GPS授时系统编辑
GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。
中文名GPS授时系统
外文名GPS time transfer system
设备计算机、保护装置
机组分散控制系统(DCS)
目录
1前言
2简介
1前言
编辑
随着计算机和网络通信技术的飞速发展，火电厂热工自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。
使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一全厂各种系统的时钟，已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内的机组分散控制系统(DCS)、辅助系统可编程控制器(PLC)、厂级监控信息系统(SIS)、电厂管理信息系统(MIS)等的主时钟通过合适的GPS时钟信号接口，得到标准的TOD(年月日时分秒)时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到全厂的时钟同步。
2简介
编辑
一、GPS时钟及输出
1.1 GPS时钟
全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。
GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS 卫星信号就能保证时钟的走时准确性。
作为火电厂的标准时钟，我们对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。
1.2 GPS时钟信号输出
目前，电厂用到的GPS时钟输出信号主要有以下三种类型：
1.2.1 1PPS/1PPM输出
此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。
1.2.2 IRIG-B输出
IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位(P)，见图1.2.2-1。
为便于理解，图1.2.2-2给出了某个IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用BCD码表示，控制功能码(Control Functions，CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用，本例未采用)。
1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485输出
此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，下图为一个用17个字节发送标准时间的实例：
1.3电力自动化系统GPS时钟的应用
电力自动化系统内有众多需与GPS时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确定GPS时钟时应注意以下几点：
时间同步(目前通常做法)，则在DCS合同谈判前，就应进行专业间的配合，确定时钟信号接口的要求。(GPS时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块，如事先无法确定有关要求，则相应合同条款应留有可调整的余地。)
系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各专业如对GPS时钟信号接口型式或精度要求相差较大时，可各自配置GPS时钟，这样一可减少专业间的相互牵制，二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外，当系统之间相距较远(例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼)时，为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰，也可就地单设GPS时钟。分设GPS时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。
时钟同步接口可选时，可优先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B类编码的总称，具体按编码是否调制、有无CF和SBS等又分成多种(如IRIG-B000等)，故时钟接收侧应配置相应的解码卡，否则无法达到准确的时钟同步。
时钟同步。RS-232时间输出虽然使用得较多，但因无标准格式，设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。
时钟同步信号在网络中有较大的时延，也应考虑分别各自与GPS时钟同步。
TELEPERMXP时钟同步方式
这里以西门子公司的TXP系统为例，看一下DCS内部及时钟是如何同步的。
TXP的电厂总线是以CSMA/CD为基础的以太网，在总线上有二个主时钟：实时发送器(RTT)和一块AS620和CP1430通讯/时钟卡。正常情况下，RTT作为TXP系统的主时钟，当其故约40s后，作为备用时钟的CP1430将自动予以替代(实际上在ES680上可组态2块)CP1430作为后备主时钟)。见图2-1。
RTT可自由运行(free running)，也可与外部GPS时钟通过TTY接口(20mA电流回路)同步。与GPS时钟的同步有串行报文(长32字节、9600波特、1个启动位、8个数据位、2个停止位)和秒/分脉冲二种方式。
RTT在网络层生成并发送主时钟对时报文，每隔10s向电厂总线发送一次。RTT发送时间报文最多等待1ms。如在1ms之内无法将报文发到总线上，则取消本次时间报文的发送：如报文发送过程被中断，则立即生成一个当前时间的报文。时钟报文具有一个多播地址和特殊帧头，日期为从1984.01.01至当天的天数，时间为从当天00：00：00，000h至当前的ms值，分辨率为10ms。
OM650从电厂总线上获取时间报文。在OM650内，使用Unix功能将时间传送给终端总线上的SU、OT等。通常由一个PU作为时间服务器，其他OM650设备登录为是境客户。
AS620的AP在启动后，通过调用“同步”功能块，自动与CP1430实现时钟同步。然后CP1430每隔6s与AP对时。
TXP时钟的精度如下：
从上述TXP时钟同步方式及时钟精度可以看出，TXP系统内各进钟采用的是主从分级同步方式，即下级时钟与上级时钟同步，越是上一级的时钟其精度越高。
三、时钟及时钟同步误差
3.1时钟误差
众所周知，计算机的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，故时钟本身不可避免地存在着误差。例如，某精度为±20ppm的时钟，其每小时的误差为：(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)=72ms，一天的累计误差可达1.73s；若其工作的环境温度从额定25℃变为45℃，则还会增加±25ppm的额外误差。可见，DCS中的时钟若不经定期同步校准，其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。
随着晶振制造技术的发展，目前在要求高精度时钟的应用中，已有各种高稳定性晶振体可供选用，如TCXO(温度补偿晶振)、VCXO(压控晶振)、OCXO(恒温晶振)等。
3.2时钟同步误差
如果对类似于TXP的时钟同步方式进行分析，不难发现时钟在自上而下的同步过程中产生的DCS的绝对对时误差可由以下三部分组成：
