城市轨道交通时钟系统参照.docx

系统知识汇编Compilation of system knowledge20XX系统知识·汇编整理时钟系统时钟系统是城市轨道交通运行的重要组成部分之一，其主要作用是为城轨工作人员和乘客提供统一的标准时间，并为其他各相关系统提供统一的标准时间信号，使各系统的定时设备与本系统同步，从而实现城轨全线统一的时间标准提供时间信息的时钟系统分为一级母钟系统与二级母钟系统，一级母钟系统安装在控制中心，二级母钟系统安装在各车站和车辆段，用以驱动分布在站（段）内的子钟显示正确的时间城轨时钟系统所采用的标准时钟设备，在输出时间信号的同时，亦输出为通信设备提供的时钟同步信号，使各通信节点设备能同步运行亦可另行配置通信综合定时供给系统（BITS），单独提供时钟同步信号如上所述，城轨同步系统分为两类：一类是基于协调世界时（UTC）组建的时间同步系统；另一类是用于数字通信设备的时钟同步系统（或数字同步系统）时间同步系统定时（例如每隔1s或1min）输出标准时间（年、月、日、时、分、秒、毫秒）信号；而时钟同步系统则输出高稳定度、连续的正弦波或脉冲信号第一节　时钟系统技术基础一、时间的概念一般来说，任何一个周期运动只要具有下列条件，都可以成为确定时间的基准。

·运动是连续的、周期的·运动的周期具有充分的稳定性·运动的周期必须具有复现性，即要求在任何地点与时间，都可以通过观察和实验复现这种周期运动最常用的时间系统有三大类：世界时、原子时与力学时力学时系统通常在天文学中使用，在这里不作介绍1．世界时系统世界时系统是以地球自转运动为基准的时问系统由于观察地球自转时所选择空间参考点的不同，世界时系统又有几种形式：恒星时、平太阳时和世界时以平子夜为零时起算的格林威治平太阳时称为世界时平太阳时是地方时，地球上各地点的平太阳时不同为了使用方便，将地球按子午线划分为24个时区，每个时区以中央子午线的平太阳时为该区的区时零时区的平太阳时即为世界时由于地球自转轴在地球内部的位置是不固定的（极移），而且地球自转速度是不均匀的，它不仅包含有长期减缓的趋势，还包含一些短周期的变化和季节性的变化因此世界时不是一个严格均匀的时间系统2．原子时系统（1）原子时原子秒定义为：铯原子133原子基态两个超精细结构能态间跃迁辐射的电磁振荡9192631770周所经历的时间，为1原子秒原点定义为1958年1月1日的世界时经过国际上100多台原子钟的相互对比，并经数据处理推算出统一的原子时，称为国际原子时。

2）协调世界时（UTC）原子时虽然是秒长均匀、稳定度很高的时间系统，但与地球自转无关世界时虽然不均匀，但与地球自转精密相关原子时的秒长与世界时的秒长不等，大约每年差1秒为了协调原子时与世界时的关系，建立了一种折中的时间系统，即为协调世界时（UTC）根据国际规定，协调世界时的秒长采用原子时的秒长，其累计时刻与世界时刻之差保持在0.9秒之内，当超过时，采用跳秒（闰秒）的方法来调整闰秒一般规定在6月30日或12月3 1日最后1秒时加入具体日期由国际时间局在两个月之前通知各国目前，世界各国发布的时间（包括中国的北京时间），均以UTC为基准3）GPS时间系统（GPST）为了定位的需要，全球定位系统（GPS）建立了专用的时间系统（GPST）GPST属原子时系统，秒长与原子时的秒长相同，但原点不同GPST原点定在1980年1月6日0时，与UTC时刻一致因此GPST与UTC．之间的差值为秒的整数倍，1999年差值为19秒由上可见，使用UTC作为基准时钟，具有最大的公信力而采用GPS接收机输出的ToD时间信息，获得精确的UTC及北京时间，又是最为经济、便捷的方法二、时钟同步技术在时钟同步系统中，时钟源的精度、时钟信号的传输方式和同步方式是同步技术中的关键部分，它们将直接影响到系统的精度。

