GPS卫星同步时钟技术在电气化铁道远动系统中的应用

GPS卫星同步时钟技术在电气化铁道远动系统中的应用

GPS在既有电气化铁道远动系统主时钟中的应用
摘要：随着铁路供电系统自动化技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，系统对时间统一的要求越来越迫切，对时间同步精度要求越来越高。本文结合对西星运动系统注视中的改造，介绍了GPS在电气化铁道运动系统中的应用。
1.问题的提出
原武汉铁路分局西屋远动系统的WESDAC-32主站系统于1991年12月随郑武电气化铁路一同开通使用。主站采用双主机热备用方式，总线结构，时钟系统选用了RADIOCODE CLOCKS LTD公司的RMC 5000主时钟控制器，并配备了RCS8000时钟备用电源。两台主机PDP11/83在系统启动时跟主时钟RMC 5000自动对时。如主时钟出现故障或主机与主时钟之间出现通信故障，则系统使用主机计算机内部时钟。主站MTU用316板和225板与RTU的226板进行时钟同步。RMC 5000时钟属于晶体钟，它的标称走时偏差为±3×10-9 s/d，需要人工干预校准时钟。
随着铁路电力系统自动化技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，系统对时间统一的要求越来越迫切，对时间同步精度的要求越来越高。既有的系统时钟系统对现代化计算机技术来说相对落后。为满足新的要求，有必要将现有的主站时钟系统改造成定位时钟系统(GPS)。GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。
2.GPS同步时钟
2.1 GPS授时的基本原理
GPS是由美国*研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星等间隔分布在6个互成60 0的轨道面上。这种卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。GPS系统由GPS卫星(空间部分)、地面支撑系统(地面监控部分)和GPS接收机(用户部分)3部分构成。
GPS向范围内提供定时和定位功能。任何地点的GPS用户通过低成本的GPS接收机接受卫星发出的信号，就能获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。GPS要实时完成定位和授时功能，需要4个参数：经度、纬度、高度和用户时钟与GPS主钟标准时间的时刻偏差，所以需要接受4颗卫星的位置。若用户已知自己的确切位置，那么接受1颗卫星的数据也可以完成定时。
由于GPS采用被动的定位原理，所以星载高稳定度的频率标准是精密定位和授时的关键。工作卫星上一般采用的是铯原子钟作为频标，其频率稳定度达到(1~2)×10-13/d。GPS卫星上的卫星钟通过和地面的GPS主钟标准时间进行比对，这样就可以使卫星钟与GPS主钟标准时间之间保持精确同步。GPS卫星发射的几种不同频率的信号，都是来自卫星上同一个基准频率。GPS接收机对GPS卫星发射的信号进行处理，经过一套严密的误差校正，使输出的信号达到很高的长期稳定性。定时精度能够达到300 ns以内。在精确定位服务下，GPS提供的时间信号与协调世界时(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技术，则与UTC之差能达到几个纳秒。
GPS定时原理是基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延，以达到对本地钟的定时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差。主要误差有：
2.1.1信号发射端：卫星钟误差、卫星星历(位置)误差;
2.1.2信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；
2.1.3接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。
2.2 GPS时钟的实现方法
常规时钟频率产生方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化影响和长期的精度漂移影响。原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时校准。而GPS系统由于其工作特性的需要，定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感特性。若晶体或铷钟以GPS为长期参考，可以变成低成本、高性能的基准时钟。
在网络正常工作状态下，GPS时钟具有与GPS主钟相同的频率准确度。由于在某些特殊情况下GPS时钟信号会暂时消失，所以基于GPS的时钟模块一般需要另一个外部时钟作为后备输入，预留有外接时钟的时基和频标信号接口。另外，GPS时钟其频率准确度还具有自身保持性能。GPS时间的建立过程如图1所示。 
为了得到精密的GPS时间，使它的准确度相对于UTC达到<100ns，因此每个GPS卫星上都装有铯原子钟作星载钟；GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；采用UTC(USNO/MC)为参考基准。
GPS时钟频率模块提供所需的各种时频的信号，并输出定位时间、GPS接收机是否工作正常、输出的时间信号是否有效、时钟和频率处理模块激活状态、异常告警等信息。
3.改造后的系统逻辑结构
在原来主站系统基础上，增加一套GPS同步时钟系统和一个室外卫星接收天线。接收到的卫星定位信号通过同轴电缆连接到同步时钟处理系统的天线输入端口，再由时钟装置输出一路RS232信号，接入双机监视及切换装置(CMS)上。两台主机与CMS相连，主机按与同步时钟装置相匹配的规约，实现准确无误的接收GPS信号，实现时间的高精度同步。主机接收GPS时钟信号作为系统的标准时间，对系统进 行时钟同步，周期性地向RTU发送校时命令，以同步RTU时钟。
4.时间同步原理
GPS接收机输出两种时间信号：一是同步脉冲信号，包括间隔为1秒的脉冲信号1PPS(它与UTC的同步误差不超过1μs)、间隔为1分的脉动信号1PPM和间隔为1小时的脉动信号1PPH；二是时间码信号。通过RS232C接口,输出与1PPS脉冲前沿对应的标准时间和日期，即1PPS的时间标记。其中，时间码信号用于系统时间同步，同步脉冲信号用子装置时钟同步。根据系统对任务或事件实时性要求的程度，可在整点、整分甚至整秒时刻通过串行接口为系统提供标准时间码信号。同样，根据采样对装置时钟分辨率的要求，可分别采用1PPS、1PPM或1PPH同步脉冲信号对装置时钟进行同步。
系统时间同步是指GPS时间码周期性地设置整个系统中各节点主机及RTU的系统时间，达到统一分布式系统时间的目的。SCADA系统中各主机及RTU的对时系统都以三级计时结构方式组成，即RTC计时、BIOS计时和OS计时。相应地用外部标准时间同步一台主机的时间系统也可分为同步RTC时钟、同步BIOS时钟和同步OS时钟3种方式。但采用前两者均要设计硬件线路，这对主机的完整性和可靠性不利，且同步RTC时钟只对初始开机有效。所有应用程序的计时都只取自于OS时钟(不包括低级程序对系统时钟的直接调用)。所以，只要对OS时钟进行同步，就可实现对所有应用程序的时间同步但由于同步时刻点之后OS计时仍然依赖低一级的BIOS时钟计时，为消减累计误差，必须周期性同步。
本系统的应用设计方案，并不将GPS时间码直接传送给每一个节点和RTU，而是先传送给主机，再主机传送给其它主机节点。这样既可以简化线路，又便于整个系统的时间统一。

