城市轨道交通时钟系统

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。 3GPS 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：2X10-2s/4 h；2铯原子钟：土 1X10-6s/1d；3 铷原子钟：3X10-3s/30d。2. 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：1RS232/422 串口是最常用的设备外接时钟接口；2VME 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；4PCM 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。 1IRIGIRIG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10100吟 2DCLSDCLS是IRIGB的一种特殊形式，无传输距离的限制，准确度为101000盟。 3ACTSACTS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101000阴。 4NTP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44 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 10-1310-14、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 cmL2=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17501850 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 22002300 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。3GPS 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,则该表日稳定度为土 1s/d，若每月快慢 在5s之内，则月稳定度为土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ls/d,可表为：Is/24 hX60min X60s=1.157X10-5；时钟月稳定度为5/月可表为：5s/30dX24hX60minX60s=1.929X 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：1.157X10-5，则该时钟的走时日稳定 度亦为1.157X10-5 f1s/do若驱动源采用标称频率为lMHz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 1.157X 10-5X106Hz=11.57Hz。即该标称频率为lMHz 晶体振荡器的日频率稳定度为1.157X10-5,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 耳初相为qt；输出压控振荡频率为Fo,初相为盒t,基本锁相环路框图如图8 1所示。图 81 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。环路中的压控振荡器VCO可以是LC振荡器，也可以是晶体振荡器。与独立振荡器不 同的是,在压控振荡器的振荡槽路或等效振荡槽路上并有变容二极管。变容二极管的 PN 结的 电容量随着加在二极管上的反向偏压的变化而变化。图82为一个LC压控振荡器原理图。图 82 Lc 压控振荡器原理图设锁相环路中的鉴相器是线性的,其输出电压正比于基准振荡与压控振荡的相位差,即： Ud=Kd说t久环路在锁定状态下,鉴相器的输出电压 Vd 通过低通滤波器加在压控振荡器上,迫使压控 振荡器具有与基准振荡相同的频率。即环路在锁定状态下,输出压控振荡的频率等于基准振 荡的频率/o=/i。系统无频率误差，而具有一个剩余相位差,就是该剩余相位差才能保证 压控振荡与基准振荡同步。一般将Ud=0时的VCO振荡频率称为VCO的自由振荡频率；将UdM0的VCO振荡频 率称为 VCO 的受控振荡频率。假设基准振荡器与压控振荡器的频率都是固定不变的,且 VCO 自由振荡频率恰好等于 基准振荡频率时,由于反馈环路的自调整作用,能使压控振荡器的输出电压与基准振荡器的输 出电压最后的相位差为0。