GPS北斗卫星授时系统在企业局域网中的应用

   北斗卫星授时系统、gps授时系统、授时系统、高精度地基授时系统在企业局域网的应用越来越普遍，北斗卫星授时系统、gps授时系统、授时系统、高精度地基授时系统是时间统一性是企业局域网是数字通信网正常运行的基础，也是保障各种业务网运行质量的重要手段。北斗卫星授时系统、gps授时系统、授时系统、高精度地基授时系统与电信管理网、信令网一起并列为电信网的3大支撑网，在电信网中具有举足轻重的地位。

1　企业局域网的基本原理和结构

　　对于任何通信设备，都需要时钟为其提供工作频率，所以时钟性能是影响设备性能的一个重要方面。时钟常被称为设备的心脏。时钟工作时的性能主要由2个方面决定：自身性能和外同步信号的质量。而外同步信号的质量就是由企业局域网来保证的。当设备组成系统和网络后，企业局域网必须为系统和网络提供精确的定时，以保障其正常运行。网内各节点时钟的精度影响一个数字通信网工作是否正常。

　 企业局域网是一个由节点时钟设备和定时链路组成的实体网，他通过网同步技术为各种业务网的所有网元分配定时信号（频率或者时间信号），以实现各种业务网的同步。网同步是指为了保证数字通信网正常工作，分配定时信号到网内所有节点，要求网内所有节点的时钟频率和相位严格控制在一定的容差范围内。

　　企业局域网的结构主要取决于同步网的规模、网络中的定时分配方式和时钟的同步方法，而这些又取决于业务网的规模、结构和对同步的要求。同步网一般可分为准同步方式和同步方式2大类。准同步方式常用于国际间链路，各节点独立设置基准时钟（如铯原子钟），其时钟基准一般都优于或满足G．811规定的基准钟，频率准确度保持在10－11极窄的频率容差之内。各国国内的数字通信网则普遍采用同步方式，节点时钟之间一般采用主从同步方法：将网内节点时钟分级，各级时钟具有不同的频率准确度和稳定度。设置高稳定度和高准确度时钟（如铯原子钟或GPS北斗卫星授时系统时钟，其频率准确度应≤±1×10－11／d）为基准主时钟（时钟或一级时钟），网内其他节点时钟则称为从时钟，用从时钟锁相环技术与基准主时钟（或上一级时钟）频率同步，使全网时钟工作在同一频率上

　　我国的数字通信网规模庞大，分布范围广，所以企业局域网一般要接受几个基准主时钟共同控制。如果采取定时链路来传输定时信号，那么随着数字传输距离的增长，传输损伤逐渐增大、可靠性逐渐降低。而利用装配在基准钟上的GPS北斗卫星授时系统接收机跟踪UTC（世界协调时），来实现对基准钟的不断调整，使之与UTC保持一致的长期频率准确度，从而达到各个基准钟同步实用的。并且，在企业局域网中采用GPS北斗卫星授时系统配置基准钟，实现方法简单，同步时间精度高，提高了全网性能，成本却相对低廉，并且便于维护管理，所以GPS北斗卫星授时系统时钟在基准钟中得到广泛使用。

2　GPS北斗卫星授时系统授时的基本原理

　　GPS北斗卫星授时系统是NAVSTAR／GPS北斗卫星授时系统（Navigation SatelliteTiming and Ranging／Global Positioning System）的简称，是由美国研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由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，这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS北斗卫星授时系统卫星。GPS北斗卫星授时系统由3部分构成：

　　①GPS北斗卫星授时系统卫星（空间部分）；

　　②地面支撑系统（地面监控部分）；

　　③GPS北斗卫星授时系统接收机（用户部分）。

　　GPS北斗卫星授时系统向范围内提供定时和定位的功能，任何地点的GPS北斗卫星授时系统用户通过低成本的GPS北斗卫星授时系统接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。GPS北斗卫星授时系统要实时完成定位和授时功能，需要4个参数：经度、纬度、高度和用户时钟与GPS北斗卫星授时系统主钟标准时间的时刻偏差，所以需要接受4颗卫星的位置。若用户已知自己的确切位置，那么接受1颗卫星的数据也可以完成定时。

