城軌道交通時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、完美.格式.編輯時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)行的重要組成局部之一,其主要作用是為城軌工作人員和乘客提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,并為其他各相關(guān)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),使各系統(tǒng)的定時(shí)設(shè)備與本系統(tǒng)同步,從而實(shí)現(xiàn)城軌全線統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).提供時(shí)間信息的時(shí)鐘系統(tǒng)分為一級(jí)母鐘系統(tǒng)與二級(jí)母鐘系統(tǒng),一級(jí)母鐘系統(tǒng)安裝在限制中央,二級(jí)母鐘系統(tǒng)安裝在各車站和車輛段, 用以驅(qū)動(dòng)分布在站段內(nèi)的子鐘顯示正確的 時(shí)間.城軌時(shí)鐘系統(tǒng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘設(shè)備,在輸出時(shí)間信號(hào)的同時(shí),亦輸出為通信設(shè)備提供的時(shí)鐘同步信號(hào),使各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備能同步運(yùn)行.亦可另行配置通信綜合定時(shí)供應(yīng)系統(tǒng)BITS,單獨(dú)提供時(shí)鐘同步信號(hào).如上所述,城軌同步系統(tǒng)分為

2、兩類：一類是基于協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC組建的時(shí)間同步系統(tǒng)；另一類是用于數(shù)字通信設(shè)備的時(shí)鐘同步系統(tǒng)或數(shù)字同步系統(tǒng).時(shí)間同步系統(tǒng)定時(shí)例如每隔1s或1min 輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間年、月、日時(shí)、分、秒、毫秒信號(hào)；而時(shí)鐘同步系 統(tǒng)那么輸出高穩(wěn)定度、連續(xù)的正弦波或脈沖信號(hào).第一節(jié)時(shí)鐘系統(tǒng)技術(shù)根底一、時(shí)間的概念一般來說,任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)只要具有以下條件,都可以成為確定時(shí)間的基準(zhǔn).運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的、周期的.運(yùn)動(dòng)的周期具有充分的穩(wěn)定性.運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性,即要求在任何地點(diǎn)與時(shí)間,都可以通過觀察和實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn) 這種周期運(yùn)動(dòng).最常用的時(shí)間系統(tǒng)有三大類：世界時(shí)、原子時(shí)與力學(xué)時(shí).力學(xué)時(shí)系統(tǒng)通常在天文學(xué)中使 用,在這里不作介紹.1. 世

3、界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的時(shí)問系統(tǒng).由于觀察地球自轉(zhuǎn)時(shí)所選擇空間參考點(diǎn)的不同,世界時(shí)系統(tǒng)又有幾種形式：恒星時(shí)、平太陽時(shí)和世界時(shí).以平子夜為零時(shí)起算的格林威治平太陽時(shí)稱為世界時(shí).平太陽時(shí)是地方時(shí),地球上各地點(diǎn)的平太陽時(shí)不同.為了使用方便,將地球按子午線劃分為24個(gè)時(shí)區(qū),每個(gè)時(shí)區(qū)以中央子午線的平太陽時(shí)為該區(qū)的區(qū)時(shí).零時(shí)區(qū)的平太陽時(shí)即為世界時(shí).由于地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部的位置是不固定的極移,而且地球自轉(zhuǎn)速度是不均勻的,它不僅包含有長(zhǎng)期減緩的趨勢(shì),還包含一些短周期的變化和季節(jié)性的變化.因此世界時(shí)不是一個(gè)嚴(yán)格均勻的時(shí)間系統(tǒng).2原子時(shí)系統(tǒng)1原子時(shí)原子秒定義為：銫原子133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)

4、構(gòu)能態(tài)間躍遷輻射的電磁振蕩9192631770周所經(jīng)歷的時(shí)間,為 1原子秒.原點(diǎn)定義為1958年1月1日的世界時(shí).經(jīng)過國(guó)際上 100多臺(tái)原子鐘的相互比照,并經(jīng) 數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時(shí),稱為國(guó)際原子時(shí).2協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC原子時(shí)雖然是秒長(zhǎng)均勻、 穩(wěn)定度很高的時(shí)間系統(tǒng), 但與地球自轉(zhuǎn)無關(guān). 世界時(shí)雖然不均 勻,但與地球自轉(zhuǎn)精密相關(guān). 原子時(shí)的秒長(zhǎng)與世界時(shí)的秒長(zhǎng)不等,大約每年差 1秒.為了協(xié) 調(diào)原子時(shí)與世界時(shí)的關(guān)系,建立了一種折中的時(shí)間系統(tǒng),即為協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC.根據(jù)國(guó)際規(guī)定,協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)采用原子時(shí)的秒長(zhǎng),其累計(jì)時(shí)刻與世界時(shí)刻之差保持在0.9秒之內(nèi),當(dāng)超過時(shí),采用跳秒閏秒的方法來調(diào)整.閏秒一般

5、規(guī)定在6月30日或12月3 1日最后1秒時(shí)參加.具體日期由國(guó)際時(shí)間局在兩個(gè)月之前通知各國(guó).目前,世界各國(guó)發(fā)布的時(shí)間(包括中國(guó)的北京時(shí)間),均以UTC為基準(zhǔn).(3) GPS時(shí)間系統(tǒng)(GPST)為了定位的需要,全球定位系統(tǒng)( GPS)建立了專用的時(shí)間系統(tǒng)( GPST).GPST屬原 子時(shí)系統(tǒng),秒長(zhǎng)與原子時(shí)的秒長(zhǎng)相同,但原點(diǎn)不同.GPST原點(diǎn)定在1980年1月6日0時(shí),與UTC時(shí)刻一致.因此 GPST與UTC.之間的差值為秒的整數(shù)倍, 1999年差值為19秒.由上可見,使用UTC作為基準(zhǔn)時(shí)鐘,具有最大的公信力. 而采用GPS接收機(jī)輸出的ToD 時(shí)間信息,獲得精確的UTC及北京時(shí)間,又是最為經(jīng)濟(jì)、便捷

