授时系统方案

第⼆⼗章授时系统

时间信号的准确与否，直接关系到⼈们的⽇常⽣活、⼯业⽣产和社会发展。⼈们对时间精度的要求也越来越⾼。天⽂测时所依赖的是地球⾃转，⽽地球⾃转的不均匀性使得天⽂⽅法所得到的时间（世界时）精度只能达到10-9，“原⼦钟”精度可达10-12。因此“原⼦钟”⼴泛运⽤到精密测量和⽇常⽣活、⽣产领域。20.1 基本原理20.1.1 什么是授时系统

授时系统是确定和发播精确时刻的⼯作系统。每当整点钟时，正在收听⼴播的收⾳机便会播出“嘟、嘟......”的响声．⼈们便以此校对⾃⼰的钟表的快慢。⼴播电台⾥的正确时间是哪⾥来的呢？它是由天⽂台精密的钟去控制的。那么天⽂台⼜是怎样知道这些精确的时间呢？我们知道，地球每天均匀转动⼀次，因此，天上的星星每天东升西落⼀次。如果把地球当作⼀个⼤钟．天空的星星就好⽐钟⾯上表⽰钟点的数字。星星的位置天⽂学家已经很好测定过，也就是说这只天然钟⾯上的钟点数是很精确知道的。天⽂学家的望远镜就好⽐钟⾯上的指针。在我们⽇常⽤的钟上，是指针转⽽钟⾯不动，在这⾥看上去则是指针“不

动”，“钟⾯”在转动。当星星对准望远镜时，天⽂学家就知道正确的时间，⽤这个时间去校正天⽂台的钟。这样天⽂学家就可随时从天⽂台的钟⾯知道正确的时间．然后在每天⼀定时间，例如，整点时，通过电台⼴播出去，我们就可以去校对⾃⼰的钟表，或供其他⼯作的需要。

天⽂测时所依赖的是地球⾃转，⽽地球⾃转的不均匀性使得天⽂⽅法所得到的时间（世界时）精度只能达到10-9，⽆法满⾜⼆⼗世纪中叶社会经济各⽅⾯的需求。⼀种更为精确和稳定的时间标准应运⽽⽣，这就是“原⼦钟”。⽬前世界各国都采⽤原⼦钟来产⽣和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种⼿段和媒介将时间信号送达⽤户，这些⼿段包括：短波、长波、电话⽹、互联⽹、卫星等。这⼀整个⼯序，就称为“授时系统”。

20.1.2.应⽤最为⼴泛和可靠的授时⼿段是哪种？答：参考国际及国内惯例，绝⼤部分使⽤卫星授时。20.1.3.卫星授时有哪⼏种？常⽤的是哪些？

答：⽬前全世界有四个系统可以为全球或者区域⽤户提供卫星导航授时服务。1)GPS系统（美国，⽬前最完善的导航定位系统，⾯向全球服务）。

2)北⽃系统（中国，区域性导航定位系统，2020年以后可以全球范围内使⽤）。3)伽利略系统（欧盟，正在建设中，建成后可以覆盖全球）。4)格洛纳斯系统（俄罗斯，基本覆盖全球，⽤户相对较少）。20.1.4.为什么可以从导航定位系统中获取到精确的时间？

答：对于⼀个进⼊信息社会的现代化⼤国，导航定位和授时系统是最重要、⽽且也是最关键的国家基础设施之⼀。现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建⽴和数字化地球的实现需要它⽀持。现代通信⽹和电⼒⽹建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。从建⽴⼀个现代化国家的⼤系统⼯程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础。它对整体社会的⽀撑⼏乎是全⽅位的星基导航和授时是未发展的必然趋势。美国投⼊巨资建成了全球定位系统（GPS），俄罗斯也使⾃⼰的全球导航卫星系统（GLONASS）投⼊了运⾏。欧盟⼀些国家也正在联合开展加利略（Galileo）卫星导航系统的研制。为了提⾼民⽤定位定时的性能和可靠性、安全性，利⽤这些卫星系统建⽴⼴域增强系统（Waas）在美国、⽇本、欧洲和俄罗斯也在计划或研制之中。