1．时钟源的精度目前常见的时钟源有石英晶振、铯原子钟、铷原子钟等，它们可达到的精度为：（1）标准石英晶振：±2×10-2s/4 h；（2）铯原子钟：±1×10-6～s/1d；（3）铷原子钟：±3×10-3s/30d2．时钟信号的传输方式目前时钟信号传输的常用物理连接方式为：（1）RS－232/422串口是最常用的设备外接时钟接口；（2）VME总线用于工作站的时钟连接；（3）网络时间协议（NTP）用于计算机网络的时钟连接；（4）PCM用于时钟信号的远距离传输3．时钟信号的同步方式通常采用主从同步方式，由高精度的上级时钟去同步低精度的下级时钟，使下级时钟的精度与上级时钟接近同步电路一般采用数字锁相环电路三、时钟信号的格式目前常用的时钟信号的格式主要有IRIG、DCLS、ACTS、NTP等，它们的主要差别为传输介质与信号精度的不同1）IRIGIRIG是由IRIG（美国靶场仪器组）组织开发，目前分为A、B、C、D、E、F、G和H版本，较常用的是IRIG－B，其传输介质分为双绞线与同轴电缆，准确度为10－100μs2）DCLSDCLS是IRIG－B的一种特殊形式，无传输距离的限制，准确度为10～1000μs。

3）ACTSACTS是由美国国家标准和技术研究院提出，无传输距离的限制，准确度为10～1000μs4）NTP网络时间协议（NTP）属于标准的Internet协议，基于UDP报文用来在IP网中提供高精度与高可靠性的时钟信号传输目前网络中通用的时钟传递格式标准为1992年公布的：NTP版本3另外还有秒脉冲（PPS），虽然不属于标准的时钟信号格式，但它的应用十分广泛，通常使用同轴电缆传输四、全球定位系统（GPS）导航卫星定时测距全球定位系统简称全球定位系统（GPS）它是一种可以定时和测距的导航系统，可向舰船、飞机和车辆提供全球、全天候、连续、实时服务的高精度三维位置、三维速度和时间信息1994年7月美国完成目前在轨的24颗GPS导航卫星的发射GPS由空间系统（导航卫星星座）、地面监控系统和GPS接收终端三大部分组成1．空间系统（导航卫星星座）GPS空间系统在相对赤道倾斜角55°的6个轨道上部署了24颗卫星其中的21颗为主用的基本星，3颗为备用星，3颗在轨的备用星可以随时替代发生故障的其他卫星导航卫星设计寿命为7.5年，轨道距地面高度为20128 km，运行周期为12恒星小时GPS的卫星布局可确保覆盖全球，使用户在地平线10°以上的任何地点、任何时刻可以同时收到至少4（4～10）颗卫星的信号。

足以提供全球任一地点的移动或固定用户作连续实时的三维定位、导航GPS导航卫星上装备了无线收发信机、天线、铯原子钟（稳定度为10-13～10-14）、计算机、导航电文存储器每颗卫星以两个L波段频率发射无线电载波信号：L1=1575.42 MHz（波长约为19 cm）L2=1227.60 MHz（波长约为24 cm）在L1载波上测距用P码（Precise精搜索码，码长约30 m）和C/A码（Coarse/Acquisition粗搜索码，码长约300 m）P码只供美国军方与授权用户使用，C/A码供民用定位服务此外，在载波上还调制了50bit/s的数据导航电文，其内容包据：卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时问信息和星钟偏差/漂移等信息2．地面监控系统地面监控系统负责监控GPS的工作，是GPS系统的神经中枢，是保证GPS协调运行的核心部分地面监控系统由一个主控站、五个监控站和三个注入站（向卫星发射更新的导航数据）组成，内部各设有一组标准原子钟1）主控站主控站负责接收、处理来自各监控站跟踪数据完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，用以产生向空间卫星发送的更新导航数据这些更新数据送到注入站，利用S频段（1750～1850 MHz）向卫星发射。

