一种基于GNSS的集群时间同步系统的制作方法

一种基于gnss的集群时间同步系统
技术领域
1.本发明涉及集群领域，具体涉及一种基于gnss的集群时间同步系统。


背景技术：

2.随着北斗导航卫星时频应用，以计算机组成的集群式系统，对系统内设备统一时间的要求越来越高。目前系统内部时钟统一大多靠系统内计算机自己的时间，长时间本地自守时精度较差；使用gps卫星标准时间信息的系统，在卫星时间信息不可用情况下，本地守时精度难以保证。同时目前时间同步系统缺乏对系统内设备健康状态管理和授时结果闭环调节功能。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种基于gnss的集群时间同步系统，能够解决集群式系统的时间同步问题，能够确保集群式系统内部时间与卫星(含北斗和gps)标准时间统一，采用定向自动守时方法，在不影响系统整体时间连续性的基础上，确保集群系统内设备间时间误差优于50ms，它适用于集群式系统内设备间长期的时间统一。
4.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
5.一种基于gnss的集群时间同步系统，该系统包括信号层、服务层、网络层以及终端层；
6.所述信号层接收北斗或gps卫星信息，基于获取的基准频率、卫星星历信息，提供时间信号，所述时间信号为北斗时间信号或gps时间信号；所述信号层包括天线、授时接收机，其中天线用于接收北斗或gps卫星信息，授时接收机用于处理北斗或gps卫星信息并向服务层的时间服务模块提供时间信号和秒脉冲；
7.所述服务层通过对信号层发送的时间信号进行处理，获得标准时间信息，为用户终端提供授时服务；所述服务层包括时间同步服务器、二级时间服务器、交换机以及监控装置；
8.所述网络层用于实现用户终端与时间同步服务器的信息传输和信息隔离，所述网络层包括网络隔离交换机；
9.所述终端层包括集群中的用户终端，是授时服务的用户，每个用户终端接收时间同步服务器时间信息，并反馈用户终端的本地时钟信息至监控装置。
10.优选地，所述授时接收机用于接收信号层传递的时间信号，基于所述时间信号，产生标准导航卫星时间、1pps及10m频率信号，所述1pps用于提供时间基准信号，所述10mhz信号用于计时时钟频率。
11.优选地，所述时间同步服务器接收信号层传递的时间信号，对所述时间信息进行解码，生成时间信息，具有ntp网络授时功能；所述时间同步服务器在无法获取信号层传递的时间信号时，由所述时间同步服务器自身的铷原子钟产生时钟信号，并基于所述铷原子钟产生的时钟信号生成时间信息；
12.所述时间同步服务器包括铷原子钟和时间服务模块；所述铷原子钟用于在无法获取信号层传递的时间信号时，产生本地标准10mhz信号，将所述本地标准10mhz信号作为内时钟信号，配合外部时钟信息提供时间服务；所述时间服务模块用于接收信号层时间信号，并将所述时间信号进行解码，提供连续的时间服务；所述外部时钟由所述的授时接收机解调卫星时间信息后产生的标准导航卫星时间、1pps和10m频率信号组成；
13.所述二级时间服务器为专网服务器，用于接收经过交换机转发的所述时间同步服务器发送的时间服务，向专网范围内的用户终端提供授时服务；
14.所述监控装置与所述时间同步服务器及集群中的各用户终端相连，用于监控时间同步服务器、用户终端的设备信息，并在用户终端时间信息偏差时，生成校时策略，对用户终端进行校时。
15.优选地，所述时间服务模块内部包括高精度时间同步和管理模块、以及时间发送模块；所述高精度时间同步和管理模块用于时间信号的解算，并配合1pps对本地铷原子钟时间进行校正；所述高精度时间同步和管理模块对外部时钟信号进行周期计数产生时间信息；所述时间发送模块用于计时时钟频率分配，通过判断秒脉冲时刻误差进行秒脉冲时间对齐控制。
