卫星钟原理及应用

卫星钟原理与应用英达康华志斌主要内容什么是卫星钟GPS简介北斗简介卫星钟天线安装注意事项电力系统常用对时信号介绍卫星钟常见术语释义IDC520介绍IDC510A介绍IDC540介绍什么卫星钟卫星钟是一种授时设备，它通过接收卫星信号，解算并重建当地时间，通过适当的对时信号为需要授时的设备提供对时服务。可以提供定时服务的卫星系统目前有GPS,GLANASS,北斗和在建的伽利略系统。目前国内主要使用GPS和北斗系统。GPS简介GPS是由美国军方研制并控制的卫星导航定位系统，1993年建成使用，该系统含24颗卫星（不计备份星），卫星运行周期为12小时，该星座设计使地球上98％的地方在任意时间可视4颗以上的卫星，理论上接收机接收到4颗卫星的信号就可以确定接收天线点的地理位置和当前时间。北斗系统简介北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。目前投入使用的为1代北斗系统，由位于地球同步轨道的3颗卫星组成（不含备份星），北斗二代正在建设中，系统全部建设完成后将由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组成。1代北斗系统下，注册的正式北斗用户可通过问答方式得到定位和对时服务，非注册用户可以通过设定海拔高度获得自主对时服务。卫星天线安装注意事项请保持卫星天线垂直向上的姿态注意使卫星天线有尽量大的可视空域，特别是1代北斗只有3颗同步静止轨道卫星，任何南向空域的遮挡都将影响系统的正常工作。注意卫星天线不要小弧度弯折，保持天线外保护层的完好，天线馈线不能硬力拉扯，天线馈线不要与干扰性电缆平行铺设，馈线防雷器注意接地，天线馈线不能随意延长电力系统常用对时信号介绍PPS/PPM/PPH秒脉冲/分脉冲/时脉冲

秒/分/时脉冲在整秒、整分、整时的准时延发生跳变，输出一个脉冲，一般脉冲长度在100毫秒到200毫秒之间，本公司设备默认均输出200毫秒的脉冲。卫星钟以光耦方式无源输出，输出电路原理图为为给其它设备对时，需要根据要求接入直流电源，脉冲信号设计容量为20毫安，根据接入的直流电源电压确定串入的电阻的大小和功率，常用使用原理图为：在个别现场也有使用RS485或TTL电平发送对时脉冲信号的。串口报文对时

一般通过RS232或RS485方式发送对时报文，本公司卫星钟目前支持两种格式的对时报文，分别满足“上海电网GPS时间同步系统技术原则”(简称“上海格式”）和“电力系统时间同步系统规范”（简称“电力格式”），这两种报文都属于广播报文，每秒广播一帧，每帧首字节的起始位对应该秒的准时沿。设备出厂时默认输出“上海格式”，下面介绍“上海格式”，“电力格式”请参考说明书。

<S><T>HHLHHMLMHSLSHDLDHMLMTYHYTYEYDD<A><F>TPHPTPHPC[0DH]

↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑

同帧时时分分秒秒日日月月年年年年校标频频频频频频结

步头十个十个十个十个十个千百十个验准率率率率率率束

标位位位位位位位位位位位位位位位字时帧十个十百报符

志节结头位位分分文位束校

验

当装置锁定有效对时信号发送S，否则就停发S，S的ASCII码为53H；<T>为发送时间信息的信息头，T的ASCII码为54H，因为本厂的卫星钟都内置守时模块，精度较一般设备的内部晶振精度高2个数量级以上，当被对时设备收到不带(S)的报文时仍使用该报文进行对时，除非设备接冗余的对时通道，可通过该字节判断哪个报文更准确。当卫星钟没安装测频模块时，与频率相关的帧尾部不出现。对时报文默认设置9600bps，一个起止位，8个数据位，一个结束位。IRIG-B对时信号

IRIG-B对时信号有时又简称B格式，最早的B格式信号为方便磁带机记录是通过幅值调制调制在1KHz的正弦信号上的，现在称这种B格式为交流B格式，也叫B格式AC码。由于其对时精度不高，使用不方便，已不长使用，现在常用的B格式为方波B格式，也叫B格式DC码，通常通过RS485发送，极少数场合有要求TTL电平发送的。

B格式信号每秒发送一帧，每帧含100个码元，每个码元宽度为10毫秒，共有3种码元，分别对应P码、1码和0码，通过不同的占空比来进行区分，如下图所示：需要注意的一点是，国际上最早的B格式中不含有年信息，后来在其控制字段扩展了年信息，我国电力行业B格式中的年信息定义与国际标准相同，本公司所有产品的B格式中都含有符合国际标准的年信息。交流格式的年信息见下图，调制比未严格定义，通常未3:1－2:1。P码1码0码NTP/SNTP网络对时

