基于GPS時鐘實現(xiàn)數(shù)字同步網(wǎng)工程的應用設計

數(shù)字同步網(wǎng)是數(shù)字通信網(wǎng)正常運行的基礎，也是保障各種業(yè)務網(wǎng)運行質量的重要手段。他與電信管理網(wǎng)、信令網(wǎng)一起并列為電信網(wǎng)的3大支撐網(wǎng)，在電信網(wǎng)中具有舉足輕重的地位。

1 數(shù)字同步網(wǎng)的基本原理和結構

對于任何通信設備，都需要時鐘為其提供工作頻率，所以時鐘性能是影響設備性能的一個重要方面。時鐘常被稱為設備的心臟。時鐘工作時的性能主要由2個方面決定：自身性能和外同步信號的質量。而外同步信號的質量就是由數(shù)字同步網(wǎng)來保證的。當設備組成系統(tǒng)和網(wǎng)絡后，數(shù)字同步網(wǎng)必須為系統(tǒng)和網(wǎng)絡提供精確的定時，以保障其正常運行。網(wǎng)內各節(jié)點時鐘的精度影響一個數(shù)字通信網(wǎng)工作是否正常。

數(shù)字同步網(wǎng)是一個由節(jié)點時鐘設備和定時鏈路組成的實體網(wǎng)，他通過網(wǎng)同步技術為各種業(yè)務網(wǎng)的所有網(wǎng)元分配定時信號（頻率或者時間信號），以實現(xiàn)各種業(yè)務網(wǎng)的同步。網(wǎng)同步是指為了保證數(shù)字通信網(wǎng)正常工作，分配定時信號到網(wǎng)內所有節(jié)點，要求網(wǎng)內所有節(jié)點的時鐘頻率和相位嚴格控制在一定的容差范圍內。

數(shù)字同步網(wǎng)的結構主要取決于同步網(wǎng)的規(guī)模、網(wǎng)絡中的定時分配方式和時鐘的同步方法，而這些又取決于業(yè)務網(wǎng)的規(guī)模、結構和對同步的要求。同步網(wǎng)一般可分為準同步方式和同步方式2大類。準同步方式常用于國際間鏈路，各節(jié)點獨立設置基準時鐘（如銫原子鐘），其時鐘基準一般都優(yōu)于或滿足G.811規(guī)定的基準鐘，頻率準確度保持在10-11極窄的頻率容差之內。各國國內的數(shù)字通信網(wǎng)則普遍采用同步方式，節(jié)點時鐘之間一般采用主從同步方法：將網(wǎng)內節(jié)點時鐘分級，各級時鐘具有不同的頻率準確度和穩(wěn)定度。設置高穩(wěn)定度和高準確度時鐘（如銫原子鐘或GPS時鐘，其頻率準確度應≤±1×10-11／d）為基準主時鐘（最高級時鐘或一級時鐘），網(wǎng)內其他節(jié)點時鐘則稱為從時鐘，用從時鐘鎖相環(huán)技術與基準主時鐘（或上一級時鐘）頻率同步，使全網(wǎng)時鐘工作在同一頻率上。

我國的數(shù)字通信網(wǎng)規(guī)模龐大，分布范圍廣，所以數(shù)字同步網(wǎng)一般要接受幾個基準主時鐘共同控制。如果采取定時鏈路來傳輸定時信號，那么隨著數(shù)字傳輸距離的增長，傳輸損傷逐漸增大、可靠性逐漸降低。而利用裝配在基準鐘上的GPS接收機跟蹤UTC（世界協(xié)調時），來實現(xiàn)對基準鐘的不斷調整，使之與UTC保持一致的長期頻率準確度，從而達到各個基準鐘同步運行和全網(wǎng)高度同步的目的是切實可行的，也是方便實用的。并且，在數(shù)字同步網(wǎng)中采用GPS配置基準鐘，實現(xiàn)方法簡單，同步時間精度高，提高了全網(wǎng)性能，成本卻相對低廉，并且便于維護管理，所以GPS時鐘在基準鐘中得到廣泛使用。

2 GPS授時的基本原理

GPS是NAVSTAR／GPS（Navigation SatelliteTiming and Ranging／Global Positioning System）的簡稱，是由美國國防部研制的導航衛(wèi)星測距與授時、定位和導航系統(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個互成60°的軌道面上，這樣的衛(wèi)星配置基本上保證了地球任何位置均能同時觀測到至少4顆GPS衛(wèi)星。GPS由3部分構成：

①GPS衛(wèi)星（空間部分）；

②地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）；

③GPS接收機（用戶部分）。

GPS向全球范圍內提供定時和定位的功能，全球任何地點的GPS用戶通過低成本的GPS接收機接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。GPS要實時完成定位和授時功能，需要4個參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時刻偏差，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。

