GPS時間同步原理及其應(yīng)用-Jin-Yang

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1、GPS時間同步原理及其應(yīng)用 目錄 一、GPS定位原理 1 二、什么是原子時和協(xié)調(diào)時 2 三、什么是世界時 4 四、什么是IRIG-B碼 5 五、為什么用夏令時 5 六、NTP和互聯(lián)網(wǎng)時間同步 6 七、時鐘同步 14 八、時間應(yīng)用 15 九、IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議測試技術(shù) 16 十、GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 20 十一、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）的特點 22 一、GPS定位原理 對于一個進(jìn)入信息社會的現(xiàn)代化大國，導(dǎo)航定位和授時系統(tǒng)是最重要、而且也是最關(guān)鍵的國家基礎(chǔ)設(shè)施之一?，F(xiàn)代武器實（試）驗、戰(zhàn)爭需要它保障，智能化交通運 輸系統(tǒng)的建立和數(shù)

2、字化地球的實現(xiàn)需要它支持?，F(xiàn)代通信網(wǎng)和電力網(wǎng)建設(shè)也越來越增強(qiáng)了對精度時間和頻率的依賴。從建立一個現(xiàn)代化國家的大系統(tǒng)工程總體考慮， 導(dǎo)航定位和授時系統(tǒng)應(yīng)該說是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。它對整體社會的支撐幾乎是全方位的星基導(dǎo)航和授時是未發(fā)展的必然趨勢。美國投入巨資建成了全球定位系統(tǒng) （GPS），俄羅斯也使自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）投入了運行。歐盟一些國家也正在聯(lián)合開展加利略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制。 為了提高民用定位定時的性能和可靠性、安全性，利用這些衛(wèi)星系統(tǒng)建立廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Waas）在美國、日本、歐洲和俄羅斯也在計劃或研制之中。 這些系統(tǒng)導(dǎo)航定位的基本概念都是以精度時間測量為

3、基礎(chǔ)的。正如有人所指出的那樣，我們?nèi)祟惿钤谟喔钏木S的世界（x、y、z、t）其中一維就是時間，而另外三維的精度確定，就今天而言，沒有精確的定時也是難以實現(xiàn)的。 單從授時出發(fā)，不難理解系統(tǒng)發(fā)播時間的精確控制是不可缺少的。而對于導(dǎo)航定位，系統(tǒng)內(nèi)部鐘（星載鐘和地面監(jiān)測和控制臺站的鐘）的同步就極為關(guān)鍵。 沒有原子鐘的支持，沒有鐘同步和保持技術(shù)的支持，實現(xiàn)星基導(dǎo)航和定位是不可能的。在完成精確時間的傳遞過程，需要對傳播時延作精確修正，而這又需要知道用 戶的精確地理位置。 從以上分析可以看出，無論在系統(tǒng)概念、技術(shù)、裝備或管理上，與其他通訊和衛(wèi)星系統(tǒng)相比，導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)與高精度衛(wèi)星授時系統(tǒng)有很好

4、的兼容性和互補(bǔ)性，二 者是相輔相成的。從資源共享和合理利用出發(fā)，先進(jìn)的衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該成為一個導(dǎo)航授時一體化的高精度星基四維（x、y、z、t）信息源，就像目前已投入工作的 GPS、Glonass和正在研制中的Galileo以及各種Waas系統(tǒng)中，無不把其授時功能提到僅次于導(dǎo)航定位的重要地位。以便滿足個行各業(yè)對精度時 間和頻率日益增長的需求。 面對國際上風(fēng)云變幻的局勢，作為一個獨立自主的大國，建立我們自己的星基的導(dǎo)航定位和授時系無論對于保障國民經(jīng)濟(jì)的日常運作或國家安全都至關(guān)重要，正如中國科學(xué)院院長路甬祥指出的那樣，我們應(yīng)該有“中國的GPS”。 在真正實現(xiàn)“中國的GPS”的戰(zhàn)略規(guī)劃時，系統(tǒng)

5、定時是其中需要解決的最關(guān)鍵技術(shù)之一。系統(tǒng)用原子鐘的研制，系統(tǒng)鐘時間同步的建立和保持，構(gòu)成了這一研究的兩個核心。就我們所知，在這些方面，我國目前還缺乏系統(tǒng)的準(zhǔn)備。這有必要引起有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的重視和加強(qiáng)這一研究工作的指導(dǎo)、組織與支持。 衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)中需解決的技術(shù)問題有： 1、系統(tǒng)時間建立的概念及實現(xiàn)方法。在現(xiàn)代衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)中各個鐘的精確同步，需要一個準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠的時間參考，這通常是以系統(tǒng)中的部分鐘或全部的鐘為基礎(chǔ)。利用統(tǒng)計平均的方法建立一個系統(tǒng)時間來實現(xiàn)。其建立的概念和實現(xiàn)方法，直接影響到系統(tǒng)時間的好壞，進(jìn)而影響到整個衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)中各個鐘的同步。這個研究對系統(tǒng)中

6、原子鐘的選擇與配置也有指導(dǎo)意義。 2、 系統(tǒng)時間與UTC協(xié)調(diào)方法。這是授時所需要的。這需要研究國際標(biāo)準(zhǔn)時間到系統(tǒng)時間傳遞的各個環(huán)節(jié)，是提高授時準(zhǔn)確度中的最要一環(huán)。 3、系統(tǒng)鐘的同步方法。這主要涉及到系統(tǒng)中各個鐘的精確數(shù)據(jù)的收集方法和控制方法，要研究相對論效應(yīng)對星載鐘同步的影響。比對測量和鐘駕馭方法的研究是它的基礎(chǔ)。 4、系統(tǒng)授時方法。這包括衛(wèi)星電文中的與時間有關(guān)的信息的制定與產(chǎn)生。 5、用戶終端定時技術(shù)。主要涉及到接收、比對及控制技術(shù)。 二、什么是原子時和協(xié)調(diào)時 二十世紀(jì)三十年代發(fā)明了更加精密的石英鐘后，人們發(fā)現(xiàn)世界時盡管加上偏移改正(UT1)， 仍然是不

7、均勻的。經(jīng)研究查明，地球自轉(zhuǎn)存在長期變化、不規(guī)則變化和復(fù)雜的周期變化。為了滿足更高精度的實際需要，人們開始到物質(zhì)的微觀世界去尋找具有更穩(wěn)定周期的物質(zhì)運動形式用作為新的時間計量標(biāo)準(zhǔn)。于是，以物質(zhì)內(nèi)部原子運動的特征為基礎(chǔ)的原子時應(yīng)運而生。原子時是以秒，而不是以日為基本時間單位的。原子時秒長定義為：銫原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間在海平面、零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時間。1967年第十三屆國際計量委員會決定，把在海平面上實現(xiàn)的上述原子時秒規(guī)定為國際單位制時間單位。原子時起點定在1958年1月1日0時（UT）， 即規(guī)定在這一瞬間，原子時和世界時重合。根據(jù)這一定義，任何銫原子鐘在確定起始

8、歷元后都可以提供原子時。由世界各地時間實驗室用足夠精確的銫原子鐘導(dǎo)出的原子時稱為地方原子時，不同的地方原子時存在著差異。世界各國的原子鐘按照規(guī)定的方法進(jìn)行相互比對，其數(shù)據(jù)再由專門的國際機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，求出全世界統(tǒng)一的原子時，稱為國際原子時，簡稱TAI。 相對于以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時來說，原子時是均勻的計量系統(tǒng)，這對于測量時間間隔非常重要，但世界時時刻反映了地球在空間的位置，這也是需要的。為兼顧這兩種需要，引入了協(xié)調(diào)世界時（UTC）系統(tǒng)。在本質(zhì)上還是一種原子時，因為它的秒長規(guī)定要和原子時秒長相等，只是在時刻上，通過人工干預(yù)，盡量靠近世界時。 協(xié)調(diào)世界時（UTC）盡量靠近世界時(UT1