3.2.1 GPS时钟与卫星发射的UTC(世界协调时)的误差
这部分的误差由GPS时钟的精度所决定。对1PPS输出，以脉冲前沿为准时沿，精度一般在几十ns至1μs之间；对IRIG-B码和RS-232串行输出，如以中科院国家授时中心的地钟产品为例，其同步精度以参考码元前沿或起始相对于1PPS前沿的偏差计，分别达0.3μs和0.2ms。
3.2.2 DCS主时钟与GPS时钟的同步误差
DCS网络上的主时钟与GPS时钟通过“硬接线”方式进行同步。一般通过DCS某站点内的时钟同步卡接受GPS时钟输出的标准时间编码、硬件。例如，如在接受端对RS-
232输出的ASCII码字节的发送延迟进行补偿，或对IRIG-B编码采用码元载波周期计数或高频销相的解码卡，则主时钟与GPS时钟的同步精度可达很高的精度。
3.2.3 DCS各站点主从时钟的同步误差
DCS主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步，其间存在着时钟报文的发送时延、传播时延、处理时延。表现在：(1)在主时钟端生成和发送时间报文时，内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等；(2)在时间报文上网之前，还必须等待网络空闲(对以太网)，遇冲突还要重发；(3)时间报文上网后，需一定时间通过DCS网络媒介从主时钟端传送到子时钟端(电磁波在光纤中的传播速度为2/3光速，对DCS局域网而言，传播时延为几百ns，可忽略不计)；(4)在从时钟端的网络通信接口确认是时间报文后，接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些时延或多或少地造成了DCS主从时钟之间、从从时钟之间的时间同步误差。
当然，不同网络类型的DCS、不同的时钟通信协议和同步算法，可使网络对时的同步精度各不相同，上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上，随着人们对网络时钟同步技术的不懈研究，多种复杂但又高效、高精确的时钟同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如，互联网上广为采用的网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)在DCS局域网上已能提供±1ms的对时精度(如GE的ICS分散控制系统)，而基于IEEE1588的标准精确时间协议(Standard Precision Time Protocol，PTP)能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。
四、时钟精度与SOE设计
虽然DCS的普通开关量扫描速率已达1ms，但为满足SOE分辨率≤1ms的要求，很长一段时间内，人们都一直都遵循这样的设计方法，即将所有SOE点置于一个控制器之下，将事件触发开关量信号以硬接线接入SOE模件，其原因就在于不同控制器其时钟存在着一定的误差。关于这一点，西门子在描述其TXP系统的FUN B模件分散配置的工程实际情况来看，由于时钟不能同步而无法做到1ms SOE分辩率，更有甚至因时钟相差近百ms，造成SOE事件记录顺序的颠倒。
那么，如何既能满足工程对于SOE分散设计的要求(如设置了公用DCS后，机组SOE 与公用系SOE应分开，或希望进入控制器的MFT、ETS的跳闸信号无需经输出再返至SOE模件就能用于SOE等)，又不过分降低SOE分辨率呢?通过对DCS产品的分析不难发现，通常采用的办法就是将控制器或SOE模件的时钟直接与外部GPS时钟信号同步。例如，在ABB Symphony中，SOEServerNode(一般设在公用DCS网上)的守时主模件(INTKM01)接受IRIG-B时间编码，并将其产生的RS-485时钟同步信号链接到各控制器(HCU)的SOE时间同步模件(LPD250A)，其板载硬件计时器时钟可外接1PPM同
步脉冲，每分钟自动清零一次；再如，MAX1000+PLUS的分散处理单元(DPU 4E)可与IRIG-B同步，使DPU的DI点可同时用做SOE，由于采用了1PPM或RS-485、IRIG-B 硬接线时钟“外同步”，避开了DCS时钟经网络同步目前精度还较差的问题，使各受控时钟之间的偏差保持在较小的范围内，故SOE点分散设计是可行的。
由此可见，在工程设计中应结合采用的DCS特点来确定SOE的设计方案。不可将1ms 的开关量扫描速率或1ms的控制器(或SOE模件)时钟相对误差等同于1ms的SOE分辨率，从而简单地将SOE点分散到系统各处。同时也应看到，SOE点“分散”同“集中”相比，虽然分辨率有所降低，但只要时钟相对误差很小(如与1ms关一个数量级)，还是完全能满足电厂事故分析实际需要的。
GPS授时系统的特点：
1．时间精度高，达30nS。
2．守时精度高。装置内部守时单元采用了先进的时间频率测控技术与智能驯服算法，晶体选用高精度恒温晶体振荡器，使装置守时准确度优于7*10-9(0.42μS/分钟)，即在外部时间基准异常的情况下，每天时钟走时误差不超过0.6mS。
3．支持单GPS、单北斗、双GPS、双北斗、 GPS/北斗双系统卫星接收机配置。
4．应用GPS授时技术/北斗授时技术/B码基准解码接收技术/高稳晶体振荡器守时技术授时，实现多基准冗余授时，能够智能判别GPS信号、北斗信号、外部B码时间基准信号的稳定性和优劣，并提供多种时间基准配置方法。
5．采用精准的测频与“智能学习算法”，使守时电路输出信号与GPS卫星/北斗卫星信号/IRIG-B时间基准保持精密同步，消除因晶体振荡器老化造成的频偏带来的影响。
6．具有外部时间基准信号时延补偿功能，能够补偿外部时间基准信号（IRIG-B）的传输延时，从而保证了时间基准信号的精度。
7．由于装置输出的1PPS等时间信号是内置振荡器的分频秒信号输出，同步于GPS/北斗系统但并不受GPS/北斗秒脉冲信号跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的复现。
8．GPS授时系统采用双电源冗余供电，并选用高性能、宽范围开关电源，工作稳定可靠，装置电源供电自适应。（按订货技术协议配置，缺省为单电源。）
9．机箱经防磁处理，抗干扰能力强。
10．GPS/北斗接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计，信号接收可靠性高，不受电厂/变电站地域条件和环境的限制。
11．装置可输出一路特殊的供主时钟间互联的IRIG-B（DC）码信号，该信号作为互联主时钟的“后备”外部时间基准，当主时钟的“主”外部时间基准故障时，该信号停止输出。消除当主时钟互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。
12．装置具有自复位能力，在因干扰造成装置程序出错时，能自动恢复正常工作。
13．装置所有输入、输出信号均电气隔离，抗干扰能力强。
14．装置的某一路输出信号短路，不会影响其它输出信号。
15．装置的某一路输出信号允许短路5分钟以上，不会造成对该输出回路的永久性损坏。
16．装置前面板有“电源指示”灯、“秒脉冲指示”灯、“GPS/北斗信号输入”灯、“B码信号输入”灯、“GPS/北斗信号输入异常”灯、“B码信号输入异常”灯多种工作状态指示，便于运行值班人员的日常巡视。
17．装置有电源中断告警、GPS/北斗失步告警、外部“B码输入”（后备时间基准）消失告警多路报警（继电器空接点）信号输出，可接入电厂/变电站内的监控系统，在线监控装置的运行状况。
18．装置可通过数码管显示跟踪到的有效卫星个数，直观地反映装置的收星状况。
19．装置提供一路可编程的TTL脉冲信号（1PPS/1PPM/1PPH）供时钟的准确度指标测试。