由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约每天才更新一次2）监控站监控站为无人值守站，共有5个除主控站上的监控站外，监控站对卫星进行跟踪与测轨，以2200－2300 MHz频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站3）注入站3个注入站将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入卫星上的导航电文存储器中3．GPS接收终端GPS基本定位原理为：位于地面的GPS接收机检测GPS卫星发送的扩频信号，通过相关运算获取到达时间（ToA）信息并由此计算出卫星到接收机的距离，再结合卫星广播的星历信息计算卫星的空间位置，完成定位计算有3颗卫星时，若卫星与接收机钟差很小即可实视二维定位，4颗可见卫星可实现三维定位，更多的可见卫星可提高定位精度GPS接收机在全球任何地方，任何时刻均能接收到至少4颗卫星信号，终端可根据接收到多颗卫星的导航信息，计算出自己的三维位置（经纬度与海拔高度）、运动速度与方向以及精确的时间信息五、时钟的稳定度与精度以下讨论时钟稳定度与精确度（精度）的定义以及两者之间的关系时钟稳定度为一段时间内的时钟走时误差；时钟精度为该时钟与标准时间（我国为北京时间）之间的误差。

例如，有一块表若每天快慢在1s之内，则该表日稳定度为±1s/d，若每月快慢在5s之内，则月稳定度为±5s/月假设这块表的使用者每天对一次表（校时），则该表的精确度为±1s/d或±1s/月；若每月对一次表，则该表的精确度为±5s/d或±5s/月可见，时钟的精度取决于其稳定度和校正时间的频度时钟稳定度常用相对值来表示，例如：时钟日稳定度为±1s/d，可表为：1s/（24 h×60min×60s）=1.157×10-5；时钟月稳定度为±5/月可表为：5s/（30d×24h×60min×60s）=1.929×10-6时钟稳定度用相对值来表示时，通常前面省去±符号时钟稳定度值与测量的持续时间有关，可以有短期、日、月、年（长期）等稳定度，在不注明时间的情况下，一般为年稳定度当前，人们日常使用的电子钟、表，其驱动源均为晶体振荡器时钟走时的稳定度完全决定于驱动时钟振荡器的频率稳定度，即晶体振荡器的频率稳定度与时钟稳定度两者具有相同的值例如：某时钟驱动源的日频率稳定度稳定度为：1.157×10-5，则该时钟的走时日稳定度亦为1.157×10-5（±1s/d）若驱动源采用标称频率为1MHz晶体振荡器，则可以推算出驱动该时钟的晶振，每日频率变化小于±1.157×10-5×106Hz=±11.57Hz。

即该标称频率为1MHz晶体振荡器的日频率稳定度为1.157×10-5，精度为±11.57Hz/d（假设在开始测试时振荡器的实际频率等于标称频率）由上述讨论可见，时钟同步网与时间同步网的输出信号具有稳定度与精度两个要求时间同步网输出时间的精度是相对于基准时间（通常为UTC）的偏差；而时钟同步网输出时钟的精度是相对于标称频率的偏差六、锁相环路在时钟系统中通常采用多级主从同步法，即用较高稳度的上级时标（标准时间）振荡逐级同步较低稳定度的下级时标振荡，从而使全网时钟同步运行下级时钟对上级时钟的同步，目前通常采用锁相环路来完成1．锁相环路的基本原理锁相环路的功能是用一个基准振荡，去同步（锁定）一个频率稳定度低于基准振荡的受控振荡器，使受控振荡的频率稳定度等于基准振荡的频率稳定度该锁相环路由鉴相器、低通滤波器与压控振荡器（VCO）组成其输入基准振荡频率为Fi，初相为θi（t）；输出压控振荡频率为Fo，初相为θo（t），基本锁相环路框图如图8－1所示图8－1基本锁相环路框图为容易理解锁相环路的基本原理，这里只介绍同频锁相。