6、的方法.二、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、時(shí)鐘信號(hào)的傳輸方式和同步方式是同步技術(shù)中的關(guān) 鍵局部,它們將直接影響到系統(tǒng)的精度.1. 時(shí)鐘源的精度目前常見的時(shí)鐘源有石英晶振、銫原子鐘、銣原子鐘等,它們可到達(dá)的精度為：一 -2(1) 標(biāo)準(zhǔn)石英晶振：土 2X 10 s/4 h ;(2) 銫原子鐘：土 1 x 10-6 s/1d ;(3) 銣原子鐘：土 3 x 10-3s/30d.2. 時(shí)鐘信號(hào)的傳輸方式目前時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)某Ｓ梦锢磉B接方式為：(1) RS- 232/422串口是最常用的設(shè)備外接時(shí)鐘接口；(2) VME總線用于工作站的時(shí)鐘連接；(3) 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)

7、鐘連接；(4) PCM用于時(shí)鐘信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸.3. 時(shí)鐘信號(hào)的同步方式通常采用主從同步方式,由高精度的上級(jí)時(shí)鐘去同步低精度的下級(jí)時(shí)鐘,使下級(jí)時(shí)鐘的精度與上級(jí)時(shí)鐘接近.同步電路一般采用數(shù)字鎖相環(huán)電路.三、時(shí)鐘信號(hào)的格式目前常用的時(shí)鐘信號(hào)的格式主要有IRIG、DCLS、ACTS、NTP等,它們的主要差異為傳輸介質(zhì)與信號(hào)精度的不同.(1) IRIGIRIG是由IRIG (美國(guó)靶場(chǎng)儀器組)組織開發(fā),目前分為A、B、C、D、E、F、G和H版本,較常用的是IRIG- B,其傳輸介質(zhì)分為雙絞線與同軸電纜,準(zhǔn)確度為10 100 Q.(2) DCLSDCLS是IRIG B的一種特殊形式,無傳輸距離的限制,準(zhǔn)確

8、度為101000血.(3) ACTSACTS是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院提出,無傳輸距離的限制,準(zhǔn)確度為101000 e.(4) NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)屬于標(biāo)準(zhǔn)的In ternet協(xié)議,基于UDP報(bào)文.用來在IP網(wǎng)中提供 高精度與高可靠性的時(shí)鐘信號(hào)傳輸. 目前網(wǎng)絡(luò)中通用的時(shí)鐘傳遞格式標(biāo)準(zhǔn)為 1992年公布的： NTP版本3.另外還有秒脈沖(PPS),雖然不屬于標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)格式,但它的應(yīng)用十分廣泛,通 常使用同軸電纜傳輸.四、全球定位系統(tǒng)(GPS)導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)測(cè)距全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng)(GPS).它是一種可以定時(shí)和測(cè)距的導(dǎo)航系統(tǒng),可向艦船、飛機(jī)和車輛提供全球、全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)效勞

9、的高精度三維位置、 三維速度和時(shí)間信息.1994年7月美國(guó)完成目前在軌的 24顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射.GPS由空間系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和 GPS接收終端三大局部組成.1 空間系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星星座GPS空間系統(tǒng)在相對(duì)赤道傾斜角55°的6個(gè)軌道上部署了 24顆衛(wèi)星.其中的21顆為主用的根本星,3顆為備用星,3顆在軌的備用星可以隨時(shí)替代發(fā)生故障的其他衛(wèi)星.導(dǎo)航 衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為 7.5年,軌道距地面高度為 20218 km,運(yùn)行周期為12恒星小時(shí).GPS的衛(wèi) 星布局可保證覆蓋全球,使用戶在地平線10.以上的任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻可以同時(shí)收到至少4 410顆衛(wèi)星的信號(hào).足以提供全球任一地點(diǎn)的

10、移動(dòng)或固定用戶作連續(xù)實(shí)時(shí)的三維 定位、導(dǎo)航.GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上裝備了無線收發(fā)信機(jī)、天線、銫原子鐘穩(wěn)定度為10-1310-14、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器.每顆衛(wèi)星以兩個(gè)L波段頻率發(fā)射無線電載波信號(hào)：L1=1575.42 MHz 波長(zhǎng)約為 19 cm L2=1227.60 MHz 波長(zhǎng)約為 24 cm 在L1載波上測(cè)距用 P碼Precise精搜索碼,碼長(zhǎng)約30 m 和C/A碼Coarse/Acquisition 粗搜索碼,碼長(zhǎng)約 300 m.P碼只供美國(guó)軍方與授權(quán)用戶使用,C/A碼供民用定位效勞.此外,在載波上還調(diào)制了 50bit/s的數(shù)據(jù)導(dǎo)航電文,其內(nèi)容包據(jù)：衛(wèi)星星歷、電離層模型系 數(shù)、狀態(tài)信息、時(shí)