若設（x，y，z）為接收機的位置，（xn，yn，zn）為已知衛(wèi)星的位置，則列解下列方程就可以得到x，y，z和標準時間T：

（X-X1）2+（y-y1）2+（z-z1）2=C2（T+ΔT-T1-t1）

（x-x2）2+（y-y2）2+（z-z2）2=C2（T+ΔT-T2-t2）

（x-x3）2+（y-y3）2+（z-z3）2=C2（T+ΔT-T3-t3）

（x-x4）2+（Y-y4）2+（z-z4）2=C2（T+ΔT-T4-t4）

其中：ΔT為用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時差；

Tn為衛(wèi)星n所發(fā)射信號的發(fā)射時間；

tn為衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主鐘標準時間的時差。

由于GPS采用被動定位原理，所以星載高穩(wěn)定度的頻率標準是精密定位和授時的關鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標，其頻率穩(wěn)定度達到（1～2）X10-13／d。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過和地面的GPS主鐘標準時間進行比對，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘標準時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)星上同一個基準頻率。GPS接收機對GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號進行處理，經(jīng)過一套嚴密的誤差校正，使輸出的信號達到很高的長期穩(wěn)定性。定時精度能夠達到300ns以內。在精確定位服務PPS（Precise Position Service）下，GPS提供的時間信號與UTC之差小于100ns。若采用差分GPS技術，則與UTC之差能達到幾個納秒。

3 GPS時鐘的實現(xiàn)方法

常規(guī)時鐘頻率產(chǎn)生方法可以是晶體、銣鐘等。但晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響，長期的精度漂移影響；原子鐘長期使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準。而GPS系統(tǒng)由于其工作特性的需要，定期對自身時鐘系統(tǒng)進行修正，所以其自身時鐘系統(tǒng)長期穩(wěn)定，具有對外界物理因素變化不敏感特性。晶體或銣鐘以GPS為長期參考，可以獲得低成本、高性能的基準時鐘?，F(xiàn)有同步時鐘的比較如表1所示。

在網(wǎng)絡正常工作狀態(tài)下，GPS時鐘具有與GPS主鐘相同的頻率準確度；由于在某些特殊情況下GPS時鐘信號會暫時消失，所以基于GPS的時鐘模塊一般需要另一個外部時鐘作為后備輸入，預留有外接時鐘的時基和頻標信號（如GLONASS、中國雙星、銣原子鐘等）接口。另外，GPS時鐘其頻率準確度還具有自身保持性能。

GPS時鐘頻率模塊提供所需的各種時頻的信號，并輸出定位時間信息、GPS接收機是否工作正常、輸出的時間信號是否有效、時鐘和頻率處理模塊激活狀態(tài)、異常告警等等。圖1是GPS時鐘模塊的原理圖

4 現(xiàn)狀與展望

根據(jù)《中華人民共和國通信行業(yè)標準數(shù)字同步網(wǎng)工程設計規(guī)范》，數(shù)字同步網(wǎng)按分布式多個基準時鐘的組網(wǎng)建設，以基準鐘的同步范圍劃分同步區(qū)，每個同步區(qū)內采用主從同步方法。區(qū)域基準鐘（LPR）的主用基準為GPS，備用基準來自全網(wǎng)基準鐘（PRC）。LPR平時以接收GPS信號為主用信號，以接收PRC信號為備用。GPS不可用時，LPR同步于PRC。

我國現(xiàn)有數(shù)字同步網(wǎng)的網(wǎng)絡結構如圖2所示。

由于GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)歸美國政府所有，受控于美國國防部，對世界各地的用戶未有任何政府承諾，而且用戶只支付了GPS接收機的費用，并未支付GPS系統(tǒng)的使用費用，因此這種方法自主性差，也帶來一些不穩(wěn)定因素，例如故意降低GPS精度；關閉GPS在某個地區(qū)的發(fā)送信號；增加隨機擾碼；周圍環(huán)境對GPS無線信號的干擾等。

可以充分利用但不能完全依靠，因此還需要有由銫鐘組成的基準鐘PRC，以他作為全網(wǎng)同步的根本保證。還有GPS在某些特殊情況下信號暫時消失，或者GPS不正常工作，這些可以通過監(jiān)控GPS數(shù)據(jù)來發(fā)覺，這些情況如果不做處理帶來的結果是基準鐘將降質為二級時鐘，所以此時要控制區(qū)域基準鐘（LPR）改為同步于全網(wǎng)基準鐘（PRC），同步質量就可以保證。

目前有GPS、CLONASS、北斗雙星導航衛(wèi)星系統(tǒng)CNSS、歐洲GALILEO等多元化定位資源環(huán)境，可以打破了獨家壟斷，促使資源更加開放。

可以利用市場上現(xiàn)在有的GPS／GLONASS雙模接收機、GPS／北斗雙模終端進行時鐘同步，則可在很大程度上保證同步質量，還可以提高同步精度。例如GPS／GLONASS雙模接收機輸出時間信號1PPS的準確度如表2所示。

由此可見，使用GLONASS授時精度不會降低；在GPS／GLONASS模式下，其授時精度還可以獲得進一步改善。

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