这些系统导航定位的基本概念都是以精度时间测量为基础的。正如有⼈所指出的那样，我们⼈类⽣活在余割四维的世界（x、y、z、t）其中⼀维就是时间，⽽另外三维的精度确定，就今天⽽⾔，没有精确的定时也是难以实现的。

单从授时出发，不难理解系统发播时间的精确控制是不可缺少的。⽽对于导航定位，系统内部钟（星载钟和地⾯监测和控制台站的钟）的同步就极为关键。没有原⼦钟的⽀持，没有钟同步和保持技术的⽀持，实现星基导航和定位是不可能的。在完成精确时间的传递过程，需要对传播时延作精确修正，⽽这⼜需要知道⽤户的精确地理位置。

从以上分析可以看出，⽆论在系统概念、技术、装备或管理上，与其他通讯和卫星系统相⽐，导航定位卫星系统与⾼精度卫星授时系统有很好的兼容性和互补性，⼆者是相辅相成的。从资源共享和合理利⽤出发，先进的卫星系统应该成为⼀个导航授时⼀体化的⾼精度星基四维（x、y、z、t）信息源，就像⽬前已投⼊⼯作的GPS、Glonass和正在研制中的Galileo 以及各种Waas系统中，⽆不把其授时功能提到仅次于导航定位的重要地位。以便满⾜个⾏各业对精度时间和频率⽇益增长的需求。

20.1.5. 从导航定位系统中获取时间信息是否需要获得有关部门的授权或者许可？

答：GPS卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定位服务。P码为军⽅服务，定位精度达到3⽶；C/A码对社会开放，定位精度为14⽶。出于⾃⾝安全的考虑，美国先后实施了SA和AS政策。SA政策在C/A码中⼈为引⼊了误差，使定位精度下降到100⽶；AS政策则对P码实⾏加密。北⽃也同样参考了GPS的做法。因此，在民⽤授时或者导航领域，不需要使⽤者缴纳服务费或者获得使⽤许可，例如：现在的GPS车载导航仪已经进⼊千家万户，他们接受的GPS导航服务就是完全免费的。20.2 系统组成

系统采⽤中⼼机房及⼦区域两级组⽹⽅式，由GPS接收天线、中⼼母钟，⼦钟、通信控制器、NTP时间服务器构成，时钟系统控制管理计算机，传出通道组成。

中⼼机房设备与各区域中⼼接⼝、⼦钟通过通信线缆连接。

中⼼母钟接收来GPS标准时间码，在总控机房通过传输线路为其它各需要统⼀时间的设备提供标准时间信号，使各⼦系统的设备与时钟系统同步，从⽽实现统⼀的时间标准。

系统采⽤树形架构，分⽀均采⽤上⼀级的时间为准，如果失去上⼀级时钟信息则以内部时钟信号继续⼯作。20.3 系统主要设备及功能20.3.1 GPS接收天线

GPS接收天线部分位于主控中⼼的前端，⽤于为GPS接收机提供信号，从⽽使⼀级母钟获得⾼精度时间参考，为机场时钟系统提供准确的时间信息；

GPS接收天线部分包括GPS信号接收天线及其天线馈线、及它们相关的避雷和接地措施；GPS天线主要性能如下：天线

中⼼频率：1575.42MHz±3 MHz电压驻波⽐：1.5:1带宽：±5 MHz阻抗：50 ohm

最⾼增益：＞3dBic ，基于7×7cm 地平⾯

增益范围：＞-4dBic ，–90°＜0＜+90°，over 75% Volume天线极化：RHCP放⼤器/滤波器

放⼤器增益 (不含电缆)： 28 dB,45 dB,55 dB 典型噪声系数：1.5dB

滤波器带外衰减 (f0=1575.42 MHZ)：7dB 最⼩ f0+/-20MHZ20dB 最⼩f0+/-50MHZ30dB 最⼩f0+/-100MHZ输出电压驻波⽐：＜2.0直流电压：3V , 5V, 3V to 5V