11、問信息和星鐘偏差/漂移等信息.2. 地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控 GPS的工作,是 GPS系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,是保證 GPS協(xié)調(diào)運(yùn)行的 核心局部.地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)主控站、五個(gè)監(jiān)控站和三個(gè)注入站 向衛(wèi)星發(fā)射更新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)組成,內(nèi)部各設(shè)有一組標(biāo)準(zhǔn)原子鐘.1主控站主控站負(fù)責(zé)接收、 處理來自各監(jiān)控站跟蹤數(shù)據(jù).完成衛(wèi)星星歷和原子鐘計(jì)算,衛(wèi)星軌道和鐘差參數(shù)計(jì)算,用以產(chǎn)生向空間衛(wèi)星發(fā)送的更新導(dǎo)航數(shù)據(jù).這些更新數(shù)據(jù)送到注入站,利用S頻段17501850 MHz向衛(wèi)星發(fā)射.由于衛(wèi)星上的原子鐘有足夠精度,故導(dǎo)航更新 數(shù)據(jù)約每天才更新一次.2監(jiān)控站監(jiān)控站為無人值守站, 共有5個(gè).除主控站上的監(jiān)控站外,監(jiān)控站對(duì)衛(wèi)星

12、進(jìn)行跟蹤與測(cè)軌,以2200 2300 MHz頻率接收衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行軌道預(yù)報(bào),并收集當(dāng)?shù)貧庀蠹按髿?和對(duì)流層對(duì)信號(hào)的時(shí)延數(shù)據(jù),連同時(shí)鐘修正、軌道預(yù)報(bào)參數(shù)一起傳送給主控站.3注入站3個(gè)注入站將主控站送來的衛(wèi)星星歷、鐘差信息和軌道修正參數(shù),每天一次注入衛(wèi)星上的導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器中.3. GPS接收終端GPS根本定位原理為：位于地面的GPS接收機(jī)檢測(cè)GPS衛(wèi)星發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào),通過相關(guān)運(yùn)算獲取到達(dá)時(shí)間ToA、信息并由此計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離,再結(jié)合衛(wèi)星播送的星 歷信息計(jì)算衛(wèi)星的空間位置,完成定位計(jì)算.有3顆衛(wèi)星時(shí),假設(shè)衛(wèi)星與接收機(jī)鐘差很小即可 實(shí)視二維定位,4顆可見衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)三維定位,更多的可見衛(wèi)星

13、可提升定位精度.GPS接收機(jī)在全球任何地方,任何時(shí)刻均能接收到至少 4顆衛(wèi)星信號(hào),終端可根據(jù)接收到多顆衛(wèi)星的 導(dǎo)航信息,計(jì)算出自己的三維位置經(jīng)緯度與海拔高度、運(yùn)動(dòng)速度與方向以及精確的時(shí)間信息.五、時(shí)鐘的穩(wěn)定度與精度以下討論時(shí)鐘穩(wěn)定度與精確度精度、的定義以及兩者之間的關(guān)系.時(shí)鐘穩(wěn)定度為一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)鐘走時(shí)誤差；時(shí)鐘精度為該時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間我國(guó)為北京時(shí)間之間的誤差.例如,有一塊表假設(shè)每天快慢在1s之內(nèi),那么該表日穩(wěn)定度為土 1s/d,假設(shè)每月快慢在5s之內(nèi),那么月穩(wěn)定度為土 5s/月.假設(shè)這塊表的使用者每天對(duì)一次表校時(shí),那么該表的精確度為土 1s/d或土 1s/月；假設(shè)每月對(duì)一次表,那么該表的精確度

14、為土5s/d或土 5s/月.可見,時(shí)鐘的精度取決于其穩(wěn)定度和校正時(shí)間的頻度.時(shí)鐘穩(wěn)定度常用相對(duì)值來表示,例如：時(shí)鐘日穩(wěn)定度為土1s/d,可表為：1s/ 24 h x60min x 60s =1.157 x 10-5;時(shí)鐘月穩(wěn)定度為土 5/ 月可表為：5s/ 30d x 24h x 60min x 60s =1.929 x 10-6.時(shí)鐘穩(wěn)定度用相對(duì)值來表示時(shí),通常前面省去土符號(hào).時(shí)鐘穩(wěn)定度值與測(cè)量 的持續(xù)時(shí)間有關(guān),可以有短期、日、月、年長(zhǎng)期等穩(wěn)定度,在不注明時(shí)間的情況下,一 般為年穩(wěn)定度.當(dāng)前,人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮隅?、?其驅(qū)動(dòng)源均為晶體振蕩器.時(shí)鐘走時(shí)的穩(wěn)定度完全決定于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘振蕩器的頻率穩(wěn)定

15、度,即晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度與時(shí)鐘穩(wěn)定度兩者具有相同的值.例如：某時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)源的日頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度為：1.157 x 10-5,那么該時(shí)鐘的走時(shí)日穩(wěn)定度亦為1.157 x 10-5 ± 1s/d .假設(shè)驅(qū)動(dòng)源采用標(biāo)稱頻率為1MHz晶體振蕩器,那么可以推56算出驅(qū)動(dòng)該時(shí)鐘的晶振,每日頻率變化小于土1.157 x 10 x 10 Hz= ± 11.57Hz.即該標(biāo)稱頻率為1MHz晶體振蕩器的日頻率穩(wěn)定度為 1.157 x 10-5,精度為土 11.57Hz/d 假設(shè)在開始測(cè) 試時(shí)振蕩器的實(shí)際頻率等于標(biāo)稱頻率 .由上述討論可見,時(shí)鐘同步網(wǎng)與時(shí)間同步網(wǎng)的輸出信號(hào)具有穩(wěn)定度與精度兩個(gè)要