9、)的意思是：必要時對協(xié)調(diào)世界時（UTC）作一整秒的調(diào)整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的時刻之差保持在±0.9秒以內(nèi)。這一技術(shù)措施就稱為閏秒（或跳秒），增加1秒稱為正閏秒（或正跳秒）；去掉1秒稱為負(fù)閏秒（或負(fù)跳秒）。是否閏秒，由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（英文縮寫為IERS）決定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正閏秒，則在閏秒當(dāng)天的23時59分60秒后插入1秒，插入后的時序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，這表示地球自轉(zhuǎn)慢了，這一天不是86400秒，而是86401秒；如果是負(fù)閏秒，則把閏秒當(dāng)天23時59分中的第59秒去掉，去掉后的時序是

10、：…57秒，58秒，0秒，…，這一天是86399秒。 三、什么是世界時 地球自轉(zhuǎn)運動是個相當(dāng)不錯的天然時鐘，以它為基礎(chǔ)可以建立一個很好的時間計量系統(tǒng)。地球自轉(zhuǎn)的角度可用地方子午線相對于天球上的基本參考點的運動來度量。 為了測定地球自轉(zhuǎn)，人們在天球上選取了兩個基本參考點：春分點和平太陽，以此確定的時間分別稱為恒星時和平太陽時。恒星時雖然與地球自轉(zhuǎn)的角度相對應(yīng)，符合以地球自轉(zhuǎn)運動為基礎(chǔ)的時間計量標(biāo)準(zhǔn)的要求，但不能滿足日常生活和應(yīng)用的需要。人們習(xí)慣上是以太陽在天球上的位置來確定時間的，但因為地球繞太陽公轉(zhuǎn)運動的軌道是橢圓，所以真太陽周日視運動的速度是不均勻的（即真太陽時是不均勻的）。為了得

11、到以真太陽周日視運動為基礎(chǔ)而又克服其不均勻性的時間計量系統(tǒng)， 人們引進(jìn)了一個假想的參考點─平太陽。它在天赤道上作勻速運動，其速度與真太陽的平均速度相一致。 平太陽時的基本單位是平太陽日，1平太陽日等于24平太陽小時，86400平太陽秒。以平子夜作為0時開始的格林威治平太陽時，就稱為世界時，簡稱UT。 世界時與恒星時有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換關(guān)系，人們是通過觀測恒星得到世界時的。后來發(fā)現(xiàn)，由于地極移動和地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，最初得到的世界時，記為UT0，也是不均勻的，人們對UT0 加上極移改正得到UT1，如果再加上地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化的經(jīng)驗改正就得到UT2。 六十年代以前，世界時作為基本時間計量系統(tǒng)被

12、廣泛應(yīng)用，因為它與地球自轉(zhuǎn)的角度有關(guān)，所以即使出現(xiàn)了更為均勻的原子時系統(tǒng)，世界時對于日常生活、大地測量、天文導(dǎo)航及其它有關(guān)地球的科學(xué)仍是必需的。 四、什么是IRIG-B碼 IRIG-B：當(dāng)今電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，時間同步得到了越來越重要的應(yīng)用。時間碼IRIG-B作為一種重要的時間同步傳輸?shù)姆绞剑云鋵嶋H優(yōu)越性能， 成為時統(tǒng)設(shè)備首選的標(biāo)準(zhǔn)碼型，廣泛的應(yīng)用到電信、電力、軍事等重要行業(yè)或部門。IRIG是美國靶場儀器組的簡稱，美國靶場儀器組是美國靶場司令部委員會的下屬機(jī)構(gòu)。IRIG時間標(biāo)準(zhǔn)有兩大類：一類是并行時間碼格式，這類碼由于是并行格式，傳輸距離較近，且是二進(jìn)制，因此遠(yuǎn)不如串行格式廣泛；另

13、一類是串行時間碼，共有六種格式，即A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼。B型碼的時幀速率為1幀/s；可傳 遞100位的信息。作為應(yīng)用廣泛的時間碼，B型碼具用以下主要特點：攜帶信息量大，經(jīng)譯碼后可獲得1、10、100、1000 c/s的脈沖信號和BCD編碼的時間信息及控制功能信息；高分辨率；調(diào)制后的B碼帶寬，適用于遠(yuǎn)距離傳輸；分直流、交流兩種；具有接口標(biāo)準(zhǔn)化，國際通用 等。 五、為什么用夏令時 我們知道，春分以后，地球北極漸漸向太陽靠近，北半球的晝夜長短逐漸從等長過渡到晝長夜短，在秋分那天又回到晝夜等長。從春分到秋分這段時間里，北半球每天

14、照射的時間一般都在12小時以上。以西安為例，從四月中旬到九月中旬，白天平均為十四個小時左右，如何利用這大好的自然光源？有人想起能否在春季將時鐘撥快，讓大家早起早睡，以節(jié)約照明用電，到了秋季再把鐘撥回來。 日光節(jié)約時間，也稱為夏令時(Daylight Saving Time)，是在1784年由美國發(fā)明家兼政界人士班杰敏·法蘭克林首先提出來的。他指出，夏天天亮得早，人們卻還賴在床上十分浪費時間，如果把時鐘往后調(diào)，這將讓夜晚遲些才天黑，延長活動的時間。夏令時比標(biāo)準(zhǔn)時晚一個小時。例如，在夏令時的實施期間，東部標(biāo)準(zhǔn)時間的上午10點就成了東部夏令時的上午11點。 1915年，德國成為第一個正式實施

15、夏令時，削減照明和耗電開支的國家。自那以后，全球以歐洲和北美為主的約70個國家都引用了這個做法。不過至今，夏令時的辯論仍然沸沸揚(yáng)揚(yáng)。我國解放前幾年在部分地區(qū)也曾實行過夏令時。1986年4月，中央有關(guān)部門發(fā)出“在全國范圍內(nèi)實行夏時制的通知”，具體作法是：每年從四月中旬第一個星期日的凌晨2時整（北京時間），將時鐘撥快一小時，即將表針由2時撥至3時，夏令時開始；到九月中旬第一個星期日的凌晨2時整（北京夏令時），再將時鐘撥回一小時，即將表針由2時撥至1時，夏令時結(jié)束。從1986年到1991年的六個年度，除1986年因是實行夏時制的第一年，從5月4日開始到9月14日結(jié)束外，其它年份均按規(guī)定的時段施行。在

16、夏令時開始和結(jié)束前幾天，新聞媒體刊登有關(guān)部門的通告。1992年起，夏令時暫停實行?！”M管調(diào)整時間的做法早已被廣泛采用，不過至今仍然引起爭議。 2000年在墨西哥，夏令時政策引起了政治抗議，人們認(rèn)為這是中央政府把自己的意愿強(qiáng)行施加在全國地區(qū)。 在美國，印第安納州部分地區(qū)不承認(rèn)夏令時，農(nóng)民說，太陽升起時他們就起身，調(diào)整時間只是無味的行政麻煩。亞利桑納州也拒絕推行夏令時。 六、NTP和互聯(lián)網(wǎng)時間同步 1．引言 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）是用于互聯(lián)網(wǎng)中時間同步的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。NTP的用途是把計算機(jī)的時間同步到某些時間標(biāo)準(zhǔn)。目前采用的時間標(biāo)準(zhǔn)是世界

