GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘技術(shù)在電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘技術(shù)在電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

GPS在既有電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主時(shí)鐘中的應(yīng)用
摘要：隨著鐵路供電系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對時(shí)間統(tǒng)一的要求越來越迫切，對時(shí)間同步精度要求越來越高。本文結(jié)合對西星運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)注視中的改造，介紹了GPS在電氣化鐵道運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1.問題的提出
原武漢鐵路分局西屋遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的WESDAC-32主站系統(tǒng)于1991年12月隨鄭武電氣化鐵路一同開通使用。主站采用雙主機(jī)熱備用方式，總線結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘系統(tǒng)選用了RADIOCODE CLOCKS LTD公司的RMC 5000主時(shí)鐘控制器，并配備了RCS8000時(shí)鐘備用電源。兩臺(tái)主機(jī)PDP11/83在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)跟主時(shí)鐘RMC 5000自動(dòng)對時(shí)。如主時(shí)鐘出現(xiàn)故障或主機(jī)與主時(shí)鐘之間出現(xiàn)通信故障，則系統(tǒng)使用主機(jī)計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘。主站MTU用316板和225板與RTU的226板進(jìn)行時(shí)鐘同步。RMC 5000時(shí)鐘屬于晶體鐘，它的標(biāo)稱走時(shí)偏差為±3×10-9 s/d，需要人工干預(yù)校準(zhǔn)時(shí)鐘。
隨著鐵路電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對時(shí)間統(tǒng)一的要求越來越迫切，對時(shí)間同步精度的要求越來越高。既有的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)對現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)來說相對落后。為滿足新的要求，有必要將現(xiàn)有的主站時(shí)鐘系統(tǒng)改造成定位時(shí)鐘系統(tǒng)(GPS)。GPS具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)。
2.GPS同步時(shí)鐘
2.1 GPS授時(shí)的基本原理
GPS是由美國*研制的導(dǎo)航衛(wèi)星測距與授時(shí)、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星等間隔分布在6個(gè)互成60 0的軌道面上。這種衛(wèi)星配置基本上保證了地球任何位置均能同時(shí)觀測到至少4顆GPS衛(wèi)星。GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星(空間部分)、地面支撐系統(tǒng)(地面監(jiān)控部分)和GPS接收機(jī)(用戶部分)3部分構(gòu)成。
GPS向范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位功能。任何地點(diǎn)的GPS用戶通過低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，就能獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。GPS要實(shí)時(shí)完成定位和授時(shí)功能，需要4個(gè)參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時(shí)鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)刻偏差，所以需要接受4顆衛(wèi)星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接受1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時(shí)。
由于GPS采用被動(dòng)的定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)是精密定位和授時(shí)的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標(biāo)，其頻率穩(wěn)定度達(dá)到(1~2)×10-13/d。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間保持精確同步。GPS衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛(wèi)星上同一個(gè)基準(zhǔn)頻率。GPS接收機(jī)對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行處理，經(jīng)過一套嚴(yán)密的誤差校正，使輸出的信號達(dá)到很高的長期穩(wěn)定性。定時(shí)精度能夠達(dá)到300 ns以內(nèi)。在精確定位服務(wù)下，GPS提供的時(shí)間信號與協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)之差小于100 ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達(dá)到幾個(gè)納秒。
