CN101442375B - 一种多网络兼容的授时服务装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多网络兼容授时服务装置及其工作方法，系统包括双备GNSS时钟源；数据处理及控制部分；网络接口；辅助通信接口；用户接口。数据处理及控制部分监听到网络接口部分及辅助通信接口部分或用户输入部分有授时要求的指令后，以双备GNSS时钟源部分的高精度时钟信号为统一标准时间，分别以NTP方式或SBTS方法向次级网络设备或独立数据终端提供授时服务。本发明不仅能满足对授时的可靠性、精确性以及灵活性的要求，还能提供多种精度级别的授时时钟服务，更为多种网络或总线接入方式下的各网络设备或独立数据终端提供了精确授时服务解决方案和支持手段。

Description

一种多网络兼容的授时服务装置及其工作方法

(一)技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，，具体涉及一种多网络兼容的授时服务装置及其工作方法。

(二)背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)应用已十分普遍。目前，已在天空运行的可提供精确时钟授时服务的系统有美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的GALILEO，以及我国自主研发、生产、建设，并逐渐向民用化方向发展的北斗系统。GNSS接收设备依托于多个卫星系统，便可利用时钟互备的方式有效的提高时钟系统的精度及可靠性。与单一的GPS系统相比，既可避免某单一国家或集团的独家垄断与控制，可获得更多的安全性及灵活性，具有十分重要的现实意义。

随着国民经济快速发展，各行业对网络系统或分布式系统的时钟统一精度的要求不断上升，尤其是在军事，金融，航空，市政管网，通信，制造，税收，电子商务等领域，对于时钟同步的依赖性特别突出。网络时间协议NTP属于TCP/IP协议，是用于互联网中时间同步的标准互联网协议，以全球导航卫星发射的时间代码传送的时间消息为参考标准，提供严格、实用、有效的机制，采用C/S结构，具有相当高的灵活性，可用于各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境下各网络单元的时钟同步。NTP产生的网络开销甚少，并具有保证网络安全的应对措施。这些措施的采用使NTP可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步，并使NTP成为互联网上公认的时间同步工具。

组网技术的发展，单纯的靠布线来实现网络连接的以太网早就已经满足不了人们对网络便利性的要求，随之相继出现了无线保真WiFi以及全球微波互联接入WiMAX技术。前者工作在2.4GHz频段，包括IEEE802.11b和IEEE802.11g，最高传输率能分别达到11Mbps和54Mbps，可以无缝地将多种局域网技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。后者也是一种基于标准的技术，它以IEEE 802.16的系列宽频无线标准为基础，可替代现有的有线和DSL连接方式，具有传输距离远，宽带接入速度高，支持多媒体通信服务的优势，向用户提供最后一英里的无线宽带接入。

对于一些独立的数据终端来说，具有精确时钟或时钟同步需要，但往往只具有总线接口，本身不符合TCP/IP协议，则无法通过NTP进行授时，并且受到线路延迟，系统延迟，转发延迟以及传输波特率的限制，授时精度无法保障，迫切需要一种行之有效的授时机制，来解决此类设备的精确授时问题。

在中华人民共和国知识产权局于2006年12月6日公开的发明专利《一种利用支持辅助GPS功能的无线网络进行授时的方法》，申请号为：200510035007.8(公开号为：CN 1874542A)中，仅提供了利用无线网络进行授时的方法，无法解决有线网络及非互联网设备的授时问题。

本发明旨在实现一种可多网络兼容的授时装置，既可实现对GNSS时钟信号提供系统的选择，同时又能满足多种组网方式下各网络设备或独立数据终端对授时服务的要求。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种能向有线及无线网络内各网络设备或网络之外的独立数据终端提供精确的授时服务的装置及其工作方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种多网络兼容的授时服务装置及其工作方法。

