CN201294513Y - 一种基于卫星共视的全网时间同步系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于卫星共视的全网时间同步系统，实现时间同步系统时间比对，解决提高电力行业全网分布在卫星同步时钟的准确度。其技术方案为：系统包括：中心主站子系统，包括：卫星共视接收机、中心接收机、中心站监测控制装置；终端子系统，包括：卫星同步主时钟、从时钟。本实用新型应用于电力系统。

Description

一种基于卫星共视的全网时间同步系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统的电力授时系统，尤其涉及一种基于卫星导航系统和卫星共视技术实现的全网时间同步系统。

背景技术

目前电力行业普遍采用的是GPS的定位与授时系统，由于GPS系统送出的时间信息是固定不变的，它必须经过转换后才能满足系统内已经使用或将要使用的各种装置对同步时间源的要求；GPS系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能；GPS系统是全球性导航系统，并由美国军方控制等等原因。因此存着比较大的安全隐患，导致电力行业经常发生一些安全事故。目前电力行业应用的卫星同步时钟，主要以GPS为主，每一台设备都是一个自主系统，独立运行，没有实现不同设备之间的精确时间比对和校准。因此，存在不同设备系统之间的时间误差。

现有一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统，例如“北斗一号”系统。它由三颗地球同步卫星(其中一颗为备份星)、位于北京的地面中心站、分布全国的二十余个标校站和大量用户机组成；各部分之间由出站链路(地面控制中心-卫星-用户机)和入站链路(用户机-卫星-地面控制中心)相连接，如图2所示。两颗导航工作卫星和一颗备份卫星位于36000km赤道上空，分别定点于东经80°、140°和110.5°，卫星上带有转发器，用于转发地面控制中心的出站信号和标校站、用户机的入站信号。地面控制中心接收入站信号，完成定位、通信和定时信号的处理，发送导航电文，监视和控制整个系统的工作情况。标校站为卫星精密定轨、定位差分处理提供基准测量数据。用户机同时具有收发功能，用于接收中心站通过卫星转发来的信号和向中心站发送定位、通信或定时申请信号，不含定位解算处理器，设备比较简单。

“北斗一号”系统服务区由东经70度至东经145度，北纬5度到北纬55度，覆盖我国和周边地区，包括战略敏感区域，诸如台海、南沙等区域。系统在服务区内提供三项服务：

(1)定位(导航)：快速确定用户所在点的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。在标校站覆盖区定位精度可达到20米，无标校站覆盖区定位精度优于100米。

(2)通信：用户与用户、用户与中心控制系统之间均可实现最多120个汉字的双向简短数字报文通信，并可通过通信关站与互联网、移动通信系统互通。

(3)授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。定时精度可达100ns(单向授时)和20ns(双向授时)。

定时是指接收机通过某种方式获得本地时间与卫星导航系统标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。精密定时在以通信、电力、控制等工业领域和国防领域都有着广泛和重要的应用。“北斗一号”卫星导航系统为用户机提供了两种定时方式：单向定时和双向定时。单向定时的精度为100ns，双向定时的精度为20ns。在单向定时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互，只需接收导航电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步；双向定时模式下，用户机与中心站进行交互，向中心站发射定时申请信号，由中心站来计算用户机的时差，再通过出站信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐。

单向定时的时序关系如图1所示，北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间，用户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差Δt_U，则北斗时间和用户钟时间虽然读数相同均为t_BD，其出现时刻却是不同的。单向定时就是用户机通过接收导航电文及相关信息，由用户机自主计算出钟差Δt_U并修正本地时间，使本地时间和北斗时间同步。

地面中心站在出站广播信号的每一超帧周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间(天、时、分信号与时间修正数据)和卫星的位置信息，同时把时标t_BD信息通过一种特殊的方式调制在出站信号中，经过中心站到卫星的传输延迟τ_up、卫星到用户机的延迟τ_down以及其它各种延迟τ_other(如对流层、电离层、sagnac效应等)之后传送到用户机，也就是说用户机在本地钟面时间为t_BD+τ_delay观测到卫星时间为t_BD，由图1的关系可知：

τ_delay＝τ_up+τ_down+τ_other+Δt_U

或

Δt_U＝τ_delay-(τ_up+τ_down+τ_other)    (1)

