浅谈构建目标系统的时间同步技术平台

2011-04-17王妙婷

科技传播 2011年8期

关键词：接收机时钟终端

王妙婷

陕西财经职业技术学院财政税务系，陕西咸阳 712000

1 时间同步的概念

时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）的同步。

2 系统时间同步平台方案设计

对于目标系统，改进时间同步的性能需要一个待改进的方案平台。对于该平台的时间同步技术的选取，当然，首先要有较高的精度，这样可以减少性能改进工作的难度及成功率；另外，该技术必须要具备达到系统指标的潜力；其次，该技术同时得符合目标系统的工作环境（由TCP网连接、便携等）要求，既可用性。下面对目前常用的几种时间同步技术进行介绍。

2.1 若干时间同步技术介绍

目前有若干种时间同步技术，每一种技术都各有特色，不同技术的时间同步准确度也有较大差异。下面对3种常用的时间同步技术，互联网时间同步技术、无线电波授时技术以及GPS授时技术，做较详细地介绍。

2.1.1 互联网时间同步技术

通过网络进行时间比对是解决测试网时间同步问题最直接、最简单的方法，只需为用户提供通用的授时软件，并且提供与时间服务器的链接，用户端就能定时通过授时软件访问这些时间服务器从而保证时间同步，精度可以达到ms级。

网络时间同步采用NTP协议，既可连接上Internet与世界上标准的时间服务器进行时间同步校准，也可以与局域网上的时间服务器进行校准。它不需要具有时间接收模块测试仪器，减少了硬件上的开销，但要求能够执行NTP协议。

由于网络存在延迟不准确，无法依靠从时间服务器到客户机的单边传输来传递精确的时间信息，因此在NTP协议中使用时间服务器和客户机之间的双向信息交换和时间戳的概念，如图1所示，图中

T1为终端A方发送查询请求时间（以终端A方时间系统为参照）；

T2为服务器B收到查询请求时间（以服务器B时间系统为参照）；

T3为服务器B回复时间信息包时间（以服务器B时间系统为参照）；

T4为终端A方收到时间信息包时间（以终端A时间系统为参照）；

σ1为请求信息在网上传播所消耗的时间；

σ2为回复信息在网上传播所消耗的时间。

如终端A在某时获得T1、T2、T3、T4，设θ为终端A与服务器B之间的时差，则有：

假设请求和回复在网上传播的时间相同，即σ1=σ2，可得：

图1 NTP时间同步原理示意图

据此，终端A即可通过T1、T2、T3、T4计算出时差θ去调整本地时标，使其同步于服务器B的时标。

同时，由上述可知，影响NTP 协议精确度最关键在于“σ1=σ2”假设的准确度，通常采取统计的方法来减少其对结果的影响。

评价：互联网时间同步技术实现方便，简单，不受地域限制（只需能连接到互联网上），但由于互联网数据传输的不确定性（网络拥塞、延时等等），其同步性能较差，限制了其在同步性能要求高的场合下应用。

2.1.2 无线电波授时技术

用无线电波传播时间信息，即利用无线电波来传递时间标准，然后由授时型接收机恢复时间信号与本地时钟进行比对，扣除它在传播路径上的延时及各种误差因素的影响，实现时间的同步。通过无线电波进行时间比对是一种传统的时间同步方法。由于不用网络传输时间信号，可以免受网络拥塞、延时等影响，精度较高，长波为ms级、短波为μs级、超短波可达10ns级，它需要有无线接收模块。

评价：无线电波授时技术已有至少80年的历史，其覆盖范围广，接收和发送设备相对简单，价格相对低廉，与互联网授时技术相比，该技术最大的优点是可以实时地校准本地时钟。但其应用受到发射台的地域限制，且目前不适合民用。

2.1.3 GPS授时技术

GPS是全球定位系统（Global Positioning System）英文全称的缩写。是美国海军天文台建立的一套高精度导航卫星全球定位系统。

GPS由3部分构成：

1）GPS卫星（空间部分）

GPS系统的空间部分由24颗卫星（21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星）组成。这24颗卫星等间隔分布在6个互成60°的轨道面上，在地球上任何一处任何时刻都能观测到4颗以上的卫星，保证了随时随地进行测量的需求。见图2所示。

图2 GPS卫星空间分布示意图

2）地面支撑系统（地面监控部分）

地基监控站由一个主控站和四个监察遥控站组成。主控站设置在美国大陆，4个监控站分别设在大西洋、太平洋和印度洋诸岛屿上。

3）GPS接收机（用户部分）

GPS接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS 卫星所发送的导航电文,进而实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

GPS向全球范围内提供定时和定位的功能。用户只需购买GPS 接收机，就可享受免费的导航、授时和定位服务。

GPS授时是GPS应用的一个重要方面，当前，GPS时钟已成为世界上传播范围最广、精度最高的时间发布系统之一。它实际上也是通过无线电波来进行时间的比对。每个卫星上都安装有精度极高的原子钟，并不断地采用L波段两种频率的无线电波（1575.42MHz和1227.6MHz）作为载波向用户发射导航定位信号，同时接收地面发送的导航电文以及调度命令。

GPS是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此接收机的数量是不受限制的，而且用户是非常隐蔽的。但GPS系统缺陷是受美国军方控制，故其安全性没有保障。

2.2 系统同步方案建立

通过以上多个时间同步技术的介绍，不难发现，无论是精度方面或者可用性方面，以GPS授时技术为主的同步方案更接近及适应目标系统的工作指标及工作环境要求。对于系统的时钟配置，主控端配置原子钟，通过TCP高带宽网络（假设带宽任何情况下足够）为各终端的提供高精准的时钟频率比对，以及时校准各终端所配置的时钟源，既通常所说的主从同步模式。

另外对于系统的时间的同步，各终端通过GPS接收机获得时标信号，以此信号校准终端时钟时标，使其同步与UTC（Universal Coordinated Time）时间同步。