GPS时间同步原理及其应用JinYang.docx
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GPS时间同步原理及其应用JinYang
GPS时间同步原理及其应用
目录
一、GPS定位原理1
二、什么是原子时和协调时2
三、什么是世界时4
四、什么是IRIG-B码5
五、为什么用夏令时5
六、NTP和互联网时间同步6
七、时钟同步14
八、时间应用15
九、IEEE1588精密时钟同步协议测试技术16
十、GPS在电力系统中的应用20
十一、网络时间协议（NTP）的特点22
一、GPS定位原理
对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要、而且也是最关键的国家基础设施之一。
现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。
现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。
从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础。
它对整体社会的支撑几乎是全方位的星基导航和授时是未发展的必然趋势。
美国投入巨资建成了全球定位系统（GPS），俄罗斯也使自己的全球导航卫星系统（GLONASS）投入了运行。
欧盟一些国家也正在联合开展加利略（Galileo）卫星导航系统的研制。
为了提高民用定位定时的性能和可靠性、安全性，利用这些卫星系统建立广域增强系统（Waas）在美国、日本、欧洲和俄罗斯也在计划或研制之中。
这些系统导航定位的基本概念都是以精度时间测量为基础的。
正如有人所指出的那样，我们人类生活在余割四维的世界（x、y、z、t）其中一维就是时间，而另外三维的精度确定，就今天而言，没有精确的定时也是难以实现的。
单从授时出发，不难理解系统发播时间的精确控制是不可缺少的。
而对于导航定位，系统内部钟（星载钟和地面监测和控制台站的钟）的同步就极为关键。
没有原子钟的支持，没有钟同步和保持技术的支持，实现星基导航和定位是不可能的。
在完成精确时间的传递过程，需要对传播时延作精确修正，而这又需要知道用户的精确地理位置。
从以上分析可以看出，无论在系统概念、技术、装备或管理上，与其他通讯和卫星系统相比，导航定位卫星系统与高精度卫星授时系统有很好的兼容性和互补性，二者是相辅相成的。
从资源共享和合理利用出发，先进的卫星系统应该成为一个导航授时一体化的高精度星基四维（x、y、z、t）信息源，就像目前已投入工作的GPS、Glonass和正在研制中的Galileo以及各种Waas系统中，无不把其授时功能提到仅次于导航定位的重要地位。
以便满足个行各业对精度时间和频率日益增长的需求。
面对国际上风云变幻的局势，作为一个独立自主的大国，建立我们自己的星基的导航定位和授时系无论对于保障国民经济的日常运作或国家安全都至关重要，正如中国科学院院长路甬祥指出的那样，我们应该有“中国的GPS”。
在真正实现“中国的GPS”的战略规划时，系统定时是其中需要解决的最关键技术之一。
系统用原子钟的研制，系统钟时间同步的建立和保持，构成了这一研究的两个核心。
就我们所知，在这些方面，我国目前还缺乏系统的准备。
这有必要引起有关领导部门的重视和加强这一研究工作的指导、组织与支持。
卫星导航、定位和授时系统中需解决的技术问题有：
1、系统时间建立的概念及实现方法。
在现代卫导系统中，为了保证系统中各个钟的精确同步，需要一个准确、稳定和可靠的时间参考，这通常是以系统中的部分钟或全部的钟为基础。
利用统计平均的方法建立一个系统时间来实现。
其建立的概念和实现方法，直接影响到系统时间的好坏，进而影响到整个卫导系统中各个钟的同步。
这个研究对系统中原子钟的选择与配置也有指导意义。
2、系统时间与UTC协调方法。
这是授时所需要的。
这需要研究国际标准时间到系统时间传递的各个环节，是提高授时准确度中的最要一环。
3、系统钟的同步方法。
这主要涉及到系统中各个钟的精确数据的收集方法和控制方法，要研究相对论效应对星载钟同步的影响。
比对测量和钟驾驭方法的研究是它的基础。
4、系统授时方法。
这包括卫星电文中的与时间有关的信息的制定与产生。
5、用户终端定时技术。
主要涉及到接收、比对及控制技术。
二、什么是原子时和协调时
二十世纪三十年代发明了更加精密的石英钟后，人们发现世界时尽管加上偏移改正（UT1），仍然是不均匀的。
经研究查明，地球自转存在长期变化、不规则变化和复杂的周期变化。
为了满足更高精度的实际需要，人们开始到物质的微观世界去寻找具有更稳定周期的物质运动形式用作为新的时间计量标准。
于是，以物质内部原子运动的特征为基础的原子时应运而生。
原子时是以秒，而不是以日为基本时间单位的。
原子时秒长定义为：
铯原子基态的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。