16、求.時(shí)間同步網(wǎng)輸出時(shí)間的精度是相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間通常為UTC 的偏差；而時(shí)鐘同步網(wǎng)輸出時(shí)鐘的精度是相對(duì)于標(biāo)稱頻率的偏差.六、鎖相環(huán)路在時(shí)鐘系統(tǒng)中通常采用多級(jí)主從同步法,即用較高穩(wěn)度的上級(jí)時(shí)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間振蕩逐級(jí)同步較低穩(wěn)定度的下級(jí)時(shí)標(biāo)振蕩,從而使全網(wǎng)時(shí)鐘同步運(yùn)行. 下級(jí)時(shí)鐘對(duì)上級(jí)時(shí)鐘的同步,目前通常采用鎖相環(huán)路來完成.1 鎖相環(huán)路的根本原理鎖相環(huán)路的功能是用一個(gè)基準(zhǔn)振蕩,去同步鎖定一個(gè)頻率穩(wěn)定度低于基準(zhǔn)振蕩的受控振蕩器,使受控振蕩的頻率穩(wěn)定度等于基準(zhǔn)振蕩的頻率穩(wěn)定度.該鎖相環(huán)路由鑒相器、低通濾波器與壓控振蕩器VCO組成.其輸入基準(zhǔn)振蕩頻率為Fi,初相為& t;輸出壓控振蕩頻率為F.,初相為0o

17、 t,根本鎖相環(huán)路框圖如圖8 1所示.專業(yè).資料.整理圖81根本鎖相環(huán)路框圖為容易理解鎖相環(huán)路的根本原理,這里只介紹同頻鎖相.環(huán)路中的壓控振蕩器VCO可以是LC振蕩器,也可以是晶體振蕩器.與獨(dú)立振蕩器不同的是,在壓控振蕩器的振蕩槽路或等效振蕩槽路上并有變?nèi)荻O管.變?nèi)荻O管的PN結(jié)的電容量隨著加在二極管上的反向偏壓的變化而變化.圖8 2為一個(gè)LC壓控振蕩器原理圖.-旳偏買電壓圖8 - 2 Lc壓控振蕩器原理圖設(shè)鎖相環(huán)路中的鑒相器是線性的,其輸出電壓正比于基準(zhǔn)振蕩與壓控振蕩的相位差,即:Ud =Kd 0i ( t ) 0o ( t )環(huán)路在鎖定狀態(tài)下,鑒相器的輸出電壓Vd通過低通濾波器加在壓控振

18、蕩器上,迫使壓控振蕩器具有與基準(zhǔn)振蕩相同的頻率.即環(huán)路在鎖定狀態(tài)下,輸出壓控振蕩的頻率等于基準(zhǔn)振蕩的頻率？0=?.系統(tǒng)無頻率誤差,而具有一個(gè)剩余相位差 0i Bo,就是該剩余相位差才能 保證壓控振蕩與基準(zhǔn)振蕩同步.一般將Ud=0時(shí)的VCO振蕩頻率稱為 VCO的自由振蕩頻率； 將UdM 0的VCO振蕩頻率 稱為VCO的受控振蕩頻率.假設(shè)基準(zhǔn)振蕩器與壓控振蕩器的頻率都是固定不變的,且VCO自由振蕩頻率恰好等于基準(zhǔn)振蕩頻率時(shí),由于反應(yīng)環(huán)路的自調(diào)整作用,能使壓控振蕩器的輸出電壓與基準(zhǔn)振蕩器的輸出電壓最后的相位差為0.由于某種原因,例如溫度變化或電源電壓變化造成VCO自由振蕩頻率發(fā)生變化時(shí),首先使壓控振

19、蕩器的輸出電壓與基準(zhǔn)振蕩器的輸出電壓之間的相位差 發(fā)生變化,于是鑒相器輸出一個(gè)直流電壓反過來限制VCO振蕩的頻率變化.通過反應(yīng)環(huán)路反復(fù)自行調(diào)整,使得 VCO自由振蕩頻率變化過程變成了一個(gè)相位變化的過程(小于 90°或 180 °),壓控振蕩器的輸出電壓與基準(zhǔn)振蕩器的輸出電壓之間的相位差使鑒相器輸出相應(yīng) 的電壓,從而使壓控振蕩器受控,受控振蕩頻率等于基準(zhǔn)振蕩頻率.在實(shí)際使用中,可以對(duì)基準(zhǔn)頻率輸出進(jìn)行倍頻或?qū)嚎卣袷庉敵鲞M(jìn)行分頻,完成低頻振蕩同步高頻振蕩；亦可以對(duì)基準(zhǔn)頻率輸出進(jìn)行分頻或?qū)嚎卣袷庉敵鲞M(jìn)行倍頻,完成高頻振蕩同步低頻振蕩.2同步范圍與捕獲范圍為了討論的簡(jiǎn)單化與可測(cè)量

20、性,假設(shè)基準(zhǔn)振蕩？發(fā)生變化,迫使 VCO的受控振蕩頻率隨之變化,以滿足同步要求.但是,VCO振蕩跟蹤基淮頻率變化是有一定范圍的,超過了此范圍環(huán)路將“失鎖,即VCO振蕩頻率不再跟蹤基淮頻率的變化了.下面用圖83來說明這一過程,同時(shí)引出鎖相環(huán)路的“同步范圍和“捕獲范圍兩個(gè)重要概念.圖8 3的縱坐標(biāo)代表加到 VCO上的控制電壓v；橫坐標(biāo)代表外加基淮頻率 ？,其中?3為VCO的自由振蕩頻率.圖8 3鎖相環(huán)路的“同步范圍和“捕獲范圍圖8 3 ( a)表示外加基準(zhǔn)頻率 ？由低向高緩慢變化的情況,設(shè)？由遠(yuǎn)低于?p處逐漸向?p靠近.在？小于?時(shí)環(huán)路失鎖,當(dāng)？ = ?2時(shí)環(huán)路鎖定,限制電壓 v出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的躍變；

