城市轨道交通时钟系统Word格式文档下载.docx

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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31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。

（3）GPS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：

±

2×

10-2s/4h；

（2）铯原子钟：

1×

10-6～s/1d；

（3）铷原子钟：

3×

10-3s/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：

（1）RS－232/422串口是最常用的设备外接时钟接口；

（2）VME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；

（4）PCM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。

（1）IRIG

IRIG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10－100μs。

（2）DCLS

DCLS是IRIG－B的一种特殊形式，无传输距离的限制，准确度为10～1000μs。

（3）ACTS

ACTS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10～1000μs。

（4）NTP

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20128km，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4（4～10）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10-13～10-14）、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=1575.42MHz（波长约为19cm）

L2=1227.60MHz（波长约为24cm）

在L1载波上测距用P码（Precise精搜索码，码长约30m）和C/A码（Coarse/Acquisition粗搜索码，码长约300m）。

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（1750～1850MHz）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2200－2300MHz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。

3．GPS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±

1s/d，若每月快慢在5s之内，则月稳定度为±

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±

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±

1s/d，可表为：

1s/（24h×

60min×

60s）=1.157×

10-5；

时钟月稳定度为±

5/月可表为：

5s/（30d×

24h×

60s）=1.929×

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：

1.157×

10-5，则该时钟的走时日稳定度亦为1.157×

10-5（±

1s/d）。

若驱动源采用标称频率为1MHz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±

10-5×

106Hz=±

11.57Hz。

即该标称频率为1MHz晶体振荡器的日频率稳定度为1.157×

10-5，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Fi，初相为θi（t）；

输出压控振荡频率为Fo，初相为θo（t），基本锁相环路框图如图8－1所示。

图8－1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