16.优选地，所述高精度时间同步和管理模块包括串口时间接收子模块、时钟管理子模块、b码接收子模块和时间同步守时处理子模块；
17.所述串口时间接收子模块根据串口协议及1pps信号维护时间同步服务器的本地时间，支持多路pps信号输入，当pps信号故障时，根据优先级设置自动选择下一路pps信号；
18.所述时钟管理子模块支持多路时钟信号输入；
19.所时钟管理子模块将本地恒温晶振的时钟信号作为外部铷原子钟或其他时钟信号的备份；当连续10us没有检测到外部时钟信号时，在时钟允许自动切换的状态下，自动切换到本地恒温晶振的时钟信号上，并将时钟切换信息通过串口或网口发送到主控计算机；
20.所述b码接收子模块支持远程光纤或电缆输入的b码时间信息来同步时间同步服务器的本地时间；
21.所述时间同步守时处理子模块通过外部输入的时钟对时间码的亚秒计数器进行计数，计数采用加计数的方式，在计数器计数值达到1s时间的计数值时，输出一个秒脉冲信号；在卫星信号正常，授时接收机输出秒脉冲正常的情况下，卫星时间以秒脉冲信号为基准进行对齐，在卫星信号异常时，通过所述铷原子钟自行维护整秒时刻信号。
22.优选地，所述监控装置用于对所述时间同步服务器进行时钟控制和确定所述用户终端的授时策略；对所述时间同步服务器进行时钟控制为：判读授时接收机的锁定状态，若授时接收机失锁，则确定外部时钟无效，所述监控装置自动生成时钟切换指令，并将时钟信号切换至内部时钟，从而确保时钟连续稳定；当外部时钟恢复后，所述监控装置自动生成时钟切换指令，将时钟信号切换至外部时钟，并通过所述外部时钟对内部时钟信号进行同步；若授时接收机为正常锁定状态，则确定外部时钟有效，保持持续输出外部时钟。
23.优选地，所述用户终端的授时策略是基于定向时间同步方法确定的，所述定向时间同步方法包括：
24.步骤s1：所述时间同步服务器接收到所述监控装置的授时请求后，所述监控装置按照授时频度调取所述时间同步服务器授时服务；
25.步骤s2：所述时间同步服务器根据所述内部时钟和外部时钟状态输出可用时钟信息，所述可用时钟信息为系统内唯一且连续的统一时间基准，由所述内部时钟或外部时钟提供；
26.步骤s3：对于所述用户终端的每一个，所述监控装置计算所述用户终端时钟偏差，计算方法为定义时间同步服务器与用户终端的时钟偏差θ、往返时延
[0027][0028][0029]
其中，t1为用户终端发送报文时刻的用户终端时间，t2为时间同步服务器接收到请求报文时刻的时间同步服务器时间，t3为时间同步服务器本地时间信息发出时刻的时间同步服务器时间，t4为用户终端接收时间同步服务器时间后更新的用户终端时间，d1为客户端至时间同步服务器的时延，d2为时间同步服务器至客户端的时延；
[0030]
步骤s4：为所述用户终端的每一个确定补偿时间，包括：对于用户终端的每一个，确定时钟分辨率为用户终端本地时钟频率的倒数，并计算时钟频率偏移率利用极大似然估计法进行频率偏差估计，确定授时准确时间t＝(1-δy)(t
i-1-θ)；基于所述授时准确时间及所述用户终端的本地时间，确定所述用户终端的补偿时间；通过该补偿时间进行所述用户终端的时间补偿；其中，y(t)为用户终端时钟频率，i为第i次授时，n为统计n次授时结果，δθ为时间同步服务器与用户终端时钟偏差变化量，δt为相隔两次授时时间差，t
i-1
为前一次授时时间。
[0031]
有益效果：
[0032]
(1)本发明提出了一种基于gnss的集群时间同步系统，通过高稳定采用ntp协议，可以为需要标准时间尺度的系统提供高精度的时间基准信号，满足各种自动化设备对时间信号需求。时间基准以gnss时间为参考，频率基准以铷原子钟输出信号作参考。时间信号通过ntp校时方式完成全网络计算机及应用设备的时间同步，也可扩展为采用irig-b码对特定计算机或应用设备进行时间同步。同时，通过对装置内设备健康状态进行集中管理，对终端设备时间进行实时监视，通过定向时间同步方法，实现自动时间同步；本装置提供了丰富的信号接口资源，满足不同设备的对时接口要求并且为未来扩展提供了条件，具备优秀的兼容能力。