1967年第十三届国际计量委员会决定，把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制时间单位。
原子时起点定在1958年1月1日0时（UT），即规定在这一瞬间，原子时和世界时重合。
根据这一定义，任何铯原子钟在确定起始历元后都可以提供原子时。
由世界各地时间实验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时，不同的地方原子时存在着差异。
世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对，其数据再由专门的国际机构进行处理，求出全世界统一的原子时，称为国际原子时，简称TAI。
相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要，但世界时时刻反映了地球在空间的位置，这也是需要的。
为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。
在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。
协调世界时（UTC）尽量靠近世界时（UT1）的意思是：
必要时对协调世界时（UTC）作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的时刻之差保持在±0.9秒以内。
这一技术措施就称为闰秒（或跳秒），增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或负跳秒）。
是否闰秒，由国际地球自转服务（英文缩写为IERS）决定。
闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。
如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分60秒后插入1秒，插入后的时序是：
…58秒，59秒，60秒，0秒，…，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：
…57秒，58秒，0秒，…，这一天是86399秒。
三、什么是世界时
地球自转运动是个相当不错的天然时钟，以它为基础可以建立一个很好的时间计量系统。
地球自转的角度可用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。
为了测定地球自转，人们在天球上选取了两个基本参考点：
春分点和平太阳，以此确定的时间分别称为恒星时和平太阳时。
恒星时虽然与地球自转的角度相对应，符合以地球自转运动为基础的时间计量标准的要求，但不能满足日常生活和应用的需要。
人们习惯上是以太阳在天球上的位置来确定时间的，但因为地球绕太阳公转运动的轨道是椭圆，所以真太阳周日视运动的速度是不均匀的（即真太阳时是不均匀的）。
为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统，人们引进了一个假想的参考点─平太阳。
它在天赤道上作匀速运动，其速度与真太阳的平均速度相一致。
平太阳时的基本单位是平太阳日，1平太阳日等于24平太阳小时，86400平太阳秒。
以平子夜作为0时开始的格林威治平太阳时，就称为世界时，简称UT。
世界时与恒星时有严格的转换关系，人们是通过观测恒星得到世界时的。
后来发现，由于地极移动和地球自转的不均匀性，最初得到的世界时，记为UT0，也是不均匀的，人们对UT0加上极移改正得到UT1，如果再加上地球自转速率季节性变化的经验改正就得到UT2。
六十年代以前，世界时作为基本时间计量系统被广泛应用，因为它与地球自转的角度有关，所以即使出现了更为均匀的原子时系统，世界时对于日常生活、大地测量、天文导航及其它有关地球的科学仍是必需的。
四、什么是IRIG-B码
IRIG-B：
当今电子技术日新月异的发展，时间同步得到了越来越重要的应用。
时间码IRIG-B作为一种重要的时间同步传输的方式，以其实际优越性能，成为时统设备首选的标准码型，广泛的应用到电信、电力、军事等重要行业或部门。
IRIG是美国靶场仪器组的简称，美国靶场仪器组是美国靶场司令部委员会的下属机构。
IRIG时间标准有两大类：
一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛；另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。
它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B即为其中的B型码。
B型码的时帧速率为1帧/s；可传递100位的信息。
作为应用广泛的时间码，B型码具用以下主要特点：