由于某种原因，例如温度变化或电源电压变化造成VCO自由振荡 频率发生变化时,首先使压控振荡器的输出电压与基准振荡器的输出电压之间的相位差发生 变化,于是鉴相器输出一个直流电压反过来控制VCO振荡的频率变化。通过反馈环路反复自 行调整，使得VCO自由振荡频率变化过程变成了一个相位变化的过程小于90或180 , 压控振荡器的输出电压与基准振荡器的输出电压之间的相位差使鉴相器输出相应的电压,从 而使压控振荡器受控,受控振荡频率等于基准振荡频率。在实际使用中,可以对基准频率输出进行倍频或对压控振荡输出进行分频,完成低频振荡 同步高频振荡；亦可以对基准频率输出进行分频或对压控振荡输出进行倍频,完成高频振荡 同步低频振荡。2同步范围与捕获范围为了讨论的简单化与可测量性,假设基准振荡人发生变化，迫使VCO的受控振荡频率随 之变化,以满足同步要求。但是,VCO振荡跟踪基淮频率变化是有一定范围的,超过了此范围环路将失锁，即VCO 振荡频率不再跟踪基淮频率的变化了。下面用图83来说明这一过程,同时引出锁相环路的 同步范围和捕获范围两个重要概念。图83的纵坐标代表加到VCO上的控制电压匕； 横坐标代表外加基淮频率厶,其中fp为VCO的自由振荡频率。图 83 锁相环路的同步范围和捕获范围图8 3a表示外加基准频率厶由低向高缓慢变化的情况，设厶由远低于扎处逐渐向 fp靠近。在人小于f2时环路失锁，当人=f2时环路锁定，控制电压匕出现一个负的跃变；当 /升高至fi=fp时代=0，厶继续升高控制电压冬变正，当f升高至f4时环路失锁,控制电压跃变 为 0。接着反过来缓慢降低外加基准频率f,，如图8 3b所示。当fi=f4时环路并不能锁定。 厶进一步降低至f3时环路锁定，控制电压匕出现一个正的跃变；f,继续减少代降低,当降至 f,=fp时,匕=0。f,继续降低，控制电压vc变负:当f,降低至f1时，环路失锁，控制电压跃变为0。 在锁相环路中，同步范围与捕获范围的定义为：环路在已经锁定的状态下，变化f,向低变到f1时或向高变到f4时环路才会失锁。即是 厶在f 1f4频率范围内环路能保持锁定，则同步范围为：fL=f4f1/2环路在未锁定的状态下，变化f,当f,由低向高变到f2或由高向低变到f3时环路才会进入 锁定，则捕获范围定义为：fC=f3f2/2可见同步范围大于捕获范围。理论与实践都证明，在环中加入低通滤波器的截止频率越低，捕获范围越小，只有在环中 不加入低通滤波器的情况下，捕获范围才等于同步范围。而同步范围大小则与环中介入的低 通滤波器无关。其物理意义如下：当环路失锁时，鉴相器输出重复频率为fpf,或f,fp的差拍振荡信 号。该差拍信号通过低通滤波器时受到衰减,以致在f,由低向高变到f2之前和在f,由高向低 变到f3之前，加到VCO上的差拍信号幅度太小,不能使VCO的频率摆动到等于f,故不能捕 获。只有f,由低向高变到f2;由高向低变到f3时，差拍信号频率降低，低通滤波器对差拍信号 的衰减减少，加到VCO上的差拍信号幅度加大，使VCO频率的摆动加大到能够包括f2或f3 时，系统才能进入平衡锁定，图84所示为当f,频率升高接近与达到f2捕捉过程中的差拍 信号。而环路在已锁定状态下，鉴相器输出为一直流信号，低通滤波器对其无衰减，故同步范围 与低通滤波器的截止频率无关。图 84捕捉过程中的差拍信号而在时钟系统中，基准振荡频率稳定度高于VCO振荡，应该视为基准频率f,固定，而VCO 自由振荡频率fp变化。当fp偏离f,时同样存在一定的同步范围与捕获范围。在预先调整好fp=f,的情况下，为保证锁相环路的锁定，要求VCO的自由振荡频率不漂 出同步范围,即要求VCO自由振荡频率稳定度W同步范围f4f/2fp。为保证暂时停电 或基准信号暂时消失后的重新捕获,则要求 VCO 的自由振荡频率再处在环路的捕获范围之 内,即要求VCO自由振荡频率稳定度W捕获范围f/3-/2/2/po第二节 城轨时钟系统的功能需求 时钟系统作为城轨通信系统的一个部分,在城轨运营过程中为工作人员、乘客及全线机 电系统提供统一的标准时间,使全线各机电系统的定时设备与时钟系统同步,从而实现城轨全 线统一的时间标准,以提高运营效率和质量。一、时钟系统的基本功能需求 1可靠性时钟系统所有设备均能满足一天24h不间断连续运行。2同步校对控制中心一级母钟设备接收外部GPS标准时间时标信号进行自动校时,保持与GPS时 标信号的同步。一级母钟周期地送出统一的同步脉冲和标准时间信号给其他系统,并通过输 出信道统一校准各二级母钟,从而使整个时钟系统长期无累积误差运行。系统具备降级使用功能。