20．GPS授时系统采用全模块化即插即用结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活，维护方便。为将来其它信号基准源(珈俐略卫星信号、上游地面链路的DCLS信号、PTP、NTP时间基准信号等) 的接入提供了方便，为今后建设三网合一的数字同步网打下基础。同时为将来现场改造扩建时增加或更改对时信号接口提供了方便。
21．装置不仅实现了板卡全兼容，还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台，具备优异的兼容能力。装置可提供多路脉冲信号（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信号（TTL、422、232、AC、光）、DCF77信号（有源、无源）、时间报文（RS232、RS422/485、光）、PTP、NTP/SNTP网络时间信号，可以满足电厂/变电站内不同设备的对时接口要求。
22．完善的北斗和GPS信号的性能监测，自动或手动选择主用卫星信号。支持本地和远程网管，通过WEB方式对设备进行远程管理，完成对设备的卫星接收状况、设备工作状态、参数设置等信息进行管理。
GPS授时系统详细参数：
1．时间源：GPS、北斗、CDMA、IRIG-B、恒温晶振OCXO、原子钟可选；
2．电源：220V/110V交、直流自适应,双电源冗余；
3．GPS接收频率：1575.42MHz,接收灵敏度：捕获〈-160dBW，跟踪〈-163dBW。捕获时间：装置冷启动时，〈5min；装置热启动时，〈1min。正常状态下可同时跟踪8～12颗GPS卫星；装置冷启动时不小于4颗卫星；装置热启动时不小于1颗卫星。内部电池：电池类型：锂电池；电池寿命：≮25000h。
4．北斗接收器：通道：6；接收机灵敏度：-157.6dBW；冷启动首捕时间：≤2秒；失锁重捕时间：≤1 秒；1PPS精度：优于100nS。
5．平均无故障间隔时间(MTBF)≥150000小时；平均维修时间（MTTR）：一般不大于30分，使用寿命不少于20年。正常使用条件下无须维护。
6．GPS授时系统授时精度：脉冲、B码：0.1μS，串口：10μS ，NTP/SNTP：1-
10ms；
7．时间保持单元守时精度：时间保持单元晶体振荡器选用OCXO，守时精度优于
7*10-9(0.42μS/min)。
8．绝缘电阻：≮20MΩ。
9．功耗：≤20 W。
10．天线长度标配30m,可选50、60、70、80、100、120、150、200米。
11．外形尺寸：1U/2U、19英寸标准机架式机箱。
五、结束语
5.1 目前火电厂各控制系统已不再是各自独立的信息孤岛，大量的实时数据需在不同地方打上时戳，然后送至SIS、MIS，用于各种应用中。因此，在设计中应仔细考虑各种系统的时钟同步方案和需达到的时钟同步精度。
5.2 在DCS设计中不仅要注意了解系统主、从时钟的绝对对时精度，更应重视时钟之间的相对误差。因为如要将SOE点分散设计的同时又不过分降低事件分辨率，其关键就在于各时钟的偏差应尽可能小。
5.3 完全有理由相信，随着网络时钟同步技术的不断发展，通过网络对系统各时钟进行高精度的同步将变得十分平常。今后电厂各系统的对时准确性将大大提高，像SOE点分散设计这种基于高精确度时钟的应用将会不断出现。
GPS/北斗光纤拉远授时系统有效解决TD-SCDMA基站选址难题 中国移动建设运营的第三代移动通信TD-SCDMA-SCDMA网络是严格要求同步的 TD-SCDMAD系统，目前基站的时间同步由单一GPS授时系统实现。传统GPS授时系统， 由于拉远距离、工程施工和抗干扰能力等受限因素，限制了TD-SCDMA系统采用BBU+RRU 光纤拉远分布式基站的优势发挥，在TD-SCDMA站址选择日益困难的现状下，进一步加剧 基站选址的难度，已经成为TD-SCDMA站址选址的瓶颈。 在TD-SCDMA网络工程建设中，TD-SCDMA站址选择成为基站建设的重点问题，需主 要克服以下几点：首先，GPS天线与基站BBU侧的接收机通过射频馈线连接，射频馈线较 粗而且韧性差不易弯曲，其工程施工的难度限制了BBU与天面的拉远距离，极大地降低了BBU机房选址的灵活性；其次，射频馈线的信号衰减性限制了GPS射频信号的传输距离，拉远距离为百米之外就需要增加线路补偿放大器，加装放大器既增加了故障维护点又加大了施工难度，进一步加大新增站址的BBU机房选址灵活性；另外，GPS卫星系统属于美国军方，将使TD-SCDMA系统的正常运行受制于人，非常情况下，卫星系统一旦关闭或受干扰，TD-SCDMA系统将工作紊乱和瘫痪，整网安全存在很大隐患。 在TD-SCDMA网络建设过程中，GPS授时系统的替代解决方案一直是中国移动研究的 课题之一，大唐移动与中国移动持续加强创新合作，面对网络工程建设中的实际问题，推出了GPS/北斗双模一体化光纤拉远授时系统解决方案。该方案采用GPS/北斗双模一体化设计，相比传统GPS授时系统在拉远距离、工程实施、抗干扰能力、美化天面外观、安装维护便 捷性等方面有明显的优势，可实现TD-SCDMA系统天线和GPS/北斗天线的共抱杆安装，给GPS/北斗天线布放及基站选址提供了极大的灵活性，有效解决了网络建设中的基站选址难题，满足运营商快速建网的需求。 GPS/北斗光纤拉远授时系统解决工程施工难题 针对传统GPS单一授时系统普遍存在的传输距离受限、施工困难、易受干扰及安全隐 患的问题，为适应更广泛的布站场景，本方案采用GPS/北斗双模一体化设计，并且采用光 纤拉远的方法有效解决工程施工中传输距离受限和施工困难的难题。一体化GPS/北斗光纤 拉远授时系统方案，就是在天面部分将GPS/北斗天线与接收机进行一体化设计，接收机输 出的PPS与TOD信息通过光纤拉远的方法传输给基站机房内的BBU，BBU时钟恢复模块恢复PPS和TOD信息，并且传送到BBU需要同步的模块。基站设计不再需要考虑接收机的类型（GPS/北斗）、型号、厂家、尺寸等一系列问题，只需要基站和拉远接收机有相同的标 准接口和时间传输机制（如图1所示）。
#include "reg52.h" #define LEDPORT P0 sbit D1=P3^4; sbit D2=P3^5; sbit D3=P3^6; sbit D4=P3^7; sbit LED=P2^5; sbit CLK=P2^1; sbit IO=P2^2; sbit RST=P2^3; sbit ACC0=ACC^0; sbit ACC7=ACC^7; unsigned char flash; unsigned char dp=0xff; bit rev_start,rev_stop; unsigned char code tab[]={0xA0,0xBE,0x64,0x2C,0x3A,0x29,0x21,0xBC,0x20,0x28,0xff};//数码管码表 unsigned char buf[80]; //请把GPS那货发来的数据放到我的肚子里 void TimerInit() { TMOD=0x21; TH0 = 0xF1; //4ms左右 TL0 = 0x9A; EA=1; ET0=1; TR0=1; SCON = 0x50; //使用串行工作方式1，10位异步收发8位数据，波特率可变（由T1的溢出率控制） TH1 = 0xFD; //9600波特率的初值 TL1 = TH1; //9600波特率的初值 ES = 1; TR1 = 1; } void inputbyte(unsigned char ucDa) { unsigned char i; ACC = ucDa;