直流电流：5mA，10mA， 22mA Max结构

重量：＜140(克)gram

外型尺⼨：?96×126mm；电缆： RG58 8 to 100 m

连接器型号： SMA/SMB/SMC/BNC/FME/TNC/MCX /MMCX固定⽅式：螺纹(M24×1.5)连接；环境

⼯作温度：-40℃~+85℃振动：1g(0-p)10~50~10Hz 每轴湿度：95%~100%RH防⽔：100%

避雷器主要性能如下：

20.3.2 GPS⾼稳⽯英母钟

⾼稳⽯英母钟内置⾼稳OCXO，可接收多种外部参考信号，⽀持⼿动/⾃动的双机热备份功能。主要功能性能如下：独有特⾊⽀持农历双机热备份功能⽀持远程操作维护

2个外部参考输⼊：（a）1个RS232/RS422+1PPS输⼊，⽤于外部GPS或GPS+GLONASS接收机； (b)1个10MHz或2.048MHz接⼝(选项)；

1个外部时码接⼝：RS422/485（可选CANBUS或电⼒线载波接⼝），⽤来接收上级母钟时码信号；1U 19”标准机箱，年、⽉、⽇、星期、农历、时、分、秒显⽰；

输出标准时间信号包括公历（年、⽉、⽇、星期、时、分、秒），农历（⽉，⽇）；时码输出接⼝：

（1）2个RS-232，可⽤于计算机校时；

（2）2个RS485/422，可⽤于⼦钟校时，传输距离不⼩于1千⽶；

（3）1个CANBUS接⼝，⽤于驱动⼦钟，传输距离不⼩于10千⽶，⽀持双向⽹管，故障实时报警；频标输出接⼝（正弦波10dBm/50Ω各⼀路)：（1）10MHz（2）2.048MHz

准确度：<1×10-12（24⼩时平均/锁定状态） <1×10-10 （普通）<5×10-11 （优选）（关闭GPS，⾃保持24⼩时）稳定度：取样时间阿仑⽅差：（锁定或保持）1ms < 2×10-1010ms < 5×10-11100ms < 5×10-121S < 3 ×10-12

10s < 3×10-12100s < 5×10-121000s < 5×10-12

相位噪声：偏离载频单边带相噪（锁定或保持）1Hz < -100 dBc10Hz < -125 dBc100Hz < -135 dBc1000Hz < -140 dBc10KHz < -160 dBc谐波： <-40dBc⼿动时间调整；

1个⽹管接⼝，RS232/RS422；可选以太⽹接⼝；

⽀持⼿动、⾃动控制双机热备份，前⾯板主备指⽰，系统具有更⾼的可靠性； 基于时码前沿的主动同步技术和数字锁相环技术，使母钟在外部参考的驱动下获得极好的同步精度；操作环境温度： 0～60摄⽒度；湿度：95％不冷凝MTBF ⼤于10万⼩时；电源：AC220V ±10％，20W。20.3.3 通信控制器

通信控制器是母钟系统的通信枢纽，要求很⾼的可靠性。2U19英⼨标准机箱，各功能板采⽤前插板结构，⽀持热插拔。设备采⽤⼤容量双冗余电源均流供电，电源模块⽀持热插板功能。前⾯板LCD320x240显⽰，可显⽰每个通道实时通讯信息；⼩键盘，实现系统配置，也可以通过⽹管系统进⾏设置。3个槽位，主控板采⽤1个槽位，其他槽位任意分配给各种接⼝板。主要功能如下：

实现任意接⼝间的信息直接路由与分配。每个功能板具有独⽴故障检测功能。声光报警功能。

对传输信息进⾏解析。根据配置可以本地显⽰时钟系统的报警信息，同时可以直接显⽰在LCD上，实现本地报警。主要接⼝板如下：

主控板：2个CAN 总线接⼝，4个RS485/RS422/RS232接⼝；对接⼝扩展单元进⾏管理，配置，实现系统⽹管；实现与母钟、GPS接收机间的接⼝，传递时

码信息与操作维护信息；⽀持主备热备份功能，⾃动信息同步技术，保证两块主控板间的状态同步。

8路CAN总线接⼝板：⼦钟接⼝，传递时码信息与操作维护信息（接⼝可根据实际使⽤要求订做）。8路RS232/422/485总线接⼝板：⼦钟接⼝，传递时码信息与操作维护信息（接⼝可根据实际使⽤要求订做）本扩展单元适合与中型时钟系统要求，如有特殊要求，可以选择具有15个插槽的⼤型通信控制器。