当一级母钟在失去GPS时标时应能独立正常工作；二级母钟 在传输通道中断的情况下,应能独立正常工作；各子钟在失去外部时钟驱动信号时,亦能独立 正常工作。在降级使用中允许时钟精度下降。3时钟精度在GPS时标同步下，一级母钟受控时钟精度应在土 1X10-10s/d以上。一级母钟独立时 钟精度不受控情况下应在土 1X10-8s/d以上，二级母钟独立时钟精度应在土 1X10-7s/d 以上,一级和二级母钟都应带有日期、时间显示。4日期、时间显示 一级母钟能产生全时标信息,格式为：年,月,日,星期,时,分,秒,毫秒,并能在设备上显示。 二级母钟具有日期、时间显示功能。一级母钟和二级母钟具有数字式及指针式子钟的多路输出接口。数字式及指针式子钟均 应有时、分、秒显示，显示应清晰，数字子钟具备12h和24h两种显示方式的转换功能亦可 选用带日期显示的数字子钟。子钟安装位置应便于观看。子钟为双面或单面显示设备,设在 控制中心、车站和车辆段/停车场等必要的区域和房间内。5为其他系统提供标准时间信号 中心一级母钟设备设有多路标准时间码输出接口，能够在整秒时刻给其他各相关系统提 供标准时间信号。6设备冗余一、二级母钟采用主、备母钟冗余配置，并具有热备功能。当主母钟出现故障时，自动切 换到备母钟，由备母钟全面代替主母钟工作。主母钟恢复正常后，备母钟自动切换回主母钟。7系统扩容和升级 系统采用分布式结构方式，可方便地进行扩容。对每个节点二级母钟系统的改动都不会 影响整个系统。节点设备扩容时无需更换软件和增加控制模块，只需适当增加接口板便可扩 大系统的容量。8可监控性 主要时钟设备应具有自检功能，并可由中心维护检测终端采集检测的结果，实时显示各设 备的工作状态和故障状态。当系统出现故障时，维护检测终端能够进行声光报警，指示故障部 位，对故障状态和时间进行打印和存储记录，并具有集中告警和联网告警功能。9防电磁干扰 列车电机所产生的电磁波会对时钟系统产生干扰，需采取必要的防护措施，避免干扰信号 进入时钟设备与线缆。二、一级母钟的功能需求 一级母钟是整个时间系统的中枢部分,其工作的稳定性很大程度上决定了整个系统的可 靠性,因此,充分考虑了系统功能的实现与系统可靠性等综合因素,将其设计为主、备冗余配置 的双机系统。主、备机具有自检和互检功能,并且主、备机之间可实现自动或手动切换。一 级母钟的时间依靠接收GPS时标信号来校准，以免产生累积误差。一级母钟的具体功能需求 如下：1 一级母钟能够显示年、月、日、星期、时、分、秒等全时标时间信息。2 一级母钟具有统一调整起始时间、变更时钟快慢的功能。3 一级母钟可通过设置在前面板上的键盘实现对时间的统一调整。4 一级母钟接收时标信号接收机发送的时标信号。时标信号接收机正常工作时，该信号 将作为一级母钟的时间基准；外部所有的时标信号接收出现故障时，一级母钟将采用自身的 高稳定晶振产生的时间信号作为时间基准，保持自身及二级母钟正常工作并向时钟系统网管 设备维护检测终端发出告警或向控制中心集中网管发出告警。5 一级母钟能与外部时标信号保持同步。6 一级母钟通过分路输出接口箱采用标准的 RS422 接口与传输子系统相连，通过城 轨传输系统向设置于各车站/车辆段的二级母钟发送时标信号，统一校准各个二级母钟，并负 责向控制中心其他机电系统设备提供时标信号。当二级母钟、子钟或传输通道出现故障时， 能立即向时钟系统网管中心发出告警。7 一级母钟同时通过城轨传输系统提供的数据通道，经由分路输出接口箱接收二级母 钟回送的自身和二级母钟所属子钟的运行状态信息。8 一级母钟能够实时检测市电电网的频率波动情况，当频率波动过大时，可发出报警以 提醒设备管理人员采取必要措施。9 一级母钟通过标准的 RS232 接口与网管终端相连，以实现对时钟系统主要设备和 部件的监控。10 一级母钟具有80 路标准的 RS422 接口可扩至512 个。其中向各车站/车辆段 提供时标信号接口30路，预留25路接口用于将来扩展使用；向其他系统提供20 路接口。11 一级母钟通过20路标准的RS422接口，向城轨其他机电系统以及需要统一时间 的系统发送全时标时间信号，以实现城轨全线时间的严格统一。12 一级母钟通过对主、备母钟工作状态的循环自检和互检，在发现故障时能够立即实 现母钟主、备机的自动转换；非故障状态下，主、备母钟也可以手动进行转换。三、二级母钟的功能需求 二级母钟设置在各车站/车辆段的通信设备室内。为了保证系统的可靠性，二级母钟设置 为主、备机模式。在正常情况下，主机工作，当出现故障时，自动转换到热备份的备用机上工作， 提高了系统的可靠性。二级母钟的具体功能需求如下：1 二级母钟通过接收一级母钟发出的时标信号，与一级母钟保持同步。