　　若设（x，y，z）为接收机的位置，（xn，yn，zn）为已知卫星的位置，则列解下列方程就可以得到x，y，z和标准时间T：

其中：ΔT为用户时钟与GPS北斗卫星授时系统主钟标准时间的时差；Tn为卫星n所发射信号的发射时间；

　　τn为卫星n上的原子钟与GPS北斗卫星授时系统主钟标准时间的时差。

　由于GPS北斗卫星授时系统采用被动定位原理，所以星载高稳定度的频率标准是精密定位和授时的关键。工作卫星上一般采用的是铯原子钟作为频标，其频率稳定度达到（1～2）×10－13／d。GPS北斗卫星授时系统卫星上的卫星钟通过和地面的GPS北斗卫星授时系统主钟标准时间进行比对，这样就可以使卫星钟与GPS北斗卫星授时系统主钟标准时间之间保持精确同步。GPS北斗卫星授时系统卫星发射的几种不同频率的信号，都是来自卫星上同一个基准频率。GPS北斗卫星授时系统接收机对GPS北斗卫星授时系统卫星发射的信号进行处理，经过一套严密的误差校正，使输出的信号达到很高的长期稳定性。定时精度能够达到300 ns以内。在精确定位服务PPS（Precise Position Service）下，GPS北斗卫星授时系统提供的时间信号与UTC之差小于100 ns。若采用差分GPS北斗卫星授时系统技术，则与UTC之差能达到几个纳秒。

3　GPS北斗卫星授时系统时钟的实现方法

　　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北斗卫星授时系统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北斗卫星授时系统为长期参考，可以获得低成本、高性能的基准时钟。现有同步时钟的比较如表1所示。

　　在网络正常工作状态下，GPS北斗卫星授时系统时钟具有与GPS北斗卫星授时系统主钟相同的频率准确度；由于在某些特殊情况下GPS北斗卫星授时系统时钟信号会暂时消失，所以基于GPS北斗卫星授时系统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北斗卫星授时系统时钟其频率准确度还具有自身保持性能。

GPS北斗卫星授时系统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北斗卫星授时系统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。图1是GPS北斗卫星授时系统时钟模块的原理图。

4　GPS北斗卫星授时系统时钟现状与展望

　　根据《中华人民共和国通信行业标准企业局域网工程设计规范》，企业局域网按分布式多个基准时钟的组网建设，以基准钟的同步范围划分同步区，每个同步区内采用主从同步方法。区域基准钟（LPR）的主用基准为GPS北斗卫星授时系统，备用基准来自全网基准钟（PRC）。LPR平时以接收GPS北斗卫星授时系统信号为主用信号，以接收PRC信号为备用。GPS北斗卫星授时系统不可用时，LPR同步于PRC。

　　于GPS北斗卫星授时系统卫星定位系统归美国政府所有，受控于美国，对世界各地的用户未有任何政府承诺，而且用户只支付了GPS北斗卫星授时系统接收机的费用，并未支付GPS北斗卫星授时系统系统的使用费用，因此这种方法自主性差，也带来一些不稳定因素，例如故意降低GPS北斗卫星授时系统精度；关闭GPS北斗卫星授时系统在某个地区的发送信号；增加随机扰码；周围环境对GPS北斗卫星授时系统无线信号的干扰等。

　　可以充分利用但不能*依靠，因此还需要有由铯钟组成的基准钟PRC，以他作为全网同步的根本保证。还有GPS北斗卫星授时系统在某些特殊情况下信号暂时消失，或者GPS北斗卫星授时系统不正常工作，这些可以通过监控GPS北斗卫星授时系统数据来发觉，这些情况如果不做处理带来的结果是基准钟将降质为二级时钟，所以此时要控制区域基准钟（LPR）改为同步于全网基准钟（PRC），同步质量就可以保证。

目有GPS北斗卫星授时系统、CLONASS、北斗双星导航卫星系统CNSS、欧洲GALILEO等多元化定位资源环境，可以打破了垄断，促使资源更加开放。

　　可以利用市场上现在有的GPS北斗卫星授时系统／GLONASS双模接收机、GPS北斗卫星授时系统／北斗双模终端进行时钟同步，则可在很大程度上保证同步质量，还可以提高同步精度。例如GPS北斗卫星授时系统／GLONASS双模接收机输出时间信号1PPS的准确度如表2所示。

　　由此可见，使用GLONASS授时精度不会降低；在GPS北斗卫星授时系统／GLONASS模式下，其授时精度还可以获得进一步改善。

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