GPS定時(shí)原理是基于在用戶端精確測定和扣除GPS時(shí)間信號的傳輸時(shí)延，以達(dá)到對本地鐘的定時(shí)與校準(zhǔn)。GPS定時(shí)準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差。主要誤差有：
2.1.1信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;
2.1.2信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；
2.1.3接收端：接收機(jī)時(shí)延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
2.2 GPS時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)方法
常規(guī)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會(huì)老化，易受外界環(huán)境變化影響和長期的精度漂移影響。原子鐘長期使用后也會(huì)產(chǎn)生偏差，需要定時(shí)校準(zhǔn)。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對自身時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行修正，所以其自身時(shí)鐘系統(tǒng)長期穩(wěn)定，具有對外界物理因素變化不敏感特性。若晶體或銣鐘以GPS為長期參考，可以變成低成本、高性能的基準(zhǔn)時(shí)鐘。
在網(wǎng)絡(luò)正常工作狀態(tài)下，GPS時(shí)鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準(zhǔn)確度。由于在某些特殊情況下GPS時(shí)鐘信號會(huì)暫時(shí)消失，所以基于GPS的時(shí)鐘模塊一般需要另一個(gè)外部時(shí)鐘作為后備輸入，預(yù)留有外接時(shí)鐘的時(shí)基和頻標(biāo)信號接口。另外，GPS時(shí)鐘其頻率準(zhǔn)確度還具有自身保持性能。GPS時(shí)間的建立過程如圖1所示。 
為了得到精密的GPS時(shí)間，使它的準(zhǔn)確度相對于UTC達(dá)到<100ns，因此每個(gè)GPS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘作星載鐘；GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)修正系統(tǒng)；采用UTC(USNO/MC)為參考基準(zhǔn)。
GPS時(shí)鐘頻率模塊提供所需的各種時(shí)頻的信號，并輸出定位時(shí)間、GPS接收機(jī)是否工作正常、輸出的時(shí)間信號是否有效、時(shí)鐘和頻率處理模塊激活狀態(tài)、異常告警等信息。
3.改造后的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)
在原來主站系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加一套GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)和一個(gè)室外衛(wèi)星接收天線。接收到的衛(wèi)星定位信號通過同軸電纜連接到同步時(shí)鐘處理系統(tǒng)的天線輸入端口，再由時(shí)鐘裝置輸出一路RS232信號，接入雙機(jī)監(jiān)視及切換裝置(CMS)上。兩臺(tái)主機(jī)與CMS相連，主機(jī)按與同步時(shí)鐘裝置相匹配的規(guī)約，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的接收GPS信號，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的高精度同步。主機(jī)接收GPS時(shí)鐘信號作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，對系統(tǒng)進(jìn) 行時(shí)鐘同步，周期性地向RTU發(fā)送校時(shí)命令，以同步RTU時(shí)鐘。
4.時(shí)間同步原理
GPS接收機(jī)輸出兩種時(shí)間信號：一是同步脈沖信號，包括間隔為1秒的脈沖信號1PPS(它與UTC的同步誤差不超過1μs)、間隔為1分的脈動(dòng)信號1PPM和間隔為1小時(shí)的脈動(dòng)信號1PPH；二是時(shí)間碼信號。通過RS232C接口,輸出與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和日期，即1PPS的時(shí)間標(biāo)記。其中，時(shí)間碼信號用于系統(tǒng)時(shí)間同步，同步脈沖信號用子裝置時(shí)鐘同步。根據(jù)系統(tǒng)對任務(wù)或事件實(shí)時(shí)性要求的程度，可在整點(diǎn)、整分甚至整秒時(shí)刻通過串行接口為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼信號。同樣，根據(jù)采樣對裝置時(shí)鐘分辨率的要求，可分別采用1PPS、1PPM或1PPH同步脈沖信號對裝置時(shí)鐘進(jìn)行同步。
系統(tǒng)時(shí)間同步是指GPS時(shí)間碼周期性地設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)主機(jī)及RTU的系統(tǒng)時(shí)間，達(dá)到統(tǒng)一分布式系統(tǒng)時(shí)間的目的。SCADA系統(tǒng)中各主機(jī)及RTU的對時(shí)系統(tǒng)都以三級計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)方式組成，即RTC計(jì)時(shí)、BIOS計(jì)時(shí)和OS計(jì)時(shí)。相應(yīng)地用外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步一臺(tái)主機(jī)的時(shí)間系統(tǒng)也可分為同步RTC時(shí)鐘、同步BIOS時(shí)鐘和同步OS時(shí)鐘3種方式。但采用前兩者均要設(shè)計(jì)硬件線路，這對主機(jī)的完整性和可靠性不利，且同步RTC時(shí)鐘只對初始開機(jī)有效。所有應(yīng)用程序的計(jì)時(shí)都只取自于OS時(shí)鐘(不包括低級程序?qū)ο到y(tǒng)時(shí)鐘的直接調(diào)用)。所以，只要對OS時(shí)鐘進(jìn)行同步，就可實(shí)現(xiàn)對所有應(yīng)用程序的時(shí)間同步但由于同步時(shí)刻點(diǎn)之后OS計(jì)時(shí)仍然依賴低一級的BIOS時(shí)鐘計(jì)時(shí)，為消減累計(jì)誤差，必須周期性同步。
