北斗GPS同步時(shí)鐘（授時(shí)系統(tǒng)）技術(shù)原理詳解

1.前言

由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的分布式系統(tǒng)，若想?yún)f(xié)調(diào)一致進(jìn)行：IT行業(yè)的“整點(diǎn)開(kāi)拍”、“秒殺”、“Leader選舉”，通信行業(yè)的“同步組網(wǎng)”之類業(yè)務(wù)處理，毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的時(shí)間同步是重要基礎(chǔ)之一。

2.術(shù)語(yǔ)描述

2.0世界時(shí)

世界時(shí)UT，可以簡(jiǎn)單理解為按照地球自轉(zhuǎn)一周來(lái)計(jì)量24小時(shí)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，由于地球自轉(zhuǎn)速率的變化，世界時(shí)的秒長(zhǎng)會(huì)有微小的變化，每天的快慢可以達(dá)到千分之幾秒。

2.1 TAI時(shí)間

世界時(shí)不準(zhǔn)，因此國(guó)際組織定義了TAI時(shí)間,即國(guó)際原子時(shí)（International Atomic Time），其起點(diǎn)是1958年的開(kāi)始（世界時(shí)UT），以銫原子鐘走秒連續(xù)計(jì)時(shí)的時(shí)間。

2.2 UTC時(shí)間

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)普遍使用的UTC時(shí)間（協(xié)調(diào)世界時(shí)），由國(guó)際計(jì)量局BIPM綜合全世界多個(gè)守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的鐘組計(jì)算得到，為了使UTC時(shí)間與地球自轉(zhuǎn)1天的時(shí)間（世界時(shí)UT）協(xié)調(diào)一致，每隔1到2年，BIPM會(huì)通告在UTC時(shí)間6月30日或12月31日最后一分鐘“加一秒”或“減一秒”等閏秒調(diào)整。也就是說(shuō)，UTC時(shí)間會(huì)出現(xiàn)60秒或少了59秒的情況。

最近一次閏秒是UTC時(shí)間2015年6月底：

2015年6月30日，23時(shí)59分59秒
2015年6月30日，23時(shí)59分60秒
2015年7月1日，0時(shí)0分0秒

由于存在閏秒，UTC時(shí)間與TAI時(shí)間是有差別的，UTC = TAI - n，這個(gè)n現(xiàn)在（2016年1月）是36秒，也就是說(shuō)UTC時(shí)間比TAI時(shí)間慢了36秒。

2.3北京時(shí)間

北京時(shí)間也就是東八區(qū)時(shí)間，在UTC時(shí)間基礎(chǔ)上加8小時(shí)，中國(guó)的北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由位于陜西的國(guó)家授時(shí)中心發(fā)播。

2.4 GPS時(shí)間

由GPS系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)發(fā)播的原子時(shí)間，GPS時(shí)間用自1980年1月6日零點(diǎn)（UTC時(shí)間）起的星期數(shù)和該星期內(nèi)內(nèi)的秒數(shù)來(lái)表示。

工程上，GPS接收機(jī)會(huì)根據(jù)閏秒數(shù)將GPS時(shí)間換算為我們通常使用的UTC時(shí)間。GPS時(shí)間的源頭是美國(guó)海軍天文臺(tái)的守時(shí)原子鐘組。

2.5北斗（BDS）時(shí)間

由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)發(fā)播的原子時(shí)間，同樣，北斗接收機(jī)會(huì)根據(jù)閏秒數(shù)將北斗時(shí)間換算為我們通常使用的UTC時(shí)間。

北斗時(shí)間的時(shí)鐘源是位于北京的解放軍時(shí)頻中心的守時(shí)原子鐘組，陜西的國(guó)家授時(shí)中心好尷尬:(。

2.6頻率

時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就是頻率，機(jī)械發(fā)條、石英晶體振蕩器、原子鐘等各種時(shí)鐘源通過(guò)產(chǎn)生頻率信號(hào)，按照頻率均勻打拍計(jì)數(shù)，模擬時(shí)間的等間隔流逝，就有了可見(jiàn)的“時(shí)間”。

