CN109586830A - 一种基于北斗导航系统和ptp的高铁同步授时方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铁路数据通信领域，具体涉及一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法及装置。本发明的有益效果是：本发明采用我国自主研发、拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统作为标准时间信息来源，具有独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠等特点；本发明基于FPGA+ARM+DAC芯片构成驯服处理单元，实现PTP网络高精度的系统设备间的时间统一，通过FPGA+ARM最小系统和DAC芯片构成驯服处理单元，配合专用晶振校准算法，提升晶振稳定度3个数量级、网络授时精度1个数量级以上。

Description

一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法及装置
技术领域
本发明属于铁路数据通信领域，特别涉及高铁交通监控数据采集平台的精密授时技术，具体是一种利用北斗导航系统和精密时间协议的、用于高铁交通监控数据采集平台及所有涉及铁路数据通信的高铁同步授时方法及装置。
背景技术
高性能的轨道交通监控数据采集平台对火车的安全行驶具有重要的意义。作为轨道交通监控数据采集平台正常运营的重要组成部分之一，时钟系统可以保证其全线设备的时间与标准时间保持一致，确保车辆信息的及时监控及调度，使得火车安全可靠地运行。
传统的时钟系统由相关线路专门配置的时钟提供标准时间信息，它采用一级母钟和二级母钟两级的分布式网络结构组网方式通过计算机进行集散式控制。然而不同的设备所提供的标准时间信息存在差异，各分系统或模块内的时间同步机制不完善，同时一些陈旧系统或设备的时间同步机制不健全，或根本就没有时间同步机制，造成各分系统或模块之间存在时间显示、时间记录不同步的情况发生。随着中国高速铁路建设的飞速发展，建立统一的中心时间源平台，为各分系统或模块提供统一的时间，达到全平台系统时间、时间显示的一致及时钟同步，是高铁交通监控数据采集平台时钟系统的迫切需求。
针对上述时间同步问题，目前主要由以下几种方法：
第一种方法是采用互联网技术同步高铁交通数据处理及监控平台系统中的时间，该技术通常采用网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)，但普通的时钟和计算机系统时间靠手动校正完成，误差较大，长期使用累计误差更大，而且操作非常不便，将非常不利于要实现高铁交通数据处理及监控平台系统的精确时间同步。
第二种方法是采用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)作为接收设备来提供标准时间信息，在此基础之上利用NTP实现时间同步。然而不同的GPS接收设备所提供的时间存在差异。同时，GPS由国外研发并设计，一旦发生紧急状态，GPS信号及授时服务被关闭或者调整，将给我国铁路系统的正常调度带来安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法及装置，该装置基于北斗导航系统和精密时间协议(PrecisionTime Protocol，PTP)完成高精度的时间同步，通过北斗导航系统独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的优势提供标准时间信息，在此基础之上利用PTP所定义的边界时钟与透明时钟替代网络中的普通交换设备，进而去除NTP报文传输的不确定因素带来的抖动影响，最终实现时间同步精度的提升。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，包括以下步骤：
步骤1，利用双模接收机，获取北斗导航系统发射的信号，接收标准时间信息；
步骤2，对标准时间信息进行解码，并将标准时间信息传递到主控单元；
步骤3，利用主控单元，控制驯服处理单元，实现对本地高稳晶体振荡器的校准；
步骤4，利用高稳晶体振荡器，实现本地时间的建立；
步骤5，利用PTP协议向同级或下级授时，实现本地时间的同步。
进一步地，在所述步骤1中，所述双模接收机的数据传输速率为4800波特率，数据传输方式为异步通信帧传输。
进一步地，在所述步骤2中，对标准时间信息进行解码具体为：通过检测输入数据的下降沿获得起始位，按波特率生成接收时钟，采集串行输入数据并移位操作；判断标志信息，提取数据位数据，进行串转并处理，获得时间信息和有效/无效状态信息，并将两者的信息转换成相对应的年月日时分秒的时间信息以便比对。
进一步地，在所述步骤3中，所述驯服处理单元由FPGA最小系统、ARM处理器和DAC芯片组成，经同步驯服的频率信号在FPGA内部分频计数，输出标准的lPPS、lPPM和1PPH信号，根据UART协议，将发送数据锁存为并行数据，由数据传输波特率产生的发送时钟发送移位输出，完成数据的异步发送。
进一步地，所述步骤4具体为：根据各分系统对时间同步信号及数量的不同需求，通过参数设置选择脉冲信号1PPH、1PPM和1PPS，同时对本地高稳晶振进行同步锁相处理，完成本地时间的建立。