本系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，并不將GPS時(shí)間碼直接傳送給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和RTU，而是先傳送給主機(jī)，再主機(jī)傳送給其它主機(jī)節(jié)點(diǎn)。這樣既可以簡化線路，又便于整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。

系統(tǒng)時(shí)間同步的基本過程是：(1)整點(diǎn)時(shí)刻與UTC 1PPS脈沖前沿對應(yīng)的BCD時(shí)間碼信號到后，啟動(dòng)主機(jī)時(shí)間同步處理后臺(tái)進(jìn)程；(2)后臺(tái)進(jìn)程接收BCD時(shí)間碼，將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的長整型數(shù)，設(shè)置主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘，并采用緊縮傳遞方法將長整型數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCⅡ流，通過數(shù)據(jù)報(bào)Socket向其他主機(jī)節(jié)點(diǎn)廣播；(3)其他主機(jī)節(jié)點(diǎn)接收ASCⅡ流，將其還原為長整型數(shù)，設(shè)置本機(jī)系統(tǒng)時(shí)間。
5.技術(shù)要求
5.1信息報(bào)文格式
兩個(gè)NEMA Protocal接口，具有問答和廣播兩種工作方式。
5.1.1問答方式
計(jì)算機(jī)向時(shí)鐘寫入命令$ⅡGPQ，RMC*A4<CR><LF>時(shí)鐘會(huì)向外輸出當(dāng)前時(shí)間信息。如果當(dāng)前時(shí)鐘已定位，其輸出為：$GPRMC,<Time.d>,A，，，，，，，<Date>，，*<Checksum><CR><LF>如果當(dāng)前時(shí)鐘未定位，則輸出為：$GPRMC，，V,,,,,,,,,*<Checksum><CR><LF>
5.1.2廣播方式時(shí)鐘每秒鐘向外廣播一次時(shí)間信息，格式為：$GPRMC，<Time.d>，A，，，，，，，<Date>，，*<Checksum><CR><LF>如果當(dāng)前時(shí)鐘未定位，則輸出為：$GPRMC，，V，，，，，，，，*<Checksum><CR><LF>輸出形式為ASCⅡ碼。兩個(gè)自定義RS-232接口以廣播方式輸出時(shí)間信息，時(shí)間間隔為一秒，輸出格式為：B HH MM SS MSH MBL YYM1M1DD<CR><LF>輸出格式為壓縮BCD碼，該數(shù)據(jù)串中含年的高位(20H)。
5.2串口輸出工作方式
波特率一般為4800波特，但根據(jù)需求，可設(shè)置為600、1200、2400和9600波特。數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，且無校驗(yàn)位。
6.結(jié)束語
遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)SCADA的重要功能之一就是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同步采集和對狀態(tài)的同步監(jiān)控，時(shí)間的統(tǒng)一及其精度直接影響到采樣和測量的精度。SCADA系統(tǒng)的時(shí)間同步要求主要體現(xiàn)在：(1)隨機(jī)時(shí)間或突發(fā)故障的精確標(biāo)記，這對故障判斷和檢測尤為重要；(2)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫除了基本的初始數(shù)據(jù)和臨時(shí)數(shù)據(jù)外，還有大量的具有時(shí)間標(biāo)記的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、計(jì)劃數(shù)據(jù)以及用于事故追憶的歷史數(shù)據(jù)，其時(shí)序邏輯對時(shí)間都有很高的精確度要求；(3)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中任務(wù)的調(diào)度和多任務(wù)(進(jìn)程)間的同步對時(shí)間的分辨率要求等。使用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號為遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的高精密時(shí)間同步提供了理想的手段。在給SCADA系統(tǒng)提供GPS同步時(shí)間的基礎(chǔ)上，利用GPS接收到的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過串口接入局域網(wǎng)內(nèi)，也為其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供精確的同步時(shí)間。經(jīng)過此次技術(shù)改造，不僅解決了西屋遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主時(shí)鐘不能精確對時(shí)的難題，也為GPS在電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了新思路。