GPS時(shí)鐘同步機(jī)制及其在民航空管系統(tǒng)的應(yīng)用

孫瑩濤

摘 要：隨著國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，空中交通管制單位依賴(lài)于空管自動(dòng)化系統(tǒng)的依賴(lài)度越來(lái)越大，用于空管的各個(gè)系統(tǒng)大都相互獨(dú)立，但是，各個(gè)子系統(tǒng)都保持有統(tǒng)一的時(shí)間信息，因此，GPS時(shí)鐘系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用到了民航空管系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：GPS；時(shí)鐘同步；民航空管；授時(shí)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速，所謂GPS授時(shí)系統(tǒng)，就是指從GPS接收精確時(shí)間信號(hào)，通過(guò)單獨(dú)的處理器進(jìn)行處理，分發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)所有需要對(duì)時(shí)的系統(tǒng)，已達(dá)到各個(gè)系統(tǒng)時(shí)間完全同步的目的。

目前，在民航空管系統(tǒng)中，GPS時(shí)鐘同步越來(lái)越重要，本文主要介紹了時(shí)鐘同步系統(tǒng)的概念和原理。為了保障民航空管各個(gè)環(huán)節(jié)的安全生產(chǎn)，應(yīng)用在空管部門(mén)的各個(gè)系統(tǒng)，如空管主用自動(dòng)化系統(tǒng)、備用自動(dòng)化系統(tǒng)、綜合信息顯示處理系統(tǒng)、轉(zhuǎn)報(bào)系統(tǒng)、雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、航管集中監(jiān)控系統(tǒng)、內(nèi)話系統(tǒng)等，它們的時(shí)間是否正確，時(shí)間是否一致至關(guān)重要，這些系統(tǒng)的正常工作及其作用的充分發(fā)揮， 都需要有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)， 即這些系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。統(tǒng)一精確的時(shí)間是保證空管系統(tǒng)安全運(yùn)行， 提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施， 因此研究并建設(shè)時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)空管的應(yīng)用十分必要。

1 GPS時(shí)鐘同步的原理

1.1 GPS 時(shí)鐘

GPS 是美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的一種軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， 歷時(shí)20年完成， 不僅滿(mǎn)足了軍事上高精度導(dǎo)航和定位的要求， 還在民用類(lèi)各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成： GPS 衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（控制部分）、GPS 信號(hào)接收機(jī)（用戶(hù)部分）。

GPS時(shí)鐘是基于新型GPS高精度定位授時(shí)模塊開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)型授時(shí)應(yīng)用產(chǎn)品。能夠按照用戶(hù)需求輸出符合規(guī)約的時(shí)間信息格式，從而完成同步授時(shí)服務(wù)。GPS時(shí)鐘主要分為兩類(lèi)；一類(lèi)是GPS授時(shí)儀，主要輸出時(shí)標(biāo)信息；包括1 pps及TOD信息；另外一類(lèi)是GPS同步時(shí)鐘，后者輸出利用衛(wèi)星信號(hào)馴服OCXO或者銣鐘得到的高穩(wěn)定頻率信息，以及本地恢復(fù)的更平穩(wěn)的時(shí)標(biāo)信號(hào)。

1.2 時(shí)鐘同步技術(shù)

在時(shí)鐘同步系統(tǒng)中， 時(shí)鐘源的精度和時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)姆绞绞峭郊夹g(shù)中較為關(guān)鍵的部分， 他們將直接影響到系統(tǒng)的精度和容量。目前， 最常見(jiàn)的時(shí)鐘源有石英晶振、銫原子鐘、銣原子鐘等。它們能達(dá)到的精度分別為：標(biāo)準(zhǔn)石英晶振：2×10-2 秒每4小時(shí)；銫原子鐘： l×10-6秒每1天；銣原子鐘： 3×10-3秒每30天。

目前常用的時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)奈锢磉B接方式有：RS 232/422串口：最常見(jiàn)的設(shè)備外接時(shí)鐘接口； VME 總線：用于工作站的時(shí)鐘連接；NTP：用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘連接；PCM：用于時(shí)鐘信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。民航空管系統(tǒng)大都采用NTP和RS 232接口。

1.2 NTP 原理

Network Time Protocol（NTP）是用來(lái)使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步化的一種協(xié)議，它可以使計(jì)算機(jī)對(duì)其服務(wù)器或時(shí)鐘源（如石英鐘，GPS等等）做同步化，它可以提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正（LAN上與標(biāo)準(zhǔn)間差小于1 ms，WAN上幾十毫秒），且可介由加密確認(rèn)的方式來(lái)防止惡毒的協(xié)議攻擊。NTP協(xié)議已經(jīng)廣泛應(yīng)用于internet，使用標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器/客戶(hù)端工作模式，安裝了NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，向其客戶(hù)端提供時(shí)間服務(wù)基準(zhǔn)。

2 GPS時(shí)鐘同步在咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用

咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)空管自動(dòng)化系統(tǒng)目前配備了兩套GPS時(shí)鐘系統(tǒng)，互為主備。該時(shí)鐘系統(tǒng)從GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào)到GPS時(shí)鐘信號(hào)處理器，GPS天線引接采用雙通道冗余方式，該處理器可以配置多個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出口，用于隔離多個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)給多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)輸入，目前主要接收授時(shí)的系統(tǒng)有新Telephonics自動(dòng)化系統(tǒng)、老Telephonics自動(dòng)化系統(tǒng)、ATC3000備份自動(dòng)化系統(tǒng)、Telephonics自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)、川大綜合信息系統(tǒng)、雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，內(nèi)話系統(tǒng)等。如圖1所示。