17、協(xié)調(diào)時UTC （Universal Time Coordinated）。NTP的主要開發(fā)者是美國特拉華大學(xué)的David L. Mills教授。 NTP的設(shè)計充分考慮了互聯(lián)網(wǎng)上時間同步的復(fù)雜性。NTP提供的機(jī)制嚴(yán)格、實用、有效，適應(yīng)于在各種規(guī)模、速度和連接通路情況的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下工作。 NTP以GPS時間代碼傳送的時間消息為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用了Client/Server結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的靈活性，可以適應(yīng)各種互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。NTP不僅校正現(xiàn)行時間，而且持續(xù)跟蹤時間的變化，能夠自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，也能維持時間的穩(wěn)定。NTP產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷甚少，并具有保證網(wǎng)絡(luò)安全的應(yīng)對措 施。這些措施的采用使NT

18、P可以在互聯(lián)網(wǎng)上獲取可靠和精確的時間同步，并使NTP成為互聯(lián)網(wǎng)上公認(rèn)的時間同步工具。 目前，在通常的環(huán)境下，NTP提供的時間精確度在WAN上為數(shù)十毫秒，在LAN上則為亞毫秒級或者更高。在專用的時間服務(wù)器上，則精確度更高。 2．互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的時間同步要求 在互聯(lián)網(wǎng)上，一般的計算機(jī)和互聯(lián)設(shè)備在時間穩(wěn)定度方面的設(shè)計上沒有明確的指標(biāo)要求。這些設(shè)備的時鐘振蕩器工作在不受校對的自由振蕩的狀況。由于溫度變 化、電磁干擾、振蕩器老化和生產(chǎn)調(diào)試等原因，時鐘的振蕩頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率之間存在一些誤差。按誤差的來源、現(xiàn)象和結(jié)果可以按固有的或者外來的、短期的或者長期的、以及隨機(jī)的或者固定的等進(jìn)行分類。這些誤差

19、初看來似乎微不足道，而在長期積累后會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。假設(shè)一臺設(shè)備采用了精確度相當(dāng)高的時鐘，設(shè)其精 確度為0.001%，那么它在一秒中產(chǎn)生的偏差只是10微秒，一天產(chǎn)生的時間偏差接近1秒，而運行一年后則誤差將大于5分鐘。必須指出，一般互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的時鐘精確度遠(yuǎn)低于這個指標(biāo)。設(shè)備的時間校準(zhǔn)往往取決于使用者的習(xí)慣，手段常為參照自選的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行手工設(shè)定。 在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行時間同步具有重要意義?；ヂ?lián)網(wǎng)起源于軍事用途明顯的ARPA網(wǎng)。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，時間從來就是一個非常重要的考慮因素。對于互聯(lián)網(wǎng)的時間同步和NTP的研究，就是在美國國防部的資助下啟動和進(jìn)行的。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和延伸到社會的各個方面，在其他的領(lǐng)

20、域?qū)r間同步也提出了多種要求，例如各種實時的網(wǎng)上交易、制造過程控制、通信網(wǎng)絡(luò)的時間配置、網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計、分布性的網(wǎng)絡(luò)計算和處理、交通航班航路管理以及數(shù)據(jù)庫文件管理和呼叫記錄等多種涉及時間戳的應(yīng)用，都需要精確、可靠和公認(rèn)的時間。 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中產(chǎn)生了一些比較簡單的與時間有關(guān)的應(yīng)用和服務(wù)。它們通過時間標(biāo)記的通信使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間向統(tǒng)一的參考源看齊靠攏，在所覆蓋的網(wǎng)絡(luò)范圍上得到一致同步，確保獲得精確可靠的時間，這包括了TCP/IP中ICMP的時間標(biāo)記、Digital公司的DTS服務(wù)等。這些應(yīng)用為NTP提供了理論借鑒和應(yīng)用經(jīng)驗。 3．NTP發(fā)展的追溯和現(xiàn)狀 NTP的發(fā)展可以分為三個

21、時期。 3．1．NTP v1之前的工作 時間協(xié)議的首次實現(xiàn)記載在Internet Engineering Note [IEN-173] 之中，其精確度為數(shù)百毫秒。稍后出現(xiàn)了首個時間協(xié)議的規(guī)范，即 [RFC 778] ，它被命名為DCNET互聯(lián)網(wǎng)時間服務(wù)，而它提供這種服務(wù)還是借助于Internet Control Message Protocol (ICMP)，即互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議中的時間戳和時間戳應(yīng)答消息。 作為NTP名稱的首次出現(xiàn)是在 [RFC 958]之中，該版本也被稱為NTP V0。其開宗明義是為ARPA網(wǎng)提供時間同步。它已完全脫離ICMP，而作為獨立的協(xié)議在完成更高要求的

22、時間同步。它對于如本地時鐘的誤差估算和精密度等基本運算、參考時鐘的特性、網(wǎng)絡(luò)上的分組數(shù)據(jù)包及其消息格式進(jìn)行了描述。但是不對任何頻率誤差進(jìn)行補(bǔ)償，也沒有規(guī)定濾波和同步的算法。 3．2．NTP v1到NTP v3 NTP v1出現(xiàn)于1988年6月， 在[RFC 1059]中 描述了首個完整的NTP的規(guī)范和相關(guān)算法。這個版本就已經(jīng)采用了client/server模式以及對稱操作。但是它不支持鑒權(quán)和NTP的控制消息。 1989年9月推出了取代[RFC 958]和[RFC 1059]的NTP v2 [RFC 1119] 。 幾乎同時，DEC公司也推出了一個時間同步協(xié)議，數(shù)字時間同步服務(wù)，D

23、igital Time Synchronization Service(DTSS)。 在1992年3月，NTPv3 [RFC 1305]問世，該版本總結(jié)和綜合了NTP先前版本和DTSS，正式引入了校正原則，并改進(jìn)了時鐘選擇和時鐘濾波的算法，而且還引入了時間消息發(fā)送的廣播模式。這個版本取代了NTP的先前版本。 3．3．NTP v3后的進(jìn)展 NTP V3發(fā)布后，一直在不斷地進(jìn)行改進(jìn)，這些版本標(biāo)注為xntp3-y，這里x表示試驗，y表示第幾次修改。 NTP實現(xiàn)的一個重要功能是對計算機(jī)操作系統(tǒng)的時鐘調(diào)整。在NTP v3研究和推出的同時，有關(guān)在操作系統(tǒng)核心中改進(jìn)時間保持功能的研究也在并行

24、地進(jìn)行。 1994年推出了[RFC 1589]，名為 a kernel model for precision timekeeping，即精密時間保持的核心模式，這個實現(xiàn)可以把計算機(jī)操作系統(tǒng)的時間精確度保持在微秒數(shù)量級。幾乎同時，又提出了NTP V4改進(jìn)建議。對本地時鐘調(diào)整算法，通信模式，新的時鐘驅(qū)動器，適配規(guī)則等方面的改進(jìn)描述了具體方向。 1999年在 [RFC 2783] 中，描述了每秒脈沖的操作系統(tǒng)用戶應(yīng)用接口（Pulse-per-second API for Unix-like operating system， version 1）。在該實現(xiàn)中，計算機(jī)操作系統(tǒng)的時鐘可以用精密的外