21、 當(dāng)？升高至?i=?3時(shí),v = 0, ?繼續(xù)升高限制電壓 v變正,當(dāng)？升高至?4時(shí)環(huán)路失鎖,限制 電壓躍變?yōu)?.接著反過來緩慢降低外加基準(zhǔn)頻率?i,如圖8 3( b)所示.當(dāng)？=?4時(shí)環(huán)路并不能鎖定.?進(jìn)一步降低至?3時(shí)環(huán)路鎖定,限制電壓 v出現(xiàn)一個(gè)正的躍變；？繼續(xù)減少,v降低,當(dāng)降 至?i=?p時(shí),v=0.？繼續(xù)降低,限制電壓 v變負(fù),當(dāng)?i降低至?i時(shí),環(huán)路失鎖,限制電壓 躍變?yōu)?.在鎖相環(huán)路中,同步范圍與捕獲范圍的定義為：環(huán)路在已經(jīng)鎖定的狀態(tài)下,變化？,向低變到?i時(shí)或向高變到?4時(shí)環(huán)路才會(huì)失鎖.即是？在？1?4頻率范圍內(nèi)環(huán)路能保持鎖定,那么同步范圍為： ?L=( ?4 -?1)/2環(huán)

22、路在未鎖定的狀態(tài)下,變化？,當(dāng)?i由低向高變到?2或由高向低變到 ?3時(shí)環(huán)路才會(huì)進(jìn)入鎖定,那么捕獲范圍定義為： ?C= ( ?3 ?2) /2可見同步范圍大于捕獲范圍.理論與實(shí)踐都證實(shí), 在環(huán)中參加低通濾波器的截止頻率越低,捕獲范圍越小,只有在環(huán)中不參加低通濾波器的情況下,捕獲范圍才等于同步范圍.而同步范圍大小那么與環(huán)中介入的 低通濾波器無關(guān).其物理意義如下：當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí),鑒相器輸出重復(fù)頻率為?P ?或？ ?P的差拍振蕩信號(hào).該差拍信號(hào)通過低通濾波器時(shí)受到衰減,以致在？由低向高變到?2之前和在?i由高向低變到?3之前,加到VCO上的差拍信號(hào)幅度太小,不能使VCO的頻率擺動(dòng)到等于 ？,故不能捕獲

23、.只有？由低向高變到？2；由高向低變到 ?3時(shí),差拍信號(hào)頻率降低,低通濾波器對(duì) 差拍信號(hào)的衰減減少,加到 VCO上的差拍信號(hào)幅度加大,使 VCO頻率的擺動(dòng)加大到能夠包 括?2或?3時(shí),系統(tǒng)才能進(jìn)入平衡(鎖定),圖8 4所示為當(dāng)？頻率升高接近與到達(dá) ?2捕捉 過程中的差拍信號(hào). 而環(huán)路在已鎖定狀態(tài)下, 鑒相器輸出為一直流信號(hào),低通濾波器對(duì)其無衰減,故同步范圍與低通濾波器的截止頻率無關(guān).圖84捕捉過程中的差拍信號(hào)而在時(shí)鐘系統(tǒng)中,基準(zhǔn)振蕩頻率穩(wěn)定度高于VCO振蕩,應(yīng)該視為基準(zhǔn)頻率 ？固定,而VCO自由振蕩頻率 卬變化.當(dāng)?P偏離？時(shí)同樣存在一定的同步范圍與捕獲范圍.在預(yù)先調(diào)整好?P= ?i的情況下,

24、為保證鎖相環(huán)路的鎖定,要求VCO的自由振蕩頻率不漂出同步范圍,即要求 VCO自由振蕩頻率穩(wěn)定度W同步范圍(?4 ?1)/2?p.為保證暫時(shí)停電或基準(zhǔn)信號(hào)暫時(shí)消失后的重新捕獲,那么要求VCO的自由振蕩頻率再處在環(huán)路的捕獲范圍之內(nèi),即要求 VCO自由振蕩頻率穩(wěn)定度W捕獲范圍(?3 ?2)/2 ?po第二節(jié)城軌時(shí)鐘系統(tǒng)的功能需求時(shí)鐘系統(tǒng)作為城軌通信系統(tǒng)的一個(gè)局部, 在城軌運(yùn)營(yíng)過程中為工作人員、 乘客及全線機(jī) 電系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,使全線各機(jī)電系統(tǒng)的定時(shí)設(shè)備與時(shí)鐘系統(tǒng)同步,從而實(shí)現(xiàn)城軌全線統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),以提升運(yùn)營(yíng)效率和質(zhì)量.一、時(shí)鐘系統(tǒng)的根本功能需求1 可靠性時(shí)鐘系統(tǒng)所有設(shè)備均能滿足一天24h不

25、間斷連續(xù)運(yùn)行.2.同步校對(duì)限制中央一級(jí)母鐘設(shè)備接收外部GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(時(shí)標(biāo))信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)校時(shí),保持與GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)的同步.一級(jí)母鐘周期地送出統(tǒng)一的同步脈沖和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)給其他系統(tǒng),并通過輸出信道統(tǒng)一校準(zhǔn)各二級(jí)母鐘,從而使整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)長(zhǎng)期無累積誤差運(yùn)行.系統(tǒng)具備降級(jí)使用功能.當(dāng)一級(jí)母鐘在失去GPS時(shí)標(biāo)時(shí)應(yīng)能獨(dú)立正常工作；二級(jí)母鐘在傳輸通道中斷的情況下,應(yīng)能獨(dú)立正常工作； 各子鐘在失去外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),亦能獨(dú)立正常工作.在降級(jí)使用中允許時(shí)鐘精度下降.3時(shí)鐘精度在GPS時(shí)標(biāo)同步下,一級(jí)母鐘受控時(shí)鐘精度應(yīng)在土1 x 10-10 (s/d )以上.一級(jí)母鐘獨(dú)立時(shí)鐘精度(不受控情況下)應(yīng)在土 1 x 1