网络时间协议NTP（NetworkTimeProtocol）是用于互联网中时间同步的标准互联网协议。NTP的用途是把计算机的时间同步到某些时间标准。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性。NTP提供的机制严格、实用、有效，采用了Client/Server结构，具有相当高的灵活性，适应于在各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境下工作。在通常的环境下，NTP提供的时间精确度在WAN上为数十毫秒，在LAN上则为亚毫秒级或者更高。

正是由于NTP考虑了互联网上的各种复杂情况，使其使用复杂，这导致了其简化版即简单网络时间协议(SNTP)的出现。NTP协议适用于同步因特网上的计算机时钟。当不须要实现RFC1305所描述的NTP完全功能的情况下，可以使用SNTP。它是一个简化了的NTP服务器和NTP客户端策略。SNTP被设计在一个专门的服务器(包括一台集成的无线电时钟)里操作。SNTP往往只用于局域网对时。由于NTP与SNTP的报文格式是相同的，所以在局域网里NTP的sever也可以给SNTPclient对时，反之亦然。本公司的网络对时插件严格的说是SNTPserver。IEEE1588PTP协议网络对时

IEEE1588（网络测控系统精确时钟同步协议）最初由AgilentLaboratories（安捷伦实验室）的JohnEidson以及来自其它公司和组织的12名成员开发，后来得到IEEE的赞助，并于2002年11月得到IEEE批准。现在已发展到V2版，本公司的产品支持V2版，V1版的功能还未得到验证。

IEEE1588的基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步，它定义了一种精确时间协议PTP（PrecisionTimeProtocol），用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。该协议为小型同构或异构局域网设计，设计者特别注意降低资源使用，使其可以在低成本终端设备上应用。该协议对内存及CPU性能没有特殊的要求，只需要最小限度的网络带宽。

需要注意的是，PTP协议尽管没有明确要求硬件支持，但是仅仅通过软件手段实施PTP将严重影响所能达到的同步精度。特别是对于交换机，如果以太网交换机不支持PTP边界时钟或透传时钟，由于报文交换所造成的包传递延迟抖动将使PTP难以达到亚微秒的精度。目前，点对点PTP对时通常都能达到好于0.1微秒的精度。卫星钟常见术语释义UT1时间

简单的说，当时根据天文观测规定的时间叫做UT1(UniversalTime)。UTC时间

UTC称为协调世界时UniversalTimeCoordinated，它是由国际计量局（BIPM）、国际地球自转服务(IERS)组织产生和保持的国际通用的官方时间系统，它采用国际原子时所定义的秒长，通过闰秒的方法使其时刻与世界时UT1接近，它与UT1的最大偏差不大于1秒。

由中国科学院国家授时中心(NTSC)产生、保持和发播的我国标准时间UTC（NTSC），与协调世界时UTC的偏差保持在50ns之内。闰秒

正是因为UTC与UT1会形成累积误差，当误差累积到一定程度（大于0.9秒）是，就通过增加或减少闰秒的办法进行解决。优选每年的6月份或12月份的最后一秒位置进行闰秒操作，次选每年的3月或9月的最后1秒位置进行闰秒操作。北京时间BeijingStandardTime，BST

北京时间是我国公认的全国统一的标准时间,采用东8时区的标准区时（StandardZoneTime），它比UTC提早8小时整，即北京时间=UTC+8h。本标准中涉及的时间，除特别注明外，均采用北京时间。时间准确度TimeAccuracy

时钟输出（输入）的时间信号与时间编码信息（时码和1PPS等）相对于标准时间（如北京时间）的偏差，称为时间准确度。时间精度的单位就是时间单位，比如秒，毫秒，微秒。本公司的时钟产品在同步后时间准确度都好于1微秒，一般为0.5微秒。守时精度

当时钟产品不能被外部的标准时间信号同步时，时钟靠内置的守时模块维持走时，守时模块的频率精度就是守时精度，一般用ppm为单位，1ppm就是百万分之一，是指每过1秒钟时钟偏差1微秒。本公司的520时钟守时精度好于0.1ppm，540时钟守时精度好于0.01ppm。IDC520GPS卫星钟简介IDC520GPS卫星钟定位为单体卫星种，也可以作为时钟同步系统的子钟运行。基本配置为支持GPS与B格式两路时源输入，支持16路脉冲输出，3路RS232对时报文输出，带工频测量功能，1路RS485格式的B码输出，带告警空接点。通过时钟的4个插槽可以扩展B格式输出，RS485报文输出，RS232报文输出或脉冲输出，如果单钟输出信号路数不够，可以通过外扩信号扩展盒来扩展485方式的B格式或分秒脉冲。