2.7頻率準(zhǔn)確度

手表有準(zhǔn)和不準(zhǔn)的，反映的就是頻率準(zhǔn)不準(zhǔn)，時(shí)鐘頻率和標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差可以用頻率準(zhǔn)確度來(lái)衡量。1E-9量級(jí)表示1秒會(huì)差1ns，我們使用的個(gè)人電腦，它的守時(shí)時(shí)鐘是個(gè)32. 768kHz的石英晶振，準(zhǔn)確度大概只有2E-5量級(jí)（20ppm），也就是說(shuō)1秒會(huì)差0.02ms，1天會(huì)跑偏大概2秒。

2.8時(shí)間同步

廣義的“時(shí)間同步”包括的時(shí)間和頻率的同步。上級(jí)時(shí)鐘將時(shí)間頻率信號(hào)通過(guò)各種有線（以太網(wǎng)、SDH數(shù)字網(wǎng)、同軸電纜、電話等）、無(wú)線（衛(wèi)星、長(zhǎng)波、電臺(tái)、微波、WIFI、Zigbee等）鏈路傳遞給下級(jí)時(shí)鐘，下級(jí)時(shí)鐘接受時(shí)間頻率信息后，與上級(jí)時(shí)鐘保持相位、頻率的一致。

3.時(shí)間同步原理

3.1單向授時(shí)

上級(jí)時(shí)鐘主動(dòng)發(fā)播時(shí)間信息，下級(jí)用戶端被動(dòng)接受時(shí)間信息，并調(diào)整本地時(shí)鐘使時(shí)差控制在一定范圍內(nèi)。

要想提高授時(shí)精度，用戶端必須計(jì)算出時(shí)間信息在傳播鏈路中的延時(shí)，GPS/北斗等衛(wèi)星授時(shí)，可以通過(guò)用戶端定位與衛(wèi)星之間距離確定電磁傳輸延時(shí)，消除大部分誤差，而電纜、網(wǎng)絡(luò)等如果是單向授時(shí)方式就無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算單向鏈路時(shí)延了。

3.2雙向授時(shí)

用戶端將接受的時(shí)間信息原路返回給上級(jí)時(shí)鐘服務(wù)端，服務(wù)端將往返時(shí)間除以二即得到單向鏈路時(shí)延，再把單向時(shí)延告訴客戶端，在此基礎(chǔ)上，客戶端得到服務(wù)端更準(zhǔn)確的時(shí)間信息。比如：北斗單向衛(wèi)星授時(shí)精度100ns，雙向衛(wèi)星授時(shí)精度可做到20ns。

3.3網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，特指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器與客戶端之間利用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文交換實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步。

鑒于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的不確定性和中間路由交換設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)間的不確定性，通過(guò)單播或多播實(shí)現(xiàn)的單向網(wǎng)絡(luò)授時(shí)是不可靠的。因此，前輩們發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)NTP/PTP等，基本原理都是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文打時(shí)間戳（標(biāo)記），往返交換報(bào)文計(jì)算傳輸時(shí)延和同步誤差。

3.4頻率同步

頻率同步指的是主從時(shí)鐘的頻率誤差保持在一定范圍內(nèi)，頻率同步有2種類型:

第1種是直接傳遞模擬頻率信號(hào)，比如用電纜或光纜傳遞10MHz、5Mhz、2.048MHz等標(biāo)準(zhǔn)頻率，或者傳遞bit位寬脈沖；

第2種是通過(guò)測(cè)量得到的主從時(shí)鐘時(shí)差，通過(guò)鎖定主從相差實(shí)現(xiàn)頻率鎖定（PLL），或者間接計(jì)算頻率偏差，完成頻率修正。

4.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步只是時(shí)間同步的一種應(yīng)用場(chǎng)景，其時(shí)間傳遞的鏈路可能是SDH網(wǎng)、以太網(wǎng)、WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等。