26、0-8( s/d )以上,二級(jí)母鐘獨(dú)立時(shí)鐘精度應(yīng)在土1x 10-7 (s/d )以上,一級(jí)和二級(jí)母鐘都應(yīng)帶有日期、時(shí)間顯示.4. 日期、時(shí)間顯示一級(jí)母鐘能產(chǎn)生全時(shí)標(biāo)信息,格式為：年,月,日,星期,時(shí),分,秒,毫秒,并能在 設(shè)備上顯示.二級(jí)母鐘具有日期、時(shí)間顯示功能.一級(jí)母鐘和二級(jí)母鐘具有數(shù)字式及指針式子鐘的多路輸出接口.數(shù)字式及指針式子鐘均應(yīng)有時(shí)、分、秒顯示,顯示應(yīng)清楚,數(shù)字子鐘具備12h和24h兩種顯示方式的轉(zhuǎn)換功能 (亦 可選用帶日期顯示的數(shù)字子鐘).子鐘安裝位置應(yīng)便于觀看.子鐘為雙面或單面顯示設(shè)備, 設(shè)在限制中央、車站和車輛段 /停車場(chǎng)等必要的區(qū)域和房間內(nèi).5. 為其他系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信

27、號(hào)中央一級(jí)母鐘設(shè)備設(shè)有多路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼輸出接口,能夠在整秒時(shí)刻給其他各相關(guān)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào).6. 設(shè)備冗余一、二級(jí)母鐘采用主、備母鐘冗余配置,并具有熱備功能.當(dāng)主母鐘出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)切換到備母鐘,由備母鐘全面代替主母鐘工作.主母鐘恢復(fù)正常后, 備母鐘自動(dòng)切換回主母鐘.7. 系統(tǒng)擴(kuò)容和升級(jí)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)方式,可方便地進(jìn)行擴(kuò)容.對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)二級(jí)母鐘系統(tǒng)的改動(dòng)都不會(huì) 影響整個(gè)系統(tǒng).節(jié)點(diǎn)設(shè)備擴(kuò)容時(shí)無需更換軟件和增加限制模塊,只需適當(dāng)增加接口板便可擴(kuò)大系統(tǒng)的容量.&可監(jiān)控性主要時(shí)鐘設(shè)備應(yīng)具有自檢功能, 并可由中央維護(hù)檢測(cè)終端采集檢測(cè)的結(jié)果,實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的工作狀態(tài)和故障狀態(tài).當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)

28、,維護(hù)檢測(cè)終端能夠進(jìn)行聲光報(bào)警, 指示故 障部位,對(duì)故障狀態(tài)和時(shí)間進(jìn)行打印和存儲(chǔ)記錄,并具有集中告警和聯(lián)網(wǎng)告警功能.9.防電磁干擾列車電機(jī)所產(chǎn)生的電磁波會(huì)對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,需采取必要的防護(hù)舉措,防止干擾信號(hào)進(jìn)入時(shí)鐘設(shè)備與線纜.二、一級(jí)母鐘的功能需求一級(jí)母鐘是整個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的中樞局部,其工作的穩(wěn)定性很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,因此,充分考慮了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)可靠性等綜合因素,將其設(shè)計(jì)為主、備冗余 配置的雙機(jī)系統(tǒng).主、備機(jī)具有自檢和互檢功能,并且主、備機(jī)之間可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)切換. 一級(jí)母鐘的時(shí)間依靠接收GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)來校準(zhǔn),以免產(chǎn)生累積誤差.一級(jí)母鐘的具體功能需求如下：(1) 一級(jí)母鐘能

29、夠顯示年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等全時(shí)標(biāo)時(shí)間信息.(2) 一級(jí)母鐘具有統(tǒng)一調(diào)整起始時(shí)間、變更時(shí)鐘快慢的功能.(3) 一級(jí)母鐘可通過設(shè)置在前面板上的鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的統(tǒng)一調(diào)整.(4) 一級(jí)母鐘接收時(shí)標(biāo)信號(hào)接收機(jī)發(fā)送的時(shí)標(biāo)信號(hào).時(shí)標(biāo)信號(hào)接收機(jī)正常工作時(shí),該信號(hào)將作為一級(jí)母鐘的時(shí)間基準(zhǔn)；外部所有的時(shí)標(biāo)信號(hào)接收出現(xiàn)故障時(shí),一級(jí)母鐘將采用自身的高穩(wěn)定晶振產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn),保持自身及二級(jí)母鐘正常工作并向時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備(維護(hù)檢測(cè)終端)發(fā)出告警或向限制中央集中網(wǎng)管發(fā)出告警.(5) 一級(jí)母鐘能與外部時(shí)標(biāo)信號(hào)保持同步.(6) 一級(jí)母鐘通過分路輸出接口箱采用標(biāo)準(zhǔn)的RS- 422接口與傳輸子系統(tǒng)相連,通過

30、城軌傳輸系統(tǒng)向設(shè)置于各車站 /車輛段的二級(jí)母鐘發(fā)送時(shí)標(biāo)信號(hào),統(tǒng)一校準(zhǔn)各個(gè)二級(jí)母鐘, 并負(fù)責(zé)向限制中央其他機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備提供時(shí)標(biāo)信號(hào).當(dāng)二級(jí)母鐘、子鐘或傳輸通道出現(xiàn)故障時(shí),能立即向時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管中央發(fā)出告警.(7) 級(jí)母鐘同時(shí)通過城軌傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)通道,經(jīng)由分路輸出接口箱接收二級(jí) 母鐘回送的自身和二級(jí)母鐘所屬子鐘的運(yùn)行狀態(tài)信息.(8) 級(jí)母鐘能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)市電電網(wǎng)的頻率波動(dòng)情況,當(dāng)頻率波動(dòng)過大時(shí),可發(fā)出報(bào) 警以提醒設(shè)備治理人員采取必要舉措.(9) 一級(jí)母鐘通過標(biāo)準(zhǔn)的 RS- 232接口與網(wǎng)管終端相連,以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)主要設(shè)備 和部件的監(jiān)控.(10) 一級(jí)母鐘具有80路標(biāo)準(zhǔn)的RS- 422接口(可擴(kuò)

