GPS时钟在铁路的应用

GPS时钟在铁路的应用

前言

中国解放以后,铁路运输在交通运输上方面一直占据着相当大的比例。所以每当一个城市有铁路经过,对于这座城市的发展是有很大作用的。

为什么国家要让上海修地铁，修过江隧道，为什么要对苏南进行铁路过度投资，苏南人均铁路可能超过苏北人均10倍。都是为了让部分地区先富起来的政策，如果没有虹桥机场的便利，没有京沪铁路，昆山会起来吗，有人说温州没有铁路不也富，可是他们不知道温州有港口，到周边的铁路也便捷，又有人说中原的交通枢纽郑州并不很富，但是他相对于他周边的落后城市，他已经是很富裕的了。

铁路时间同步网由地面时间同步网和移动列车内时间同步网两部分组成。其中地面时间同步网按三级结构组成，一级时间同步节点设置在铁道部调度中心，二级时间同步节点设置在各铁路局调度所、客专调度所，三级时间同步节点设置在站、段、所。移动列车时间同步节点设置在列车内。

PTP同步时钟广泛应用在数字化变电站，电信机房，航空航天，2.5G/3G/4G基站，无线应急通信，CMMB基站，数字电视数字广播，轨道交通，金融交易等需要高精度时钟服务的场所，该产品的技术指标已经达到国际先进水平。

PTP同步时钟主要应用于相对本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定，其优点是标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比，主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少。NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议。GPS(基于卫星的全球定位系统)也是针对于分散广泛且各自独立的系统。PTP定义的网络结构可以使自身达到很高的精度，与SNTP和NTP相反，时间戳更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得PTP可以达到微秒以内的精度。此外，PTP同步时钟的设计也使它很容易适应低端设备。

伴随着网络技术的不断增加和发展，尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛，计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题，以减少采用其它技术，例如IRIG-B等带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的网络时间协议（NTP），来提高各网络设备之间的定时同步能力。

1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决这个问题，同时还要满足其它方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过，作为IEEE1588标准。该标准定义的就是PTP协议（Precision Time Protocol）。

NTP是用来使计算机时间同步化 的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。  NTP时间服务器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NTP时间服务器产品它从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。NTP时间服务器采用SMT表面贴装技术生产大规模集成电路设计以高速芯片进行控制具有精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单等特点全自动智能化运行免操作维护适合无人值守且广泛应用于电力、金融、通信、交通、广电、石化、冶金、国防、教育、IT、公共服务设施等各个领域。

NTP协议全称网络时间协议（Network Time Protocol）。它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度。 以通信道为媒介同步授时，如计算机网络、电话网络。这种授时方式需要占用信道时间，对信道的可靠性要求高，而且由于时间信号通过信道传送到不同终端的延时不同，只能满足中等精度时间用户的要求。

NTP同时同步指的是通过网络的NTP协议与时间源进行时间校准。前提条件，时间源输出必须通过网络接口，数据输出格式必须符合NTP协议。

局域网内所有的PC、服务器和其他设备通过网络与时间服务器保持同步，NTP协议自动判断网络延时，并给得到的数据进行时间补偿。从而使局域网设备时间保持统一精准。

设备运行状况：

当前铁路运输系统之间设备均保持相互独立，彼此之间是不能进入的，这就给 系统之间时钟的统一带来了困难。运输调度管理系统设备虽然都号称依靠GPS卫星授时，但彼此之间时间相差很大，还有一些监控装置的时钟，自身系统时钟的管理方式也不尽完善。

机车上列车运行监控记录装置的时间是通过母钟对其进行授时的，母钟通过GPS授时，再对机车监控装置进行授时，但每台机车监控装置时间相差很大，各系统相互独立，授时设备的不稳定，接收系统安装的不可靠，时间管理制度的不完善是造成目前铁路运输系统时间混乱的主要因素。

Gps时钟是西安同步电子科技有限公司集合多年在时频领域的研究和开发经验，因应广大客户对时间统一系统要求，从保障安全的角度考虑，利用当前先进的电路集成、软件编程技术，结合中国北斗卫星的技术特点，实现了输入北斗卫星信号，输出（TTL、IRIG-B、差分、串口、网络等）、多设备适用(网络摄像机、NVR、服务器、储存器、电脑、控制机等)，为轨道交通、气象电力、金融、航道水运及相关领域提供了高精度、高稳定、高安全，高可靠的标准时钟源。设备内嵌国际通用的NTP/SNTP协议，同步网络中的所有计算机服务器、控制器等设备，实现网络校时, 是为网络设备提供精确、标准、安全、可靠的时钟同步服务的最佳选择。