4.1 NTP

（Network Time Protocol）從1985年誕生來(lái)，目前仍在在大部分的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中起著同步系統(tǒng)時(shí)間的作用。

• 基本原理

服務(wù)器和客戶端之間通過(guò)二次報(bào)文交換，確定主從時(shí)間誤差，客戶端校準(zhǔn)本地計(jì)算機(jī)時(shí)間，完成時(shí)間同步，有條件的話進(jìn)一步校準(zhǔn)本地時(shí)鐘頻率。

• 時(shí)間同步過(guò)程

服務(wù)器在UDP的132端口提供授時(shí)服務(wù)，客戶端發(fā)送附帶T1時(shí)間戳（Timestamp）的查詢報(bào)文給服務(wù)器，服務(wù)器在該報(bào)文上添加到達(dá)時(shí)刻T2和響應(yīng)報(bào)文發(fā)送時(shí)刻T3，客戶端記錄響應(yīng)報(bào)到達(dá)時(shí)刻T4。

改個(gè)維基的圖：

• 時(shí)差計(jì)算

維基這個(gè)圖中用藍(lán)色標(biāo)注了主從直接來(lái)回鏈路的時(shí)延Sigma：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
因此，假設(shè)來(lái)回網(wǎng)絡(luò)鏈路是對(duì)稱的，即傳輸時(shí)延相等，那么可以計(jì)算客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間誤差Delta為：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

客戶端調(diào)整自身的時(shí)間Delta，即可完成一次時(shí)間同步。

• 計(jì)時(shí)方式

NTP采用UTC時(shí)間計(jì)時(shí)，NTP時(shí)間戳包括自1900-01-01 00:00:00開(kāi)始的UTC總秒數(shù)，當(dāng)前秒的亞秒數(shù)。

當(dāng)正閏秒時(shí)，60秒和下一分鐘的0秒的NTP總秒數(shù)一致的，因此NTP報(bào)文專門(mén)定義了閏秒指示域來(lái)提示。

• 誤差分析

局域網(wǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)利用NTP協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步，時(shí)間同步精度在5ms左右，主要誤差包括：

1）計(jì)算機(jī)打時(shí)間戳的位置在應(yīng)用層，受協(xié)議棧緩存、任務(wù)調(diào)度等影響，不能在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文到來(lái)時(shí)馬上打戳；
2）各種中間網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備帶來(lái)的傳輸時(shí)延不確定性以及鏈路的不對(duì)稱性，將進(jìn)一步降低NTP時(shí)間同步精度。

4.2 PTP

為克服NTP的各種缺點(diǎn)，PTP(Precision Time Protocol，精確時(shí)間同步協(xié)議)應(yīng)運(yùn)而生，最新協(xié)議是，可實(shí)現(xiàn)亞微秒量級(jí)的時(shí)間同步精度。

• 基本原理

主從節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)鏈路層打時(shí)間戳，利用支持IEEE1588協(xié)議的PHY片，精準(zhǔn)記錄時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接受或發(fā)送的時(shí)刻。交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確記錄時(shí)間同步報(bào)文在其中停留的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路時(shí)延的準(zhǔn)確計(jì)算。

• 時(shí)間同步過(guò)程

PTP默認(rèn)使用組播協(xié)議，二層或四層UDP組播都可以，一般我們使用基于UDP組播，使用319和320兩個(gè)端口。

PTP定義了三種角色：OC、BC和TC。我們一般接觸的是OC：主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，交換機(jī)、路由器一般是BC或TC。

由于硬件性能有限，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送時(shí)記錄的時(shí)刻信息，可以在隨后的Follow_Up跟隨報(bào)文中發(fā)出，這就是PTP的雙步模式(Two-step)。

下圖是兩OC主從時(shí)鐘之間的同步過(guò)程：

· a.主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，并在本地記錄發(fā)送時(shí)間t1；從時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t2。