携带信息量大，经译码后可获得1、10、100、1000c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息；高分辨率；调制后的B码带宽，适用于远距离传输；分直流、交流两种；具有接口标准化，国际通用等。
五、为什么用夏令时
我们知道，春分以后，地球北极渐渐向太阳靠近，北半球的昼夜长短逐渐从等长过渡到昼长夜短，在秋分那天又回到昼夜等长。
从春分到秋分这段时间里，北半球每天照射的时间一般都在12小时以上。
以西安为例，从四月中旬到九月中旬，白天平均为十四个小时左右，如何利用这大好的自然光源？
有人想起能否在春季将时钟拨快，让大家早起早睡，以节约照明用电，到了秋季再把钟拨回来。
日光节约时间，也称为夏令时（DaylightSavingTime），是在1784年由美国发明家兼政界人士班杰敏·法兰克林首先提出来的。
他指出，夏天天亮得早，人们却还赖在床上十分浪费时间，如果把时钟往后调，这将让夜晚迟些才天黑，延长活动的时间。
夏令时比标准时晚一个小时。
例如，在夏令时的实施期间，东部标准时间的上午10点就成了东部夏令时的上午11点。
1915年，德国成为第一个正式实施夏令时，削减照明和耗电开支的国家。
自那以后，全球以欧洲和北美为主的约70个国家都引用了这个做法。
不过至今，夏令时的辩论仍然沸沸扬扬。
我国解放前几年在部分地区也曾实行过夏令时。
1986年4月，中央有关部门发出“在全国范围内实行夏时制的通知”，具体作法是：
每年从四月中旬第一个星期日的凌晨2时整（北京时间），将时钟拨快一小时，即将表针由2时拨至3时，夏令时开始；到九月中旬第一个星期日的凌晨2时整（北京夏令时），再将时钟拨回一小时，即将表针由2时拨至1时，夏令时结束。
从1986年到1991年的六个年度，除1986年因是实行夏时制的第一年，从5月4日开始到9月14日结束外，其它年份均按规定的时段施行。
在夏令时开始和结束前几天，新闻媒体刊登有关部门的通告。
1992年起，夏令时暂停实行。
尽管调整时间的做法早已被广泛采用，不过至今仍然引起争议。
2000年在墨西哥，夏令时政策引起了政治抗议，人们认为这是中央政府把自己的意愿强行施加在全国地区。
在美国，印第安纳州部分地区不承认夏令时，农民说，太阳升起时他们就起身，调整时间只是无味的行政麻烦。
亚利桑纳州也拒绝推行夏令时。
六、NTP和互联网时间同步
1．引言
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。
目前采用的时间标准是世界协调时UTC（UniversalTimeCoordinated）。
NTP的主要开发者是美国特拉华大学的DavidL.Mills教授。
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，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。
NTP以GPS时间代码传送的时间消息为参考标准，采用了Client/Server结构，具有相当高的灵活性，可以适应各种互联网环境。
NTP不仅校正现行时间，而且持续跟踪时间的变化，能够自动进行调节，即使网络发生故障，也能维持时间的稳定。
NTP产生的网络开销甚少，并具有保证网络安全的应对措施。
这些措施的采用使NTP可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步，并使NTP成为互联网上公认的时间同步工具。
目前，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。
在专用的时间服务器上，则精确度更高。
2．互联网环境中的时间同步要求
在互联网上，一般的计算机和互联设备在时间稳定度方面的设计上没有明确的指标要求。
这些设备的时钟振荡器工作在不受校对的自由振荡的状况。
由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因，时钟的振荡频率和标准频率之间存在一些误差。
按误差的来源、现象和结果可以按固有的或者外来的、短期的或者长期的、以及随机的或者固定的等进行分类。
这些误差初看来似乎微不足道，而在长期积累后会产生相当大的影响。
假设一台设备采用了精确度相当高的时钟，设其精确度为0.001%，那么它在一秒中产生的偏差只是10微秒，一天产生的时间偏差接近1秒，而运行一年后则误差将大于5分钟。
必须指出，一般互联网设备的时钟精确度远低于这个指标。
设备的时间校准往往取决于使用者的习惯，手段常为参照自选的标准进行手工设定。
在互联网上进行时间同步具有重要意义。
互联网起源于军事用途明显的ARPA网。
在军事应用领域，时间从来就是一个非常重要的考虑因素。
对于互联网的时间同步和NTP的研究，就是在美国国防部的资助下启动和进行的。