式(1)中，τ_delay由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间的时延获得，τ_up、τ_down和τ_other则根据导航电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先获取的自身位置信息计算。这样式(1)等式右边的所有量均已知，从而可以计算出本地时间与系统标准时间的钟差。

一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测1颗卫星，就可以实现精密的时间测量或者同步。若观测2颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性。

而双向定时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即可。为了说明方便，我们给出了双向定时的简化模型，如图2所示。中心站系统10在T₀时刻发送时标信号ST₀，该时标信号经过延迟τ₁后到达卫星12，经卫星转发器转发后经τ₂到达定时用户机14，用户机14对接收到的信号进行的处理也可看作信号转发，经τ₃的传播时延到达卫星12，卫星12把接收的信号转发，经τ₄的传播时延传送回中心站系统10。也即表示时间T₀的时标信号ST₀，最终在T₀+τ₁+τ₂+τ₃+τ₄时刻重新回到中心站系统10。中心站系统10把接收时标信号的时间与发射时刻相差，得到双向传播时延τ₁+τ₂+τ₃+τ₄，除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延。中心站系统10把这个单向传播时延发送给用户机14，定时用户机14接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值Δε，修正本地钟，使之与中心控制系统的时间同步。

此外，北斗卫星导航系统提供双向数据通讯的功能，北斗用户终端按照事先分配的服务等级，采用CDMA码分多址的数据通讯技术，实现实时的双向数据通讯。每次数据通讯最多可以发送220Byte的数据包，可以满足电力全网时间同步系统终端设备的数据远程监测和控制的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于卫星共视的全网时间同步系统，实现时间同步系统时间比对，解决提高电力行业全网分布在卫星同步时钟的准确度，同时实现了电力行业各个厂站的卫星同步时钟的时间校准技术，解决了全网所有安装的卫星同步时钟的一致性。

本实用新型的技术方案为：本实用新型揭示了一种基于卫星共视的全网时间同步系统，包括：

中心主站子系统，包括：

卫星共视接收机，实现卫星的时间比对和共视计算，同时接收GPS和卫星导航系统的信号，通过北斗双星共视方式评估GPS和卫星导航系统的整体运行状况，实现对各时间源的误差检测；

中心接收机，实时接收远端设备的控制信息和时间源检测的误差信息，并通过北斗卫星导航系统向远端设备发送控制指令；

中心站监测控制装置，通过通讯网络接收网络内所有时间同步时钟源发送的时间精度信息，与中心主站子系统的时钟源进行比对，通过对时间的上行、下行控制实现全网时间的同步与控制，且通过北斗卫星导航系统的通讯网络实现对全网所有的同步时钟装置的通讯状态和性能的实时上报，以达到对各设备运行情况的监控；

终端子系统，包括：

卫星同步主时钟，能同时接收至少两种外部时间基准信号，其中一种应为无线时间基准信号，具有晶振或原子频标的内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息；

从时钟，能同时接收主时钟通过有线传输方式发送的至少两路时间同步信号，具有晶振或原子频标的内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息。

上述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其中，该卫星共视接收机进一步包括卫星导航系统时间源模块、GPS时间源模块和原子钟模块。

上述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其中，该卫星共视接收机还包括：

卫星共视接收机输入接口单元，接收1PPS秒脉冲信号、卫星导航系统时间信息、GPS时间信息和时间信息；

卫星共视接收机输出接口单元，输出卫星导航系统时间源和GPS时间源秒脉冲差值以及卫星导航系统时间源和原子钟时间源秒脉冲差值。

上述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其中，该中心接收机包括：

中心接收机输入接口单元，接收中心站监测控制装置的控制指令和远端设备通过北斗卫星导航系统向中心主站子系统发送的信息；

中心接收机输出接口单元，将接收到的远端设备的信息输出到该中心站监测控制装置，将该中心站监测控制装置的发送指令通过北斗卫星导航系统发送到远端设备。

上述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其中，该中心站监测控制装置进一步包括：

中心站监测控制装置输入接口单元，接收该卫星共视接收机输出的检测误差和该中心接收机输出的数据；

中心站监测控制装置输出接口单元，输出GIS地图显示和数据报表。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型的全网时间同步系统通过接收北斗/GPS卫星定时信号，通过本地晶振控制完成时间保持功能，通过通用电力接口完成时间同步功能，通过卫星共视完成与中心站的时间比对功能，通过收发北斗卫星短消息完成设备监测与控制功能，同时可以监测其他设备信号输入功能。