二级母钟采用 RS422接口，通过城轨传输系统提供的数据传输通道与中心母钟相连接。2二级母钟通过RS422接口向所在区域的子钟发送时标信号,以实现对子钟时间显 示精度的校准，同时接收子钟回送的工作状态信息，并能够向一级母钟回馈自身及所辖子钟的 工作信息。 3 二级母钟每秒一次接收一级母钟的时标信号 ，从每秒的零毫秒时刻开始以 4800/ 9600 波特率连续发送 21 个含有年、月、日、星期、时、分、秒的时间字符，并且包含起始位、 结束位、校验位、GPS校时等字符信息。二级母钟在接收到结束符后,可直接用接收到的时 间信息来替换自身设备的毫秒计时；然后再依次校准秒、分、时、日、月、年、星期等计时 单元。二级母钟的发送和接收可同步进行。4 二级母钟具有独立的高稳定晶振,一级母钟对二级母钟是校时或同步的关系,而不是 替代关系,当中心一级母钟或数据传输通道出现故障时,二级母钟将依靠自身晶振产生的时间 信号独立工作,驱动所辖子钟的运行,并立即向时钟系统网管设备发出失步告警信号。5 二级母钟具有监测数据传输接口,通过 RS232 接口可接入移动网管计算机笔记 本电脑,在本车站可实现对本站设备以及各个车站设备的监测。6 二级母钟具有日期、时间显示功能,时间显示器以年、月、日、星期、时、分、秒格 式显示。时间显示器平常显示日历和时间,需要时也可作为检测窗口使用,用户可以通过切换 按键很方便的顺序查询本二级主、备母钟,接口模块以及本站所有子钟的运行状态。二级母 钟并具备人工调整功能。7 二级母钟具有子钟分路输出接口。通过屏蔽电缆线连接本车站/车辆段内各子钟。二 级母钟采用标准RS422接口，直接电缆方式与所在区域的子钟相连接。连接子钟的接口数 量为 10 路。每路最多可带20 个子钟。其接口同时可接指针式和数字式子钟。8二级母钟配有10路标准时间接口RS422，为站内其他系统提供统一标准时间信 息。 9 二级母钟各接口局部故障，不影响整个系统正常工作。四、子钟的功能需求车站/车辆段的子钟均通过 RS422 接口，采用直接电缆方式与本车站/车辆段二级母钟 相连，接收二级母钟发送的标准时间信号，对自身的精度进行校准，向工作人员及乘客直接指 示时间信息。子钟在接收到标准时间信号后，向所归属二级母钟回送自身的工作状态。所有子钟均具有独立的计时功能，平时跟踪二级母钟工作。当二级母钟出现故障或因其 他原因，接收不到时标信号时，子钟仍能依靠自身晶振工作，并向时钟系统管理中心发出告警。子钟可分为指针式子钟和数字式子钟两大类；从外观结构上分单面和双面两种类型；从 安装方式上可分成悬挂式和壁挂式两种。数字式子钟从显示方式上可分为日历数字式子钟和 无日历数字式子钟。数字式子钟均采用超高亮或高亮LED数码管显示，且显示清晰醒目，色泽均匀，视觉柔和， 显示字符边缘清晰，字体饱满。子钟均有时、分、秒显示，日历数字式子钟还带有年、月、日、 星期等显示信息。电源开关亦可用作子钟死机时的重新启动。所有数字子钟均具有 12/24 制计时显示格式，也可以通过监控系统有选择地进行部分和 全部子钟显示格式的定时切换。其中室内子钟的防护等级为IP三41 ；室外子钟的防护等级 为IP三56。数字式子钟的运行是靠自身系统进行，通过定时接收二级母钟的标准时间信号，将时间指 示刷新后与二级母钟一致。所有数字式子钟均具有记忆功能，内置实时时钟集成电路和充电电池，停电后可继续保持 实时时间数据数年，上电后立即自动显示正确时间。第三节 城轨时钟系统的构建一、时钟系统的组网结构时钟系统按控制中心一级母钟和车站 /车辆段二级母钟两级组网方式设置 ，系统主要包 括：GPS信号接收单元、控制中心主/备一级母钟系统、车站车辆段主/备二级母钟、时间 显示单元简称子钟、时钟系统网管终端、电源、接口设备及传输通道等构成。控制中心设 置一级母钟与控制中心中的子钟，沿线各车站、车辆段/停车场设置二级母钟和子钟。控制中心一级母钟接收并同步来自GPS卫星的时标信号，配置在控制中心一级母钟为其 他各机电系统提供统一的时间信号，使各子系统的定时设备与时钟系统同步，控制中心一级母 钟并通过传输线路向各车站和车辆段的二级母钟传送时标信号，从而实现城轨全线执行统一 的时间标准。时钟系统框图如图85所示。图 8 5 城轨时钟系统框图二、时钟系统的主要设备1控制中心一级母钟 控制中心母钟的时间依靠接收外部同步时标信号来进行校准,以免产生累积误差,外部同 步时标信号采用GPS接收机接收卫星时标信号,对自身时钟进行校准，从而消除累积误差。当 接收外部同步时标信号的装置出现故障时,一级母钟将利用自身的高稳定度晶振产生的时钟 信号驱动二级母钟正常工作,并向时钟网管设备提供告警。