进一步地，所述步骤5具体为：通过以太网控制芯片实现PTP协议，通过串行时间信息和同步的脉冲信号输入获得专用PTP模块的同步时间，经处理按相应的网络协议组成网络对时输出，同时服务于多台对时设备的时间请求。
一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时装置，基于上文所述的基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，包括：
双模接收机，用于获取北斗导航系统发射的信号，接收标准时间信息，对标准时间信息进行解码，并将标准时间信息传递到主控单元；
驯服处理单元，用于接收主控单元的指令实现对本地高稳晶体振荡器的校准；
高稳晶体振荡器，用于实现本地时间的建立；
主控单元，用于接收双模接收机以及驯服处理单元的信息利用PTP协议向同级或下级授时，实现本地时间的同步。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用我国自主研发、拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统作为标准时间信息来源，具有独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠等特点；
2、本发明基于FPGA+ARM+DAC芯片构成驯服处理单元，实现PTP网络高精度的系统设备间的时间统一，通过FPGA+ARM最小系统和DAC芯片构成驯服处理单元，配合专用晶振校准算法，提升晶振稳定度3个数量级、网络授时精度1个数量级以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例所述的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时装置的结构示意图；
图2为异步通信帧的传输格式图；
图3为时间同步系统的硬件组成示意图；
图4为系统时间的传递流程图；
图5为PTP终端功能的结构示意图；
图6为PTP的原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
如图1所示，本发明所提供的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，包括以下步骤：
步骤1，利用双模接收机，获取北斗导航系统发射的信号，接收标准时间信息；
步骤2，对标准时间信息进行解码，并将标准时间信息传递到主控单元；
步骤3，利用主控单元，控制驯服处理单元，实现对本地高稳晶体振荡器的校准；
步骤4，利用高稳晶体振荡器，实现本地时间的建立；
步骤5，利用PTP协议向同级或下级授时，实现本地时间的同步。
如图2所示：在步骤1和2中，采用商用北斗双模接收机模块接收北斗导航系统发射的民用信号。设置北斗接收机的数据传统标准格式(NMEA-0183)的输出语句为$CPZDA，<l>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>*h<CR><LF>，采用4800波特率和异步通信帧的传输格式，对输出语句按格式解码，获得标准时间信息，如时间和日期等。
异步通信帧的格式是按字符传输的，一个字符的信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，l位起始位、8位数据位、2位停止位和无校验位异步数据。通过检测输入数据的下降沿获得起始位，按波特率生成接收时钟，采集串行输入数据并移位操作。判断标志信息，提取数据位数据，进行串转并处理，获得时间信息和有效/无效状态信息，并将两者的信息转换成相对应的年月日时分秒的时间信息以便比对。
如图3所示的时间同步系统硬件组成：在步骤3中，基于FPGA+ARM最小系统和DAC芯片构成主控单元的驯服处理单元。经同步驯服的频率信号在FPGA内部分频计数，输出标准的lPPS、lPPM和1PPH信号。根据UART协议，将发送数据锁存为并行数据，由数据传输波特率产生的发送时钟发送移位输出，即完成数据的异步发送。
如图4所示的系统时间传递流程：在步骤4中，根据各分系统对时间同步信号及数量的不同需求，通过参数设置选择脉冲信号(1PPH、1PPM和1PPS)，同时对高稳晶振进行同步锁相处理，增强了时间间隙的准确性和系统的守时精度，完成本地时间的建立。
如图5所示的PTP终端功能结构：在步骤5中，通过以太网控制芯片实现PTP协议，其精度可以达到纳秒级。通过串行时间信息和同步的脉冲信号输入获得专用PTP模块的同步时间，经处理按相应的网络协议组成网络对时输出，同时可以服务于多台对时设备的时间请求。
PTP是一种主从式的时间同步技术，其原理是主时钟周期性的向网络中所有从时钟发送同步消息报文；从时钟以主时钟为参照，通过解析接收到的同步消息报文计算与主时钟之间的时间差异，并进行同步校正，实现系统同步。PTP对时采用Sync、Follow_up、Delay_req、Delay_resp四种报文，Peer-to-Peer模式下PTP的基本原理如图6所示。
