时间同步关键技术分析

时间同步关键技术分析

杨娜

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

由于各个领域产业的高速发展，电力、电信、交通、金融、能源等关乎国民经济发展的关键领域，其时间系统呈现独立发展状况，通过时间同步技术建成我国统一的标准时间频率系统，提供统一的时间保障，关乎国家战略安全。

一、时间同步技术概述

时间同步主要包括卫星导航授时、地面授时，卫星导航授时属于弱信号接收、易受干扰、特定场景无法应用，地面授时具有极强的抗干扰性与抗毁性，授时方式可分为PPS脉冲信号、IRIG-B码、串口RS232/RS422、网络NTP/SNTP、网络PTP等多种方式，但授时精度差异较大。

二、时间同步关键技术分类

可以将时间同步技术的关键技术划分为：卫星导航授时和地面授时。卫星导航授时进一步细分为：单点定位和卫星共视。地面授时进一步细分为：授时方式和授时精度。

1. 卫星导航授时

（1）单点定位

单点定位也叫绝对定位，就是采用一台接收机接收、解算卫星报文，进行定位和授时，为了改进单点定位的精度，提出了精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)，其采用单台卫星接收机，利用国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)提供的精密星历和卫星钟差，基于载波相位观测值可实现毫米至分米级高精度定位，以及0.1ns级的时间同步精度。

（2）卫星共视

卫星共视法原理是两个地面站同时观测同一卫星信号，观测同一颗卫星的同源共视法可消除卫星时钟钟差，两站的延迟之差等同于对流层及电离层延迟，对于相距不远的两个观测平台，可近似认为两站的对流层及电离层延迟相等，这种延迟带来的影响基本消除，此时信号传播路径不存在误差。具体的同源共视时间传递需保证两机载观测平台存在相同的数据处理软件、天线长度和接收机类型，以此减小相关误差，此时仍存在接收机和卫星位置不准确引起的误差。

2. 地面授时

（1）授时方式

时间同步方式以有线方式和网络方式为主，有线方式主要包括PPS脉冲信号、IRIG-B码、串口RS232/RS422等，PPS秒脉冲主要通过上升沿或下降沿进行对时，不包含具体的协议信息，IRIG-B码是时间系统中一种常用串行传输方式，其传输速率为 1 帧/s ，每一帧携带 100 比特信息，包括B(DC)数字信号和B(AC)模拟正弦信号，串口RS232/RS422包含具体的协议信息，长用于传输当前秒的 UTC 时间信息。

网络方式主要包括网络NTP/SNTP、网络PTP等，NTP协议首次出现于1980年，后由美国特拉华大学David Mills 教授于1988年完成v1版本的完整规范和相关算法，标准规范定义了服务器客户端的基本通信模型和时间报文的交互操作，1996年，通过对NTP时钟算法的简化发布了 SNTP，尽管精度达不到 NTP 所标定的ms级别，但是具备性能高、算法简单的特点，因此在时间精度要求不高的场合被广泛采用，由于 SNTP/NTP 自身对时精度的局限性，只能满足部分智能设备的时间误差要求，无法覆盖全站的时间同步精度要求；PTP协议是一种高精度时间同步协议，其在硬件级实现的，采用硬件时间戳，直接在MAC层进行PTP协议包分析，可以不经过UDP协议栈，减少PTP在协议栈中驻留时间，提高同步的精确度。

（2）授时精度

PPS脉冲信号和IRIG-B码均能达到10ns级的授时精度，由于串口波特率的限制，串口RS232/RS422的授时精度仅为ms级，因此主要通过串口协议传输UTC时间，网络NTP具有10ms级的授时精度，网络SNTP次之，而网络PTP具有30ns的授时精度。

三、时间同步关键技术专利分析

1.卫星导航授时专利分析

（1）单点定位

在早期，国内已经有较成熟的单点定位技术，单授时精度较低。为了提高授时精度，得益于精密单点定位技术的迅速发展，2014年武汉大学申请的专利文献（CN201410287579），提供了一种精密单点定位方法，可用于授时领域。随着北斗定位系统的广泛应用，基于北斗系统的精密单点定位授时系统也进入了黄金时期， 2017年中国科学院国家授时中心申请的专利文献（CN201710721875），提供了一种基于相位观测值的北斗导航卫星精密授时同一方法，实现了单站、多站非差精密授时数据处理模型的统一，对于同一时间频率用户的不同时期，或者不同时间频率用户而言，统一的数据处理模型将可以实现两种授时服务的融合统一，因此在复杂多变的外部环境和需求的情况下能更好的保证卫星授时的准确性和连续性。