25、部時間參考源的秒脈沖來加以校準(zhǔn)和穩(wěn)定。 NTP v4的工作也在進(jìn)行之中。它也將適用于IPV6； 它將改進(jìn)時鐘模型，在各種同步源和網(wǎng)絡(luò)通路的情況下更精確地預(yù)測和調(diào)節(jié)頻率和時間；提出相應(yīng)的新算法將降低網(wǎng)絡(luò)抖動和振蕩器漂移的沖突，并且將加速啟始時的時間同步收斂速度；重新設(shè)計工作在鎖頻環(huán)、鎖相環(huán)或者兩者混合模式下的時鐘校正算法；還將提供關(guān)于自動配置（例如，manycast mode）、可靠性、降低互聯(lián)網(wǎng)話務(wù)量和加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性的鑒權(quán)（使用public-key密碼）等方面的新特性。V4的正式版本還沒有面世，但改進(jìn)過程中 的許多方法已經(jīng)加入xNTP3.y之中。 NTP發(fā)展的另一分支是SNTP－

26、Simple Network Time Protocol ，即簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議。SNTP適用于時間精確度低于NTP的客戶機(jī)，并強(qiáng)烈建議僅限于使用在時間同步網(wǎng)的終端位置。在1992年8月，[RFC 1361] 的SNTP問世，它的精確度為秒級。 [RFC 1361]的1995年3月，提出了[RFC 1769]，它取代了[RFC 1361]其功能和被其取代的[RFC 1361] 相似，時間精確度為數(shù)百毫秒級。SNTP的最新規(guī)范是1996年的 [RFC 2030]，并被冠以簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議V4。SNTP的實現(xiàn)比較簡單，特別對于Client側(cè)的實現(xiàn)。一些商用的操作系統(tǒng)直接支持Client端的 SNTP

27、協(xié)議。 4．時間同步子網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián)網(wǎng)中運用NTP進(jìn)行時間同步和分配所涉及的設(shè)備和通路的集合稱為時間同步子網(wǎng)絡(luò)。時間同步子網(wǎng)絡(luò)以分層主從結(jié)構(gòu)模式運行，其結(jié)構(gòu)示意圖見于圖1。在這種結(jié)構(gòu)中，少許幾個高層設(shè)備可以為大量的低層設(shè)備提供同步信息。 圖 1 時間同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 時間同步網(wǎng)絡(luò)理論上根據(jù)其精確度和重要性一般分為從0－15的共16個級別或更多級，實際上不會大于6級。級別編碼越低，精確度和重要性越高。時間的分配自級別編碼小的層次向較大的層次進(jìn)行，即由第0級向第15級分配滲透。第0級設(shè)備處于該子網(wǎng)絡(luò)的特殊位置，是時間同步網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)時間參考源。它位于子 網(wǎng)絡(luò)的頂端，目前普遍采用全球

28、衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即由GPS播發(fā)的UTC時間代碼，本身并不具有NTP。子網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以扮演多重角色。例如一個第二層的設(shè) 備，對于第一層來說是客戶機(jī)；對于第三層可能是服務(wù)器；對于同層的設(shè)備則可以是對等機(jī)。這里對等機(jī)的含義是相互用NTP進(jìn)行同步的計算設(shè)備。 NTP工作在時間同步子網(wǎng)絡(luò)1級以下的其他各級設(shè)備中。圖1中，在第1級和第2級上用機(jī)盒圖式表示的設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器，或者稱為NTP時間服務(wù) 器；用計算機(jī)主機(jī)和工作站圖式表示的是一般互聯(lián)網(wǎng)中的對應(yīng)物，在時間同步子網(wǎng)絡(luò)中它們均被視為時間服務(wù)器的時間客戶機(jī)（下面簡稱服務(wù)器和客戶機(jī)）。服務(wù)器可以是專用設(shè)備，也可以是備有專用時鐘電路的通用計算機(jī)。出于對

29、精確度和可靠性的考慮，下層設(shè)備同時引用若干個上層設(shè)備作為參考源；而且也可以引用同層設(shè)備作為參考源。NTP能夠時間參考源中選擇最好的幾個時間源來推斷現(xiàn)行時間。在同層設(shè)備配置為互為參考時，NTP會在兩個對等機(jī)間進(jìn)行自動選擇，以精確度高者作為兩者共同的參考源，而絕非兩者互相引用。 時間同步子網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字同步網(wǎng)一樣，不允許出現(xiàn)時間環(huán)路。數(shù)字同步網(wǎng)中依據(jù)的是SSM信息；而NTP則利用協(xié)議的優(yōu)勢，自動識別高精確度的時鐘源，確保時鐘單方向地同步到高精確度的時鐘，這樣就絕對避免了時間環(huán)路的出現(xiàn)。 5．NTP的通信模式 NTP以客戶機(jī)和服務(wù)器方式進(jìn)行通信。每次通信共計兩個包?？蛻魴C(jī)發(fā)送一

30、個請求數(shù)據(jù)包，服務(wù)器接收后回送一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包。兩個數(shù)據(jù)包都帶有時間戳。NTP根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)包代的時間戳確定時間誤差，并通過一系列算法來消除網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性的影響。 在數(shù)據(jù)包的傳送方式上，有客戶機(jī)和服務(wù)器一對一的點對點方式，還有多個客戶機(jī)對一個服務(wù)器的廣播/多播方式。兩者工作方法基本相同。處于兩種方式下的客戶機(jī)在初始時和服務(wù)器進(jìn)行如同點對點的簡短信息交換，據(jù)此對往返延時進(jìn)行量化判斷。此后廣播/多播客戶機(jī)只接收廣播/多播消息的狀態(tài)，并根據(jù)第一次信息交換的判斷值修正時間。不同之處在于時間服務(wù)器在廣播方式下周期性地向廣播地址發(fā)送時間刷新信號；而在多播方式下周期性地向多播地址發(fā)送時間刷新信號。在廣

31、播/多播方式下一個服務(wù)器可以為大量的客戶機(jī)提供時間，但精度較低。 NTP要求的資源開銷和通信帶寬很小。NTP采用UDP協(xié)議，端口號設(shè)定為123。UDP占用很小的網(wǎng)絡(luò)帶寬，在眾多客戶機(jī)和少許服務(wù)器通信時有利于避免擁塞。NTP數(shù)據(jù)包的凈長度在V3下為64個字節(jié)，V4下為72個字節(jié)；在IP層分別為76和84個字節(jié)。如果通信方式是廣播模式，服務(wù)器以固定的間隔向客戶機(jī)廣播發(fā)送一個數(shù)據(jù)包；如果是服務(wù)器/客戶機(jī)方式，則通信間隔將在指定的范圍內(nèi)變化（一般是64秒到1024秒），同步情況越好，間隔就越長。 6．NTP的基本結(jié)構(gòu) NTP V3和V4的結(jié)構(gòu)基本相同，分別示于圖6.a和圖6.b。

