卫星授时服务器的卫星授时服务器设备的特点

一、GPS信息与信息时代

信息时代的特点：一是信息量急剧增加（如需海量存储器）；二是信息传输的数字化（如数字通信的发展）；三是信息享用的全球化（如互联网的普及）；四是信息技术应用的集成化（如ITS---智能交通系统）。

信息的主要来源:

除互联网、电视网、移动通信网外，还有很重要的卫星信息源（如导航卫星能给出最重要的位置和时间信息；遥感卫星能给出各类地球表面的遥感数据）。

GPS信息的特点：

（1）全球覆盖、全天侯、昼夜全连续地工作；（2）单向广播体制，GPS接收机不发射信号，电磁兼容性能好，可有无限多的用户。但无通信功能；（3）可实时地为地面、海上和高空的各种动态和静态用户提供高精度的七维信息（三维位置、三维速度、和精密时间）。

GPS信息的应用领域:

大致可分为三类：（1）动态的导航定位，包括陆上各类车辆、水上各种舰船以及空中各类飞机和飞行器的导航定位；（2）静态的测绘定位，广泛用於地图的测绘、矿藏的勘探、铁路、公路、隧道的建设等；（3）精密的定时和时间同步，在国际时间协调、时频计量传递、数字通信、网络技术等领域十分有用。

二、GPS时间同步的原理与技术

1、有关时间的一些基本概念：

（1）、时间（周期）与频率：

互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，所以有人把晶体振荡器叫‘时基振荡器’。钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。

（2）、四种实用的时间频率标准源（简称钟）：

①晶体钟

②铷原子钟

③氢原子钟

④铯原子钟

（3）、常用的时间坐标系：

   时间的概念包含时刻（点）和时间间隔（段）。时系（时间坐标系）是由时间起点和时间尺度单位--秒定义（又分地球秒与原子秒）所构成。常用的时间坐标系：

① 世界时（UT）

②地方时

③原子时（AT）

④协调世界时（UTC）

⑤GPS时

（4）、定时、时间同步与守时：

①定时：是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程）；授时（指采用适当的手段发播标准时间的过程）；

②时间同步：是指在母钟与子钟之间时间一致的过程，又称时间统一或简称时统）；

③守时：是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程，国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组钟长期运行性能表现最好的一台被定主钟（MC）。

2、GPS时间是怎样建立的？

为了得到精密的GPS时间，使它的准确度达到<100ns（相对于UTC（USNO/MC））：

①每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；

②GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；

③采用UTC（USNO/MC）为参考基准。

3、GPS定位、定时和校频的原理

（1）、GPS定位原理：是基于精确测定GPS信号的传输时延（Δt），以得到GPS卫星到用户间的距离（R）R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C为光速）同时捕获4颗GPS卫星，解算4个联立方程，可给出用户实时时刻（t）和对应的位置参数（x、y、z）共4个参数。R={（Xs-Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs为卫星的位置参数；Xu、Yu、Zu为用户的的位置参数）

（2）、GPS定时原理：

基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延（Δt），以达到对本地钟的定时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，主要误差有：

①信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；

②信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；

③接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。

（3）、GPS校频原理：

根据频率和周期互为倒数的关系，可采用比时法（测时间间隔）的方法（以GPS的秒信号为参考）来测量本地钟的频率准确度（Δf/f），以达到校频的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地钟与GPS时的时差值）。

　4、进一步提高定时准确度的几种途径：

①采用GPS双频、相位测量技术；

②选用更高精度的GPS时间传递接收机；

③采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。

三、GPS在时频领域的应用

1、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：

①中国科学院陕西天文台（CSAO）；

②国家计量研究院（NIM）；

③航天无线电计量测试研究所（BIRM）

2、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：

①一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；

②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；

③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。

3、GPS时间同步技术在电信、电力和铁路领域的应用：

①我国的通信网已基本上实现了数字化，为了保证整个电信网络的正常运行、提高网络服务质量和增强网络功能，通信网必须采用高精度的时间同步技术。目前，我国的通信网采用的是4级时钟（铯原子钟、铷原子钟、高稳晶体钟和普通晶体钟）分级时间同步的方法。随着电信技术的发展，通信网时间同步精度的要求越来越高。这种分级时间同步的方法已不能满足要求。因此，我国的通信网迫切需要采用GPS时间同步技术。GPS时间同步技术的优点：精度高、可靠性好、成本较低。

②GPS时间同步技术在电力供电系统、铁路运输系统也有广阔的应用前景。

四、结语:

从以上的论述可以看出：GPS卫星信号是一种十分重要的全世界可共享的信息源，GPS信息可以提供精确的定位、定时和校频，GPS时间同步技术在国际时间频率的协调、新型时频计量传递系统建立、数字通信系统、电力和供电系统、铁路运输系统以及许多其他领域都有广阔的应用前景。