在本系统中，接⼝扩展单元配备1块主控板，1块CAN总线接⼝板⽤于驱动⼦钟⽹络，1块RS422/485接⼝板⽤于给其他系统提供时间信息。

20.3.4 ⽹管系统

时钟⽹管（监控）系统放在弱电中⼼，通过RS232/RS422接⼝与钟系统相连，并通过母钟或接⼝扩展单元对整个时钟系统进⾏查询与控制，实现时钟系统的故障管理、性能管理、配置管理、安全管理、状态管理；

时钟⽹管监控系统主要完成对时钟系统设备的监测管理，检测收集母钟、⼦钟及其他的运⾏状态信息，对时钟系统的⼯作状态、故障状态进⾏显⽰，并对全系统时钟进⾏点对点的控制，对本系统中任何⼀个⼦钟进⾏必要的操作（校对、停⽌、复位、追时、对时、倒计时、关闭、亮度调节、设备ID地址修改等）。主要监控及显⽰的内容包括：各种主要设备、⼦钟

及传输通道的⼯作状态，对时钟系统的控制、故障记录及打印输出等。系统出现故障时发出声光报警，指⽰故障部位。能⽅便查看维护指南，在线帮助。设有设备维修档案，记录每个故障发⽣的具体位置、时间、类型、维修情况等。当某个时钟⼯作不正常时，系统可调出它的档案，供维修⼈员参考。具有中⼼机房、各⼦时钟、系统输出端⼝分布图。主要功能如下：告警管理

系统采⽤主动上报和⽹管系统查询的相结合⽅式，当设备产⽣故障（⾮致命性故障）时，设备主动向⽹管系统报告故障，⽹管系统定时查询各设备状态，来检测各设备是否⼯作正常，若设备在查询过程中没有反应，⽹管系统会发出警告，提⽰⼯作⼈员检查设备电源是否⼯作正常等。

⽹管接收到告警信息后，以实物图⽚的⽅式指⽰故障具体位置，同时发出警报声⾳告警，并在屏幕弹出告警对话框闪烁显⽰，同时发送⼿机短信。

⾃动⽣成完备的⽇志和报表统计。配置管理

添加删除设备，按拓扑结构显⽰系统图

系统记录每个设备的型号，功能，并可以根据设备功能对设备进⾏控制如对⼦钟进⾏时间设定，对倒计时钟进⾏倒计时值设定，控制⼦钟亮度等等。⽇志管理

对系统⽇志进⾏查询备份删除等安全管理

安全管理主要提供⽤户操作时钟系统的⼊⼝⽹关，所有的⽤户对时钟系统的操作，都需经过安全管理的权限检查，识别安全违背事件如⾮法访问、数据的破坏、⽤户欺诈和其它⾮法破坏活动。

⽤户可以对整个时钟系统进⾏各种操作，因此，系统的安全性⾮常重要。系统从三个层⾯上对⽤户进⾏的操作进⾏管理：对⽤户进⼊⽹管系统的限制：每个⽤户在进⼊系统时，必须输⼊⼝令，如果⼝令不正确，则禁⽌其进⼊系统；对⽤户的操作权限进⾏限制：系统给每个⽤户分配⼀定的操作权限，⽤户在系统中只能完成这些操作；