[0033]
(2)本发明接受天线稳定接收北斗和gps标准时间信息，同时通过铷原子钟确保时间信息的稳定，整体架构灵活，模块化设计和统一的时间监控保证授时服务适合应用于多种场景，同时装置具有很强的可扩展性，授时稳定，同时采用闭环定向控制方法，确保系统内设备间长期时间稳定偏差优于50ms。
[0034]
(3)本发明基于gnss的集群时间同步系统用来传输时间信号，包括年、月、日、时、分、秒、毫秒等信息，使得网络上的设备与协调世界时之间的时间偏差在一个比较小的范围之内，为用户各类计算机和应用设备提供统一的时间基准。
[0035]
(4)本发明基于gnss的集群时间同步系统使用目前应用度最高的ntp协议，设计出
基于卫星和原子钟的时间频率基准系统，可以为需要标准时间尺度的系统提供高精度的时间基准，满足各种自动化设备对时间信号的要求。时间基准以北斗时间或gps时间作参考。时间信号通过ntp校时方式完成全网络计算机及应用设备的时间同步，也可采用irig-b码对特定计算机或应用设备进行时间同步。同时，通过对装置内设备健康状态进行集中管理，对终端设备时间进行实时监视，实现自动时间同步。
[0036]
(5)本发明基于gnss的集群时间同步系统在设计上采用比较合理的模块化结构，可以根据用户需求灵活配置；使用优秀的处理器进行控制，保证了系统的处理能力；同时提供了丰富的信号接口资源，满足不同设备的对时接口要求并且为未来扩展提供了条件，具备优秀的兼容能力。
[0037]
(6)本发明提出了一种基于gnss的集群时间同步方法，该方法成功应用于多个复杂系统中，稳定提供时间服务。
附图说明
[0038]
图1为基于gnss的集群时间同步系统结构示意图；
[0039]
图2为北半信号接收处理模块示意图；
[0040]
图3(a)为时间服务模块输入输出示意图；
[0041]
图3(b)为时间服务模块组成示意图；
[0042]
图4为时间同步装置通信结构示意图；
[0043]
图5为定向定时时间同步基本流程示意图。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
[0045]
如图1所示，本发明一种基于gnss的集群时间同步系统，所述系统包括：信号层、服务层、网络层以及终端层。
[0046]
所述信号层接收北斗或gps卫星信息，基于获取的基准频率、卫星星历信息，提供时间信号，所述时间信号为北斗时间信号或gps时间信号；所述信号层包括天线、授时接收机，其中天线用于接收北斗或gps卫星信息，授时接收机用于处理北斗或gps卫星信息并向服务层的时间服务模块提供时间信号和秒脉冲。
[0047]
如图2所示，所述授时接收机用于接收信号层传递的时间信号，基于所述时间信号，产生标准导航卫星时间、1pps及10m频率信号，所述1pps用于提供时间基准信号，确保触发时间统一，所述10mhz信号用于计时时钟频率。
[0048]
所述服务层通过对信号层发送的时间信号进行处理，获得标准时间信息，为用户终端提供授时服务；所述服务层包括时间同步服务器、二级时间服务器、交换机以及监控装置。
[0049]
所述时间同步服务器接收信号层传递的时间信号，对所述时间信息进行解码，生成时间信息，具有ntp网络授时功能；所述时间同步服务器在无法获取信号层传递的时间信号时，由所述时间同步服务器自身的铷原子钟产生时钟信号，并基于所述铷原子钟产生时钟信号生成时间信息。
[0050]
所述时间同步服务器包括铷原子钟和时间服务模块。所述铷原子钟用于在无法获