当外部时间信号设备恢复时,一级 母钟将自动跟随。控制中心一级母钟通过城轨专用传输系统定时每秒将同步时标信号发送给车站/车辆 段的二级母钟，同步二级母钟。控制中心一级母钟包括GPs信号接收模块和一级母钟模块。1GPS 信号接收模块为了提高时钟系统输出时标信号的精度,控制中心母钟受控于GPS时标信号。为此，控制 中心母钟配置 GPS 接收机,向时间系统提供高精度的时间基准,以实现时间系统的无累积误 差运行。GPS信号接收模块设计上应具有48个并行信道,即同时最多可以接收48个GPS卫 星的信号。该模块从接收的GPS信号中分解出时标信息,用以同步一级母钟中的受控高稳定 度晶体振荡器，使该晶体振荡输出的时钟信号精度达到GPS时钟信号的精度土 1X10-10 s/d 以上。2 一级母钟一级母钟为受 GPS 时标信号控制的高稳定度温补晶体振荡器。该母钟采用主备冗余结 构。受控晶体振荡器通过系统总线将时标信号传送给其他系统,并通过城轨传输系统同步各 车站与车辆段的二级母钟。当GPS信号接收模块无法正常接收GPS信号时，由晶体振荡器的 独立振荡精度为1X10-8s/d以上提供时钟信号。一级母钟带有时钟驱动电路,用以驱动控制中心中的子钟；并带有时钟系统网管接口,用 以连接网管终端。2二级母钟 在各车站/车辆段的通信设备用房内设置二级母钟,通过城轨传输通道接收控制中心母钟 发出的时标信号,产生并输出时间控制信号,用于驱动本站所有的子钟。同时,二级母钟向控制 中心一级母钟回送的各站二级母钟及子钟的运行状态信息。二级母钟预留系统监测数据接口, 以便接入便携式终端进行设备维护管理。3子钟 子钟接收二级母钟发出的时标驱动信号,进行时间信息显示。子钟能够脱离二级母钟单 独运行,子钟显示方式为指针或数字方式。考虑到乘客导乘信息系统在站台、站厅区均设有 PIS 显示屏,此设备上已显示了时间信息,故在车站站台、站厅区可少设子钟。4传输通道 控制中心一级母钟至二级母钟的传输通道利用城轨专用传输网提供的电路数据传输通 道亦可采用分组数据通道实现。每站占用2路一主一备通道，接口标准为RS-422,传输 速率9600bit/s。控制中心母钟、车站车辆段二级母钟至子钟间的传输通道,采用时钟屏蔽 电缆。5网络监测终端 在控制中心的通信设备用房内时钟监测管理终端网管终端，通过数据传输通道，实时监 测全线时钟系统的运行状态，实施故障定位、报警。并通过网络接口设备向城轨综合网管系 统传输告警信息，实施集中管理与集中告警。三、时钟系统的连接接口 1控制中心母钟输出接口 控制中心一级母钟向各车站/车辆段的二级母钟、系统网管、城轨的其他机电系统通过 传输系统提供的数据通道,发送时标信号的接口均采用RS422接口，以点对点或总线方式连 接。控制中心一级母钟与车站/车辆段二级母钟之间，也可以采用NTP接口,通过分组数据IP 通道传送时标信号。需要时标信号的其他机电系统包括：PIS、CCTV系统、AFC系统、传输系统、无线通 信系统、专用系统、公务通信系统、安防系统、综合UPS系统。2控制中心母钟与控制中心综合监控系统的单设接口 控制中心一级母钟设备单设两路时标输出接口,在整秒时刻给城轨控制中心综合监控系 统提供标准时间信号。3控制中心母钟与信号系统的单设接口控制中心母钟设备单设两路时标信号输出接口，提供NMEA0183格式时间信号给城轨 控制中心信号系统。4母钟与子钟的接口二级母钟连接子钟的时标接口采用RS422总线方式，也可点对点方式。 第四节 计算机网络的时问同步与NTP协议一、概述 每台计算机都有自己的时间，并且是可以调节的。一般情况下，很难保证网络中各计算机 节点具有相同的时间，但在不少应用场合下，网络各节点需要有统一的标准时间，例如：在调度 系统中上级调度下达的调度指挥命令与下级接受该命令的时间；CCTV系统录像回放时所显 示的视频记录时间；信号系统中列车出发/到达时间；电力监控中合/拉闸时间；AFC系统交 易数据的顺序等，都需要网络时间的同步。网络时间同步系统对网络中各台计算机节点的时间不断地进行调整，使其时间尽量地统 一于标准时间。二、计算机网络的时间同步方法 从实现机制来看，时间同步有硬件和软件两种同步方法，各有不同的精度与成本。目前,世界各国发布的时间包括中国的北京时间，均以协调世界时UTC作为基准。UTC 是基于地球自转/天文历法和铯原子钟相结合的基准时间。硬件时间同步系指利用一定的硬件设施接受 UTC 进行时间同步。在实际应用中，采用 GPS系统获得精确的UTC基准时间是最为经济、便捷的方法。城轨的时钟系统采用硬件时 间同步技术,同步于GPS接收机输出的ToD时间信号，并采用电路数据方式传输同步时标信 号，故可获得很高的时间同步精度。