对⽤户的操作⽹元进⾏限制：系统给每个⽤户指定了操作的⽹元范围，⽤户只能对这些⽹元进⾏操作，对其他⽹元不能执⾏操作。20.3.5 ⼦钟单联双⾯数字时钟

尺⼨：750MM×190MM×100MM双联数字⽇历⼦钟

尺⼨：1040MM×380MM×70MM（单⾯）1040MM×380MM×100MM（双⾯）

三联⼿术专⽤时钟

尺⼨：1040MM×520MM×70MM

母钟与⼦钟间的通信⽅式建议采⽤CAN 总线，系统向下兼容RS485/422总线。

CAN总线以它⾃⾝突出的优点，⽐较低廉的价格，正适合构成总线型⼤区域时钟系统。由CAN总线构成的系统，具有实时双向通信的功能，实现实时故障告警与设备控制。

数字式⼦钟接收中⼼母钟或中继器所发出的时间信号，进⾏时间信息显⽰。数字式⼦钟脱离母钟时能够单独运⾏。

数字式⼦钟采⽤“年：⽉：⽇：星期：时：分：秒”和“时：分：秒”两种显⽰格式，并具备12/24⼩时两种显⽰⽅式的转换功能,数字式⼦钟在调整时间

时，⼦钟在接到母钟指令后⽴即将时间显⽰按母钟发出的命令进⾏调整。

数字式⼦钟应具有红外遥控校时和追时功能，配有复位按钮和电源开关。遥控距离不⼩于30m。

数字式⽇历⼦钟采⽤3英⼨、8英⼨发光⼆极管显⽰单元（LED）、数字式单联⽇历⼦钟采⽤5英⼨发光⼆极管显⽰单元（LED）显⽰由数字组成的时间信号，

颜⾊可根据旅客航站楼的装修风格来选择。显⽰单元显⽰数字⼩时信号、分钟、秒信号和年⽉⽇、星期信号。亮度可设置。

数字式⼦钟的外壳采⽤⾦属成型技术、静电喷涂，喷涂颜⾊可由招标⼈指定。数字式⼦钟的安装可吊挂、壁挂、装于⽀柱上等。

全⾯故障检测功能，具备定位到码段的故障检测，若某个钟的某个码段不亮或其他故障，可即时将故障报告给控制管理系统。可控倒计时功能，控制中⼼设置倒计时参数，并控制时钟进⼊倒计时状态。

⽀持⽹管系统的直接控制：校对、停⽌、复位、追时、对时、倒计时、亮度、关闭。数字式⼦钟的技术性能指标：1)LED显⽰单元发光强度：≥200cd/㎡2)对⽐度：≥10：1

3)LED显⽰屏可视视⾓：≥±65o4)LED显⽰屏MTBF：≥30000⼩时5)独⽴计时精度：≤±0.2秒/天6)环境要求：⼯作温度0～＋50℃7)电源电压：220V±10％8)电源频率：50Hz±5%数字式⼦钟的接⼝⽅式：

1)出⼊：1个CAN接⼝、1个RS485接⼝2)输出：1个CAN接⼝、1个RS485接⼝20.4 系统设计（⽅案）

由于期货交易对于时间的要求⼤⼤超过了其他交易⽅式，期货交易的标的物⼀般具有市场需求量⼤、价格波动较频繁、规格与质量易于认定、易储存的特点。它不像股票那样可以久拖不决，暂时缺位也⽆妨。特别是当⾏情波动较⼤时，持仓⽽不在现