注意，520卫星钟不支持NTP对时，不支持交流B格式对时，不支持PTP对时，不能使用北斗信号。IDC520前面板说明（1）液晶显示窗口，显示年、月、日、时、分、秒及工频。（2）POWER:电源指示灯，接通电源即亮。（3）PPS:秒脉冲指示灯，每秒闪亮。（4）PPM:分脉冲指示灯，每分闪亮。（5、6）时间信号来源：指示本机当前时间基准信号来源，包括“GPS”、“IRIG-B”2个指

示灯。如果“GPS”指示灯亮，说明本机当前是接收GPS卫星信号来获取时间信

息，如果“IRIG-B”指示灯亮，说明本机当前是接收IRIG-B信号来获取时间信息，如果2个时间信号来源指示灯都不亮，则本机是靠内部守时模块来维持时

间信息。（7、8）输入信号监视指示灯：监视本机接收时间信号是否正常，如果“GPS异常”指示

灯亮，则说明本机接收不到同步后的GPS卫星信号；如果“IRIG-B”指示灯

亮，则说明本机接收不到IRIG-B信号。21345、678IDC520后面板说明123467891051:GPS天线输入2:输出信号扩展槽（可安装232信号输出模块、B格式输出模块、485信号输出模块、脉冲输出模块及测频模块。注意：测频模块只能在最左边的槽位上插一块。IDC520后面板说明（续）3：双电源输入（交直流220V或110V）,注意直流110电源只能在右侧端子输

入。4：16路时间信息输出接点，每4路为一组，可设置为秒脉冲(1PPS)、分脉冲

（1PPM）、时脉冲（1PPH），每组旁设有一个脉冲指示灯。5：IRIG-B码485输入信号。6：IRIG-B码485输出信号。7：RS232时间报文输出信号。8：TTL电平输出的PPS信号、PPM信号、IRIG-B信号，可用于扩展时间信

号，也可用于产品测试。9：本机运行状态的告警接点输出，包括电源告警、GPS告警、IRIG-B输入

信号告警及装置自检异常告警。10：接地螺钉。IDC520常见问题1。怎样改变520卫星钟输出的对时报文的波特率

打开IDC520的机箱，在印制板的中部位置找到1组叫X19的跳线插，根据印制

板上的指示选择需要的波特率进行跳线，本设备支持从600bps到19200bps的

波特率，默认波特率为9600bps。本公司510A的波特率设置方法与此类似，

其它产品不再单独说明。2。可不可以把两个不同的串口设置成不同的波特率

不能，本设备所有串口的波特率和报文格式是统一设置的，永远保持相同。3。怎样更改秒/分/时脉冲

本设备的对时脉冲根据需要可以设置为秒脉冲、分脉冲或时脉冲中的一种。

对时脉冲4个一组可以独立设置，一改一组，一组4个。打开520上盖，可以看

到一组一组的脉冲输出，在每一组附近都有一个3位一组的跳线插，印刷着“S”

“M”“H”，将“S”短接输出秒脉冲，将“M”短接输出分脉冲，将“H”短接输出时脉

冲。跳线完成后，本组附近的指示灯将与本组脉冲输出同步闪亮，通过该指

示灯可以判断改组脉冲输出是否正确。出厂默认输出分脉冲。IDC510ANTP网络时间服务器简介IDC510A定位于一台独立工作的NTP网络时间服务器，接收1路独立的信号源，通常为GPS，可以升级成接收北斗信号。设备标准配置双网口输出（10/100M自适应），带测频功能，带双路RS232对时报文输出。由于不提供脉冲对时信号和B格式输出，该产品主要用于主站对时。510A前面板说明12345（1）液晶显示窗口，显示年、月、日、时、分、秒和频率。（2）POWER:电源指示灯，接通电源即亮。（3）PPS:秒脉冲指示灯，每秒闪亮。（4）SYNC:同步指示灯，当收到有效的卫星信号并锁定时，该指示灯亮。（5）ALARM：告警灯，当时钟源为GPS时，如果连续33分钟收不到有效

对时信息则该灯亮；510A后面板说明42315678910111：GPS或北斗天线。2：输出对时网口1。3：输出对时网口2。4：双电源输入（交直流输入，左侧只支持220V，右侧支持110V－220V）。5：测频输入口（接入220V市电）。6：RS232对时报文口1。7：RS232对时报文口2。8：电源缺失告警：电源异常时告警，长开触点，正常开，告警合。9：系统异常告警：系统自检异常时告警，长开触点，正常开，告警合。10：时钟源异常告警：与前面板告警灯联动，长开触点，正常开，告警合。11：接地螺钉。IDC510A常见问题1。怎样改变510A能否输出对时脉冲和B格式信号？