32、 參見圖6.a和圖6.b，NTP實際是一個反饋控制環(huán)路，在環(huán)路的工作簡述如下: 當(dāng)NTP獲得時間同步信息后，時間濾波器從時間樣本中選取最佳的樣本，和本地時間進(jìn)行比較。選擇和聚類算法的功能是對往返延遲、離差和偏移等參數(shù)進(jìn)行分析，在有效參考源選取若干名列前茅者。合成算法對名列前茅者的信號進(jìn)行綜合，獲取比任何單一信號更為優(yōu)秀的時間參考。環(huán)路濾波器和可變頻率振蕩器是一個自適應(yīng)的混合鎖相/鎖頻環(huán)路，它在時鐘校正算法的控制下，調(diào)節(jié)本地時鐘，提供本地時間。 圖6.b NTP V4結(jié)構(gòu)框圖 NTP V4的基本結(jié)構(gòu)框圖參見圖6.b。NTP V4和V3相似頗多，不同之處主要為兩點：V4中對等機(jī)的

33、通信間隔由網(wǎng)絡(luò)相位抖動和本地時鐘振蕩器的頻率穩(wěn)定度確定，而V3對本地時鐘的穩(wěn)定度不作考慮； V4對VFO的調(diào)節(jié)間隔為固定的值，如1秒，而V3則未作硬性規(guī)定。 從NTP的基本結(jié)構(gòu)框圖中可以看出NTP和其他的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之間的一個重大的區(qū)別，這就是NTP不僅僅依靠軟件完成，而且還要依靠通用計算機(jī)系統(tǒng)范疇 之外的本地時鐘電路實現(xiàn)，也就是框圖中的VFO及其接口部分。NTP及其相關(guān)協(xié)議系列對這部分的要求作了描述，但具體的實現(xiàn)卻全部是NTP之外的技巧。 7．NTP的數(shù)據(jù)包格式 NTP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，無論是服務(wù)器或是客戶機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)包均帶有時間戳。時間戳用32位表示，前面16位是整數(shù)部分，后面1

34、6位是小數(shù)部分，計數(shù)精度可以達(dá)到200ps。NTP從時間戳中獲得最基本的時間信息。 NTP數(shù)據(jù)包消息直接遵循UDP的消息頭格式，其分組數(shù)據(jù)包由若干個數(shù)據(jù)字組成，每個字長為32比特，詳見圖7.b。其中，未加底色的方框中內(nèi)容為NTP v3和v4共同部分；淺灰底色部分為NTP v4專有部分；深灰底色部分為鑒權(quán)加密專用部分。在數(shù)據(jù)包傳送時，可以采用DES-CBC或MD5進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。限于篇幅，這里不對NTP消息包中各個域的含義進(jìn)行介紹。 圖7.b NTP數(shù)據(jù)包格式 8．NTP的算法 從圖6.a和圖6.b中可以看到，NTP涉及4個算法：時間濾波算法、時間選擇算法、聚類算法和時鐘調(diào)

35、節(jié)算法。嚴(yán)格地說，這些算法并不是協(xié)議的固有部分，但是NTP的實現(xiàn)卻有賴于這些算法。 8.1．時間濾波算法 該算法的功能是確認(rèn)數(shù)據(jù)包的有效性和從某個給定的時間參考源的時間樣本中選取最佳的樣本。它可以分成健全性校驗和濾波兩個部分。 健全性校驗的內(nèi)容有：數(shù)據(jù)包的唯一性，數(shù)據(jù)包內(nèi)容的符合性，服務(wù)器工作是否正常，往返延遲和離差數(shù)值是否合理，如果協(xié)議配置了安全性要求，則還將進(jìn)行鑒權(quán)。 其后進(jìn)行濾波。它備有一個時間參數(shù)寄存器數(shù)組，其深度N根據(jù)系統(tǒng)配置設(shè)置。時間參數(shù)的形式為。當(dāng)前的時間參數(shù)根據(jù)NTP消息交換時的發(fā)送啟始時間、對端接收時間、對端回送時間和收到回送時間等四個時間戳信息計算得出，以

36、（θ，δ，ε）形式表示。 這里θ是樣本時鐘偏移，δ和ε是相關(guān)的往返延遲和離差。 算法根據(jù)當(dāng)前時間參數(shù)（θ，δ，ε），參照門限要求和時間參數(shù)寄存器數(shù)組中的歷史信息，計算求得樣本的濾波離差 、同步距離并且更新時間參數(shù)寄存器數(shù)組。 和表示了當(dāng)前時間的偏移和最大誤差，在后續(xù)的時鐘選擇算法中將作為參數(shù)用于時間同步參考源的選擇。 該算法在典型情況下可以把偏移的均方誤差降低18 dB。 8.2 時間選擇算法 NTP客戶機(jī)可以有若干時間同步參考源。時間選擇算法則用于在若干時間參考源中選取最佳的若干參考源。 NTP首先使用濾波算法的結(jié)果濾波離差和同步距離 確定對于各個時間源的有效的時間域值，也稱之

37、為交越值。然后對所有的時間逐一進(jìn)行校驗，如落入交越值規(guī)定的范圍內(nèi)時，認(rèn)為有效，否則將被予以剔除。 8.3 聚類算法 NTP內(nèi)部有一張時間參考源的表格，記錄可供訪問的所有時間參考源。這些參考源中最為優(yōu)秀的方能作為候選者進(jìn)入?yún)⒖荚吹膬?yōu)選目錄。從可靠性和效率的折中考慮，通常在參考源中選取10個最佳的時鐘進(jìn)入優(yōu)選目錄。聚類算法根據(jù)前面濾波和選擇兩個算法的結(jié)果，對優(yōu)選目錄中的時間參考源重新選擇。衡量標(biāo)準(zhǔn)說到底是精確度，具體表現(xiàn)則為NTP的級、離差、延時、偏移和偏移的一次導(dǎo)數(shù)等的加權(quán)組合。現(xiàn)行候選者如能通過聚類算法則留用，否則將被剔除出優(yōu)選目錄，并在 其他參考源中選取一個最佳者加入優(yōu)選目錄。通過

38、聚類算法，可以減少網(wǎng)絡(luò)時間漂移產(chǎn)生的不良影響。 8.4 時鐘調(diào)節(jié) 時鐘調(diào)節(jié)是NTP實現(xiàn)至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。時間精確度強(qiáng)烈依賴于時鐘振蕩器的穩(wěn)定度和時鐘調(diào)節(jié)的精密度。在NTP中，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)能力的變化產(chǎn)生的誤差為抖動；振蕩器頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生的誤差為漂移。目前使用自適應(yīng)混合時鐘調(diào)整算法。該調(diào)整算法校準(zhǔn)計算機(jī)時鐘的時間，補(bǔ)償固有頻率誤差，根據(jù)測得的抖動和漂移動態(tài)地調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。算法使用了鎖相環(huán)路PLL和鎖頻環(huán)路FLL兩者的合成。PLL消除抖動非常有效，而只能間接地降低漂移，而FLL正好相反。因此，在抖動主導(dǎo)的環(huán)境，使用PLL效果明顯；在漂移占主導(dǎo)地位的環(huán)境中，F(xiàn)LL效果明顯。調(diào)整算法如圖8.4的

39、反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行實現(xiàn)。 這里，θr表示周期性輪詢產(chǎn)生的參考相位，θc是可變頻率振蕩器VFO產(chǎn)生的控制相位。鑒相器輸出信號Vd表示θr和θc的瞬時相位差。時鐘濾波器相 當(dāng)一個帶抽頭的延遲線，由算法決定抽頭位置。時鐘選擇、群集和合成算法組合濾波器的數(shù)據(jù)以生成信號Vs。環(huán)路濾波器產(chǎn)生信號Vc，控制VFO的頻率ωc和 相位θc。該算法在不同的網(wǎng)絡(luò)抖動和振蕩器漂移情況下，自動控制管理消息更新間隔。更新間隔的上限從先前的不到0.5小時秒擴(kuò)展到1.5天，大大減輕了網(wǎng)絡(luò)開銷，增加了可靠性。而且切換時間源時，它不會出現(xiàn)跳頻現(xiàn)象。 圖8.4 時鐘調(diào)節(jié)算法 9．結(jié)語 NTP和互聯(lián)網(wǎng)的同步在國外已經(jīng)得