31、至512個(gè)).其中向各車站/車輛 段提供時(shí)標(biāo)信號(hào)接口 30路,預(yù)留25路接口用于將來擴(kuò)展使用； 向其他系統(tǒng)提供20路接口.(11) 一級(jí)母鐘通過20路標(biāo)準(zhǔn)的RS- 422接口,向城軌其他機(jī)電系統(tǒng)以及需要統(tǒng)一時(shí) 間的系統(tǒng)發(fā)送全時(shí)標(biāo)時(shí)間信號(hào),以實(shí)現(xiàn)城軌全線時(shí)間的嚴(yán)格統(tǒng)一.(12) 一級(jí)母鐘通過對(duì)主、備母鐘工作狀態(tài)的循環(huán)自檢和互檢,在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)能夠立即 實(shí)現(xiàn)母鐘主、備機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；非故障狀態(tài)下,主、備母鐘也可以手動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換.三、二級(jí)母鐘的功能需求二級(jí)母鐘設(shè)置在各車站/車輛段的通信設(shè)備室內(nèi).為了保證系統(tǒng)的可靠性,二級(jí)母鐘設(shè) 置為主、備機(jī)模式.在正常情況下,主機(jī)工作,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)轉(zhuǎn)換到熱備份的備用

32、機(jī) 上工作,提升了系統(tǒng)的可靠性.二級(jí)母鐘的具體功能需求如下：(1) 二級(jí)母鐘通過接收一級(jí)母鐘發(fā)出的時(shí)標(biāo)信號(hào),與一級(jí)母鐘保持同步.二級(jí)母鐘采 用RS- 422接口,通過城軌傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道與中央母鐘相連接.(2) 二級(jí)母鐘通過 RS- 422接口向所在區(qū)域的子鐘發(fā)送時(shí)標(biāo)信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)子鐘時(shí)間顯示精度的校準(zhǔn),同時(shí)接收子鐘回送的工作狀態(tài)信息,并能夠向一級(jí)母鐘回饋?zhàn)陨砑八犠隅姷墓ぷ餍畔?(3) 二級(jí)母鐘每秒一次接收一級(jí)母鐘的時(shí)標(biāo)信號(hào),從每秒的零毫秒時(shí)刻開始以4800/ 9600波特率連續(xù)發(fā)送21個(gè)含有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的時(shí)間字符,并且包含起始位、結(jié)束位、校驗(yàn)位、GPS校時(shí)等字符信

33、息.二級(jí)母鐘在接收到結(jié)束符后,可直接用接收到 的時(shí)間信息來替換自身設(shè)備的毫秒計(jì)時(shí)；然后再依次校準(zhǔn)秒、分、時(shí)、日、月、年、星期等 計(jì)時(shí)單元.二級(jí)母鐘的發(fā)送和接收可同步進(jìn)行.(4) 二級(jí)母鐘具有獨(dú)立的高穩(wěn)定晶振,一級(jí)母鐘對(duì)二級(jí)母鐘是校時(shí)或同步的關(guān)系,而不是替代關(guān)系,當(dāng)中央一級(jí)母鐘或數(shù)據(jù)傳輸通道出現(xiàn)故障時(shí),二級(jí)母鐘將依靠自身晶振產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)獨(dú)立工作,驅(qū)動(dòng)所轄子鐘的運(yùn)行,并立即向時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備發(fā)出失步告警信號(hào).(5) 二級(jí)母鐘具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸接口,通過RS- 232接口可接入移動(dòng)網(wǎng)管計(jì)算機(jī)(筆 記本電腦),在本車站可實(shí)現(xiàn)對(duì)本站設(shè)備以及各個(gè)車站設(shè)備的監(jiān)測(cè).(6) 二級(jí)母鐘具有日期、時(shí)間顯示功能,時(shí)間

34、顯示器以年、月、日、星期、時(shí)、分、秒格式顯示.時(shí)間顯示器平常顯示日歷和時(shí)間,需要時(shí)也可作為檢測(cè)窗口使用,用戶可以通過切換按鍵很方便的順序查詢本二級(jí)主、備母鐘,接口模塊以及本站所有子鐘的運(yùn)行狀態(tài). 二級(jí)母鐘并具備人工調(diào)整功能.(7) 二級(jí)母鐘具有子鐘分路輸出接口.通過屏蔽電纜線連接本車站/車輛段內(nèi)各子鐘. 二級(jí)母鐘采用標(biāo)準(zhǔn) RS- 422接口,直接電纜方式與所在區(qū)域的子鐘相連接.連接子鐘的接口數(shù)量為10路.每路最多可帶 20個(gè)子鐘.其接口同時(shí)可接指針式和數(shù)字式子鐘.(8) 二級(jí)母鐘配有 10路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間接口( RS- 422),為站內(nèi)其他系統(tǒng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí) 間信息.(9) 二級(jí)母鐘各接口局部故障,