一种多网络兼容的授时服务装置，包括双备GNSS时钟源、数据处理及控制部分、网络接口、辅助通信接口、用户接口，其特征在于所述双备GNSS时钟源包括GNSS接收机和时钟实现模块；数据处理及控制部分包括嵌入式ARM微处理器及与其相连接的存储模块、电源监控及看门狗模块、状态指示模块；数据处理及控制部分与双备GNSS时钟源电连接，数据处理及控制部分还与网络接口、辅助通信接口和用户接口电连接；数据处理及控制部分通过用户接口与显示屏和操作控制面板上各控制键相连接，上述装置安装于机壳内。

上述双备GNSS时钟源中的GNSS接收机和时钟实现模块，用于接收含有精确时钟信息的卫星信号，并将卫星信号中的精确时钟信息实现为精确时间数据。

数据处理及控制部分是整个装置的控制中心，采用基于ARM7-TDMI内核的S3C44B0X，采用基于缓冲池的数据处理技术进行数据的处理转发和相应的本地控制，在使用中负责数据的分析及处理，以及GNSS时钟源、网络接口、辅助通信接口以及用户接口的选择、配置和控制。

所述网络接口包括：用于支持WiFi和WiMAX无线接入接点的集成通信模块，用于支持以太网传输的专用网络多接口处理器及接口。

所述辅助通信接口具体包括以下这些全开放可裁剪模块化设计的功能模块：CAN总线接口模块、多串口扩展模块、485/422总线接口模块，上述模块的对外数据接口均位于机壳上。辅助通信接口的各功能模块可根据现场的实际应用需要按需裁剪，而各模块功能不受影响。

所述用户接口包括：显示屏和按键控制面板。用户接口部分向本地用户提供各功能部分或模块状态查询等其他信息并接受用户的控制输入。

可通过系统初始默认或用户根据需要选择设定不同的时间提供模式，如GPS系统时钟模式、BD系统时钟模式、双系统互备校对时钟模式，可提供毫秒级或微秒级等不同精确度的时钟，用以满足不同用户的需要。

网络接口负责将向包括以太网、WIFI和WiMAX无线接入在内的网络用户发送并接收NTP数据包，提供网络授时服务。

辅助通信接口采用C/S结构，并采用本发明提供的简单总线时钟同步SBTS(Simple BusTime Synchronization，)方法，针对在实现同步的过程中主要存在着的网络延时和时钟差，通过多次通信的时间差值，得到一个估算的时间差值，并通过差值补偿机制，向不支持TCP\IP协议的独立终端设备提供时钟和授时服务，即使性能差异很大的客户端也可适用。

本发明授时服务装置的工作方法，步骤如下：

步骤A，装置上电初始化，数据处理及控制部分对双备GNSS时钟源、网络接口、辅助通信接口、用户接口进行检测，确定各部分是否工作正常，状态指示模块做出相应的状态指示；

步骤B，数据处理及控制部分监听网络接口，辅助通信接口及用户接口是否有请求授时信号指令；

步骤C，双备GNSS时钟源中GNSS信号接收机的主信号模块和次信号模块分别将含有“年月日时分秒”的时钟信息通过串口电路直接发送给数据处理及控制部分；时钟实现模块分别将对应于主、次时钟源的秒级以下的精确时钟信息(最高可精确到微秒级)，通过串口电路发送给数据处理及控制部分；

步骤D，ARM处理器分别对来自于主、次时钟源的含有“年月日时分秒”的时钟信息与秒级以下精确时钟信息进行合并处理，将得到的主时钟和次时钟(次对比时钟)，采用相应机制与系统的主对比时钟进行对比计算，得到精确的统一标准时钟；

步骤E，数据处理及控制部分根据用户要求，可采用NTP方式向通过网络接口连接的网络设备提供网络授时服务；或采用本发明所提供的简单总线时钟同步SBTS(Simple Bus TimeSynchronization)方式修正授时时间，向通过辅助通信接口与装置连接的独立数据终端提供授时服务；同时提供状态显示，并通过用户接口的显示屏提供相应的显示服务。