软件时间同步亦是接受UTC在城轨中为控制中心母钟通过RS422等电路数据接口 输出的同步时标信号进行时间同步，与硬件时间同步的不同点在于，软件时间同步利用时间同 步算法，通过计算机网络进行时间同步。软件同步信息在计算机网络中传送，特别是在广域网 上传输时延大且有很大的不确定性，使得软件同步可以达到的同步精度较低通常为毫秒级。 然而软件时间同步比硬件时间同步更加灵活，成本也低。在城轨应用中采用混合时间同步方式。其中的城轨时钟系统采用硬件时间同步方式产生 高精度的标准时间信号。同步城轨中的列车自动监控系统ATS、通信系统、自动售检票系 统AFC、电力监控系统SCADA、防灾报警系统FAS、设备监控系统BAS、基于通信 的列车控制系统CBTC、列车的全自动驾驶系统FAO、办公室自动化系统OA等网络 的主时间服务器NTP服务器，并通过城轨专用传输网同步车辆段与车站各局域网的从时间 服务器，进而同步相应局域网中的各个网络节点例如CCTV中的网络摄像头、AFC中的进 出站检票机等。三、网络时间协议NTP网络时间协议NTP除了可以估算消息包在网络中的往返时间外,还可以估算计算机之 间的时钟偏差,用以在无序的因特网环境中提供精确与健壮的时间服务,把计算机的时间同步 到某个基准时间上。当前几乎所有的授时网站都是基于NTPv3NTP第三版本的，它们提供 的时间精度在广域网上为数十毫秒,在局域网上则为亚毫秒级或更高。 NTP 的应用越来越广 泛,在互联网上工作的时间服务器已超过十万台。1NTP 的工作模式 1 客户机/服务器模式：采用一对一连接,服务器可同步客户机；客户机不能同步服务 庚器。 2 对称模式：与客户机/服务器模式基本相同,但双方均可同步对方或被对方所同步,先 发出申请连接的一方工作在主动模式下；另一方工作在被动模式下。3 广播/多播模式：服务器与各客户机工作在一对多的连接方式下,服务器主动发出时 间信息,客户机接收此信息调整自己的时间。由于忽略了网络时延,精度较低,适合用于高速局 域网中。2NTP 协议的工作原理NTP 以客户机/服务器模式进行通信,客户机发送一个请求数据包,服务器接收后回送一 个应答数据包。两个数据包都带有发送与接收的时间戳,根据这四个时间戳,可用来计算客户 机与服务器之间的时间偏差和网络时延。在图86中,片为客户机发送查询请求包的时刻；T2为服务器收到查询请求包的时刻； t3为服务器回复时间信息包的时刻；t4为客户机收到时间信息包的时刻。图 86 时间同步算法时序根据上述过程的时间关系可得：T2=T + +5t4=t30+5根据以上两式可解得服务器和客户机之间的时间偏差0,以及两者之间的单程网络传输 时间 5：0= T2TT4T3 /25= T2T+T4T3 /2由以上2式可见0、5只与T2与T的差值、T4与T3的差值相关，而与T3和T2的差值无 关，即所得结果与服务器处理请求所需时间无关。据此客户机可根据片、T2、T3、T4四个时 间戳,计算出时间偏差和网络传输延时,用以调整本地时钟。3NTP 的网络结构时间同步网络一般采用如图 87 所示的分层结构。图 87 时间同步网的基本结构图中根部ST0为基准时间标准，基准时间标准可以采用GPS、UTC或国家时间标准等； ST1基准时间服务器直接同步于基准时间标准,ST1通过网络时间协议NTP将标准时间送 ST2时间服务器或其他工作站。ST2、ST3时间服务器完成对时间信号的传送和分配。因网 络采用逐层同步的方法,故随着层数的增加、同步时间的精度逐层下降,层数被限制在15层之 内。时间同步网络的服务范围,建议不超过500个工作站。另外,出于对精确度与可靠性的考虑,下层设备可以同时引用多个上层或同层设备作为时 间同步的参考源。在NTP网络结构中,NTP数据包均带有时间戳。时间戳用64位无符号数表示自公元1900 年1月1日零时起开始的秒数,前 32位为整数部分,后32位为小数部分,理论上的精度可以达 到 2-32s。 NTP 数据包的传输采用 UDP 协议。4NTP 的处理流程图 8 8 表示了 NTP 在一个同步节点中的处理流程。图 8 8 NTP 处理流程由图8 8可见,NTP利用多个对等上级或同级的服务器来获得高精确度与可靠性。当 从多个对等机获得时间同步信息后 ,过滤器从这些信息中选取最佳样本,与本地时间进行比 较。通过选择与聚类算法对往返延时、离差和偏移等参数进行分析,选择若干个较为准确的 服务器。合成算法对这些服务器的信号进行综合,用以获取更正确的时间参考。环路滤波器 和可变频率振荡器VFO所组成的锁频/相环路，在时钟校准算法的控制下，调节本地时钟的时 间和频率。