40、到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計99年已有將近1萬4千個專用時間服務(wù)器在工作，相應(yīng)的對等服務(wù)器超過18萬臺。使用準(zhǔn)確的和有依 據(jù)的時間不僅僅是許多工作的需要，而且正在成為企業(yè)和個人地位和身份的象征。在國內(nèi)NTP的應(yīng)用日益廣泛，例如在時間戳認(rèn)證方面，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及和深 化，NTP的運用領(lǐng)域會獲得更大的拓展。 七、時鐘同步 時鐘同步也叫“對鐘”。要把分布在各地的時鐘對準(zhǔn)（同步起來），最直觀的方法就是搬鐘，可用一個標(biāo)準(zhǔn)鐘作搬鐘，使各地的鐘均與標(biāo)準(zhǔn)鐘對準(zhǔn)?；蛘呤拱徵娛紫扰c系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘對準(zhǔn)，然后使系統(tǒng)中的其他時針與搬鐘比對，實現(xiàn)系統(tǒng)其他時鐘與系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時鐘同步。 所謂系統(tǒng)中各時鐘的同步，并不要求

41、各時鐘完全與統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時鐘對齊。只要求知道各時鐘與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時鐘在比對時刻的鐘差以及比對后它相對標(biāo)準(zhǔn)鐘的漂移修正參數(shù)即可，勿須撥鐘。只有當(dāng)該鐘積累鐘差較大時才作跳步或閏秒處理。因為要在比對時刻把兩鐘“鐘面時間對齊，一則需要有精密的相位微步調(diào)節(jié)器會調(diào)節(jié)時鐘用動源的相位，另外，各種驅(qū)動源的漂移規(guī)律也各不相同，即使在兩種比對時刻時鐘完全對齊，比對后也會產(chǎn)生誤差，仍需要觀測被比對時鐘驅(qū)動源相對標(biāo)準(zhǔn)鐘的漂移規(guī)律，故一般不這樣做。在導(dǎo)航系統(tǒng)用戶設(shè)備中。除授時型接收機(jī)在定位后需要調(diào)整1PPS信號前沿出現(xiàn)時刻外（它要求輸出秒信號的時刻與標(biāo)推時鐘秒信號出現(xiàn)時刻一致），一般可用數(shù)學(xué)方法扣除鐘差。時間同步的另一種方法是

42、用無線電波傳播時間信息。即利用無線電波來傳遞時間標(biāo)準(zhǔn)，然后由授時型接收機(jī)恢復(fù)時號與本地鐘相應(yīng)時號比對，扣除它在傳播路徑上的時延及各種誤差因素的影響，實現(xiàn)鐘的同步。隨著對時鐘同步精度要求的不斷提高，用無線電波授時的方法，開始用短波授時（ms級精度），由于短波傳播路徑受電離層變化的影響，天波有一次和多次天波，地波傳播距離近，使授時精度僅能達(dá)到ms級。后來發(fā)展到用超長波即用奧米伽臺授時，其授時精度約10μs左右，后來又用長波即用羅蘭C臺鏈兼顧授時，其授時精度可達(dá)到 μs，即使羅蘭C臺鏈組網(wǎng)也難于做到全球覆蓋。后來又發(fā)展到用衛(wèi)星鐘作搬鐘。用超短波傳播時號．通過用戶接收共視某顆衛(wèi)星，使其授時精度優(yōu)于搬鐘

43、可達(dá)到 10ns精度?？磥砝眯l(wèi)星授時是實現(xiàn)全球范圍時鐘精密同步的好辦法，只有利用衛(wèi)星，才可在全球范圍內(nèi)用超短波傳播時號；用超短波傳播時號不僅傳遞精度高，而且可提高時鐘比對精度，通過共視方法，把衛(wèi)星鐘當(dāng)作搬運鐘使用，且能使授時精度高于直接搬鐘，直接搬鐘難于使兩地時鐘去共視它。共視可以消除很多系統(tǒng)誤差以及隨時間慢變化的誤差，快變化的隨機(jī)誤差可通過積累平滑消除。 八、時間應(yīng)用 精密時間是科學(xué)研究、科學(xué)實驗和工程技術(shù)諸方面的基本物理參量。它為一切動力學(xué)系統(tǒng)和時序過程的測量和定量研究提供了必不可少的時基坐標(biāo)。精密時間以其完美的線性和連續(xù)性展示出繽紛的客觀世界的理性，成為人類認(rèn)識世界和改造

44、世界的科學(xué)銳劍。 精密時間不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重要的作用，如地球自轉(zhuǎn)變化等地球動力學(xué)研究、相對論研究、脈沖星周期研究和人造衛(wèi)星動力學(xué)測地等；而且在應(yīng)用研究、國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)鐘也有普遍的應(yīng)用，如航空航天、深空通訊、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、信息高速公路、地質(zhì)測繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸和科學(xué)計量等；甚至已經(jīng)深入到人們社會生活的方方面面，幾乎無所不及。 隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，對高精度時間頻率提出了更高要求，特別時現(xiàn)代數(shù)字通信網(wǎng)的發(fā)展、信息高速公路建設(shè)，各種政治、文化、科技和社會信息的協(xié)調(diào)都時建立在嚴(yán)格的時間同步基礎(chǔ)上的。如： 　　　 時刻準(zhǔn)確度 　

45、 頻率穩(wěn)定度 衛(wèi)星導(dǎo)航　 ±20納秒 　　　 ±2×10-13（日穩(wěn)） 電子偵察衛(wèi)星　 ±10納秒 　　　 ±5×10-13 巡航導(dǎo)彈 ±50納秒 　　　±5×10-13 衛(wèi)星測軌 ±50納秒 　　　±1×10-12 高速數(shù)字通信網(wǎng)　 ±0.5微秒　　 ±5×10-12 電力傳輸網(wǎng)　 ±1微秒　　　 ±1×10-11 電視校頻　　　　　 　　　 ±5×10-12 九、IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議測試技

46、術(shù) 1. 引言 以太網(wǎng)技術(shù)由于其開放性好、價格低廉和使用方便等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信級別的網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度也從早期的10M提高到100M、GE、10GE。而40GE 、100GE正式產(chǎn)品也將于2009年推出。 以太網(wǎng)技術(shù)是“即插即用”的，也就是將以太網(wǎng)終端接到IP網(wǎng)絡(luò)上就可以隨時使用其提供的業(yè)務(wù)。但是，只有“同步的”的IP網(wǎng)絡(luò)才是一個真正的電信級網(wǎng)絡(luò)， 才能夠為IP網(wǎng)絡(luò)傳送各種實時業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多重播放業(yè)務(wù)提供保障。目前，電信級網(wǎng)絡(luò)對時間同步要求十分嚴(yán)格，對于一個全國范圍的IP網(wǎng)絡(luò)來說，骨干網(wǎng)絡(luò)時延一般要求控制在50ms之內(nèi)，現(xiàn)行的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP（Netwo