上述步骤C中所述双备GNSS时钟源的主、次时钟源，即可由系统初始设置默认，也可由用户需要进行设置。

上述步骤E中所述简单总线时钟同步SBTS(Simple Bus Time Synchronization)方式的具体实施方法，步骤如下：

第1步，客户端与服务装置的辅助通信接口第一次连接后，通过总线向服务装置发送时钟同步服务请求信号；

第2步，服务装置接收到时钟同步请求信号后，向客户端回送含有服务器端时间t的同步信号；

第3步，客户端接收到回送的含有服务器端时间t的时钟同步信息后，进行时间同步，并向服务器端发送含有同步后本地时间T₁的时间信息；

第4步，服务器端在T₂时刻收到来自客户端的时间信息，可得到单向时间差值ΔT(1)＝T₂-T₁；

第5步，服务装置向客户端发送含有服务器端时间t’的同步信号；

第6步，在设定的时间间隔内重复n-1次步骤C及步骤D，可得到n个单向时间差值序列ΔT(1)、ΔT(2)、……、ΔT(n)；

第7步，利用最小二乘法，采用递归计算的方式对n个单向时间差值进行处理，得到由ΔT(n)估算出的第n+1个时间差值ΔT(n+1)，以之作为时间补偿差值；

第8步，服务器端将本地时间T与时间补偿差值ΔT(n+1)相减，得到的修正的授时时间，将此修正后的授时时间送往客户端，达到精确授时目的。

本发明不仅能实现对多GNSS系统的兼容，满足对授时的安全性、可靠性、准确性以及灵活性的要求，还可以提供多种精度级别的授时时钟服务，满足不同的精度要求，更为多种网络接入方式下的各网络设备或独立数据终端提供了精确授时服务解决方案和支持手段。

(四)附图说明

图1为本发明的各部分连接示意图。

图2为本发明所提供的授时装置的工作方法流程图。

图3为本发明所提供的SBTS简单总线时钟同步传输流程图。

其中，1、双备GNSS时钟源，2、数据处理及控制部分，3、网络接口，4、辅助通信接口，5、用户接口，6、GNSS接收机，7、时钟实现模块，8、ARM微处理器，9、存储模块，10、电源监控及看门狗模块，11、状态指示模块，12、(WiFi)集成通信模块，13、(WiMAX)集成通信模块，14、多接口处理器，15、CAN总线接口模块，16、多串口扩展模块，17、485/422总线接口模块，18、显示屏，19、操作控制面板

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明授时装置实施例如图1所示，包括双备GNSS时钟源1、数据处理及控制部分2、网络接口3、辅助通信接口4、用户接口5，其特征在于所述双备GNSS时钟源1包括：GNSS接收机6和时钟实现模块7；数据处理及控制部分2包括嵌入式ARM微处理器8及与其相连接的存储模块9、电源监控及看门狗模块10、状态指示模块11；数据处理及控制部分2与双备GNSS时钟源1电连接，数据处理及控制部分2还与网络接口3、辅助通信接口4和用户接口5电连接；数据处理及控制部分2通过用户接口5与显示屏18和操作控制面板19上各控制键相连接，上述装置安装于机壳内。

上述双备GNSS时钟源1中的GNSS接收机6和时钟实现模块7，用于接收含有精确时钟信息的卫星信号，并将卫星信号中的精确时钟信息实现为精确时间数据。

上述网络接口3具体包括：用于支持WiFi和WiMAX无线接入接点的集成通信模块12、13，用于支持以太网传输的专用网络多接口处理器14及接口。

上述辅助通信接口4具体包括以下这些全开放可裁剪模块化设计的功能模块：CAN总线接口模块15、多串口扩展模块16、485/422总线接口模块17。

实施例2：

本发明授时服务装置的工作方法如图2所示，步骤如下：

步骤A，装置上电初始化，数据处理及控制部分2对双备GNSS时钟源1、网络接口3、辅助通信接口4、用户接口5进行检测，确定各部分是否工作正常；状态指示模块11做出相应的状态指示；

