GPS衛星同步時鐘技術在電氣化鐵道遠動系統中的應用

GPS衛星同步時鐘技術在電氣化鐵道遠動系統中的應用

GPS在既有電氣化鐵道遠動系統主時鐘中的應用
摘要：隨著鐵路供電系統自動化技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用，系統對時間統一的要求越來越迫切，對時間同步精度要求越來越高。本文結合對西星運動系統注視中的改造，介紹了GPS在電氣化鐵道運動系統中的應用。
1.問題的提出
原武漢鐵路分局西屋遠動系統的WESDAC-32主站系統于1991年12月隨鄭武電氣化鐵路一同開通使用。主站采用雙主機熱備用方式，總線結構，時鐘系統選用了RADIOCODE CLOCKS LTD公司的RMC 5000主時鐘控制器，并配備了RCS8000時鐘備用電源。兩臺主機PDP11/83在系統啟動時跟主時鐘RMC 5000自動對時。如主時鐘出現故障或主機與主時鐘之間出現通信故障，則系統使用主機計算機內部時鐘。主站MTU用316板和225板與RTU的226板進行時鐘同步。RMC 5000時鐘屬于晶體鐘，它的標稱走時偏差為±3×10-9 s/d，需要人工干預校準時鐘。
隨著鐵路電力系統自動化技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用，系統對時間統一的要求越來越迫切，對時間同步精度的要求越來越高。既有的系統時鐘系統對現代化計算機技術來說相對落后。為滿足新的要求，有必要將現有的主站時鐘系統改造成定位時鐘系統(GPS)。GPS具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點。
2.GPS同步時鐘
2.1 GPS授時的基本原理
GPS是由美國*研制的導航衛星測距與授時、定位和導航系統，由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，這24顆衛星等間隔分布在6個互成60 0的軌道面上。這種衛星配置基本上保證了地球任何位置均能同時觀測到至少4顆GPS衛星。GPS系統由GPS衛星(空間部分)、地面支撐系統(地面監控部分)和GPS接收機(用戶部分)3部分構成。
GPS向范圍內提供定時和定位功能。任何地點的GPS用戶通過低成本的GPS接收機接受衛星發出的信號，就能獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。GPS要實時完成定位和授時功能，需要4個參數：經度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時刻偏差，所以需要接受4顆衛星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接受1顆衛星的數據也可以完成定時。
由于GPS采用被動的定位原理，所以星載高穩定度的頻率標準是精密定位和授時的關鍵。工作衛星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標，其頻率穩定度達到(1~2)×10-13/d。GPS衛星上的衛星鐘通過和地面的GPS主鐘標準時間進行比對，這樣就可以使衛星鐘與GPS主鐘標準時間之間保持精確同步。GPS衛星發射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛星上同一個基準頻率。GPS接收機對GPS衛星發射的信號進行處理，經過一套嚴密的誤差校正，使輸出的信號達到很高的長期穩定性。定時精度能夠達到300 ns以內。在精確定位服務下，GPS提供的時間信號與協調世界時(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術，則與UTC之差能達到幾個納秒。
GPS定時原理是基于在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延，以達到對本地鐘的定時與校準。GPS定時準確度取決于信號發射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：
2.1.1信號發射端：衛星鐘誤差、衛星星歷(位置)誤差;
2.1.2信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；
2.1.3接收端：接收機時延誤差、接收機坐標誤差、接收機噪聲誤差。
2.2 GPS時鐘的實現方法
常規時鐘頻率產生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會老化，易受外界環境變化影響和長期的精度漂移影響。原子鐘長期使用后也會產生偏差，需要定時校準。而GPS系統由于其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統進行修正，所以其自身時鐘系統長期穩定，具有對外界物理因素變化不敏感特性。若晶體或銣鐘以GPS為長期參考，可以變成低成本、高性能的基準時鐘。
在網絡正常工作狀態下，GPS時鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準確度。由于在某些特殊情況下GPS時鐘信號會暫時消失，所以基于GPS的時鐘模塊一般需要另一個外部時鐘作為后備輸入，預留有外接時鐘的時基和頻標信號接口。另外，GPS時鐘其頻率準確度還具有自身保持性能。GPS時間的建立過程如圖1所示。 
為了得到精密的GPS時間，使它的準確度相對于UTC達到<100ns，因此每個GPS衛星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛星與地面測控站構成一個閉環的自動修正系統；采用UTC(USNO/MC)為參考基準。
GPS時鐘頻率模塊提供所需的各種時頻的信號，并輸出定位時間、GPS接收機是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時鐘和頻率處理模塊激活狀態、異常告警等信息。
3.改造后的系統邏輯結構
在原來主站系統基礎上，增加一套GPS同步時鐘系統和一個室外衛星接收天線。接收到的衛星定位信號通過同軸電纜連接到同步時鐘處理系統的天線輸入端口，再由時鐘裝置輸出一路RS232信號，接入雙機監視及切換裝置(CMS)上。兩臺主機與CMS相連，主機按與同步時鐘裝置相匹配的規約，實現準確無誤的接收GPS信號，實現時間的高精度同步。主機接收GPS時鐘信號作為系統的標準時間，對系統進 行時鐘同步，周期性地向RTU發送校時命令，以同步RTU時鐘。
4.時間同步原理
GPS接收機輸出兩種時間信號：一是同步脈沖信號，包括間隔為1秒的脈沖信號1PPS(它與UTC的同步誤差不超過1μs)、間隔為1分的脈動信號1PPM和間隔為1小時的脈動信號1PPH；二是時間碼信號。通過RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對應的標準時間和日期，即1PPS的時間標記。其中，時間碼信號用于系統時間同步，同步脈沖信號用子裝置時鐘同步。根據系統對任務或事件實時性要求的程度，可在整點、整分甚至整秒時刻通過串行接口為系統提供標準時間碼信號。同樣，根據采樣對裝置時鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號對裝置時鐘進行同步。
系統時間同步是指GPS時間碼周期性地設置整個系統中各節點主機及RTU的系統時間，達到統一分布式系統時間的目的。SCADA系統中各主機及RTU的對時系統都以三級計時結構方式組成，即RTC計時、BIOS計時和OS計時。相應地用外部標準時間同步一臺主機的時間系統也可分為同步RTC時鐘、同步BIOS時鐘和同步OS時鐘3種方式。但采用前兩者均要設計硬件線路，這對主機的完整性和可靠性不利，且同步RTC時鐘只對初始開機有效。所有應用程序的計時都只取自于OS時鐘(不包括低級程序對系統時鐘的直接調用)。所以，只要對OS時鐘進行同步，就可實現對所有應用程序的時間同步但由于同步時刻點之后OS計時仍然依賴低一級的BIOS時鐘計時，為消減累計誤差，必須周期性同步。
本系統的應用設計方案，并不將GPS時間碼直接傳送給每一個節點和RTU，而是先傳送給主機，再主機傳送給其它主機節點。這樣既可以簡化線路，又便于整個系統的時間統一。

