北斗同步时钟(主时钟控制器)应用于电气化铁路远程系统
北斗同步时钟(主时钟控制器)应用于电气化铁路远程系统
随着铁路供电系统自动化技术的迅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高对时间同步精度的要求越来越高本文结合对西星远程系统关注中的改造，介绍北斗在电气化铁路运动系统中的应用。
1 .问题的提出
原武汉铁路分局西屋远程系统的WESDAC-32主控系统于1991年12月与郑武电气化铁路一起开通使用。
主站采用双主机热备方式，总线结构，时钟系统采用HR-901GB主时钟控制器，并配备RCS80时钟备用电源。 两个主机PDP11/83在系统启动时自动与主时钟RMC 5000配对。 如果主时钟发生故障，或者主机和主时钟之间发生通信故障，系统将使用主机计算机的内部时钟。 主MTU通过316板和225板与RTU的226板进行时钟同步。 RMC 5000时钟为晶体时钟，其标称运行时偏差为310-9 s/d，需要人工校准时钟介入。
随着铁路电力系统自动化技术的迅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高对时间同步精度的要求越来越高现有的系统时钟系统相对落后于现代化计算机技术。 为了满足新的要求，需要将现有的主时钟系统改造为全球定位时钟系统(BDS )。 北斗具有全天候、高精度、自动化、威武手套等显著特点。
2 .北斗卫星同步时钟
2.1北斗授时基本原理
北斗是我国研制的导航卫星测距授时定位导航系统，由21颗卫星和3颗轨道上的备用卫星组成，这24颗卫星相互等间隔分布在60度轨道面上6颗。 该卫星部署基本上保证了从地球任何位置同时至少可以观测到4颗北斗卫星。 北斗系统由GPS卫星“空间部分”、地面支撑系统“地面监测部分”、GPS接收机“用户部分”三部分组成。
GPS为全球提供定时和定位功能。 世界上任何地方的GPS用户都可以通过在低成本GPS接收机上接收来自卫星的信号，来获得准确的空间位置信息、同步时间戳和标准时间。 GPS实时完成定位和授时功能，需要经度、纬度、海拔高度、用户时钟与GPS主时钟标准时间的时间偏移4个参数，需要接受4个卫星的位置。 如果用户知道自己的准确位置，也可以接收一个卫星的数据完成定时。
由于GPS采用被动定位原理，星载高稳定度的频率标准是精密定位和授时的关键。 卫星中普遍采用铯原子钟作为频率标准，其频率稳定度达到(1~2)10-13/d。 GPS卫星的卫星时钟可以与地面GPS主时钟的标准时间进行比对，以保持卫星时钟与GPS主时钟的标准时间之间的准确同步。 GS卫星发射的几个不同频率的信号都来自卫星上的同一参考频率。 GPS接收机处理GPS卫星发送的信号，经过严格的误差校正，提高输出信号的长期稳定性。 定时精度可以达到300 ns以内。 在精密定位服务中，GPS提供的时间信号与协定世界时间(UTC )之差小于100 ns。 如果采用差分GPS技术，则与UTC的差达到数纳秒。
GPS定时原理基于在用户侧准确地测量并减去GPS时间信号的传输延迟来实现本地时钟定时和校准。 GPS定时的精度取决于在信号发送侧、信号发送侧和接收侧引入的误差。 主要误差如下。
2.1.1信号发送端：卫星时钟误差、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、地面反射多径误差；
2.1.3接收端：接收机延迟差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。
2.2 GPS时钟的实现方法
通常的时钟频率生成方法有晶体、铷钟等。 但是晶体老化，容易受到外界环境变化的影响和长期精度漂移的影响。 原子钟长期使用也会产生偏差，需要定时校正。 另一方面，GPS系统由于其工作特性的需要，定期修改自身的时钟系统，因此自身的时钟系统具有长期稳定、对外部物理因素的变化不敏感的特性。 如果晶体和铷的钟表以GPS为长期基准，则成为低成本且高性能的基准钟表。
在网络正常工作的状态下，北斗时钟具有与北斗主时钟相同的频率精度。 由于在某些特殊情况下北斗时钟信号会暂时消失，因此基于北斗的时钟模块通常需要另一个外部时钟作为备份输入，以确保外部时钟定时和信标信号接口。 另外，北斗钟表在频率精度上也有自身的保持性能。 北斗时间的确立过程如图1所示。
为了得到精确的北斗时间，使其精度相对于UTC为100ns，每颗北斗卫星配备铯原子钟作为星载时钟的北斗全卫星和地面观测站构成闭环自动修正系统； 以utc(usno/MC )为参考标准。
北斗时钟频率模块提供所需的各种时频信号，输出定位时间、北斗接收机是否正常工作、输出的时间信号是否有效、时钟和频率处理模块激活状态、异常报警等信息。
3 .改造后的系统逻辑结构
在原主控系统中增加北斗同步时钟系统和室外卫星接收天线。 接收的卫星定位信号经由同轴电缆连接到同步时钟处理系统的天线输入端口，从时钟设备输出RS232或NTP网络接口信号，并且连接到双机监控开关单元(CMS )。 两台主机连接到CMS，主机根据同步时钟装置的规定，准确接收GPS信号，实现时间的高精度同步。 主机接收北斗同步时钟信号作为系统标准时间，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
北斗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脉冲前沿对应的国际标准时间和日期，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。
系统时间同步是指北斗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，并不将北斗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。
北斗卫星同步时钟系统
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 Ⅱ G P Q ， R M C ∗ A 4 < C R > < L F > 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 ： 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： 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，，，，，，，，，如果当前时钟未定位，则输出为：$GPRMC，，V,
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： G P R M C ， < T i m e . d > ， A ， ， ， ， ， ， ， < D a t e > ， ， ∗ < C h e c k s u m > < C R > < L F > 如 果 当 前 时 钟 未 定 位 ， 则 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，<Time.d>，A，，，，，，，<Date>，，∗<Checksum><CR><LF>如果当前时钟未定位，则输出为：GPRMC，，V，，，，，，，，*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。
使用北斗全球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系统提供北斗同步时间的基础上，利用北斗接收到的标准时间，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，也为北斗时钟在电气化铁道远动系统中的应用提供了新思路。
原创声明，未经许可，不得转载。