for(i=8; i>0; i--) { IO = ACC0; //相当于汇编中的RRC CLK = 1; CLK = 0; ACC = ACC >> 1; } } unsigned char outputbyte(void) { unsigned char i; for(i=8; i>0; i--) { ACC = ACC >>1; //相当于汇编中的RRC ACC7 = IO; CLK = 1; CLK = 0; } return(ACC); } /******************************************************************** * * 名称: v_W1302 * 说明: 先写地址，后写命令/数据 * 功能: 往DS1302写入数据 * 调用: v_RTinputbyte() * 输入: ucAddr: DS1302地址, ucDa: 要写的数据 * 返回值: 无 ***********************************************************************/ void write(unsigned char ucAddr, unsigned char ucDa) { RST = 0; CLK = 0; RST = 1; inputbyte(ucAddr); //地址，命令 inputbyte(ucDa); //写1Byte数据 CLK = 1; RST =0; } /******************************************************************** * * 名称: uc_R1302
基于ARM的GPS同步授时系统设计 摘要：基于国际航海标准NMEA-0183为数据协议，以保证电力系统精准授时为目的，通过ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模块NEO-5Q为核心控制数据采集和传输，实现了GPS同步授时的设计方案。系统采用GPS接收模块接收卫星发送的标准数据串，通过微控制器对GPIRMC最小定位信息中的时间数据进行筛选和处理，最后经上位机授时软件对本地计算机进行成功校时，保证了系统的可行性。 关键词：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS 时间同步在工业应用中是十分重要的基础工作，特别是对时间要求较高的电力系统。近年来，电力系统大多采用不同厂家的计算机监控系统、谐波分析系统、故障录波装置、微机保护、电能质量计费系统等，时间数据大多是设备提供自己独立的时钟，而时钟因产品质量差异，在对时精度上都会有一定的偏差，从而使整个系统不能在统一的时间基础上进行数据的分析和比较，给事故后采取正确的故障分析判断带来很大的困难。 由于电力系统传统的时间同步方法只能保证全系统时钟误差在毫秒级，很难达到目前要求的精度。GPS同步授时系统具有授时精度高、范围广、可靠性高全天候且又不受各种干扰影响的特点，因此，采用GPS同步授时系统比采用传统的时钟设备有着明显的优势，并且可广泛应用于对时统精度较高的行业中。 1 GPS同步授时系统原理 如图1所示，整个系统以Cortex-M3为内核的ARM微处理器 STM32f103rbt6为核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS数据接收模块接收卫星数据，微处理器从卫星数据中提取标准UTC时间码同时将其转换成标准北京时间码传输给本地计算机，最后由上位机授时软件对本地计算机进行校时，完成授时过程。 1．1 ARM微处理器STM32f103rbt6 STM32f103rbt6是意法半导体公司一款基于Conex-M3内核的32位微控制器，它主要应用于智能仪表、变频器、工控网络、高端家电和操作界面等领域。STM32f103系列微控制器开发简单，有丰富的语句代码库，与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35％且代码最多可省45％。综合考虑选用了此款微控制器为本系统的核心。 该微控制器特点如下： 1)Cortex-M3内核、哈佛总线结构(可达90 DMIPS)； 2)20 K字节的SRAM，128 K字节的Flash；主频72 MHz，可在系统编程； 3)带唤醒功能的低功耗模式、内部RC振荡器、内置复位电路； 4)在待机模式下，典型的耗电值仅为2μA，非常适合电池供电的应
GPS卫星授时器常用的同步方式 关键词：卫星授时,GPS卫星授时器 卫星授时是通过导航卫星来进行发播或转播标准时间信号的授 时手段。凭借授时成本低，精度高，实现简单等特点获得广泛的应用。目前常用导航卫星有中国的北斗导航系统和美国的GPS。卫星授时与定位是结合在一起的，一般用户在获得自身精确定位基础上即可实现精确授时。 GPS卫星授时器一般由天线、射频单元、信号处理单元、数据处理单元和输出接口单元组成。 目前GPS卫星授时器有多种时间同步接口标准实现时间的传递。对于广域分布式网络而言，采用卫星授时接收机得到标准时间后，需要将这个时间发布给系统的每个部分。 常用的时间同步接口有时间编码，典型的时间码如IRIG-B码，有直流码和交流码之分。交流码（AC）信号是进行了调制，传输距离较远。在短距离内也常用到时间报文接口，通过RS232串口传递时间。光纤优于不受电磁干扰，目前也成为常用的时间传递手段。 NTP网络时间同步采用网络协议来实现计算机的时间同步，目前得到越来越广泛的应用。通过网络上确定若干网点作为时钟源网站，以此来为实现与UTC时间的同步，为用户提供统一、标准的时间传递服务。互联网上时间同步的复杂性，这一点在NTP时间协议设计的最开始就考虑到了，做了专门的处理。因此目前在实际应用当中当时钟源有效的情况下可以实现时间的校正跟踪，假如发生网络故障的情况
下也依然能维持时间的稳定。保证网络在一定时间内保持精准的时间同步，因此采用基于UDP/IP的层次式时间分布模型的NTP机制可满足不同的互联网环境。推荐的相关gps卫星授时器型号为SYN2151型。 随着对时间同步精度要求的提高，ntp网络授时ms级别精度在许多对同步精度要求更高的领域已经无法满足需求。这种情况IEEE 1588 PTP受到许多用户的关注，PTP的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”。以SYN2411型IEEE1588主时钟为例，ptp授时精度高，可达到ns级别但是必须有硬件电路支持才可以使用需要主从搭配。ptp协议里面有两种对时方式，一种是mac方式，一种是udp模式，精度是一样的，常用的是udp模式。 时间报文是指由授时设备在接收到基准时间源后对时间信息进 行提取校正并按照一定格式输出的时间信息。例如SYN2306C型GPS 北斗授时导航接收机，时间报文一般与秒脉冲结合在一起使用，其授时原理如图所示，一般报文信息在秒脉冲脉冲后某一个时间间隔内输出，报文消息中包含了秒脉冲对应的时刻，秒脉冲的上升时间一般小于5ns，利用秒脉冲精度的上升沿可提供数ns级的授时精度。 目前时间报文中NEMA协议应用最为广泛，NEMA协议中与时间有关的命令主要有GGA、GLL、RMC等命令。 本文章版权归西安同步所有，尊重原创，严禁洗稿，未经授权，