47、rkTimeProtocol），簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 SNTP（SimpleNetwork Time Protocol）等不能達(dá)到所要求的同步精度或收斂速度?；谝蕴W(wǎng)的時分復(fù)用通道仿真技術(shù)（TDM over Ethernet）作為一種過渡技術(shù)，具有一定的以太網(wǎng)時鐘同步概念，可以部分解決現(xiàn)有終端設(shè)備用于以太網(wǎng)的無縫連接問題。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)則特別適合于以太網(wǎng)，可以在一個地域分散的IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)微秒級高精度的時鐘同步。本文重點介紹IEEE 1588技術(shù)及其測試實現(xiàn)。 2. IEEE1588PTP介紹 IEEE1588PTP協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資

48、源消耗少等特點。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制 系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE1588Precision Clock Synchronization Protocol）”，簡稱PTP（Precision Timing Protocol），它的主要原理是通過一個同步信號周期性的對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的時鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。 IEEE1588將整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時鐘分為兩種，即普通時鐘（OrdinaryClock，OC）和邊界時鐘（BoundaryClock，BC），只有一個PTP通信

49、端口的時鐘是普通時鐘，有一個以上PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口提供獨立的PTP通信。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī) 和路由器）上。從通信關(guān)系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任何時鐘都能實現(xiàn)主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個主時鐘。整個系統(tǒng)中的最優(yōu)時鐘為最高級時鐘GMC（Grandmaster Clock），有著最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。根據(jù)各節(jié)點上時鐘的精度和級別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鐘算法 （Best Master Clock）來自動選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時鐘；在只有一個子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時鐘就是最

50、高級時鐘GMC。每個系統(tǒng)只有一個GMC，且每個子網(wǎng)內(nèi)只有一個主時鐘， 從時鐘與主時鐘保持同步。圖1所示的是一個典型的主時鐘、從時鐘關(guān)系示意。 圖1主時鐘、從時鐘關(guān)系示意圖 同步的基本原理包括時間發(fā)出和接收時間信息的記錄，并且對每一條信息增加一個“時間戳”。有了時間記錄，接收端就可以計算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時鐘誤差和延 時。為了管理這些信息，PTP協(xié)議定義了4種多點傳送的報文類型和管理報文，包括同步報文（Sync），跟隨報文（Follow_up），延遲請求報文 （Delay_Req），延遲應(yīng)答報文（Delay_Resp）。這些報文的交互順序如圖2所示。收到的信息回應(yīng)是與時鐘當(dāng)前的

51、狀態(tài)有關(guān)的。同步報文是從主時鐘周期性發(fā)出的(一般為每兩秒一次)，它包含了主時鐘算法所需的時鐘屬性?？偟膩碚f同步報文包含了一個時間戳，精確地描述了數(shù)據(jù)包發(fā)出的預(yù)計時間。 圖2PTP報文與交換順序 由于同步報文包含的是預(yù)計的發(fā)出時間而不是真實的發(fā)出時間，所以Sync報文的真實發(fā)出時間被測量后在隨后的Follow_Up報文中發(fā)出。Sync報文 的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up報文中的真實發(fā)出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，并據(jù)此更正 從屬時鐘的時間。但是此時計算出的時差包含了網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req報文來

52、定義網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。 Delay_Req報文在Sync報文收到后由從屬時鐘發(fā)出。與Sync報文一樣，發(fā)送方記錄準(zhǔn)確的發(fā)送時間，接收方記錄準(zhǔn)確的接收時間。準(zhǔn)確的接收時間 包含在Delay_Resp報文中，從而計算出網(wǎng)絡(luò)延時和時鐘誤差。同步的精確度與時間戳和時間信息緊密相關(guān)。純軟件的方案可以達(dá)到毫秒的精度，軟硬件結(jié) 合的方案可以達(dá)到微秒的精度。 PTP協(xié)議基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時的最精確的匹配時間，每個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文而與主時鐘達(dá)到同步。這個同步過程分為漂移測量階段和偏移測量與延遲測量階段。 第一階段修正主時鐘與從時鐘之間的時間偏差，稱為漂移測量。如圖3所示，在修正漂

53、移量的過程中，主時鐘按照定義的間隔時間（缺省是2s）周期性地向相應(yīng)的 從時鐘發(fā)出惟一的同步報文。這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘測量傳遞的準(zhǔn)確時間T0K，從時鐘測量接收的準(zhǔn)確時間T1K。之后主時 鐘發(fā)出第二條報文——跟隨報文（Follow_upMessage），此報文與同步報文相關(guān)聯(lián)，且包含同步報文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計值。 這樣，對傳遞和接收的測量與標(biāo)準(zhǔn)時間戳的傳播可以分離開來。從時鐘根據(jù)同步報文和跟隨報文中的信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鐘的時間， 如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個時鐘就會同步。 圖3PTP時鐘漂移測量計算

54、 為了提高修正精度，可以把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲等待時間考慮進(jìn)來，即延遲測量，這是同步過程的第二個階段（見圖4）。 從時鐘向主時鐘發(fā)出一個“延遲請求”數(shù)據(jù)報文，在這個過程中決定該報文傳遞準(zhǔn)確時間T2。主時鐘對接收數(shù)據(jù)包打上一個時間戳，然后在“延遲響應(yīng)”數(shù)據(jù)包中 把接收時間戳B送回到從時鐘。根據(jù)傳遞時間戳B和主時鐘提供的接收時間戳D，從時鐘計算與主時鐘之間的延遲時間。與偏移測量不同，延遲測量是不規(guī)則進(jìn)行 的，其測量間隔時間（缺省值是4~60s之間的隨機(jī)值）比偏移值測量間隔時間要大。這樣使得網(wǎng)絡(luò)尤其是設(shè)備終端的負(fù)荷不會太大。采用這種同步過程，可以消 減PTP協(xié)議棧中的時間波動和主從時鐘

55、間的等待時間。從圖4右邊可以看到延遲時間D和偏移時間數(shù)值O的計算方法。 圖4PTP時鐘延遲和偏移計算 IEEE1588目前的版本是v2.2，主要應(yīng)用于相對本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，內(nèi)部組件相對穩(wěn)定，其優(yōu)點是標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，特別適合于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。與其他常用于EthernetTCP/IP網(wǎng) 絡(luò)的同步協(xié)議如SNTP或NTP相比，主要區(qū)別是PTP是針對更穩(wěn)定和更安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計的，所以更為簡單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計算資源也更少。NTP協(xié)議是 針對于廣泛分散在互聯(lián)網(wǎng)上的各個獨立系統(tǒng)的時間同步協(xié)議。GPS(基于衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng))也是針對于分散廣泛且各自獨立的

56、系統(tǒng)。PTP定義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可 以使自身達(dá)到很高的精度，與SNTP和NTP相反，時間戳更容易在硬件上實現(xiàn)，并且不局限于應(yīng)用層，這使得PTP可以達(dá)到微秒以內(nèi)的精度。此外，PTP模 塊化的設(shè)計也使它很容易適應(yīng)低端設(shè)備。 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進(jìn)行專門的同步通信，從而達(dá)到了通信時間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。 由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。 十、GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 相對于GPS的定位功能來說，GPS的定時功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加

57、重要和普遍。電力系統(tǒng)中如微機(jī)保護(hù)及安全自動化系統(tǒng)、遠(yuǎn)動及微機(jī)監(jiān)控系 統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動化裝置，都需要一個精確的時間標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對時間標(biāo)準(zhǔn)的精確度也提出了更高的要 求。傳統(tǒng)的定時方式有兩種：（1）電網(wǎng)調(diào)度中心通過通信通道同步系統(tǒng)內(nèi)各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達(dá)各個電站的距離不 一樣，通信延時也不一樣，因此只能保證系統(tǒng)時鐘在毫秒級誤差的水平；（2）利用廣播、電視、天文臺等的無線報時信號，這種方式一般一個小時報送一次，一個 小時內(nèi)會積累較大的誤差，同樣還由于信號傳播延時，時間誤差較大，很難達(dá)到毫秒級，此外還容易受到電