为了提高铁路运能，保证各运输系统设备、各监控装置、各调度站的时间统一性，必须实现铁路运输系统的时间统一。为此特制定出以下方案，仅供参考：

产品概述

     SYN4505型标准同步时钟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。

产品功能

1. 外参考输入信号包括一路卫星信号，两路IRIG-B(DC)信号；
2. 卫星选择功能：具有六种选择，分别为GPS北斗混合授时，GPS&GLONASS混合授时，北斗GLONASS混合授时，单GPS授时，单北斗授时，单GLONASS授时，满足客户对卫星信号的各种授时需求；
3. 工作模式：包括自动模式，手动模式，守时模式等三种模式，其中自动模式表示优先选择卫星信号，然后选择IRIG-B信号；手动模式表示由用户手动选择外部参考；守时模式表示不接收外部参考，使用设备内部振荡器进行守时；
4. 系统设置功能：用户通过按键对波特率、时区，延迟等进行设置；
5. 输出IRIG-B交直流信号，输出5路RS232C串口，输出5路1PPS，5路1PPM；
6. 1路NTP网络授时功能；
7. 干接点报警功能：具有5个报警功能，分别为故障报警，卫星报警，IRIG-B(1)报警，IRIG-B(2)报警，失步报警；

自动保存各种配置状态，完全满足各种客户需求。

前面板

前面板由液晶显示屏，按键，指示灯等组成（不包括盲板）；

液晶对时间信息，工作状态信息等进行显示，并与6个按键进行配合操作，完成对设备的配置，指示灯分别对设备的工作状态信息进行显示，前面板（左部）指示灯共6个，分别为 “同步”、“故障”、“1PPS” 、“卫星”、“IRIG-B(1)” 、“IRIG-B(2)”，示意如下：

“同步”表示时间是否同步，灯亮表示同步，否则表示失步；

“故障”表示系统是否出现故障，灯亮表示无故障，否则表示设备出现故障；

“1PPS”表示秒脉冲信号，1秒闪烁一次表示同步，否则表示秒脉冲输出异常；

“卫星”表示卫星时间是否有效，灯亮表示卫星时间有效，否则表示卫星时间无效；

“IRIG-B(1)”表示外部输入的IRIG-B(1)是否有效，灯亮表示有效，否则表示无效；

“IRIG-B(2)”表示外部输入的IRIG-B(2)是否有效，灯亮表示有效，否则表示无效；

为了便于传递，可用标准正弦波载频进行幅度调制。标准正弦波载频的频率与码元速率严格相关。B码的标准正弦波载频频率为1KHz。同时，其正交过零点与所调制格式码元的前沿相符合，标准的调制比为10比3。调制后的B码通常称IRIG-B（AC）码，未经幅度调制的通常称IRIG-B（DC）码。

液晶在无人操作的情况下，经过三分钟亮度变暗，再经过3分钟熄灭，当需要查看设备信息时，可随意按下某一个按键即可唤醒液晶，随后可进行查看及操作。

通电前准备

1. 1. 将仪器从包装箱中取出，平放于操作台或机柜。
   2. 检查供电电源，应符合额定要求、相关规范和本说明3.3条的规定。
   3. 将天线架设于楼顶等开阔地带。
   4. 检查本机后面板电源开关应处于断开位置，确认后接入供电电源；
   5. 在断电（关机）的情况下，接入天线、IRIG—B输入信号和输出信号连接线等；
   6. 在断电（关机）的情况下，将电源线与本机电源输入紧密连接，打开本机的电源开关，用万用表测量电源插头火线与零线之间的静态电阻，不短路和断路即为正常。再用万用表测量电源插头的火线与地线之间、零线与地线之间的静态电阻，断路状态即为正常。关闭本机的电源开关。
2. 开机后液晶屏信息显示

本机电源接通开机后，进入工作运行状态，前面板液晶显示器首先给出下述显示，如下图：

默认的参考源为（GPS&BD），工作状态为失步状态（失步），并进行自走时显示时间，如下图：

客户使用常见问题和解决办法汇总

仪器的服务器配置全部都改了，对不上时间。

答：通过网线连接仪器和电脑，把电脑配置和仪器一个网段里面，浏览器输入仪器的IP，就进入网络配置，只可以按需更改IP地址，设置配置密码。配置我司仪器和配置电脑本地IP和仪器在同一网段的视频教程，见光盘视频：01_时间服务器的所有相关配置。

2.客户收到货后，有的电脑可以网络NTP对时，有的电脑不能网络NTP对时。

答：有的电脑配置过NTP服务器或者关闭了NTP服务，就会导致无法对时，需要开启NTP服务或者配置NTP客户端。没有开启NTP客户端的电脑也没有办法通过Internet网络对时，在有网络的条件下可以通过是否能够从Internet网络对时来测试该电脑是否已正确配置为NTP客户端。如何测试Internet网络对时的视频教程见光盘如下：02_如何测试Internet网络对时。电脑配置正确的NTP客户端的视频教程见光盘如下：