附图说明

图1是现有的“北斗一号”卫星导航系统的时间单向测量的示意图。

图2是现有的“北斗一号”卫星导航系统的双向定时的简化工作原理图。

图3是本实用新型的基于卫星共视的全网时间同步系统的较佳实施例的系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

图3示出了本实用新型的基于卫星共视的全网时间同步系统的较佳实施例的系统原理。请参见图3，本实施例的全网时间同步系统2包含：中心主站子系统20以及终端子系统(包括例如变电站终端子系统21或者发电厂终端子系统22)。

中心主站子系统20进一步包括卫星共视接收机200、中心接收机202和中心站监测控制装置204。对于卫星共视接收机200来说，例如在本实施例中是北斗卫星共视接收机，实现了对北斗卫星的三颗卫星的时间比对和共视计算，同时接收GPS、北斗卫星导航系统的信号，通过双星共视技术，对GPS、北斗卫星导航系统的整体运行状态做出评估，实现当前各时间源的误差检测。卫星共视接收机200主要包括卫星导航系统时间源模块、GPS时间源模块和高精度原子钟模块。北斗卫星共视接收机200的系统输入包括由卫星导航系统时间源模块接收的1PPS信号、北斗时间信息，由GPS时间源模块接收的1PPS信号、GPS时间信息，以及由高精度原子钟模块接收的1PPS信号和时间信息。北斗卫星共视接收机200的系统输出为北斗卫星时间源和GPS时间源秒脉冲差值，以及北斗时间源和原子钟时间源秒脉冲差值。

对于中心接收机202，例如是北斗中心接收机，主要实现实时接收远端设备(例如远端厂站)的控制信息和时间源检测的误差信息，同时通过卫星导航系统(例如北斗卫星3或GPS卫星4)向远端设备(例如位于变电站的终端子系统21或者位于发电厂的终端子系统22)发送控制指令。中心接收机202包括中心接收机输入接口单元和中心接收机输出接口单元，其中中心接收机输入接口单元接收中心站监测控制装置204的控制指令和远端设备的终端子系统21或者22通过卫星导航系统向中心主站子系统20发送的信息，中心接收机输出接口单元将接收到的远端设备21或22的信息输出到中心站监测控制装置204，将中心站监测控制装置204的发送指令通过卫星导航系统发送到远端设备的终端子系统21或22。

中心站监测控制装置204通过通讯网络接收网络内所有时间同步时钟源发送的时间精度信息，与中心主站子系统20的时钟源进行比对，通过对时间的上行、下行控制实现全网时间的同步与控制，同时通过卫星导航系统的通讯网络实现对全网所有的同步时钟装置的通讯状态和性能的实时上报，以达到对各设备运行情况的监控。中心站监测控制装置204进一步包括中心站监测控制装置输入接口单元和中心站监测控制装置输出接口单元，其中中心站监测控制装置输入接口单元接收卫星共视接收机200输出的检测误差和中心接收机202输出的数据，中心站检测控制装置输出接口单元输出GIS地图显示和数据报表。

对于远端设备的终端子系统21或22来说(下面以终端子系统21为例)，进一步包括卫星同步主时钟210和从时钟212。其中卫星同步主时钟210能同时接收至少两种外部时间基准信号，其中一种应为无线时间基准信号，具有晶振或原子频标的内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息。而从时钟212能同时接收主时钟通过有线传输方式发送的至少两路时间同步信号，具有晶振或原子频标的内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息。

同样的，终端子系统22的卫星同步主时钟220和从时钟222也一样，在此不再赘述。

结合以上的结构，本实施例的全网时间同步系统的工作原理以及功能详述如下。

一、时间源检测：系统内置一高精度晶振，对GPS和北斗时间源进行逐秒检测。卫星时间源的特点在于存在由计算误差引起的抖动而无时间积累误差；晶振时间源的特点在于存在由材料老化引起的频率漂移和频率误差的时间积累，但抖动误差却很小。两者相互结合互为补充，可滤去GPS接收器超过±100ns的抖动，保证设备输出的稳定秒脉冲信号。同时保证时间信息的发送不会出现中断和缺秒现象。

二、双时间源对比：系统内置两套完全独立的卫星系统的接收器，即GPS接收和北斗接收，并随时比较两个系统的时间接收误差。因GPS和北斗系统的完全独立性，因此一旦一个系统出现故障，必然引起超差告警。