多模GNSS高精度授时在电力系统中的应用分析 孙晓波李冶天 （黑龙江电力调度通信中心，黑龙江哈尔滨150090）） 摘要:分析了电力系统对高精度同步时钟需求以及全球导航卫星系统（GNSS）应用的可行性, 给出多模GNSS授时装置的架构，举例分析GNSS高精度授时技术在电压相角测量、输电线路故障定位中的应用，其对于推动电力系统时间同步技术的发展具有重要的意义。 关键词:GNSS、电力系统、高精度、授时 Multi-Mode GNSS High Precision Time Service Device Application Analysis in Power System. SUN Xiaobo, LI Yetian (Heilongjiang Electric Power Dispatch Communication Center,Harbin 150090) Abstract:：The paper analyzed the need for high precision synchronous clock and the application feasibility of Global Navigation Satellite System in power system, gave the framework of Multi-mode time service device based on GNSS, analyzed the application of high precision time service in voltage phase measurement and fault location of transmission line, showed its signification in pushing development of time synchronization technique in power system. Keyword: GNSS, power system, high precision, time service 我国电力系统是以超高压输电、大机组和自动化为主要特征的现代化大电网。我国电力系统的运行实行分层控制，电力系统设备的运行往往要靠几十公里甚至数百公里外的调控中心指挥。电力系统运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些都需要统一的、精确的时间基准。为保证电网安全、经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置广泛应用，如调度自动化系统、故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、变电站计算机监控系统、火电厂机组自动控制系统、雷电定位系统等等，这些自动化装置都需要统一的时间基准，这是保障设备安全运行和管理的重要基础。这些装置的正常工作和作用的发挥，同样离不开统一的电力系统的时间基准。 1 电力系统对高精度同步时钟需求分析 随着电力系统规模的日益增大，电力系统的安全、稳定、可靠运行对时间的基准同一性、同步性及精度要求也在进一步提高，在电厂、变电站及调控中心等建立专用的时间同步系统已经显得十分迫切和必要。电网对时间同步的迫切需求主要体现在电网调度、电网故障判断等与电力生产直接相关的自动控制领域。同时，随着数字电网建设的加快,一些新的系统,如电网预决策分析系统对时间同步的需求更迫切。电力自动化设备(系统) 对时间同步精度有不同的等级要求 ,大致分为以下4 类[1-4]: 1) 时间同步准确度不大于1 μs :包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。 2) 时间同步准确度不大于 1 ms :包括故障录波器、SOE 装置、电气测控单元/ 远程终端装置(RTU) / 保护测控一体化装置等。 3) 时间同步准确度不大于10 ms :包括微机保护装置、安全自动装置、馈线终端装置( FTU) 、变压器终端装置( TTU) 、配电网自动化系统等。 4) 时间同步准确度不大于1 s :包括电能量采集装置、用电监控终端装置、电气设备在
GPS授时系统设计 摘要：使用GPS25一LVS OEM板(接收机)接收卫星信号，通过串口异步通信把数据传送给89C51单片机，单片机通过并口控制LED显示，从而实现GPS准确授时．同时，介绍了GPSOEM板输出的数据形式，并采用NMEA_0183格式中最常用的“$GPGGA”格式输出，由“$G —PGGA”数据输出格式可编写出相关的接收程序． 关键词：GPS授时；0EM板；秒脉冲 0 引言 时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展．人们对时间精度的要求也越来越高．天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到9 10-．因此“原子钟”广 10-，“原子钟”精度可达12 泛运用到精密测量和日常生活、生产领域．GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号，然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间，由此可制作出GPS精密时钟．目前已有专门用于授时的授时型接收机，可以提供ns级的精确时间，但由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及．本文采用具有定时功能的GPS 0EM板的串口输出的协调世界时进行授时，可提供经济、实用、准确的公众时间，避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便．． 0.1 GPS系统简介
1973年12 月，美国国防部组织陆海空三军联合研制新一代的卫星导航系统：“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称 GPS。原系美国国防部军事系统中的一个组成部分，现已广泛应用于航海、航天、测量、通信、导航、智能交通等诸多领域。它是新一代精密卫星定位系统，是现代科学技术迅速发展的结晶。 GPS 是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可连续、实时地为无限多用户提供。由于 GPS 定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而己成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。这个系统向全球范围内的用户提供高精度的三维位置和精密时间信息。 0.2 GPS系统的组成 GPS 系统主要由 3 大部分组成，即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分（图 0-1）。 图 0-1 GPS 系统的组成 （1）、空间星座部分
GPS授时系统编辑 GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。 中文名GPS授时系统 外文名GPS time transfer system 设备计算机、保护装置 机组分散控制系统(DCS) 目录 1前言 2简介 1前言 编辑 随着计算机和网络通信技术的飞速发展，火电厂热工自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。 使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一全厂各种系统的时钟，已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内的机组分散控制系统(DCS)、辅助系统可编程控制器(PLC)、厂级监控信息系统(SIS)、电厂管理信息系统(MIS)等的主时钟通过合适的GPS时钟信号接口，得到标准的TOD(年月日时分秒)时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到全厂的时钟同步。 2简介 编辑 一、GPS时钟及输出 1.1 GPS时钟