上述的锁频/相环路可以采用软件或硬件的方式来实现,但多数采用软件方式。采用 NTP 协议构建同步时间网,由于其系统结构简单,且采用标准接口,故利于维护和平 滑扩容。广泛用于计算机局域网与广域网中计算机节点间的时间同步。第五节 城轨通信系统的时钟同步一、概述基于协调世界时UTC的时间同步系统和城轨数字通信系统中的时钟同步系统均采用 GPS 时标信号、铯原子钟或高稳定度的石英振荡器作为同步时钟源,但前者定期输出标准时 间年、月、日、时、秒、毫秒信息,而后者的输出为不涉及具体时间、连续的标准时钟振 荡信号。数字通信系统中时钟同步的作用是,使数字网中所有通信节点设备的时钟频率和相位都 控制在预定的容限之内,从而使通过网内各通信节点设备的数字流实现正确、有效的传送与 交换。数字交换机在进行时隙交换时,要求各交换时隙在时间上对准,即要求交换设备与出人中 继接口的数据流同步。解决办法为在中继接口中设置缓冲存储器。该存储器以中继传输线路 所提取的时钟写入,以交换机时钟读出。于由两者时标的差异,有可能隔一定时间重复读一帧 或丢失一帧,称为滑码。滑码造成话音通路杂音和数据通路的误码。SDH 节点间若同步运行则无指针调节,随着同步性能的降低,指针调节频次增加。频次大 到一定程度引起输出数字流的抖动、飘移和误码的超标。通信系统中时钟同步的基本功能是,准确地将基准时钟的时标信号向网中各通信节点设 备传送,从而调节网中的通信节点设备时钟保持与基准时钟的一致。某些城轨时钟没备带有2048 kbit/s 的通信网基准同步信号接口,可以直接连接城轨通信 主设备的外接时钟接口。城轨通信网亦可由通信综合定时供给系统BITS产生通信网基准 同步信号。通信综合定时供给系统接收上级节点的基准同步信息,同步自身的时钟,使其精度达到上 级时钟的精度,为所在通信设备提供时标信号。二、通信综合定时供给系统BITS通信综合定时供给系统BITS的主要作用如下：1过滤输入基准同步信号BITS的基准同步信号来自上级时钟其中包括GPS时标信号，在基准同步信号传送过程 中,会引入时标信号的抖动与飘移,且这种抖动与飘移会产生累积。对抖动与飘移而言 ,BITS 中的锁相环路相当于一个截止频率低于 10Hz 的低通滤波器，它将滤除叠加在输入时标信号 上的相位抖动；削弱叠加在输入时标信号上的相位飘移,从而使BITS设备输出一个纯净”的 时标信号。2保持运行在进入BITS设备的上级基准同步信号中断条件下,BITS设备中的时钟临时成为BITS 的主时钟,它可以在一段时间内保持记忆基准同步信号中断前的时钟频率,继续为各类通信 设备提供所容许的定时信号。3无感觉切换根据进入BITS多个基准同步信号的质量,BITS设备可以对基准同步信号进行选择性切 换；或是BITS设备内部热备份模块的自动切换，不会引起输出定时信号频率或相位的跳变。4可灵活选择多种输出时钟信号同步节点设备一般拥有2.048MHz、1.544MHz、10MHz及El信号成帧的2. 048Mbit/s 等多种输出时钟信号供用户选择。输出端口数可在线扩展,最多一般在400路左右。三、同步时标信号的传输电路 通信网中各通信节点之间时标信号的传送,可以通过下述数字传输电路进行传送：1PDH 2 Mbit/s 专线； 2PDH 2 Mbit/s 业务电路； 3SDH STMN 线路信号。因SDH指针调节引起所承载的数字流抖动与飘移太大，故经SDH传送的PDH 2 Mbit/s 支路不宜传送与提取时钟。第六节 时钟系统产品举例现以XX持久钟表集团公司研制的CJ9300系列时钟系统产品为例进行介绍。 一、控制中心时钟系统1. 控制中心时钟系统构成在控制中心通信设备室设置中心母钟，在控制中心外架设GPS天线。时钟系统网管设备 监控系统设备设于控制中心通信网管中心。控制中心时钟系统方框图如图89所示。图 89 控制中心时钟系统方框图2. 控制中心母钟结构 控制中心母钟一级母钟的结构见图810。图810 控制中心母钟结构 控制中心母钟主要由以下部分组成：标准时间信号接收处理模块；主、备母钟模块双 机热备；分路输出接口箱接口分配单元；电源模块。1 标准时间信号接收处理模块GPS接收机采用单片机处理来自GPS的标准时间时标信号，经由RS422接口向控制 中心母钟发送，以实现对中心母钟的精确校准。GPS 接收机具有两路时标信号输出接口，除本系统使用一路外，其余一路预留未来发展之 用。