步骤B，数据处理及控制部分2监听网络接口3，辅助通信接口4及用户接口是否有请求授时信号指令；

步骤C，双备GNSS时钟源1中GNSS信号接收机6的主信号模块和次信号模块分别将含有“年月日时分秒”的时钟信息通过串口电路直接发送给数据处理及控制部分2；时钟实现模块7分别将对应于主、次时钟源的秒级以下的精确时钟信息(最高可精确到微秒级)，通过串口电路发送给数据处理及控制部分2；

步骤D，ARM处理器8分别对来自于主、次时钟源的含有“年月日时分秒”的时钟信息与秒级以下精确时钟信息进行合并处理，将得到的主时钟和次时钟(次对比时钟)，采用相应机制与系统的主对比时钟进行对比计算，得到精确的统一标准时钟。

步骤E，数据处理及控制部分根据用户要求，可采用NTP方式向通过网络接口3连接的网络设备提供网络授时服务；或采用本发明所提供的简单总线时钟同步SBTS(Simple BusTime Synchronization)方式修正授时时间，向通过辅助通信接口4与装置连接的独立数据终端提供授时服务；同时提供状态显示，并通过用户接口5的显示屏18提供相应的显示服务。

上述步骤C中所述双备GNSS时钟源的主、次时钟源，即可由系统初始设置默认，也可由用户需要进行设置。

上述步骤E中所述简单总线时钟同步SBTS(Simple Bus Time Synchronization)方式的具体实施方法如图3所示，步骤如下：

第1步，客户端与服务装置的辅助通信接口第一次连接后，通过总线向服务装置发送时钟同步服务请求信号；

第2步，服务装置接收到时钟同步请求信号后，向客户端回送含有服务器端时间t的同步信号；

第3步，客户端接收到回送的含有服务器端时间t的时钟同步信息后，进行时间同步，并向服务器端发送含有同步后本地时间T₁的时间信息；

第4步，服务器端在T₂时刻收到来自客户端的时间信息，可得到单向时间差值ΔT(1)＝T₂-T₁；

第5步，服务装置向客户端发送含有服务器端时间t’的同步信号；

第6步，在设定的时间间隔内重复n-1次步骤C及步骤D，可得到n个单向时间差值序列ΔT(1)、ΔT(2)、……、ΔT(n)；

第7步，利用最小二乘法，采用递归计算的方式对n个单向时间差值进行处理，得到由ΔT(n)估算出的第n+1个时间差值ΔT(n+1)，以之作为时间补偿差值；

第8步，服务器端将本地时间T与时间补偿差值ΔT(n+1)相减，得到的修正的授时时间，将此修正后的授时时间送往客户端，达到精确授时目的。

Claims (4)

1.一种多网络兼容的授时服务装置，包括双备GNSS时钟源、数据处理及控制部分、网络接口、辅助通信接口、用户接口，其特征在于所述双备GNSS时钟源包括GNSS接收机和时钟实现模块，GNSS接收机包括主信号模块和次信号模块；数据处理及控制部分包括嵌入式ARM微处理器及与其相连接的存储模块、电源监控及看门狗模块、状态指示模块；数据处理及控制部分与双备GNSS时钟源电连接，数据处理及控制部分还与网络接口、辅助通信接口和用户接口电连接；数据处理及控制部分通过用户接口与显示屏和按键操作控制面板上各控制键相连接，上述装置安装于机壳内；

上述双备GNSS时钟源中的GNSS接收机和时钟实现模块，用于接收含有精确时钟信息的卫星信号，并将卫星信号中的精确时钟信息实现为精确时间数据；

数据处理及控制部分是整个装置的控制中心，采用基于ARM7-TDMI内核的S3C44BOX，采用基于缓冲池的数据处理技术进行数据的处理转发和相应的本地控制，在使用中负责数据的分析及处理，以及GNSS时钟源、网络接口、辅助通信接口以及用户接口的选择、配置和控制；

所述网络接口包括：用于支持WiFi和WiMAX无线接入接点的集成通信模块，用于支持以太网传输的专用网络多接口处理器及接口；

所述辅助通信接口具体包括以下这些全开放可裁剪模块化设计的功能模块：CAN总线接口模块、多串口扩展模块、485/422总线接口模块，上述模块的对外数据接口均位于机壳上，辅助通信接口的各功能模块可根据现场的实际应用需要按需裁剪，而各模块功能不受影响；