03_winxp   系统下如何配置NTP客户端

04_win2003系统下如何配置NTP客户端

05_win2008系统下如何配置NTP客户端

06_win7    系统下如何配置NTP客户端

07_win10   系统下如何配置NTP客户端

3.仪器通过串口线连接台式电脑可以进行对时，通过客户自己购买的USB转串口线不能给笔记本对时。

    答：可能有3个原因造成，1.usb转串口线模块会生成一个com口，要选择正确的com口，才能对时。2.是客户自行购买的usb转串口模块驱动没有装好，需要从购买的usb转串口模块带的光盘装好驱动。3.usb转串口线质量参差不齐，质量差的模块容易导致数据传输错误，建议购买质量较好的模块。

4.为了布线方便，客户剪断了天线，然后自行连接进行布线布局。导致无法对时。

答：所有的天线都是标配，不得随意截断或随意叠加链接，否则无法收到星。客户购买仪器设备前需要正确丈量需要的天线长度，然后告诉我司实际要的长度，我们会提供合适的天线长度，放大器以供所需。

天线安装

GPS卫星时钟装置天线安装时，先将天线头安装在天线支架上，再将天线支架用膨胀螺栓固定在建筑物顶端，根据安装条件需要时可以使用弯角支架(备选件)。天线头要安装在室外，安装位置应视野开阔，尽可能安装在屋顶，原则上是顺着天线头往上看能够看到360°的天空。然后从上到下布置天线的电缆线。天线电缆铺设转弯半径不易过小，穿孔时注意包好接头。天线电缆长度是根据天线增益严格设计，不得剪断、延长、缩短或加装接头，否则将严重影响接收效果甚至收不到信号。

 GPS卫星时钟装置天线应尽量避开山坡、树林、高层建筑物、铁塔、高压输电线等对天线波束的阻挡。天线主波束方向上应有足够的视界，天线正前方应有尽可能宽的视角。一般要求以天线基点为参考，对障碍物最高点所成的夹角小于10度。

 GPS卫星时钟装置天线的架设位置应避开风口，以减小天线的风载。在多雷雨地区，天线的架设位置应避开雷击多发地点，天线头应放在电厂/变电站避雷针避雷范围内。

GPS时间服务器主要特点如下：

1. 模块化结构，NTP/SNTP端口数量可灵活配置，最多可多达70路物理隔离的网口可供用户使用，
2. GPS天线可选择，蘑菇头天线和吸盘式天线，蘑菇头天线可放至室外，30米，50米，80米，100米，150米，200米长度可供用户选择，吸盘式天线主要放在窗户旁边，安装比较方便，另外授时天线分2大种，1、GPS授时天线，2、GPS北斗双模授时天线，如果是北斗双模设备的话 授时天线可架设GPS北斗双模授时天线，无需架设2条天线，为整个工程省下不少的人力，物力，财力。
3. 容量大，GPS时间服务器可同时给数万台终端提供准确时间。
4. 有多种配置方法，有软件配置和电脑配置可供用户选择。
5. 设备专用嵌入式系统，无硬盘和风扇设计，运行稳定可靠。
6. 设备的液晶显示内容及其丰富，如：收星状态，年月日时分秒，时间是否有效等等，收星状态是对时间信息准确的一种保障。设备科输出1路秒脉冲信号，方便第三方测试设备的准确度。
7. GPS时间服务器的机箱为进口铝板铬酸钝化、拉细丝哑银，经过钝化处理的铝板， 铝板铬酸钝化使其表面形成了一层致密的钝化膜可以达到抗腐蚀的目的，现有黑色机箱和银白色机箱可供用户选择。
8. 采用SMT表面贴装技术生产，以高速芯片进行控制，无硬盘和风扇设计，精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单、全自动智能化运行，免操作维护，适合无人值守。
9. 质量保证期自设备交货验收之日起。在产品质量保证期内，出现因产品自身质量造成的故障情况，采取整机返修、寄送配件、提供备用产品等方式，提供全面免费保修服务。
10. GPS时间服务器经过中国计量科学研究院、中国测试技术研究院、中国航天科技集团公司第五研究院第五0四研究所航天校准实验室、上海计量科学研究院、陕西省计量科学研究院检定/校准，100%合格率。

GPS同步时钟在时频领域的应用

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。

总结

有着多年专业生产gps时钟装置经验，产品性能卓越！设计合理！我们能做超出您想象的时钟产品及服务态度，西安同步电子科技有限公司愿和您一起见证奇迹。

铁路通信网是铁路部门传递信息、指挥列车运行、组织运输生产及进行公务联络的专用网。近年来，铁路通信为用户提供的服务类型及容量得到快速发展，已由为用户提供单一的语音业务向为用户提供多种数据通信、图像等多媒体综合业务的重大转变，建立时钟同步网作为铁路通信网的支撑，也是刻不容缓的一项重要事项