· b.時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文之后，緊接著發(fā)送一個(gè)攜帶有t1的Follow_Up報(bào)文。

· c.從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算，并在本地記錄發(fā)送時(shí)間t3；主時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t4。

· d.主時(shí)鐘收到Delay_Req報(bào)文之后，回復(fù)一個(gè)攜帶有t4的Delay_Resp報(bào)文。

• 時(shí)差計(jì)算

與NTP一樣的原理，從時(shí)鐘根據(jù)擁有的t1～t4這四個(gè)時(shí)間戳，由此可計(jì)算出主、從時(shí)鐘間的往返總延時(shí)為：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差為：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

• 計(jì)時(shí)方式

與NTP不同，PTP采用TAI世界原子時(shí)間計(jì)時(shí)，而且PTP計(jì)時(shí)的起點(diǎn)與unix時(shí)間一致，即UTC時(shí)間1970年1月1日0點(diǎn)。

PTP主鐘會(huì)告知從鐘，當(dāng)前UTC相對(duì)于TAI的累計(jì)偏移量，從鐘據(jù)此計(jì)算當(dāng)前準(zhǔn)確的UTC時(shí)間。

• 誤差分析

PTP能準(zhǔn)確記錄報(bào)文發(fā)送和接受的時(shí)間，也能計(jì)算中間鏈路的延時(shí)，剩下影響最大的就是網(wǎng)絡(luò)鏈路的不對(duì)稱性了。

在實(shí)際工程中，網(wǎng)絡(luò)中間鏈路設(shè)備不支持PTP協(xié)議，大大降低了PTP的同步精度。目前，PTP主要應(yīng)用在通信同步網(wǎng)、電力同步網(wǎng)等行業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里。

• 同步拓?fù)?/span>

PTP域中所有的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)都按一定層次組織在一起，可通過(guò)BMC（Best Master Clock，最佳主時(shí)鐘）協(xié)議動(dòng)態(tài)選舉出最優(yōu)時(shí)鐘，最優(yōu)時(shí)鐘的時(shí)間最終將被同步到整個(gè)PTP域中。

BMC算法與STP（Spaning Tree Protocl）生成樹(shù)協(xié)議類似，最終形成無(wú)環(huán)路的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌叶际莿?dòng)態(tài)選舉，能適應(yīng)最佳主時(shí)鐘切換的變化。

• 擴(kuò)展應(yīng)用——PTP over SDH

充分利用各行業(yè)已有的SDH通信網(wǎng)絡(luò)，利用PTP-E1信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，架設(shè)PTP同步網(wǎng)絡(luò)，除了需要考慮鏈路倒換問(wèn)題之外，SDH網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延穩(wěn)定性可大幅提升網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度。

4.3 SyncE同步以太網(wǎng)

以太網(wǎng)最早只能傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，有另外獨(dú)立的頻率同步網(wǎng)絡(luò)，隨著以太網(wǎng)的快速發(fā)展，SyncE（Synchronized Ethernet）同步以太網(wǎng)技術(shù)誕生后，企業(yè)們有了新的選擇。

• 基本原理

時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)利用以太網(wǎng)（1000M、1G、10G等）物理層的空閑間隙，傳遞位寬時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率信號(hào)（25M、125M等）的自上而下傳遞。

• 協(xié)議控制

類似于SDH網(wǎng)絡(luò)等時(shí)間間隔傳遞的SSM同步狀態(tài)信息，同步以太網(wǎng)（Sync-E）利用鏈路層封裝傳遞SSM信息，SSM信息包含時(shí)鐘質(zhì)量信息，接收端據(jù)此選擇合適的上級(jí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘。

• 應(yīng)用

一般商業(yè)PHY片提供SyncE功能選項(xiàng)，開(kāi)啟該功能模式，即可利用PHY恢復(fù)出來(lái)的頻率信號(hào)，校準(zhǔn)本地時(shí)鐘頻率或分頻后用于本地計(jì)時(shí)。

審核編輯：符乾江