场，很可能因处理不及⽽导致重⼤亏损。所以期货交易所如果结算数据出来慢、⾼峰时段⽹络太拥挤就成了制约期货交易所核⼼竞争⼒提升的主要因素。为了解决这些问题，提成结算系统软硬件的性能、使⽤“期货资⾦管理系统”的⼿段成了期货交易所的⾸选。⽽这些系统采⽤的与结算银⾏数据端⼝对接，⽆出⼊⾦会员结算数据先⾏发送的⼆次⽹上发送⽅式都需要时间服务同步系统提供精确、稳定的时间信号源作为电⼦交易的数字时间戳，在电⼦交易中，⽆论是数字时间戳服务（DTS）还是数字证书 (Digital ID)的发放，都不是靠交易的双⽅⾃⼰能完成的，⽽需要有⼀个具有权威性和公正性的第三⽅来完成。认证中⼼(CA)就是承担⽹上安全电⼦交易认证服务、能签发数字证书、并能确认⽤户⾝份的服务机构。认证中⼼通常是企业性的服务机构，主要任务是受理数字证书的申请、签发及对数字证书的管理。认证中⼼依据认证操作规定 (CPS：Certification PracticeStatement)来实施服务操作。}其次，为了保证整个期货⼤楼的统⼀调度和安全运营，给客户和各部门提供精确的⼀个时间同步信号，也是必不可少的。其主要作⽤是为进⾏期货交易的客户及⼯作⼈员提供准确的时间服务，同时也为计算机系统及其它弱电⼦系统提供标准的时间源。交易⼤厅和休息、接待厅的时钟可以为客户提供准确的时间信息；各办公室内及其它通道内的时钟可以为⼯作⼈员提供准确的时间信息；向其它系统提供的时钟信息为整个⼤楼运⾏提供了标准的时间，保证了期货交易系统运⾏的准时、安全。⽅案结构如下：

GPS天线接收到标准卫星时间并传送到中⼼母钟的GPS接收处理单元，母钟⾃动消除累积误差和判读GPS信号是否存在误码，如果信号正确就继续接收，如果信号中断或者有误系统⾃动切换到中⼼时钟的守时单元，依托⾼稳定的振荡器为整个时钟系统提供时间基准。

本系统采⽤双GPS接收天线，双主钟冗余配置，2台主钟对外接⼝直接相连，通过专⽤主备连接通信电缆随时交换信息，在主设备（输出时码设备）出现故障的情况下，⾃动倒换到备⽤设备。倒换时间⼩于50ms。

⾼稳⽯英母钟内置⾼稳⽯英晶体振荡器0CXO，同时接收外部GPS时码信号和秒脉冲信号作为主参考信号，母钟输出接通信控制器。

通信控制器是母钟系统通信枢纽。它将母钟、⽹管系统、NTP时间服务器、⼦钟接⼝和其他⼦系统时码接⼝有机结合起来。

相对于⽹管系统与母钟相联的结构，这种系统结构的好处是系统结构清晰，母钟通信负荷⼩，内部处理器专注时码信息处理，以获得更好的时间稳定度；时钟⽹管系统不依赖于母钟，母钟出现故障⽹管系统仍然可以正常⼯作。

通信控制器⼀⽅⾯驱动本地⼦钟，另⼀⽅⾯同时向其他⼦系统的服务器提供时钟信号，楼宇⾃控系统、⽕灾报警系统、安防系统、停车场收费管理系统、航班信息显⽰系统、公共⼴播系统、内部调度通讯系统、安检信息系统等需要准确时间信息的地⽅。弱电系统提供符合RS422/485标准的外部接⼝。所有外部接⼝具有隔离措施。外部接⼝的接⼝⽅式应得到相关弱电⼦系统集成商的认可。时钟系统⽹管⽤于管理时钟系统，实时监测母钟的⼯作状态，当弱电中⼼、⼤厅、等候区、通道的时钟设备出现故障时，母钟可实时将告警信号发送到弱电中⼼时钟系统⽹管设备。

NTP时间服务器给交易中⼼结算⽹络，终端设备，机房⽹络中⼼，计算机系统提供标准时间参考，在⽹络环境畅通的情况下同步误差⼩于10MS。

⼦钟设于弱电中⼼⼤厅、等候区、控制室、公安安全室、等有关地点设置⼦钟。20.5 发展前沿

由于历史的原因,我国⽬前的⾦融⾏业的时间同步系统的时钟源⼤都采⽤美国GPS系统做为主时钟源。⽬前，GPS是美国军⽅控制的军民共⽤的系统，对全世界开放。我国⽬前使⽤的GPS属于免费接收的美国信号。尽管如此，但是美国⼈并不承诺保证你的使⽤。这样就带来⼀个安全问题, 如⾦融系统以美国的GPS作为主时钟源，这便存在着重⼤的安全隐患，⼀旦发⽣战争等紧急事态，美国关闭或调整GPS信号，将给我们的⾦融安全⽣产带来很⼤影响。