取信号层传递的时间信号时，产生本地标准10mhz信号，将所述本地标准10mhz信号作为内时钟信号，配合外部时钟信息提供时间服务。所述时间服务模块用于接收信号层时间信号，并将所述时间信号进行解码，提供连续的时间服务。所述外部时钟由所述的授时接收机解调卫星时间信息后产生的标准导航卫星时间、1pps和10m频率信号组成。
[0051]
所述二级时间服务器为专网服务器，用于接收经过交换机转发的所述时间同步服务器发送的时间服务，向专网范围内的用户终端提供授时服务；
[0052]
所述监控装置与所述时间同步服务器及集群中的各用户终端相连，用于监控时间同步服务器、用户终端的设备信息，并在用户终端时间信息偏差时，生成校时策略，对用户终端进行校时；
[0053]
所述网络层用于实现用户终端与时间同步服务器的信息传输和信息隔离，所述网络层包括网络隔离交换机；
[0054]
所述终端层包括集群中的用户终端，是授时服务的用户，每个用户终端接收时间同步服务器时间信息，并反馈用户终端的本地时钟信息至监控装置。
[0055]
本实施例中，所述信号接收天线采用防雷设计和电磁屏蔽，能够接收标准时间信息。所述授时接收机对接收的信号进行处理，能够同时兼容北斗和gps标准时间信息。
[0056]
如图3(a)所示，所述时间服务模块用于接收所述授时接收机产生的秒脉冲信号、10mhz时钟频率或所述铷原子钟模块产生的10mhz时钟频率；基于ntp协议，生成时间信息，为授时终端设备，即各用户终端提供ntp服务。
[0057]
如图3(b)所示，所述时间服务模块内部包括高精度时间同步和管理模块、以及时间发送模块。所述高精度时间同步和管理模块用于时间信号的解算，并配合1pps对本地铷原子钟时间进行校正；所述高精度时间同步和管理模块对外部时钟信号进行周期计数产生时间信息；所述时间发送模块用于计时时钟频率分配，通过判断秒脉冲时刻误差进行秒脉冲时间对齐控制，确保外部时钟和内部时钟正常工作。图3(a)中irig-b码为并行时间码，本系统具备接收和输出irig-b码能力。
[0058]
所述高精度时间同步和管理模块包括串口时间接收子模块、时钟管理子模块、b码接收子模块和时间同步守时处理子模块。所述串口时间接收子模块根据串口协议及1pps信号维护时间同步服务器的本地时间，支持多路pps信号输入，当pps信号故障时，能够根据优先级设置自动选择下一路pps信号。所述时钟管理子模块支持多路时钟信号输入。为了提高时间服务模块守时功能的可靠性，时钟管理子模块将本地恒温晶振的时钟信号作为外部铷原子钟或其他时钟信号的备份。当连续10us没有检测到外部时钟信号时，在“时钟允许自动切换”的状态下，能够自动切换到本地恒温晶振的时钟信号上，并将时钟切换信息通过串口或网口发送到主控计算机，通知运营维护人员。所述b码接收子模块支持远程光纤或电缆输入的b码时间信息来同步时间同步服务器的本地时间。b码接收接口能够将远程传来的b码时间数据进行解码，并根据解码后的时间信息同步本地时间，输出1pps脉冲信号。所述时间同步守时处理子模块通过外部输入的高稳时钟对时间码的亚秒计数器进行计数，计数采用加计数的方式，在计数器计数值达到1s时间的计数值时，输出一个秒脉冲信号；在卫星信号正常，授时接收机输出秒脉冲正常的情况下，卫星时间以秒脉冲信号为基准进行对齐，在卫星信号异常时，通过所述铷原子钟自行维护整秒时刻信号。
[0059]
所述二级时间服务器提供通过转发处理时间同步服务器授时服务，保证部分涉密
网络保密的特殊需求。
[0060]
所述监控装置用于对所述时间同步服务器进行时钟控制和确定所述用户终端的授时策略。对所述时间同步服务器进行时钟控制为：判读授时接收机的锁定状态，若授时接收机失锁，则确定外部时钟无效，所述监控装置自动生成时钟切换指令，并将时钟信号切换至内部时钟，从而确保时钟连续稳定；当外部时钟恢复后，所述监控装置自动生成时钟切换指令，将时钟信号切换至外部时钟，并通过所述外部时钟对内部时钟信号进行同步。若授时接收机为正常锁定状态，则确定外部时钟有效，保持持续输出外部时钟。