三、北斗共视对时：中心站的功能有两个方面：其一是中心站内设置GPS接收系统、北斗接收系统和高精度原子钟，可对GPS和北斗的卫星系统整体运行状况做出评估；其二是通过北斗通信功能可以与各地的时钟系统交换数据，完成对各地时钟的时间同步功能。

四、远程时钟状态监测：本地终端监测卫星完好性、设备各模块综合状态信息，并通过北斗短消息形式发回控制中心处理；主要有监测以下几个方面的信息：

(1)接收各地时钟的双时间源超差告警信号；

(2)接收各地时钟的GPS和北斗的卫星接收状态；

(3)接收各地时钟的GPS和北斗的时间接收状态；

(4)设备各模块的状态。

五、远程时间控制：控制中心通过北斗共视获得各终端时间精度信息，一旦超出告警范围，通过北斗短消息形式向终端发送时间调制指令，终端接收到该指令后通过移相器调整本地时间系统；控制中心也可发送北斗、GPS或其他时间源切换指令，终端根据该指令完成相应动作。控制指令包括：

(1)GPS与北斗时间源的切换；

(2)GPS与北斗时间源的精度补偿；

(3)汇报中心站信息频度控制。

六、时钟检测功能：本系统的时间源检测功能还可以用来对电力系统目前所使用的时钟进行检测。钟的检测主要分为两个方面，一是对秒脉冲的收敛程度进行检测，即测试1PPS的抖动，这能反映出一个卫星时钟的质量。另一方面是绝对误差的测试，即使用本系统为标准时间源与被测时间源进行对比，这主要是用来检测时钟的故障。

综合以上描述，中心站控制和双星系统以及时间源检测功能，该系统具备了误差过滤。精度调整，故障检测及维修指导等各项功能，可以有效地提高系统的保障强度，提高时间同步系统的可靠性，达到全网或全国的时间同步。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本实用新型的，本领域普通技术人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1、一种基于卫星共视的全网时间同步系统，其特征在于，包括：

中心主站子系统，包括：

卫星共视接收机，实现卫星的时间比对和共视计算，同时接收GPS和卫星导航系统的信号，通过北斗双星共视方式评估GPS和卫星导航系统的整体运行状况，实现对各时间源的误差检测；

中心接收机，实时接收远端设备的控制信息和时间源检测的误差信息，并通过北斗卫星导航系统向远端设备发送控制指令；

中心站监测控制装置，通过通讯网络接收网络内所有时间同步时钟源发送的时间精度信息，与中心主站子系统的时钟源进行比对，通过对时间的上行、下行控制实现全网时间的同步与控制，且通过北斗卫星导航系统的通讯网络实现对全网所有的同步时钟装置的通讯状态和性能的实时上报，以达到对各设备运行情况的监控；

终端子系统，包括：

卫星同步主时钟，能同时接收至少两种外部时间基准信号，其中一种应为无线时间基准信号，具有晶振或原子频标的内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息；

从时钟，能同时接收主时钟通过有线传输方式发送的至少两路时间同步信号，具有晶振或原子频标的内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息。

2、根据权利要求1所述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其特征在于，该卫星共视接收机进一步包括卫星导航系统时间源模块、GPS时间源模块和原子钟模块。

3、根据权利要求2所述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其特征在于，该卫星共视接收机还包括：

卫星共视接收机输入接口单元，接收1PPS秒脉冲信号、卫星导航系统时间信息、GPS时间信息和时间信息；

卫星共视接收机输出接口单元，输出卫星导航系统时间源和GPS时间源秒脉冲差值以及卫星导航系统时间源和原子钟时间源秒脉冲差值。

4、根据权利要求1所述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其特征在于，该中心接收机包括：

中心接收机输入接口单元，接收中心站监测控制装置的控制指令和远端设备通过北斗卫星导航系统向中心主站子系统发送的信息；

中心接收机输出接口单元，将接收到的远端设备的信息输出到该中心站监测控制装置，将该中心站监测控制装置的发送指令通过北斗卫星导航系统发送到远端设备。

5、根据权利要求1所述的基于卫星共视的全网时间同步系统，其特征在于，该中心站监测控制装置进一步包括：

中心站监测控制装置输入接口单元，接收该卫星共视接收机输出的检测误差和该中心接收机输出的数据；

中心站监测控制装置输出接口单元，输出GIS地图显示和数据报表。

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