全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。 GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS 卫星信号就能保证时钟的走时准确性。 作为火电厂的标准时钟，我们对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。 1.2 GPS时钟信号输出 目前，电厂用到的GPS时钟输出信号主要有以下三种类型： 1.2.1 1PPS/1PPM输出 此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。 1.2.2 IRIG-B输出 IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位(P)，见图1.2.2-1。 为便于理解，图1.2.2-2给出了某个IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用BCD码表示，控制功能码(Control Functions，CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用，本例未采用)。 1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485输出 此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，下图为一个用17个字节发送标准时间的实例： 1.3电力自动化系统GPS时钟的应用
gps授时系统的应用 将局域网上各种需要同步时钟的设备的时间信息基于GPS时间 偏差限定在足够小的范围内，这种时钟系统便就叫做GPS授时系统。有源同步和无源同步 任何时间应用系统都应该具有维持时间增长和缩减，该应用系统的用户获取时间的事实上已经成为世界上大多数时间应用系统的基 本唯一途径就是访问系统的时间保持体系该时间保时间标准，用户计算机内部的时间同步必须与有源实践同步，即必须引访问系统时间保持体系的过程就是用户将自己的时入GPS的时间信号才显得有绝对的意义，在这里，我钟与内部时间基准同步的过程。由于该系统的内部们将计算机网络中能够起到维持时间增长、保持时间时间基 准与外部时间没有关联，同步过程仅限于内稳定的体系称之为时间服务器部。所以，我们可称之为无源同步或相对同步。 世界协调时与国际原子时保持一致，国际时间管理局将分布在世界25个国家的10多个原子时标经过加权平均以后得到的时间，并且，世界所有官方的标准时间系统都遵从UTC的跳秒。 UTC时间被称为绝对标准时间，用于研究时，同时也被称为自然的物理时间。GPS信号中的高精密时间信号主要由每颗卫星上装载的两个艳原子钟和两个铆原子钟来维持，并且通过地面控制站与UTC保持同步。GPS的时间信号事实上已经成为世界上大多数时间应用系统的基本时间标准，所以研究计算机网络的时间同步必须研究有源同步，即必须引入GPS的时间信号才显得有绝对的意义，在这里，我们
将计算机网络中能够起到维持时间增长、保持时间稳定的体系称之为GPS授时系统。 时间传递方法 从GPS到时间服务器的传递 从GPS将PTS信号通过计算机网络时间服务器传递到网络时间客户单元必须经过两个步骤:即先从GPS到时间服务器的直接时间传递,和从时间服务器到时间客户单元的网络协议传递。 直接时间传递技术主要包括3种类型6种方式第1种类型是编码型,主要有串行口RS232C时间编码和IRIG一B时统编码两种方式。 其共同特征是将年月日时分秒毫秒等时间信息以二进制、BCD或者ASCll编码方式定义到被传递的电平位和字节中去通常以异步方式传递,连接使用标准接口,使用相对方便简洁。 第2种类型是脉冲型,主要有1pps，lppm，lpph种方式,它们都是周期脉冲定时信号,这些脉冲信号都有着固定的上升沿宽度和脉冲宽度要求,并且其上升沿都严格与UTC保持优于lus的同步准确度。 第3种类型是频率参考信号,往往是一种伴生调制信号。 gps授时系统产品 GPS授时系统在先有的时钟服务器的基础上，又大幅度提高授时系统的各项性能指标，使得减少故障率及提高工作效率。基本上完全可以和国外先进的GPS授时系统相媲美。 GPS授时系统接收GPS卫星和北斗卫星授时时间信号，将标准UTC 时间信息通过网络传输，为网络设备提供精确、标准、安全、可靠和
第37卷第9期电网技术V ol. 37 No. 9 2013年9月Power System Technology Sep. 2013 文章编号：1000-3673（2013）09-2621-05 中图分类号：TM 734 文献标志码：A 学科代码：470·4054 用于智能电网建设的北斗/GPS 高精度授时方案关键技术 赵东艳，原义栋，石磊，张海峰 （北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京市海淀区 100192） Key Technology in Beidou/GPS High-Precision Time Service Scheme for Smart Grid Construction ZHAO Dongyan, YUAN Yidong, SHI Lei, ZHANG Haifeng (Beijing NARI Smart Chip Microelectronics Co., Ltd., Haidian District, Bejing 100192, China) ABSTRACT: To effectively ensure the precision of time reference of the whole grid and gradually gets rid of the dependence of smart grid operation on global positioning system (GPS), based on GPS, the first and the second generation of Beidou navigation system a tri-mode dual-channel high-precision time service scheme that can be used to the construction of smart grids is proposed, and the SOC chip implementation for the proposed time service scheme is put forward, by which not only the potential safety hazard can be eliminated, but also the troubles in product volume and cost can be effectively resolved. In the viewpoint of hardware implementation, the feasibility and advancement of the proposed high-precision time service scheme as well as the prospect of applying it in smart grids are analyzed. According to present operation situation of the second generation of Beidou system and complex application environment of power grids, in the proposed time