GPS 接收设备技术指标如下： 供电电源：AC220V44V,50Hz； 授时精度与标准时间的偏差：卫星信号锁定时优于土 50X10-9S长期，卫星信号失 锁 2h 内优于160X10-9s； 频率稳定度：卫星信号锁定时优于10-10 s24 h；卫星信号失锁时优于10-8S24 h； 跟踪卫星数：三6颗卫星同时跟踪； 重捕获时间：最小重捕获时间2.5 s卫星丢失时间少于15s，最大重捕获时间5s卫 星丢失时间大于60s，捕获时间系指锁相环路从失步到同步所需时间； 对标准时间的同步误差：W1個； 计时精度：0.1s/年； 数据更新率： 1s； 首次定位时间：自动初始化小于120s、冷启动小于40s、热启动小于12s；接收电平：三一165dBw；错误!天线馈线长度：W 100m； 错误!信号传输距离：2500m； 错误!工作温度：一35C60C； 错误!MTBF： 8X104h；.错误!最大功率：W5w； 错误!接口方式：标准RS-422/485通信； 错误!接口输出路数： 2 路；错误!满足：ITUTG.811、ANSI T1.101 中规定。2 控制中心母钟模块控制中心母钟以GPS作为外部时标，与GPS的接口方式采用RS-422接口。当GPS系 统的时标信号丢失,即系统在失步时,控制中心母钟能依靠自身的时间源继续工作。检测单元 能在规定的时间内检测到失步的产生。并以醒目的方式向系统操作维护人员告警。为了确保接收到的时标信息是真实、可靠的，控制中心母钟对接收到的GPS信息必须进 行严格分析、判断，排除干扰信息。如果接收的数据是真实和可靠的就使用，否则便放弃。控制中心母钟由主、备母钟构成，实时热备工作。当主母钟发生故障时，自动切换到备母 钟工作。设备支持控制板的热插拔，当主母钟故障排除后，系统自动切换回主母钟工作。母钟通过RS-422接口以ASCII码或BCD码的形式实时周期为1s地向二级母钟 发送时标信号。二级母钟接收到时标信号后，通过控制板芯片上的固化程序解码并通过数码 窗口显示。在此过程中，控制中心母钟和二级母钟作为传输的两端点，在软件上对传输过程中 的时延做出精确的补偿。控制中心母钟对时间显示处理机的校时信号输出，包括.ASCII码表示的年、月、日、 时、分、秒和星期信号。信号发送可以是实时的，也可以是定时的，可以很方便地由软件进行 设定。采用切实可靠的算法编程使母钟和校时信号能自动对闰年、闰月的时间进行调整，控制 中心母钟可显示并输出任意时区的时间。控制中心母钟的技术指标如下： 频率稳定度：1X10-9； 失步时日波动：1X10-8; 自身计时精度：0.001s/d； 同步精度：土 1妙 输出接口： RS-232/RS-422 接口； 接口数量： 80个最多可扩至512个； 负载能力：最多可带55台二级母钟点对点； 信号传输距离：三1.2 km；平均无故障时间MTBF：28X104 h；错误!环境要求：工作温度一10C55C,湿度10%95%；错误!电源电压：交流电220V44V,50Hz； 错误!最大功耗：W150W。 3 分路输出接口箱分路输出接口箱实现控制中心主、备母钟与传输子系统的接口转换及分路输出。该接口 箱可以为各车站/车辆段的二级母钟提供30路时标信号输出接口；为控制中心的其他机电系 统提供20路时标信号输出接口；控制中心母钟单设一路RS-232接口用于与维护检测计算 机相连。具有25路RS -422子钟接口,用于驱动分布在控制中心的子钟。控制中心一级母钟为综合监控系统单设两路标准时间码输出接口。为控制中心ATS单 设两路时标信号输出接口。4 电源模块电源模块向主、备母钟及分路输出接口箱提供12V直流电。二、车站/车辆段时钟系统 1车站/车辆段时钟系统构成 在车站/车辆段通信机械室内各设置一台二级母钟双机热备,用于接收控制中心母钟的时标信号,并发送给各子钟。车站/车辆段时钟系统方框图如图811 所示。图 811 车站/车辆段时钟系统方框图2二级母钟二级母钟的结构见图 812。二级母钟接收一级母钟的时标信号并发送给所辖的各子 钟。二级母钟与中心母钟通过传输系统连接，二级母钟通过5类UTP缆线与所辖子钟连接。 图 812 二级母钟结构二级母钟主要由标准时间信号接收处理模块，主、备母钟模块双机热备，分路输出接口 箱接口分配单元，电源模块组成。二级母钟的技术指标如下： 频率稳定度：1X10-7； 自身计时精度：0.01s/d； 失步时的日波动： 1X10-7； 同步计时精度：土 1小； 积累误差：土 1s/月； 输出接口：标准RS-232/RS-422接口； 子钟接口数量： 10个； 负载能力每一个接口可负载的子钟个数：20个； 其他系统接口： 10个标准RS-232/RS-422； 信号传输距离：三1.2 km；错误!平均无故障时间MTBF：三8X104h；错误!环境要求：工作温度一10C55C,湿度10%95%；错误!电源电压： 220V44V；错误!电源频率： 50 Hz2.5 Hz；错误!最大功耗：W40w。