對(duì)于咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)的Telephonics自動(dòng)化系統(tǒng)，包括新Telephonics自動(dòng)化系統(tǒng)、老Telephonics自動(dòng)化系統(tǒng)、Telephonics自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，在接收到GPS信號(hào)之后，首先由FDP服務(wù)器（飛行計(jì)劃處理服務(wù)器）接收處理，作為整個(gè)Telephonics自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)鐘服務(wù)器，所有分布于區(qū)調(diào)、進(jìn)近、塔臺(tái)、飛服中心、運(yùn)控中心的DP終端和FDT終端從FDP服務(wù)器同步時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到全系統(tǒng)時(shí)鐘的統(tǒng)一。

圖1 咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)各個(gè)子系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步框圖

對(duì)于ATC3000自動(dòng)化系統(tǒng)，在接收到GPS信號(hào)之后，首先由MRDP服務(wù)器（多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器）接收處理，作為整個(gè)ATC3000自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)鐘服務(wù)器，所有分布于區(qū)調(diào)、進(jìn)近、塔臺(tái)、飛服中心、運(yùn)控中心的SDD終端和FDD終端從MRDP同步時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到全系統(tǒng)時(shí)鐘的統(tǒng)一。

對(duì)于川大綜合信息顯示系統(tǒng)，首先由川大系統(tǒng)自己的時(shí)間服務(wù)器接收處理GPS信號(hào)，然后，所有分布于區(qū)調(diào)、進(jìn)近、塔臺(tái)、飛服中心、運(yùn)控中心的終端從該時(shí)間服務(wù)器上直接同步時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到全系統(tǒng)時(shí)鐘的統(tǒng)一。

3 GPS時(shí)鐘同步在戶(hù)縣區(qū)管現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

戶(hù)縣區(qū)管中心設(shè)備大廳，配備了一套北京東進(jìn)記錄科技有限公司的GPS時(shí)鐘系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)有完全模塊化設(shè)計(jì)、支持多路時(shí)間源輸入、具有時(shí)間檢測(cè)功能、具有時(shí)間源補(bǔ)償功能、具有多種監(jiān)控手段、所有模塊均相互隔離、具有高精度的內(nèi)時(shí)鐘等。

該套系統(tǒng)主要輸出給主用INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)、民航二所備份自動(dòng)化系統(tǒng)、SIPDS綜合信息顯示系統(tǒng)、INDRA測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)（TVS系統(tǒng)）、INDRA模擬培訓(xùn)系統(tǒng)（STS系統(tǒng)）、民航二所測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)、航管集中監(jiān)控系統(tǒng)、川大雷達(dá)記錄系統(tǒng)。如圖2所示。

各個(gè)系統(tǒng)的引接時(shí)鐘同步的原理如下：

對(duì)于主用INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)、INDRA測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)（TVS系統(tǒng)）、INDRA模擬培訓(xùn)系統(tǒng)（STS系統(tǒng)），在接收到GPS信號(hào)之后，首先由各個(gè)系統(tǒng)的CMD（集中監(jiān)控顯示終端）接收處理，并作為整個(gè)INDRA自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)鐘服務(wù)器，所有分布于管制大廳、咸陽(yáng)塔臺(tái)的終端和服務(wù)器從CMD同步時(shí)鐘信號(hào)，如果某個(gè)正在作為時(shí)鐘服務(wù)器的CMD出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)選其它CMD同步，由不同CMD的啟動(dòng)順序決定，達(dá)到全系統(tǒng)時(shí)鐘的完全統(tǒng)一。

圖2 戶(hù)縣區(qū)管中心各個(gè)子系統(tǒng)GPS時(shí)鐘同步框圖

對(duì)于民航二所備份自動(dòng)化系統(tǒng)，東進(jìn)GPS通過(guò)串口將時(shí)間信號(hào)送至NPORT上，告警服務(wù)器再訪問(wèn)NPORT處理之后的時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)，系統(tǒng)將主備告警服務(wù)器作為二所系統(tǒng)的時(shí)間服務(wù)器，所有分布于管制大廳、咸陽(yáng)塔臺(tái)的終端和服務(wù)器通過(guò)中間件程序從主備告警服務(wù)器同步時(shí)鐘信號(hào)，如果主用告警服務(wù)器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)同步備用告警服務(wù)器。

對(duì)于SIPDS綜合信息顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)引接來(lái)自東進(jìn)GPS的網(wǎng)口至系統(tǒng)內(nèi)部交換機(jī)，在接收到GPS信號(hào)之后，所有分布于區(qū)調(diào)、進(jìn)近、塔臺(tái)、飛服中心、運(yùn)控中心的終端通過(guò)NTP服務(wù)從GPS時(shí)鐘處理器上直接同步時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到全系統(tǒng)時(shí)鐘的統(tǒng)一。

對(duì)于航管集中監(jiān)控系統(tǒng)，首先由RDP服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘接收處理，并將RDP作為整個(gè)航管集中監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)鐘服務(wù)器，其他終端電腦的時(shí)間同該服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一同步。

川大雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)接收來(lái)自東進(jìn)GPS的串口輸出數(shù)據(jù)，首先由系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間主機(jī)進(jìn)行時(shí)間數(shù)據(jù)處理和分發(fā)，再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口分發(fā)給所有系統(tǒng)的終端主機(jī)，來(lái)進(jìn)行時(shí)間數(shù)據(jù)的同步和統(tǒng)一。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先簡(jiǎn)單闡述GPS時(shí)鐘同步的原理、接入方法、同步機(jī)制等，主要針對(duì)GPS時(shí)鐘同步對(duì)于空管系統(tǒng)的接入方法進(jìn)行了分析探討，對(duì)于其他系統(tǒng)的在接入GPS時(shí)可以提供借鑒作用，為空管系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了安全保障。

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