GPS时钟在网络时间同步的应用

2025China.cn 2008年06月25日

一、概述
　　在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合相关标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。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）同步，最起码在一个局域或城域网络内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。在这里我们主要介绍互联网时间同步技术及产品，也就是通过支持NTP协议的网络时间服务器（中新创科DNTS系列）实现网络时间同步。
　　时间的基本单位是秒，它是国际单位制（SI单位制）的七个基本单位之一。1967年的国际计量大会（CGDM）给出了新的秒定义：“秒是铯133（133Cs）原子在0K温度基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间”，即“原子秒”（TAI）。现在常用的协调世界时实际上是经过闰秒调整的原子秒。
　　目前在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟其频率复现性为5¡10－15，已接近国际先进水平。其实，在应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度。不同的应用对准确度的要求是不同的，表1列举了一些典型的应用对时间准确度的要求（应用界面时间相对于UTC时间的误差）。

表1：一些典型的应用对时间精度的应用

应用	时间精度要求
用于银行、证券、股票和期货交易的计算机和服务器	1秒
电力线故障诊断	1微秒
交换机及计费系统	1秒
CDMA2000和TD-SCDMA	10毫秒
网管系统	500毫秒
7号信令监测系统	1毫秒

二、时间同步网络技术

目前有多种时间同步技术，每一种技术都各有特点，不同技术的时间同步精度也存在较大的差异，如表2所示：

表2：各种常用的时间同步技术

时间同步技术	准确度	覆盖范围
短波授时	1～10毫秒	全球
长波授时	1毫秒	区域
GPS	5～500纳秒	全球
电话拨号授时	100毫秒	全球
互联网授时（NTP）	1～50毫秒	全球
SDH传输网授时	100纳秒	长途

2 长短波授时时间同步技术

利用无线电信号授时已经具有80多年的历史，国际上长波授时主要使用罗兰-C系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于军事和导航，尚不民用。

4 电话拨号时间同步技术

电话拨号授时（ACTS）使用的设备相对简单，只需电话线、模拟调制解调器、PC及客户端软件即可。目前这种计算机主要用于校准家庭个人计算机时间，同时不具备实时性。

6 GPS时间同步技术

GPS时间同步技术是当前较成熟并在国际上广泛采用的时间同步技术。目前国际上除了美国的GPS还有前苏联的GLANASS系统和我国的“北斗”系统。GLANASS系统由于经济原因，健康星的数量有限，稳定性和可靠性无法保障。“北斗”系统尚未民用，而且无法做到实时覆盖。目前GPS属于比较成熟可靠的系统。

8 互联网时间同步技术

使用互联网同步计算机的时间是十分方便的，目前这种方式在局域网内得到广泛的应用。微软公司已将网络时间协议（NTP）嵌入到Windows XP系统中，只要计算机能联网，就能进行局域网或广域网内的计算机时间校准。标准的NTP协议采用的是RFC 1350标准，简化的网络时间协议（SNTP）采用的是RFC 1769标准。NTP协议包含一个64bit的协调世界时（UTC）时间戳，时间分辨率时200ps，并可以提供1~50ms的时间精度（依赖网络负载）。但实验表明这种技术在洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。所以，在庞大的网络中应设立一级和二级时间服务器来解决精度的问题。

另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time协议（RFC868）和Daytime协议（RFC867），可以提供1s校准精度的广域网时间同步。

二、西昌卫星发射中心运用北京中新创科的网络时间服务器解决时间同步问题。

一直以来，中新创科公司致力于网络时间服务器的研发，可根据客户的要求单独定做，并取得了广大客户的认可。目前产品分6个型号可满足不同行业的网络时间同步需求。同时，中新创科的DNTS系列网络时间服务器已经在：电力、铁路、卫星、军队、电信、政府机关等行业有着广泛的应用。

中新创科的DNTS时间服务器是客户可自己设置时间源保存到服务器的恒温晶振里达到时间同步或GPS时间同步技术和互联网时间同步技术的结合。一号卫星发射基地就是采用19英寸1U机架式设计，内置GPS接收机，以GPS卫星时间为标准时间源，支持NTP协议（V2.0/V3.0/V4.0）和SNTP协议，同时可以支持能够为局域网内成百上千的计算机、路由器等提供时间校准最终来达到整个网络时间同步。下图为一号卫星发射基地利用网络时间服务器达到网络同步的应用方案：

图1

在前面互联网时间同步技术中提到因为网络负载以及延时的原因导致洲际间的校准精度只能达到几百毫秒甚至只能达到秒的量级。那么在庞大的网络中需要一级二级网络时间服务器来很好的解决校准精度和冗错的问题。图2为西昌卫星发射中心大型网络解决方案：

图2

在上面的方案中，从主干网络到各分支网络需要保持应用界面的时间同步。如果仅仅在主干网络中设立一台网络时间服务器那么分支网络中的客户端由于网络延时等原因不能保证所需精度，那么通过在地市级网络中也设立网络时间服务器就能解决这一问题，因为这种情况下各地的GPS接收机在接收到3颗以上卫星信号时大家的时间源都是当前的标准时间，所以时间源的一致性得到保证。同时，即便某地的GPS接收机发生故障这是本地的网络时间服务器可作为NTP的客户端向上主干网网络的一级时间服务器请求标准时间继续提供精准的时间源为本地网络的客户端提供校准服务。在极端情况下，当主干网网络中设立的一级时间服务器GPS也发生故障时，分支网的时间服务器具备高精准的自守时功能（守时精度1×10 －12即30年误差1s）仍然能提供精准的时间源。方案中的一级时间服务器采用中新创科DNTS-72型。

另外，中新创科还提供应用于移动通信、卫星通信和数字广播电视系统的时间频率产品，例如可以作为CDMA钟源为CDMA基站提供时钟源可提供19.6608MHZ方波信号，PP2S信号，10M正弦波信号或方波信号。如作为数字集群的应用可定制信号16.384MHZ，14.4MHZ。并支持再定时功能作为再定时设备使用。