（2）卫星共视

2009年华东电网申请的专利文献（CN200820153509），提供了一种基于卫星共视的全网时间同步系统，通过接收北斗/GPS卫星定时信号，通过本地晶振控制完成时间保持功能，通过通用电力接口完成时间同步功能，通过卫星共视完成与中心站的时间比对功能，通过收发北斗卫星短消息完成设备监测与控制功能，同时可以监测其他设备信号输入功能。2015年国家电网申请的专利文献（CN201420805203），提供了一种利用卫星共视的方式测量电力系统各省用电信息采集系统时间同步系统主站时钟，实现了对时间/频率计量系统的远程校准，解决了长距离搬运及有线传输带来的种种问题，实现用电信息采集系统时间频率量值的准确统一。2016年广州市国飞信息科技有限公司的专利文献（CN201610587772），提供了一种通过基于PTP协议的授时方法测得准确的时钟偏差和时钟延迟，对从端时间进行修正，同时使用卫星共视对从端PTP时间进行校正，从而消除非对称性对从端时间同步的影响；在网络异常时，主端和从端采用卫星共视方法进行时间同步，从而在提高从端与主端同步精度的同时，保证从端与主端时间同步的稳定性和准确性。到2018年，卫星共视技术已相当成熟，在此基础上得到的时间同步精度达到了优于10ns的高精度。

2.地面授时专利分析

（1）授时方式及授时精度

2009年上海泰坦通信工程有限公司申请的专利文献（CN200510112380），提供了一种GPS北斗双模精密网络时钟，校准精度在选择优质的时间接收装置后目前可以达到1μs。2013年国网上海市电力公司申请的专利文献（CN201310683253），提供了一种智能化变电站用时钟同步检测装置及检测方法，检测同步性能，每隔1ms测量一次外部时钟源模块2与频率补偿 电路A的时间偏差，根据长时间的测量数据得出该同步方案的离散曲线图，截取从时 钟开始锁定后的200个点得到的结果，如外部时钟源模块与频率补偿电路偏差总是在 -60ns～+40ns这个范围内，则此性能能够满足智能化变电站用时钟同步精度的要求。2016年天津七六四通信导航技术有限公司申请的专利文献（CN201611227376），提供了一种授时精度检测系统及实现方法，其中网络信号：NTP、SNTP、PTP；光纤信号：IRIG-B（AC）、IRIG-B（DC）；脉冲信号：PPS-TTL、PPS-422、PPS-485、PPS-空接点、10MHz频率；数字信号：RS232、RS422、RS485等。网络信号的NTP、SNTP的测量精度达到10us，分辨率达到1us，PTP的测量精度达到100ns，分辨率10ns；光纤信号的测量精度达到100ns，分辨率10ns；脉冲信号测量精度达到10ns，分辨率1ns；数字信号测量精度达到200ns，分辨率20ns。2017年山东航天电子技术研究所申请的专利文献（CN201711254480），提供了一种基于GPS、BD和铷原子钟的高精度时间同步系统及方法，授时接口PTP网络输出模块、串口输出模块、TTL秒脉冲输出模块、IRIG-B光纤输出模块，网络PTP授时精度达到30ns。

四、总结

时间同步能够真正做到高精度、高可靠性、全天候持续授时，已经成为当今世界卫星导航领域发展主流。从上述分析可知，卫星共视技术能够较好地提高授时精度，网络传输能够减小信息传输时造成的误差，随着我国北斗三号全球卫星导航系统的建成开通，基于北斗三号卫星导航系统的卫星共视技术研究，以及基于相关网络通信标准的PTP协议长距离网络授时方式，均是加速提高卫星授时精度的有效途径。目前，基于卫星导航时间同步系统技术具有很大的发展空间，还需要在组合方案、硬件平台、信息融合等方面进行更加深入的研究。