打开IDC510A主要是针对主站用户设计的，只支持以太网SNTP对时和串口报

文对时，不能输出对时脉冲和B格式。2。可不可以把510A的两个以太网口的地址设置在两个不同的网段？

可以，本设备的两个网口是独立的，用户可以把它设置在两个不同的网段，

也可以设置在相同的网段，甚至可以是相同的IP地址。3。我想通过IDC510A的网络口得到测频数据，行吗？

IDC510A的网络口只能输出NTP对时报文，如果要得到频率数据，请使用串

口输出的频率报文。4。IDC510A带不带守时模块？

IDC510A在生产时没有安装单独的守时模块，但是当不能接收到卫星信号时设

备依靠GPS模块内置的晶体维持守时，通过实测，该模块的温补晶振可以达到

0.1ppm左右的守时精度。5。我忘记了510A的IP地址，现在想修改其IP，怎么办？

在计算机上运行本设备随机光盘上的维护软件“SNTPManager”，将待设置网

口与本计算机使用网线直连，根据软件提示可以方便地设置。IDC540时间同步系统简介IDC540时间同步系统是本公司生产的授时设备中的高端产品，采用灵活的插槽式设计。使时钟同步系统中的主钟与子钟可以由同一个平台通过插装不同组件的组合来完成。它目前可以提供最多品种的对时信号，由于基于插槽式设计，未来还可以根据需要增加新的对时信号插卡，目前PTP输出插件正在设计中，预计10年5月份PTP对时插件就可以供货。另外，该设备还支持在线热插拔，为设备的在线扩充和维护提供了方便。什么是时间同步系统？

时间同步系统TimeSynchronisingSystem是能够按照所要求的时间精度和准确度向外输出时间同步信号和时间编码信息的系统，通常由主时钟、若干从时钟、时间信号传输介质、时间信号用户设备接口构成。IDC540前面板说明12345671）电源指示灯，橙色，当系统的＋5V电源和＋12V电源工作正常时该灯

亮，任一电源工作不正常则该灯不亮。2）PPS指示灯，绿色，每秒闪烁一次，指示秒脉冲。3）PPM指示灯，绿色，每分钟闪烁一次，指示分脉冲。IDC540前面板说明（续）4）液晶屏，显示各种时间信息，配置信息，运行信息。5）时间信号来源指示灯，共3个绿色指示灯，分别标识为“时源1”、“时源

2”、“时源3”，每次只能有1个灯亮，若“时源1”灯亮则表示目前系统与

时源1同步，其他两个指示灯同理。若3个指示灯都不亮则表示系统处

于守时状态。6）时源同步状态指示灯，共3个绿色指示灯，分别标识为“时源1”、“时源

2”、“时源3”，任一灯亮则表示该时钟源已经与输入信号锁定。7）键盘，共四个键，分别是“项目”键、“>”（右移）键、“＋”（累加）键、

“确定”（回车）键，使用这四个键可以切换显示画面或输入配置信息。540后面板说明12345678910111213141516IDC540共有16个槽位，其中1号槽位固定为电源槽位，16号槽位固定为测试告警插件槽位。2－15号槽可任意插信号输出插件，时源插件可任意插在13－15共3个槽位上。如果要配置冗余电源，可以插在2号槽位上（电源插件占两个槽位）。IDC540常见问题1。我的540机箱中插有北斗板同步插件，没插GPS同步插件，在用户现场发现北

斗同步插件长时间运行都不同步，为什么？

北斗同步插件运行时需要置入有效的海拔高度。本公司产品出厂时都根据用

户现场位置置入的大概的海拔高度，如果海拔高度误差大，会出现北斗插件

不能同步的问题，如果现场还有另一台钟插有GPS插件，可以将GPS钟显示

的海拔高度通过前面板置入本钟，这时北斗插件就可以正确同步。2。我的时间同步系统在一台540机箱中同时插有GPS同步插件和北斗同步插件，

使用中是否还需要手动置入本地的海拔高度？

不需要。如果一台机箱中同时装有GPS同步插件和北斗同步插件，设计会自

动将GPS同步插件上得到的海拔高度传给北斗同步插件，使北斗同步插件能

结算出正确的本地时间。3。我发现北斗同步插件上电后告警灯闪烁，这正常吗？

在北斗同步插件刚上电的半小时内如果北斗模块在解算过程中发觉海拔高度

异常，会通过告警灯闪烁进行指示，提示海拔高度可能不准确，经过一段时

间后北斗同步插件仍有可能进入同步状态，如果连续半个小时不能同步，北

斗插件就会点亮告警灯进行告警。如果本设备未插有GPS插件又是在本地首

次投入运行，就要手动置入海拔高度了。4。我的540子钟通过B格式接收主钟的对时信号，同步后子钟显示海拔高度和卫

星数都是0，这正常吗？

正常，卫星钟显示当前时源的地理位置信息和当前时源使用的卫星数，如果

当前时源不含有地理位置信息和卫星数，则该项目显示为0。因为B格式中不

含有地理位置信息