系統時間同步的基本過程是：(1)整點時刻與UTC 1PPS脈沖前沿對應的BCD時間碼信號到后，啟動主機時間同步處理后臺進程；(2)后臺進程接收BCD時間碼，將其轉換為以秒為單位的長整型數，設置主機系統時鐘，并采用緊縮傳遞方法將長整型數轉換為ASCⅡ流，通過數據報Socket向其他主機節點廣播；(3)其他主機節點接收ASCⅡ流，將其還原為長整型數，設置本機系統時間。
5.技術要求
5.1信息報文格式
兩個NEMA Protocal接口，具有問答和廣播兩種工作方式。
5.1.1問答方式
計算機向時鐘寫入命令$ⅡGPQ，RMC*A4<CR><LF>時鐘會向外輸出當前時間信息。如果當前時鐘已定位，其輸出為：$GPRMC,<Time.d>,A，，，，，，，<Date>，，*<Checksum><CR><LF>如果當前時鐘未定位，則輸出為：$GPRMC，，V,,,,,,,,,*<Checksum><CR><LF>
5.1.2廣播方式時鐘每秒鐘向外廣播一次時間信息，格式為：$GPRMC，<Time.d>，A，，，，，，，<Date>，，*<Checksum><CR><LF>如果當前時鐘未定位，則輸出為：$GPRMC，，V，，，，，，，，*<Checksum><CR><LF>輸出形式為ASCⅡ碼。兩個自定義RS-232接口以廣播方式輸出時間信息，時間間隔為一秒，輸出格式為：B HH MM SS MSH MBL YYM1M1DD<CR><LF>輸出格式為壓縮BCD碼，該數據串中含年的高位(20H)。
5.2串口輸出工作方式
波特率一般為4800波特，但根據需求，可設置為600、1200、2400和9600波特。數據位為8位，停止位為1位，且無校驗位。
6.結束語
遠動系統SCADA的重要功能之一就是實現對數據的同步采集和對狀態的同步監控，時間的統一及其精度直接影響到采樣和測量的精度。SCADA系統的時間同步要求主要體現在：(1)隨機時間或突發故障的精確標記，這對故障判斷和檢測尤為重要；(2)SCADA系統的數據庫除了基本的初始數據和臨時數據外，還有大量的具有時間標記的實時數據、計劃數據以及用于事故追憶的歷史數據，其時序邏輯對時間都有很高的精確度要求；(3)遠動系統中任務的調度和多任務(進程)間的同步對時間的分辨率要求等。使用GPS衛星定位系統中的標準時間信號為遠動系統的高精密時間同步提供了理想的手段。在給SCADA系統提供GPS同步時間的基礎上，利用GPS接收到的標準時間，通過串口接入局域網內，也為其他網絡系統提供精確的同步時間。經過此次技術改造，不僅解決了西屋遠動系統主時鐘不能精確對時的難題，也為GPS在電氣化鐵道遠動系統中的應用提供了新思路。