城市轨道交通时钟系统之欧阳科创编.docx

1、城市轨道交通时钟系统之欧阳科创编时钟系统时间：2021.02.05创作：欧阳科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（B

2、ITS），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

3、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。

4、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

5、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。（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

6、，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：210-2s/4 h；（2）铯原子钟：110-6s/1d；（3）铷原子钟：310-3s/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）RS232/422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）PC

7、M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）IRIGIRIG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IRIGB，其传输介质分为双绞线与同轴电缆，准确度为10100s。（2）DCLSDCLS是IRIGB的一种特殊形式，无传输距离的限制，准确度为101000s。（3）ACTSACT

8、S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101000s。（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

9、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4（410）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

10、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 cm）L2=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

11、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

12、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

13、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

14、1s/d，可表为：1s/（24 h60min60s）=1.15710-5；时钟月稳定度为5/月可表为：5s/（30d24h60min60s）=1.92910-6。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：1.15710-5，则该时钟的走时日稳定度亦为1.15710-5（1s/d

15、）。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1.15710-5106Hz=11.57Hz。即该标称频率为1MHz晶体振荡器的日频率稳定度为1.15710-5，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

16、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i（t）；输出压控振荡频率为Fo，初相为o（t），基本锁相环路框图如图81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

17、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 i（t）o（t）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io，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Ud0的VCO振荡频率称为VCO的受控

18、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

19、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i 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c；横坐标代表外加基淮频率i ，其

20、中p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83（a）表示外加基准频率i由低向高缓慢变化的情况，设i 由远低于p处逐渐向p靠近。在i小于2时环路失锁，当i = 2时环路锁定，控制电压c出现一个负的跃变；当i升高至i=p时，c0，i继续升高控制电压c变正，当i升高至4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i，如图83（b）所示。当i=4时环路并不能锁定。i进一步降低至3时环路锁定，控制电压c出现一个正的跃变；i继续减少，c降低，当降至i=p时，c=0。i继续降低，控制电压c变负，当i降低至1时，环路失锁，控制电压跃变为0。在锁相环路中，同步范围与

21、捕获范围的定义为：环路在已经锁定的状态下，变化i，向低变到1时或向高变到4时环路才会失锁。即是i在14频率范围内环路能保持锁定，则同步范围为：L=（41）/2环路在未锁定的状态下，变化i，当i由低向高变到2或由高向低变到3时环路才会进入锁定，则捕获范围定义为：C=（32）/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Pi或iP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i由低向

22、高变到2之前和在i由高向低变到3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i，故不能捕获。只有i由低向高变到2；由高向低变到3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2或3时，系统才能进入平衡（锁定），图84所示为当i频率升高接近与达到2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i固定，而VCO自由振荡频率P变化。当P

23、偏离i时同样存在一定的同步范围与捕获范围。在预先调整好Pi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同步范围（41）/2P。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捕获范围（32）/2P。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

24、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110-10（s/d）以上。一级母钟独立时钟精度（不受控情况下）应

25、在110-8（s/d）以上，二级母钟独立时钟精度应在110-7（s/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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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）