[0061]
所述确定所述用户终端的授时策略为：所述监控装置采集时间同步服务器和用户终端时间，采用定向时间同步方法，通过比对用户终端与时间同步服务器时间差，通过告警监控、授时频度等方式进行调节，利用三级告警门限生成相应的时间同步策略，对超限用户终端进行自动时间同步设置。
[0062]
所述定向时间同步方法，对系统内在线用户终端进行动态监控和实时调节，方法采用闭环反馈策略，实时采集系统内用户终端间的时间信息，通过与标准时间同步服务器时间进行比对，从而计算出系统内用户终端的时间偏差，根据计算结果定向对超限用户终端进行时间同步，确保系统内用户终端间时间统一。所述超限用户终端通过时间偏差三级门限确定授时策略，如所述时间偏差超过500ms为3级，自动告警提示，优先进行授时服务分发，并提高授时频度至5s。
[0063]
所述定向时间同步方法包括：
[0064]
步骤s1：所述时间同步服务器接收到所述监控装置的授时请求后，所述监控装置按照授时频度调取所述时间同步服务器授时服务；
[0065]
步骤s2：所述时间同步服务器根据所述内部时钟和外部时钟状态输出可用时钟信息，所述可用时钟信息为系统内唯一且连续的统一时间基准，由所述内部时钟或外部时钟提供；
[0066]
步骤s3：对于所述用户终端的每一个，所述监控装置计算所述用户终端时钟偏差，计算方法为定义时间同步服务器与用户终端的时钟偏差θ、往返时延
[0067][0068][0069]
其中，t1为用户终端发送报文时刻的用户终端时间，t2为时间同步服务器接收到请求报文时刻的时间同步服务器时间，t3为时间同步服务器本地时间信息发出时刻的时间同步服务器时间，t4为用户终端接收时间同步服务器时间后更新的用户终端时间，d1为客户端至时间同步服务器的时延，d2为时间同步服务器至客户端的时延。
[0070]
本实施例中，可以利用多组数据统计值，计算时钟偏差值θ。
[0071]
步骤s4：为所述用户终端的每一个确定补偿时间，包括：对于用户终端的每一个，确定时钟分辨率为用户终端本地时钟频率的倒数，并计算时钟频率偏移率利用极大似然估计法进行频率偏差估计，确定授时准确时间t＝(1-δγ)(t
i-1-θ)；基于所述授时准确时间及所述用户终端的本地时间，确定所述用户终端的补偿时
间；通过该补偿时间进行所述用户终端的时间补偿；其中，y(t)为用户终端时钟频率，i为第i次授时，n为统计n次授时结果，δθ为时间同步服务器与用户终端时钟偏差变化量，δt为相隔两次授时时间差，t
i-1
为前一次授时时间。
[0072]
集群式系统内设备时间一般依靠设备自身时钟保持，但长期运行会造成设备间时间偏差较大，从而影响系统运行的稳定性。本实施例的系统用来传输时间信号，通过定向的时间同步方法，使得网络上的设备与标准时间之间的偏差在一个比较小的范围之内的相对值，为集群式系统内用户各类计算机和应用设备提供统一的时间基准。
[0073]
在常规使用时，接收卫星标准时间信息并由时间同步服务器提供ntp服务，在终端系统时间漂移产生时差时，在“下次同步时间”，终端操作系统时间被同步。在监控软件界面上，可以通过设备连接图、列表随时监控各终端当前时间；通过钟差数据以及曲线监控终端与服务器的钟差。还可以依据用户需求对不同授时终端设定授时策略。授时策略根据不同终端的需要，制定三种等级。超时报警模式时，由于设备新接入、时间漂移、或系统时间被其他软件更改等事件发生时，监控软件对事件报警、记录，并自动调整授时频度，为设备授时。
[0074]
信号接收天线未接收到卫星信号时，时间同步装置自动切换为守时模式，授时精度不会降低，提供稳定时间信息。
[0075]
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。