随着互联网的发展和延伸到社会的各个方面，在其他的领域对时间同步也提出了多种要求，例如各种实时的网上交易、制造过程控制、通信网络的时间配置、网络安全性设计、分布性的网络计算和处理、交通航班航路管理以及数据库文件管理和呼叫记录等多种涉及时间戳的应用，都需要精确、可靠和公认的时间。
在计算机网络的发展过程中产生了一些比较简单的与时间有关的应用和服务。
它们通过时间标记的通信使网络设备的时间向统一的参考源看齐靠拢，在所覆盖的网络范围上得到一致同步，确保获得精确可靠的时间，这包括了TCP/IP中ICMP的时间标记、Digital公司的DTS服务等。
这些应用为NTP提供了理论借鉴和应用经验。
3．NTP发展的追溯和现状
NTP的发展可以分为三个时期。
3．1．NTPv1之前的工作
时间协议的首次实现记载在InternetEngineeringNote[IEN-173]之中，其精确度为数百毫秒。
稍后出现了首个时间协议的规范，即[RFC778]，它被命名为DCNET互联网时间服务，而它提供这种服务还是借助于InternetControlMessageProtocol（ICMP），即互联网控制消息协议中的时间戳和时间戳应答消息。
作为NTP名称的首次出现是在[RFC958]之中，该版本也被称为NTPV0。
其开宗明义是为ARPA网提供时间同步。
它已完全脱离ICMP，而作为独立的协议在完成更高要求的时间同步。
它对于如本地时钟的误差估算和精密度等基本运算、参考时钟的特性、网络上的分组数据包及其消息格式进行了描述。
但是不对任何频率误差进行补偿，也没有规定滤波和同步的算法。
3．2．NTPv1到NTPv3
NTPv1出现于1988年6月，在[RFC1059]中描述了首个完整的NTP的规范和相关算法。
这个版本就已经采用了client/server模式以及对称操作。
但是它不支持鉴权和NTP的控制消息。
1989年9月推出了取代[RFC958]和[RFC1059]的NTPv2[RFC1119]。
几乎同时，DEC公司也推出了一个时间同步协议，数字时间同步服务，DigitalTimeSynchronizationService（DTSS）。
在1992年3月，NTPv3[RFC1305]问世，该版本总结和综合了NTP先前版本和DTSS，正式引入了校正原则，并改进了时钟选择和时钟滤波的算法，而且还引入了时间消息发送的广播模式。
这个版本取代了NTP的先前版本。
3．3．NTPv3后的进展
NTPV3发布后，一直在不断地进行改进，这些版本标注为xntp3-y，这里x表示试验，y表示第几次修改。
NTP实现的一个重要功能是对计算机操作系统的时钟调整。
在NTPv3研究和推出的同时，有关在操作系统核心中改进时间保持功能的研究也在并行地进行。
1994年推出了[RFC1589]，名为akernelmodelforprecisiontimekeeping，即精密时间保持的核心模式，这个实现可以把计算机操作系统的时间精确度保持在微秒数量级。
几乎同时，又提出了NTPV4改进建议。
对本地时钟调整算法，通信模式，新的时钟驱动器，适配规则等方面的改进描述了具体方向。
1999年在[RFC2783]中，描述了每秒脉冲的操作系统用户应用接口（Pulse-per-secondAPIforUnix-likeoperatingsystem，version1）。
在该实现中，计算机操作系统的时钟可以用精密的外部时间参考源的秒脉冲来加以校准和稳定。
NTPv4的工作也在进行之中。
它也将适用于IPV6；它将改进时钟模型，在各种同步源和网络通路的情况下更精确地预测和调节频率和时间；提出相应的新算法将降低网络抖动和振荡器漂移的冲突，并且将加速启始时的时间同步收敛速度；重新设计工作在锁频环、锁相环或者两者混合模式下的时钟校正算法；还将提供关于自动配置（例如，manycastmode）、可靠性、降低互联网话务量和加强网络安全性的鉴权（使用public-key密码）等方面的新特性。
V4的正式版本还没有面世，但改进过程中的许多方法已经加入xNTP3.y之中。
NTP发展的另一分支是SNTP－SimpleNetworkTimeProtocol，即简单网络时间协议。
SNTP适用于时间精确度低于NTP的客户机，并强烈建议仅限于使用在时间同步网的终端位置。
在1992年8月，[RFC1361]的SNTP问世，它的精确度为秒级。
[RFC1361]的1995年3月，提出了[RFC1769]，它取代了[RFC1361]其功能和被其取代的[RFC1361]相似，时间精确度为数百毫秒级。
SNTP的最新规范是1996年的[RFC2030]，并被冠以简单网络时间协议V4。
SNTP的实现比较简单，特别对于Client侧的实现。
一些商用的操作系统直接支持Client端的SNTP协议。
4．时间同步子网络
互联网中运用NTP进行时间同步和分配所涉及的设备和通路的集合称为时间同步子网络。
时间同步子网络以分层主从结构模式运行，其结构示意图见于图1。
在这种结构中，少许几个高层设备可以为大量的低层设备提供同步信息。
图1时间同步网络结构图