系统时间同步的基本过程是：(1)整点时刻与UTC 1PPS脉冲前沿对应的BCD时间码信号到后，启动主机时间同步处理后台进程；(2)后台进程接收BCD时间码，将其转换为以秒为单位的长整型数，设置主机系统时钟，并采用紧缩传递方法将长整型数转换为ASCⅡ流，通过数据报Socket向其他主机节点广播；(3)其他主机节点接收ASCⅡ流，将其还原为长整型数，设置本机系统时间。
5.技术要求
5.1信息报文格式
两个NEMA Protocal接口，具有问答和广播两种工作方式。
5.1.1问答方式
计算机向时钟写入命令$ⅡGPQ，RMC*A4<CR><LF>时钟会向外输出当前时间信息。如果当前时钟已定位，其输出为：$GPRMC,<Time.d>,A，，，，，，，<Date>，，*<Checksum><CR><LF>如果当前时钟未定位，则输出为：$GPRMC，，V,,,,,,,,,*<Checksum><CR><LF>
5.1.2广播方式时钟每秒钟向外广播一次时间信息，格式为：$GPRMC，<Time.d>，A，，，，，，，<Date>，，*<Checksum><CR><LF>如果当前时钟未定位，则输出为：$GPRMC，，V，，，，，，，，*<Checksum><CR><LF>输出形式为ASCⅡ码。两个自定义RS-232接口以广播方式输出时间信息，时间间隔为一秒，输出格式为：B HH MM SS MSH MBL YYM1M1DD<CR><LF>输出格式为压缩BCD码，该数据串中含年的高位(20H)。
5.2串口输出工作方式
波特率一般为4800波特，但根据需求，可设置为600、1200、2400和9600波特。数据位为8位，停止位为1位，且无校验位。
6.结束语
远动系统SCADA的重要功能之一就是实现对数据的同步采集和对状态的同步监控，时间的统一及其精度直接影响到采样和测量的精度。SCADA系统的时间同步要求主要体现在：(1)随机时间或突发故障的精确标记，这对故障判断和检测尤为重要；(2)SCADA系统的数据库除了基本的初始数据和临时数据外，还有大量的具有时间标记的实时数据、计划数据以及用于事故追忆的历史数据，其时序逻辑对时间都有很高的精确度要求；(3)远动系统中任务的调度和多任务(进程)间的同步对时间的分辨率要求等。使用GPS卫星定位系统中的标准时间信号为远动系统的高精密时间同步提供了理想的手段。在给SCADA系统提供GPS同步时间的基础上，利用GPS接收到的标准时间，通过串口接入局域网内，也为其他网络系统提供精确的同步时间。经过此次技术改造，不仅解决了西屋远动系统主时钟不能精确对时的难题，也为GPS在电气化铁道远动系统中的应用提供了新思路。