其中，主时钟的时间原点为A，交换机的时间原点为B，从时钟的时间原点为C。主时钟到交换机的链路时延为d1，报文在交换机中的驻留时延为d2，交换机到从时钟的链路时延为d3。t1为Sync报文从主站发出的时间；t2为Sync报文被从时钟收到的时间。主时钟与交换机之间时间偏差为T1，交换机与从时钟的时间偏差为T2，这样，主时钟与从时钟的时间偏差为T1+T2。时延计算如下：
交换机在t1a时刻发出Pdelay_req报文，这个报文在t2a时刻被主时钟收到；主时钟在时刻t3a发送Pdelay_resp报文，该报文在时延t4a时刻被交换机收到，则有：
Sync报文穿过交换机的驻留时延为：
d2＝tout-tin
交换机在t1b时刻发出Pdelay_req报文，这个报文在t2b时刻被从时钟收到；从t3b时钟在时刻发送Pdelay_resp报文，该报文在时延t4b时刻被交换机收到。
则主从时钟间钟差可推导得：
T1+T2＝t1+d1+d2+d3-t2。
只要计算出了T1+T2，主时钟和从时钟的偏差就知道了。通过调整从时钟的时间，就可以实现主从时间的统一。
系统中的PTP模块采用MCU与DP83640芯片，由MCU处理媒体访问控制(MAC)层信息，进行对DP83640以太网收发器芯片的控制。DP83640芯片实现PTP协议的帧获取与处理以及硬件时间戳的产生，在物理层(PHY)处理帧保证了同步的准确性；DP83640内部时钟由25Mhz同步到系统时钟源，用以产生时间戳与同步报文。
本发明还提供了一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时装置，基于上文所述的基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，包括：
双模接收机，用于通过天线获取北斗导航系统发射的信号，接收标准时间信息，对标准时间信息进行解码，并将标准时间信息传递到主控单元；
驯服处理单元，用于接收主控单元的指令实现对本地高稳晶体振荡器的校准；
高稳晶体振荡器(设置在本地)，用于实现本地时间的建立；
主控单元，用于接收双模接收机以及驯服处理单元的信息，将得到的1PPS+TOD接口标准的TOD(Time of Day，TOD)信息发送给外部参考输入模块，利用PTP协议向同级或下级授时，实现本地时间的同步。另外，主控单元还连接有RTC(Real-Time Clock)模块，网口和PCIE口。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，利用双模接收机，获取北斗导航系统发射的信号，接收标准时间信息；
步骤2，对标准时间信息进行解码，并将标准时间信息传递到主控单元；
步骤3，利用主控单元，控制驯服处理单元，实现对本地高稳晶体振荡器的校准；
步骤4，利用高稳晶体振荡器，实现本地时间的建立；
步骤5，利用PTP协议向同级或下级授时，实现本地时间的同步。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：在所述步骤1中，所述双模接收机的数据传输速率为4800波特率，数据传输方式为异步通信帧传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：在所述步骤2中，对标准时间信息进行解码具体为：通过检测输入数据的下降沿获得起始位，按波特率生成接收时钟，采集串行输入数据并移位操作；判断标志信息，提取数据位数据，进行串转并处理，获得时间信息和有效/无效状态信息，并将两者的信息转换成相对应的年月日时分秒的时间信息以便比对。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：在所述步骤3中，所述驯服处理单元由FPGA最小系统、ARM处理器和DAC芯片组成，经同步驯服的频率信号在FPGA内部分频计数，输出标准的lPPS、lPPM和1PPH信号，根据UART协议，将发送数据锁存为并行数据，由数据传输波特率产生的发送时钟发送移位输出，完成数据的异步发送。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：所述步骤4具体为：根据各分系统对时间同步信号及数量的不同需求，通过参数设置选择脉冲信号1PPH、1PPM和1PPS，同时对本地高稳晶振进行同步锁相处理，完成本地时间的建立。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：所述步骤5具体为：通过以太网控制芯片实现PTP协议，通过串行时间信息和同步的脉冲信号输入获得专用PTP模块的同步时间，经处理按相应的网络协议组成网络对时输出，同时服务于多台对时设备的时间请求。
7.一种基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时装置，基于权利要求1-6任意一项所述的基于北斗导航系统和PTP的高铁同步授时方法，其特征在于：包括：
双模接收机，用于获取北斗导航系统发射的信号，接收标准时间信息，对标准时间信息进行解码，并将标准时间信息传递到主控单元；
驯服处理单元，用于接收主控单元的指令实现对本地高稳晶体振荡器的校准；
高稳晶体振荡器，用于实现本地时间的建立；
主控单元，用于接收双模接收机以及驯服处理单元的信息利用PTP协议向同级或下级授时，实现本地时间的同步。
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