时间同步网络理论上根据其精确度和重要性一般分为从0－15的共16个级别或更多级，实际上不会大于6级。
级别编码越低，精确度和重要性越高。
时间的分配自级别编码小的层次向较大的层次进行，即由第0级向第15级分配渗透。
第0级设备处于该子网络的特殊位置，是时间同步网络的基准时间参考源。
它位于子网络的顶端，目前普遍采用全球卫星定位系统，即由GPS播发的UTC时间代码，本身并不具有NTP。
子网络中的设备可以扮演多重角色。
例如一个第二层的设备，对于第一层来说是客户机；对于第三层可能是服务器；对于同层的设备则可以是对等机。
这里对等机的含义是相互用NTP进行同步的计算设备。
NTP工作在时间同步子网络1级以下的其他各级设备中。
图1中，在第1级和第2级上用机盒图式表示的设备是网络时间服务器，或者称为NTP时间服务器；用计算机主机和工作站图式表示的是一般互联网中的对应物，在时间同步子网络中它们均被视为时间服务器的时间客户机（下面简称服务器和客户机）。
服务器可以是专用设备，也可以是备有专用时钟电路的通用计算机。
出于对精确度和可靠性的考虑，下层设备同时引用若干个上层设备作为参考源；而且也可以引用同层设备作为参考源。
NTP能够时间参考源中选择最好的几个时间源来推断现行时间。
在同层设备配置为互为参考时，NTP会在两个对等机间进行自动选择，以精确度高者作为两者共同的参考源，而绝非两者互相引用。
时间同步子网络和电信网络中的数字同步网一样，不允许出现时间环路。
数字同步网中依据的是SSM信息；而NTP则利用协议的优势，自动识别高精确度的时钟源，确保时钟单方向地同步到高精确度的时钟，这样就绝对避免了时间环路的出现。
5．NTP的通信模式
NTP以客户机和服务器方式进行通信。
每次通信共计两个包。
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。
两个数据包都带有时间戳。
NTP根据这两个数据包代的时间戳确定时间误差，并通过一系列算法来消除网络传输的不确定性的影响。
在数据包的传送方式上，有客户机和服务器一对一的点对点方式，还有多个客户机对一个服务器的广播/多播方式。
两者工作方法基本相同。
处于两种方式下的客户机在初始时和服务器进行如同点对点的简短信息交换，据此对往返延时进行量化判断。
此后广播/多播客户机只接收广播/多播消息的状态，并根据第一次信息交换的判断值修正时间。
不同之处在于时间服务器在广播方式下周期性地向广播地址发送时间刷新信号；而在多播方式下周期性地向多播地址发送时间刷新信号。
在广播/多播方式下一个服务器可以为大量的客户机提供时间，但精度较低。
NTP要求的资源开销和通信带宽很小。
NTP采用UDP协议，端口号设定为123。
UDP占用很小的网络带宽，在众多客户机和少许服务器通信时有利于避免拥塞。
NTP数据包的净长度在V3下为64个字节，V4下为72个字节；在IP层分别为76和84个字节。
如果通信方式是广播模式，服务器以固定的间隔向客户机广播发送一个数据包；如果是服务器/客户机方式，则通信间隔将在指定的范围内变化（一般是64秒到1024秒），同步情况越好，间隔就越长。
6．NTP的基本结构
NTPV3和V4的结构基本相同，分别示于图6.a和图6.b。
参见图6.a和图6.b，NTP实际是一个反馈控制环路，在环路的工作简述如下:
当NTP获得时间同步信息后，时间滤波器从时间样本中选取最佳的样本，和本地时间进行比较。
选择和聚类算法的功能是对往返延迟、离差和偏移等参数进行分析，在有效参考源选取若干名列前茅者。
合成算法对名列前茅者的信号进行综合，获取比任何单一信号更为优秀的时间参考。
环路滤波器和可变频率振荡器是一个自适应的混合锁相/锁频环路，它在时钟校正算法的控制下，调节本地时钟，提供本地时间。
图6.bNTPV4结构框图
NTPV4的基本结构框图参见图6.b。
NTPV4和V3相似颇多，不同之处主要为两点：
V4中对等机的通信间隔由网络相位抖动和本地时钟振荡器的频率稳定度确定，而V3对本地时钟的稳定度不作考虑；V4对VFO的调节间隔为固定的值，如1秒，而V3则未作硬性规定。
从NTP的基本结构框图中可以看出NTP和其他的互联网协议之间的一个重大的区别，这就是NTP不仅仅依靠软件完成，而且还要依靠通用计算机系统范畴之外的本地时钟电路实现，也就是框图中的VFO及其接口部分。
NTP及其相关协议系列对这部分的要求作了描述，但具体的实现却全部是NTP之外的技巧。
7．NTP的数据包格式
NTP网络结构中，无论是服务器或是客户机之间通信的数据包均带有时间戳。
时间戳用32位表示，前面16位是整数部分，后面16位是小数部分，计数精度可以达到200ps。
NTP从时间戳中获得最基本的时间信息。
NTP数据包消息直接遵循UDP的消息头格式，其分组数据包由若干个数据字组成，每个字长为32比特，详见图7.b。
其中，未加底色的方框中
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