GPS授时服务器是一款支持NTP和SNTP网络时间同步协议

授时系统框架图

，高精度、大容量、高品质的高科技时钟产品。设备采用冗余架构设计，高精度时钟直接来源于北斗、GPS系统中各个卫星的原子钟，通过信号解析驯服本地时钟源，实现卫星信号丢失后本地时钟精准保持功能。独特的嵌入式硬件设计、高效Linux操作系统，可灵活扩展多种时钟信号输出。全面支持最新NTP对时协议、MD5安全加密协议及证书加密协议，时间精度优于2毫秒。同时支持TOD、10MHz、 1PPS、日志记录、USB端口升级下载和干接点告警功能，配合全网时间统一监控软件，轻松实现网络时间同步及有效监控。

京准电子科技HR-901GB型GPS授时服务器可以广泛应用于医疗、安防、金融保险、移动通信、 云计算、电子商务、能源电力、石油石化、工业自动化、智能交通、智慧城市、物联网等领域。

系统结构

京准电子科技HR-901GB型GPS授时服务器创新性的融合了参考源无缝切换技术、高精度时间间隔测量TIC技术和自适应精密频率测控技术。采用模块化设计，由北斗接收机、GPS接收机、高性能工业级主板、人机界面及监控管理单元、本地时钟驯服单元、输出接口模块和电源模块组成。

京准电子科技HR-901GB型GPS授时服务器核心由64位高性能CPU、高速FPGA及高稳振荡器（铷原子钟或OCXO)构成，采用Linux进行多任务实时并行处理及调度。

系统可同时接收北斗、GPS发送的秒同步和时间信息及满足NTP/SNTP协议的网络时间报文，按优先级自动选择外部时间基准信号作为同步源并将其引控 到锁定状态（LOCKED).具有输入传输延时补偿算法，采用卡尔曼数字滤波技术滤除外部时间基准信号的抖动后，对铷原子钟或OCXO进行控制和驯服， 由内部振荡器分频得到1PPS信号，这样输出的1PPS信号同步于外部时间基准 输出的1PPS信号的长期稳定值，克服了由外部时间基准的秒脉冲信号跳变所 带来的影响，使输出的时间信号不但与外部时间基准信号保持同步而且更加稳定。当失去外部时间基准信号后，进入守时保持状态（HOLD-OVER),当外部 时间基准信号恢复时，自动结束守时保持状态并牵引跟踪到锁定状态。从而不间断的输出与UTC保持同步的时间信息。

重要特点

+ 超高带宽NTP服务器

+ GPS/北斗双参考源一级时钟服务器

+ 高性能工业级主板、嵌入式Linux操作系统

+ 提供六路独立10/100/1000Mbs网络接口

+ 可连接另一台NTP服务器，构成2级时钟

+ 可选内部精密时钟OCXO或铷原子钟

+ 安全高效的Web的用户界面

+ 支持SSH,SSL,SCP,SNMP,CustomMIB,HTTPS,Telnet等更多协议

+ 兼容IPv6和IPv4协议

+ 相对UTC时间准确度达到毫微秒级

+ 支持IBM主机需要的SysPlex时间信息输出

+ 支持固定位置模式下单星授时功能

+ VFD高清真空荧光显示屏

+ 可靠性MTBF达80000小时

+ 支持4000条日志记录功能

+ 支持远程唤醒和定时开关

+ 支持MD5加密协议

+ 支持证书加密协议

+ 支持干接点告警功能

北斗授时系统组成

空间部分包括两颗地球同步轨道卫星(GEO) 组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。用户终端分为定位通信终端、集团用户管理站终端、差分终端、校时终端等。与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时,地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。

与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD有自己的优点。如投资少，组建快具有通信功能捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距,如用户隐蔽性差无测高和测速功能用户数量受限制用户的设备体积大、重量重、能耗大等。

北斗卫星导航系统”是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。

空间段由5颗地球静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75度、80度、 110. 5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步轨道(IGSO)卫星组成。其中，ME0卫星轨道高度21500千米，位于3个轨道面上，轨道倾角55度IGSO卫星轨道高度36000千米，位于3个轨道面上，轨道倾角55度。卫星均采用长征系列运载火箭发射。

地面段由主控站、注入站和若干监测站组成。主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。注入站主要任务是在主控站的统一调度下， 完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷的控制管理。监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

用户段由各类北斗用户终端组成。北斗用户机具有兼容GPS、GLONASS、GALILEO的功能。

工作体制

北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定(RDSS) 与卫星无线电导航(RNSS )集成体制，既能像GPS、 CLONASS、 GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告及短报文通信功能。

北斗授时服务类型和性能指标

系统提供开放服务和接权服务，其中,开放服务面向全球范围，定位精度10米，授时精度20纳秒，测速精度0.2米/秒；授权服务包括全球范围更高性能的导航定定位服务，以及亚太地区的广域差分服务和短报文通信服务，其中，广域差分服务精度1米，短报文通信精度服务能力每次120个汉字。

系统在B1、B2和B3三个频段上发射三路开放服务导航信号、三路授权服务导航信号。B1是1559.052MHz~ 1591. 788MHz, B2是1166.22MHz~1217. 37MHz，B3是1250.618MHz~1286.423MHz。

北斗授时系统与坐标系统

北斗卫星导航系统的系统时间称北斗时（BDT）。北斗时属原子时，起算历元时间是2006年1月1日0时0分0秒（UTC，协调世界时）。BDT溯源到我国协调世界时UTC（NTSC，国家授时中心），与UTC的时差控制准确度小于100ns。

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