淺談基于GPS 的中心時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李慧中

中鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100036

1 背景

時(shí)鐘系統(tǒng)作為城市軌道交通通信系統(tǒng)基本組成之一，為整個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的校時(shí)信號(hào)，以確保系統(tǒng)的同步，并為乘客及工作人員提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息。在國(guó)外某條軌道交通線路工程，其要求設(shè)計(jì)一套基于GPS 天線，提供同步時(shí)間信息的中心時(shí)鐘系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備冗余的設(shè)計(jì)，且為信號(hào)系統(tǒng)授時(shí)的母鐘要求物理獨(dú)立于通信系統(tǒng)的母鐘。同時(shí)，出于安全考慮，要求設(shè)計(jì)的中心時(shí)鐘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防干擾（anti-jamming），反電子欺騙技術(shù)（anti-spoofing）的功能。該功能常見于軍用編碼系統(tǒng)，較民用編碼相比，具有更高的安全性。

2 整體方案

中心時(shí)鐘系統(tǒng)采用冗余的設(shè)計(jì)，主備母鐘分別設(shè)置在主備數(shù)據(jù)中心，互為熱備份。系統(tǒng)基于中心母鐘一級(jí)架構(gòu)，子鐘連接到本地傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收母鐘時(shí)間信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)母鐘與通信系統(tǒng)母鐘的物理隔離，在各數(shù)據(jù)中心設(shè)置兩套獨(dú)立的GPS 天線，母鐘系統(tǒng)。母鐘采用模塊化設(shè)計(jì)，安全模塊實(shí)現(xiàn)防干擾，反電子欺騙功能，授時(shí)模塊可同時(shí)支持NTP/PTP 協(xié)議，授時(shí)模塊冗余設(shè)置，內(nèi)置銣鐘校時(shí)，當(dāng)GPS 故障時(shí)確保系統(tǒng)的精度需求。中心設(shè)置時(shí)鐘網(wǎng)管軟件，對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行配置和監(jiān)控，告警信息同步上傳到集中網(wǎng)管系統(tǒng)。系統(tǒng)通過程序設(shè)置，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)夏、冬令時(shí)間的切換，無需手動(dòng)調(diào)節(jié)[1]。

正常情況下，系統(tǒng)通過GPS 天線接收GPS 衛(wèi)星信號(hào)，系統(tǒng)精度優(yōu)于10-11s。當(dāng)GPS 信號(hào)接收故障，系統(tǒng)內(nèi)置銣鐘可維持精度在1×10-11s。當(dāng)采用NTP 協(xié)議，本地局域網(wǎng)內(nèi)精度1ms 內(nèi)，廣域網(wǎng)精度10-20ms。若系統(tǒng)有更要精度要求，可采用PTP 協(xié)議。

中心母鐘NTP 板卡冗余設(shè)置，當(dāng)某塊板卡故障，系統(tǒng)可從備用板卡取時(shí)，當(dāng)主用數(shù)據(jù)中心母鐘故障，系統(tǒng)從備用數(shù)據(jù)中心母鐘取時(shí)。子鐘可最多設(shè)置5 個(gè)母鐘IP 地址，當(dāng)首選IP 地址通信失效時(shí)，按序與其他母鐘模塊進(jìn)行通信。

該時(shí)鐘系統(tǒng)僅與傳輸及電源系統(tǒng)存在物理接口。在數(shù)據(jù)中心通過傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為其他系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。中心母鐘采用雙電源模塊結(jié)構(gòu)。子鐘通過RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口接入本地傳輸網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)與中心母鐘的通信。子鐘采用POE 供電模式。

3 方案特點(diǎn)

在確保滿足各系統(tǒng)精度要求的情況下，該方案取消了二級(jí)母鐘的設(shè)計(jì)，與其他系統(tǒng)的接口均在中心實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。與其他各系統(tǒng)的接口均為邏輯接口，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的通道實(shí)現(xiàn)，減化了接口數(shù)量[2]。

中心母鐘采用模塊化設(shè)計(jì)，未來線路接入可直接通過增加NTP 板卡實(shí)現(xiàn)，配置簡(jiǎn)單，且不影響既有線路的運(yùn)行。母鐘設(shè)備集成了安全模塊，模擬軍用P 碼的防干擾，反電子欺騙功能，提高了系統(tǒng)的安全性。

基于信號(hào)系統(tǒng)獨(dú)立性的特殊要求，在中心設(shè)置獨(dú)立的GPS 天線，母鐘設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的物理隔離。信號(hào)時(shí)鐘GPS 天線與通信時(shí)鐘GPS 天線同址設(shè)置，以滿足系統(tǒng)同步精度要求。

4 結(jié)語

國(guó)內(nèi)地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)常見采用中心及車站二級(jí)組網(wǎng)架構(gòu)，由傳輸系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)，通過接口單元實(shí)現(xiàn)與其他子系統(tǒng)的物理連接。該中心時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有其工程的特殊性，需要充分考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際要求及設(shè)備特點(diǎn)，不同之處也可為國(guó)內(nèi)時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)隨著系統(tǒng)要求的提高，技術(shù)的發(fā)展，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的使用，PTP 協(xié)議的使用等均是后續(xù)時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要討論、考慮的方面。廠家設(shè)備，技術(shù)方案的日新月異，再滿足基本功能需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的安全性，可靠性[3]。