所述用户接口包括：与显示屏和按键操作控制面板相连的接口；用户接口部分向本地用户提供各功能部分或模块状态查询信息并接受用户的控制输入；

通过系统初始默认或用户根据需要选择设定不同的时间提供模式，所述模式为GPS系统时钟模式、BD系统时钟模式、双系统互备校对时钟模式，可提供毫秒级或微秒级不同精确度的时钟，用以满足不同用户的需要；

网络接口负责将向包括以太网、WIFI和WiMAX无线接入在内的网络用户发送并接收NTP数据包，提供网络授时服务；

辅助通信接口采用C/S结构，并采用简单总线时钟同步SBTS方法，针对在实现同步的过程中主要存在着的网络延时和时钟差，通过多次通信的时间差值，得到一个估算的时间差值，并通过差值补偿机制，向不支持TCP\IP协议的独立终端设备提供时钟和授时服务。

2.如权利要求1所述的一种授时服务装置的工作方法，步骤如下：

步骤A，装置上电初始化，数据处理及控制部分对双备GNSS时钟源、网络接口、辅助通信接口、用户接口进行检测，确定各部分是否工作正常，状态指示模块做出相应的状态指示；

步骤B，数据处理及控制部分监听网络接口，辅助通信接口及用户接口是否有请求授时信号指令；

步骤C，双备GNSS时钟源中GNSS接收机的主信号模块和次信号模块分别将含有“年月日时分秒”的时钟信息通过串口电路直接发送给数据处理及控制部分；时钟实现模块分别将对应于主、次时钟源的秒级以下的精确时钟信息，通过串口电路发送给数据处理及控制部分； 

步骤D，ARM微处理器分别对来自于主、次时钟源的含有“年月日时分秒”的时钟信息与秒级以下精确时钟信息进行合并处理，将得到的主时钟和次时钟，采用相应机制与系统的主对比时钟进行对比计算，得到精确的统一标准时钟；

步骤E，数据处理及控制部分根据用户要求，采用NTP方式向通过网络接口连接的网络设备提供网络授时服务；或采用简单总线时钟同步SBTS方式修正授时时间，向通过辅助通信接口与装置连接的独立数据终端提供授时服务；同时提供状态显示，并通过用户接口连接显示屏提供相应的显示服务。

3.如权利要求2所述的一种授时服务装置的工作方法，其特征在于，步骤C中所述双备GNSS时钟源的主、次时钟源，既可由系统初始默认设置，也可由用户需要进行设置。

4.如权利要求2所述的一种授时服务装置的工作方法，其特征在于，步骤E中所述简单总线时钟同步SBTS方式的实施方法，步骤如下：

第1步，客户端与服务装置的辅助通信接口第一次连接后，通过总线向服务装置发送时钟同步服务请求信号；

第2步，服务装置接收到时钟同步服务请求信号后，向客户端回送含有服务器端时间t的同步信号；

第3步，客户端接收到回送的含有服务器端时间t的时钟同步信息后，进行时间同步，并向服务器端发送含有同步后本地时间T1的时间信息；

第4步，服务器端在T2时刻收到来自客户端的时间信息，得到单向时间差值ΔT(1)＝T₂-T₁；

第5步，服务装置向客户端发送含有服务器端时间t’的同步信号；

第6步，在设定的时间间隔内重复n-1次步骤C及步骤D，得到n个单向时间差值序列ΔT(1)、ΔT(2)、……、ΔT(n)；

第7步，利用最小二乘法，采用递归计算的方式对n个单向时间差值进行处理，得到由ΔT(n)估算出的第n+1个时间差值ΔT(n+1)，以之作为时间补偿差值；

第8步，服务器端将本地时间T与时间补偿差值ΔT(n+1)相减，得到的修正的授时时间，将此修正后的授时时间送往客户端，达到精确授时目的。 

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