service scheme the relatively matured first generation of Beidou navigation system is used as the main clock source, meanwhile it is compatible with GPS and the second generation of Beidou navigation system, therefore the dual-channel time service mode, by which the time service by GPS and the first and the second generation of Beidou navigation system can be independently performed, is implemented, and the time base of time service in the two channels can be combined and resolved. The time service accuracy of the proposed scheme can reach up to 15ns, namely 1σ, and the time accuracy can reach up to 1μs/h, and thus the proposed high-precision time service scheme can completely satisfy the demand of smart grid construction. KEY WORDS: smart grid; Beidou navigation system; GPS; time service 摘要：为有效保障智能电网全网时间基准的精度，并逐渐摆脱电网运行对全球定位系统(global positioning system，GPS)的依赖性，提出了可用于智能电网建设的基于北斗一代系统、北斗二代系统、GPS系统的三模双通道高精度授时方案，提出了该授时系统的SOC芯片实现方案，不但可以消除安全隐患，而且可以有效解决产品成本和体积的问题。从硬件实现的角度分析了高精度授时方案的可行性、先进性及其在智能电网中的应用前景。该授时方案针对北斗卫星导航系统运行现状和电力系统复杂的应用环境，采用较成熟的北斗一代作为主时钟源，同时兼容北斗二代和GPS，可实现北斗一代系统、北斗二代系统和GPS系统独立授时的双通道运行方式，且各通道授时时基可实现组合解算，授时精度最高可达15 ns(1σ)，守时精度可达1 μs/h，完全可以满足智能电网建设的需求。 关键词：智能电网；北斗系统；GPS；授时 0 引言 随着电网系统的大区域互联[1]和广域动态测量系统(wide area measurement system，WAMS)[2]的逐步建立，基于广域同步采样数据可切实提高继电保护装置、故障测距装置、变电站一次设备状态监测装置、安全稳定控制系统、WAMS系统算法的准确性和应用的广泛性[3]。而同步相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)[4]作为广域动态测量系统的核心终端装置，测量精度较高，并且其采样基于广域同步时钟，要求各类装置和系统基于统一的时间基准运行，以确保线路故障测距以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性[5-6]。 随着北斗卫星导航系统的建设与完善，基于北斗系统开展在电力系统授时方面的应用已是大势所趋。目前在电力应用领域中的授时产品主要以全球定位系统(global positioning system，GPS)[7]和北斗一代系统为主。GPS系统由美国军方控制，对于国家安全存在巨大隐患；北斗一代系统虽然可实现 DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2013.09.006
一种基于改进型NTP的高精度网络授时方法 摘要：本文介绍了网络时间协议的基本工作原理，简要分析了在网络路径对称和不对称两种情况下的网络时延问题。本文结合最小二乘法，提出一种改进型ntp算法，先对信息包进行总时延计算，将大于阈值的信息包过滤掉，将合格的信息包进行累积，采用最小二乘法进行时差和时延估算，将互联网上时间同步精度提高到 10~1ms量级。 关键词：网络时间协议最小二乘法网络授时 中图分类号：tp393.04 文献标识码：a 文章编号： 1007-9416(2012)02-0123-03 1、概述 随着internet和电子信息技术的快速发展,电子商务、电子政务等高时间约束业务对时间同步的要求越来越严格,其中计算机对信息的处理和传送起着关键的作用。通常，计算机的时钟精度很低,一天内就有几秒钟甚至几分钟的时间漂移,这显然无法满足高时间约束业务的要求，由此人们提出了基于internet的网络授时技术[1,2,3]。该技术采用网络时间协议(network time protocol,ntp),通过internet将计算机客户或服务器的时间同步到另一个服务器或参考时钟源。目前,在局域网内,其同步精度一般可以达到10～1ms量级,在广域网上同步精度一般为几十ms[1,2]。 对10000次校时请求进行计算，时差统计如图1所示。由图中可
以看出,时差值相对于其均值大约分布在±50ms区间范围内,形成 一条单一斜率的曲线。本文结合最小二乘法，提出一种改进型ntp 算法，采用最小二乘法进行时差和时延估算，将互联网上时间同步精度提高到10～1ms量级。 2、改进型ntp算法 2.1 ntp工作原理 当客户方a要向服务器方b请求时间服务时，a首先要生成一个标准的ntp查询信息包,通过网络发送给b。当b收到查询信息包后,根据自己的本地时间,再生成一个标准的ntp时间信息包,通过网络发回到a,具体过程如图2所示。 其中,t1为a发送查询请求时间,t2为b收到查询请求时间,t3为b回复时间信息包时间,t4为a收到时间信息包时间,t1、t2、t3和t4以a时间系统为参照,δ1为请求信息在网上传播所消耗的时间,δ2为回复信息在网上传播所消耗的时间[4,5,6]。 因此，a就拥有4个时间t1、t2、t3、t4,并通过他们算出a与b 之间时间上的差值,用以调整客户方a时钟。 假定a与b之间时差值为θ,a和b之间网络传输的往返延时和为δ,则有 这里网络时延分两种情况，对称与不对称。当网络路径对称时有，即查询信息包和回复时间信息包在网上传播的时间相同,则由式(1)可得:
