功能，需要4個參數：經度、緯度、高度和用戶時鍾與GPS主鍾標準時間的時刻偏差，所以需要接受4顆衛星的位置。若用戶已知自己的確切位置
，那麼接受1顆衛星的數據也可以完成定時。

　　若設(x,y,z)為接收機的位置
，(xn，yn，zn)為已知衛星的位置，則列解下列方程就可以得到x,y，z和標準時間T：

　　(X-X1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=C2(T+ΔT-T1-t1)

　　(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=C2(T+ΔT-T2-t2)

　　(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=C2(T+ΔT-T3-t3)

　　(x-x4)2+(Y-y4)2+(z-z4)2=C2(T+ΔT-T4-t4)

　　其中：ΔT為用戶時鍾與GPS主鍾標準時間的時差；

　　Tn為衛星n所發射信號的發射時間
；

　　tn為衛星n上的原子鍾與GPS主鍾標準時間的時差。

　　由於GPScaiyongbeidongdingweiyuanli，suoyixingzaigaowendingdudepinlvbiaozhunshijingmidingweiheshoushideguanjian。gongzuoweixingshangyibancaiyongdeshiseyuanzizhongzuoweipinbiao，qipinlvwendingdudadao(1～2)X10-13／d。GPS衛星上的衛星鍾通過和地麵的GPS主鍾標準時間進行比對
，這樣就可以使衛星鍾與GPS主鍾標準時間之間保持精確同步。GPS衛星發射的幾種不同頻率的信號
，都是來自衛星上同一個基準頻率。GPS接收機對GPS衛星發射的信號進行處理
，經過一套嚴密的誤差校正，使輸出的信號達到很高的長期穩定性。定時精度能夠達到300ns以內。在精確定位服務PPS(Precise Position Service)下，GPS提供的時間信號與UTC之差小於100ns。若采用差分GPS技術
，則與UTC之差能達到幾個納秒。

　　3 GPS時鍾的實現方法

　　常規時鍾頻率產生方法可以是晶體、銣鍾等。但晶體會老化，易受外界環境變化影響，長期的精度漂移影響
；原子鍾長期使用後也會產生偏差，需要定時校準。而GPS係(xi)統(tong)由(you)於(yu)其(qi)工(gong)作(zuo)特(te)性(xing)的(de)需(xu)要(yao)，定(ding)期(qi)對(dui)自(zi)身(shen)時(shi)鍾(zhong)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)，所(suo)以(yi)其(qi)自(zi)身(shen)時(shi)鍾(zhong)係(xi)統(tong)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)，具(ju)有(you)對(dui)外(wai)界(jie)物(wu)理(li)因(yin)素(su)變(bian)化(hua)不(bu)敏(min)感(gan)特(te)性(xing)。晶(jing)體(ti)或(huo)銣(ru)鍾(zhong)以(yi)GPS為長期參考，可以獲得低成本、高性能的基準時鍾。現有同步時鍾的比較如表1所示。

　　在網絡正常工作狀態下，GPS時鍾具有與GPS主鍾相同的頻率準確度
；由於在某些特殊情況下GPS時鍾信號會暫時消失，所以基於GPS的時鍾模塊一般需要另一個外部時鍾作為後備輸入，預留有外接時鍾的時基和頻標信號(如GLONASS、中國雙星
、銣原子鍾等)接口。另外，GPS時鍾其頻率準確度還具有自身保持性能。

　　GPS時鍾頻率模塊提供所需的各種時頻的信號

，並輸出定位時間信息、GPS接收機是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時鍾和頻率處理模塊激活狀態、異常告警等等。圖1是GPS時鍾模塊的原理圖

　　4 現狀與展望

　　根據《中華人民共和國通信行業標準數字同步網工程設計規範》，數字同步網按分布式多個基準時鍾的組網建設，以基準鍾的同步範圍劃分同步區，每個同步區內采用主從同步方法。區域基準鍾(LPR)的主用基準為GPS
，備用基準來自全網基準鍾(PRC)。LPR平時以接收GPS信號為主用信號，以接收PRC信號為備用。GPS不可用時
，LPR同步於PRC。

　　我國現有數字同步網的網絡結構如圖2所示。

　　由於GPS全球衛星定位係統歸美國政府所有，受控於美國國防部
，對世界各地的用戶未有任何政府承諾，而且用戶隻支付了GPS接收機的費用，並未支付GPS係統的使用費用
，因此這種方法自主性差，也帶來一些不穩定因素
，例如故意降低GPS精度；關閉GPS在某個地區的發送信號
；增加隨機擾碼

；周圍環境對GPS無線信號的幹擾等。

　　可以充分利用但不能完全依靠，因此還需要有由銫鍾組成的基準鍾PRC，以他作為全網同步的根本保證。還有GPS在某些特殊情況下信號暫時消失
，或者GPS不正常工作
，這些可以通過監控GPS數據來發覺
，這些情況如果不做處理帶來的結果是基準鍾將降質為二級時鍾，所以此時要控製區域基準鍾(LPR)改為同步於全網基準鍾(PRC)

，同步質量就可以保證。

　　目前有GPS、CLONASS、北鬥雙星導航衛星係統CNSS
、歐洲GALILEO等多元化定位資源環境
，可以打破了獨家壟斷，促使資源更加開放。

　　可以利用市場上現在有的GPS／GLONASS雙模接收機
、GPS／北鬥雙模終端進行時鍾同步
，則可在很大程度上保證同步質量
，還可以提高同步精度。例如GPS／GLONASS雙模接收機輸出時間信號1PPS的準確度如表2所示。

　　由此可見
，使用GLONASS授時精度不會降低；在GPS／GLONASS模式下
，其授時精度還可以獲得進一步改善。