58、站內(nèi)的電磁干擾影響。 GPS為電力系統(tǒng)時鐘同步提供了新的技術(shù)保證。就算廣泛應(yīng)用于民用的GPS粗碼，理論上定時精度可以達(dá)到0.1微秒，現(xiàn)在市場上銷售的接收機(jī)的 定時精度都可以達(dá)到1微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的定時方式。利用GPS同步電力系統(tǒng)的時鐘，必將是電力系統(tǒng)主要的定時方式，同時也為電力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實 的基礎(chǔ)。 1. 相量測量和新一代的動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng) 電力系統(tǒng)中的電壓和電流波形基本上是正弦波，頻率、幅值和相角是正弦波的三個要素，在同一電力系統(tǒng)中，頻率是相同的，幅值也很容易測量，但相角 測量確是一個未解的難題。相角測量的主要困難是同一電力系統(tǒng)中各個電站的母線電壓和線路電流的相角必

59、需是相對于同一個時間標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的定時方式誤差在 1ms以上，對于頻率為50Hz的系統(tǒng)來說，1ms就相差18°，很明顯這是不能接受的，GPS高精度的定時為相角測量提供了解決方案。在美國，IEEE 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和控制委員會設(shè)立了一個專業(yè)委員會H7，專門研究同步相量測量單元PMU（Phasor Measurement Unit）的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。PMU裝置內(nèi)的時鐘每秒鐘通過GPS接收機(jī)同步一次，一秒鐘間隔內(nèi)由裝置內(nèi)部的高穩(wěn)定度晶振產(chǎn)生，這樣安裝在電力系統(tǒng)內(nèi)不同電站 的PMU采樣時間誤差在幾個微秒之內(nèi)，對應(yīng)的相角誤差不超過0.1°，可以滿足相角測量的要求。 長期以來，由于相角不能測量，電力系統(tǒng)的潮

60、流分布只能根據(jù)各個節(jié)點的電壓幅值、有功功率和無功功率，以及當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立和求解非線 性方程來得到，由于解非線性方程需要反復(fù)迭代，計算量大，計算時間長，因此得不到實時的潮流分布，調(diào)度員只能根據(jù)經(jīng)驗間接地判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)的 安全監(jiān)控?zé)o法根據(jù)簡單的相角條件來實現(xiàn)。 新一代的動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)利用現(xiàn)代的通信技術(shù)，將分布在各個電站的PMU測量到的電壓電流相量、有功無功、發(fā)電機(jī)的功角等信號傳送到調(diào)度中心， 由中央處理單元對這些信號進(jìn)行處理，以便對電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測、動態(tài)行為監(jiān)測、穩(wěn)定監(jiān)測、故障分析等，有利于值班員對系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別，增強(qiáng)事故后干 預(yù)、防止事故擴(kuò)大或連鎖發(fā)展的能力。

61、 2. 故障測距 在電力系統(tǒng)中，輸電線路經(jīng)常發(fā)生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復(fù)雜，尋找故障地點就非常費時費力費錢。傳統(tǒng)的故障測距方法利用電壓除以電流得到阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)估計故障距離，由于線路故障大多非金屬短接，過渡阻抗無法確定，因此誤差很大。 3. 雷電監(jiān)測系統(tǒng) 雷電破壞是電力系統(tǒng)故障的主要因素。盡管雷電是一種隨機(jī)的自然現(xiàn)象，但是可以通過多年的監(jiān)測，得到雷電活動的統(tǒng)計規(guī)律，這對電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè) 計，減少雷害損失有著重要的意義。雷電監(jiān)測系統(tǒng)由中心主站和分布在不同位置的基站組成，雷閃時產(chǎn)生電磁波往空間的各個方向傳播，各個基站測量接收到電磁波 的時間和電磁波的幅

62、值，并傳送達(dá)中心主站，中心主站根據(jù)這些信息就可以計算出，雷閃的位置及雷電流的大小。與故障測距一樣，雷電監(jiān)測的精度主要依賴于時間 的精度，GPS的使用就是為了保證各個基站和中心主站有一個共同的時間標(biāo)準(zhǔn)。 4. 繼電保護(hù) GPS在繼電保護(hù)中的用途有兩個：線路差動保護(hù)和保護(hù)聯(lián)合調(diào)試。 電流差動保護(hù)原理就是基爾霍夫電流定理：同一時刻流入某個節(jié)點或廣義節(jié)點的電流的代數(shù)和為零。差動保護(hù)由于其簡單、可靠和快速等特點，已經(jīng)作為 主保護(hù)廣泛應(yīng)用的母線、變壓器和發(fā)電機(jī)等設(shè)備上，但是用在長距離的輸電線路就比較困難，問題就在于“同一時刻”上，傳統(tǒng)的定時方式很難保證線路兩端設(shè)備采 樣時間的統(tǒng)一，GPS的出

63、現(xiàn)為線路差動保護(hù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了新的契機(jī)。 帶有通道的輸電線路縱聯(lián)保護(hù)在超高壓輸電線路中有著重要的意義。這些保護(hù)試驗時，為了分析保護(hù)的效果，記錄下來的兩端的電壓電流波形就必須有一個共同的時間標(biāo)準(zhǔn)，以保證試驗的同步性。 十一、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）的特點 從UTC獲取標(biāo)準(zhǔn)時間 網(wǎng)路校時協(xié)議，提供在互連的網(wǎng)路上提供校時服務(wù)和發(fā)送供給標(biāo)準(zhǔn)時間給計算機(jī)。目前已成為Internet上時間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NTP提供準(zhǔn)確 時間，首先要有準(zhǔn)確的時間來源，這一時間應(yīng)是國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC。NTP獲得UTC的時間來源可以是原子鐘，天文臺，衛(wèi)星，也可以從Internet上獲 取。這樣就有了準(zhǔn)確而可靠

64、的時間源。 NTP服務(wù)器分層提供服務(wù) 時間按NTP服務(wù)器的等級傳播。按照離外部UTC源的遠(yuǎn)近將所有服務(wù)器歸入不同的Stratum（層）中。Stratum-1在頂層，有外部 UTC接入，而Stratum-2則從Stratum-1獲取時間，Stratum-3從Stratum-2獲取時間，以此類推，但Stratum層的總 數(shù)限制在15以內(nèi)。所有這些服務(wù)器在邏輯上形階梯式的架構(gòu)相互連接，而Stratum-1的時間服務(wù)器是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 過濾算法選擇時間的最佳路徑和來源 計算機(jī)主機(jī)一般同多個時間服務(wù)器連接，利用統(tǒng)計學(xué)的算法過濾來自不同服務(wù)器的時間包，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機(jī)時間。即使主機(jī)在長時間無法與某一時間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下，NTP服務(wù)依然有效運轉(zhuǎn)。 識別機(jī)制抗干擾和惡意破壞 為防止對時間服務(wù)器的惡意破壞，NTP使用了識別(Authentication)機(jī)制，檢查來對時的信息是否是真正來自所宣稱的服務(wù)器并檢查資料的返回路徑，以提供對抗干擾的保護(hù)機(jī)制。