基于单片机的GPS授时系统设计分析 摘要随着科学技术的进步，增强型单片机的出现，使很多领域发生的革命，其作用使仪表向微型化、智能化、数字化发展，同时也提高仪表的精度、速度和自动化程度。本文通过GPS授时原理的分析，设计出了利用单片机把GPS 的时间信号转化成GPS时间并显示在显示屏上的过程，既经济又有效，同时也为生产生活提供精确时间。 关键词GPS授时；单片机；精确时间 0 引言 随着人类在各行各业取得进步，科学技术也得到最大限度的发展，原子钟的使用可以使时间精度达到纳秒级，同时精确的时间也为科学技术的发展提供最基本的保障。GPS授时系统就是利用一定的接收设备接收卫星上的原子钟的精确时间信号，传送给单片机，单片机处理后并发往显示设备，为人们的生产生活提供精确的时间。 GPS全球定位系统是通过美国通讯卫星高精度、可连续、实时定位模式下的定位系统，它可以同时向用户发送用户的三维坐标和精确定时。能为全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统等服务。GPS由三个系统组成：空间卫星系统、地面监控系统和用户接收系统。 目前，单片机主要应用于工业领域，单片机除了具有数值计算能力，还有相当强大的控制功能，用于实时监测和实时控制，在各个领域具有非常重要的作用。 本文利用单片机和普通的接收机设计GPS授时系统，获得精确的GPS时间,既可以对设备进行精确控制，也可以使系统内的所有设备时间同步，比之当前价格昂贵的授时型接收机经济、实用，更容易使公众接受。 1 GPS授时系统原理 GPS系统分3大部分：一是空间卫星系统，有工作卫星21颗，备用卫星3颗；二是地面监控系统，主控站1个，注入站3个，监测站5个；三是GPS用户接收系统，包括接收机、单片机、显示屏。 1.1空间卫星系统 GPS系统中有工作卫星21颗，备用卫星3颗．每颗卫星上都有4台高精度原子钟（铆钟和艳钟各2个），这也是GPS卫星的核心设备。它发射出标准频率，为GPS定位提供精度非常高的时间信号。这些卫星都是等间隔地分布在6个轨道面上，轨道面夹角为60°，这样分布方式可以保证了地球上的所有位置均有4颗以上的GPS卫星同时存在。GPS卫星定位精度高，虽然在地面无线电波定位精度受到的干扰比较大，而且受电离层和对流层的影响，但是通过人们对电离层和对流层的传播规律的认识，也找到了解决办法，建立起了误差修正模型，可以获得精确的时间信息。 1.2地面监控系统 地面监控系统包括主控站、监测站和注入站，主控站位于加利福尼亚州科罗拉多的Falcon空军基地联合航天工作中心．主控站主要接收GPS卫星信号，以及协调和管理所有地面监控系统的工作。 1.3 GPS用户系统 GPS用户接收系统主要有用户接收机、控制部分（单片机）和显示设备。接收机接收GPS卫星发送的星历参数和时间信号，然后把这些数据传送给单片机，
学士学位毕业设计（论文） 基于单片机的GPS高精度 授时时钟设计 学生姓名： 指导教师： 所在学院： 专业：农业电气化
摘要 本文设计了一种基于P89LPC952高速单片机的GPS卫星授时时钟。它由接收机、中央处理单元、LCM显示、键盘、输出接口组成。利用接收机提供的标准时间信号，通过中央处理单元对数据的处理，从而可同步输出时间数据，保证高精度授时。这不仅解决了时间获取问题，而且能真正实现全球范 围内的时间校准。更创新性地集成了全世界212个城市的实时时间显示。与 传统方法相比，这种全新的时钟同步方法具有实现手段简单、精度高、范围大、不需通道联系、不受地理和气候条件限制等众多优点，是时钟同步的理 想方法。本文介绍了基于P89LPC952的GPS授时时钟装置的硬件；根据装置要实现的功能，给出了主程序和中断程序的流程图和程序介绍。 关键词：授时时钟P89LPC952 GPS 中央处理单元
ABSTRACT A kind of GPS satellite timing clock based on the P89LPC952 High-speed MCU is recomme nded in the follow ing thesis. It is composed of receptors、central proceeding sections, LCM, keyboard and output connectors. The central proceeding section could deal with the data to make the output time data by use of the standard time signals supplied by receptors, thus, keep ing highly precisi on tim ing. By this way, not only solve the problem of the time obta in ed, but also the time in the worldwide is really completely un ified. Eve n more, creatively in tegrates 212 cities of the world wide ' s -teale display. Compared with conventional method, this new synchronous clock pla n has many adva ntages, such as simple, high precisi on, wide exte nsion, no cha nn els n eeded, no confine of geography and weather en vir onment and so on .It is the ideal way to synchronize the clock. In the following paper, represent the hardware of the GPS timing clock based on the P89LPC952 High-speed MCU. Accordi ng to the fun ctio n of the device, list the flow chart of the main program and the interrupt program and the in troduct ion of those programs. Keywords: Timi ng clock P89LPC952 GPS Cen tral proceed ing sectio n
GPS服务授时系统产品技术建设方案 二〇一二年二月
技术简介 授时系统的时钟同步也叫“对钟”。要把分布在各地的时钟对准（同步起来），最直观的方法就是搬钟，可用一个标准钟作搬钟，使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与系统的标准时钟对准，然后使系统中的其他时针与搬钟比对，实现系统其他时钟与系统统一标准时钟同步。所谓系统中各时钟的同步，并不要求各时钟完全与统一标准时钟对齐。只要求知道各时钟与系统标准时钟在比对时刻的钟差以及比对后它相对标准钟的漂移修正参数即可，勿须拨钟。只有当该钟积累钟差较大时才作跳步或闰秒处理。因为要在比对时刻把两钟“钟面时间对齐，一则需要有精密的相位微步调节器会调节时钟用动源的相位，另外，各种驱动源的漂移规律也各不相同，即使在两种比对时刻时钟完全对齐，比对后也会产生误差，仍需要观测被比对时钟驱动源相对标准钟的漂移规律，故一般不这样做。在导航系统用户设备中。除授时型接收机在定位后需要调整1PPS信号前沿出现时刻外（它要求输出秒信号的时刻与标推时钟秒信号出现时刻一致），一般可用数学方法扣除钟差。 时间同步的另一种方法是用无线电波传播时间信息。即利用无线电波来传递时间标准．然后由授时型接收机恢复时号与本地钟相应时号比对，扣除它在传播路径上的时延及各种误差因素的影响，实现钟的同步。随着对时钟同步精度要求的不断提高，用无线电波授时的方法，开始用短波授时（ms级精度），由于短波传播路径受电离层变化的影响，天波有一次和多次天波，地波传播距离近，使授时精度仅能达到ms级。后来发展到用超长波即用奥米伽台授时，其授时精度约10μs左右，后来又用长波即用罗兰C台链兼顾授时，其授时精度可达到μs，即使罗兰C台链组网也难于做到全球覆盖。后来又发展到用卫星钟作搬钟。用超短波传播时号．通过用户接收共视某颗卫星，使其授时精度优于搬钟可达到10ns 精度。看来利用卫星授时是实现全球范围时钟精密同步的好办法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度，通过共视方法，把卫星钟当作搬运钟使用，且能使授时精度高于直接搬钟，直接搬钟难于使两地时钟去共视它。共视可以消除很多系统误差以及随时间慢变化的误差，快变化的随机误差可通过积累平滑消除。