35、不影響整個(gè)系統(tǒng)正常工作.四、子鐘的功能需求車站/車輛段的子鐘均通過 RS- 422接口,采用直接電纜方式與本車站 /車輛段二級(jí)母 鐘相連,接收二級(jí)母鐘發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào), 對(duì)自身的精度進(jìn)行校準(zhǔn), 向工作人員及乘客直 接指示時(shí)間信息.子鐘在接收到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)后,向所歸屬二級(jí)母鐘回送自身的工作狀態(tài).所有子鐘均具有獨(dú)立的計(jì)時(shí)功能, 平時(shí)跟蹤二級(jí)母鐘工作.當(dāng)二級(jí)母鐘出現(xiàn)故障或因其 他原因,接收不到時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí), 子鐘仍能依靠自身晶振工作, 并向時(shí)鐘系統(tǒng)治理中央發(fā)出告 警.子鐘可分為指針式子鐘和數(shù)字式子鐘兩大類；從外觀結(jié)構(gòu)上分單面和雙面兩種類型；從安裝方式上可分成懸掛式和壁掛式兩種.數(shù)字式子鐘從顯示方式上

36、可分為日歷數(shù)字式子鐘和無日歷數(shù)字式子鐘.數(shù)字式子鐘均采用超高亮或高亮LED數(shù)碼管顯示,且顯示清楚醒目,色澤均勻,視覺柔和,顯示字符邊緣清楚, 字體飽滿.子鐘均有時(shí)、分、秒顯示,日歷數(shù)字式子鐘還帶有年、 月、日、星期等顯示信息.電源開關(guān)亦可用作子鐘死機(jī)時(shí)的重新啟動(dòng).所有數(shù)字子鐘均具有 12/24制計(jì)時(shí)顯示格式,也可以通過監(jiān)控系統(tǒng)有選擇地進(jìn)行局部 和全部子鐘顯示格式的定時(shí)切換.其中室內(nèi)子鐘的防護(hù)等級(jí)為IP> 41;室外子鐘的防護(hù)等級(jí)為IP>56.數(shù)字式子鐘的運(yùn)行是靠自身系統(tǒng)進(jìn)行,通過定時(shí)接收二級(jí)母鐘的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),將時(shí)間指示刷新后與二級(jí)母鐘一致.所有數(shù)字式子鐘均具有記憶功能,內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)

37、鐘集成電路和充電電池,停電后可繼續(xù)保持實(shí)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)數(shù)年,上電后立即自動(dòng)顯示正確時(shí)間.第三節(jié)城軌時(shí)鐘系統(tǒng)的構(gòu)建一、時(shí)鐘系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)鐘系統(tǒng)按限制中央一級(jí)母鐘和車站/車輛段二級(jí)母鐘兩級(jí)組網(wǎng)方式設(shè)置,系統(tǒng)主要包括：GPS信號(hào)接收單元、限制中央主/備一級(jí)母鐘系統(tǒng)、車站車輛段主 /備二級(jí)母鐘、時(shí) 間顯示單元簡(jiǎn)稱子鐘、時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管終端、電源、接口設(shè)備及傳輸通道等構(gòu)成.限制中 心設(shè)置一級(jí)母鐘與限制中央中的子鐘,沿線各車站、車輛段/停車場(chǎng)設(shè)置二級(jí)母鐘和子鐘.限制中央一級(jí)母鐘接收并同步來自GPS衛(wèi)星的時(shí)標(biāo)信號(hào),配置在限制中央一級(jí)母鐘為其他各機(jī)電系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間信號(hào),使各子系統(tǒng)的定時(shí)設(shè)備與時(shí)鐘系統(tǒng)同步,限制中

38、央一級(jí)母鐘并通過傳輸線路向各車站和車輛段的二級(jí)母鐘傳送時(shí)標(biāo)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)城軌全線執(zhí)行統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).時(shí)鐘系統(tǒng)框圖如圖8-5所示.中出母鐘RS-422/45£i I限制中央點(diǎn)材點(diǎn)至咨系統(tǒng)NTP效勞爵誦勺廿路輸出抑I箱沁述他魚用嶺舉聶眈110路按自帶丁鐘 kw咖接口 Z坤欣口誥錚船牠螯埔"I刊盹瞬夷r陽用址1二級(jí)母鐘信弓樓.停車準(zhǔn)檢憨用值班室車輛段両B制RSmMSSjFH車車站站傳輸設(shè)儒二級(jí)桂鐘信號(hào)也停弔鼠檢幽愉曲舉i停車場(chǎng) RS- 224851SIJ圖8-5城軌時(shí)鐘系統(tǒng)框圖二、時(shí)鐘系統(tǒng)的主要設(shè)備1. 限制中央一級(jí)母鐘限制中央母鐘的時(shí)間依靠接收外部同步時(shí)標(biāo)信號(hào)來進(jìn)行校準(zhǔn),以免產(chǎn)

39、生累積誤差,外部同步時(shí)標(biāo)信號(hào)采用 GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星時(shí)標(biāo)信號(hào),對(duì)自身時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn),從而消除累積誤 差.當(dāng)接收外部同步時(shí)標(biāo)信號(hào)的裝置出現(xiàn)故障時(shí),一級(jí)母鐘將利用自身的高穩(wěn)定度晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)二級(jí)母鐘正常工作,并向時(shí)鐘網(wǎng)管設(shè)備提供告警.當(dāng)外部時(shí)間信號(hào)設(shè)備恢復(fù)時(shí),一級(jí)母鐘將自動(dòng)跟隨.限制中央一級(jí)母鐘通過城軌專用傳輸系統(tǒng)定時(shí)每秒將同步時(shí)標(biāo)信號(hào)發(fā)送給車站/車輛段的二級(jí)母鐘,同步二級(jí)母鐘.限制中央一級(jí)母鐘包括GPs信號(hào)接收模塊和一級(jí)母鐘模塊.1GPS信號(hào)接收模塊為了提升時(shí)鐘系統(tǒng)輸出時(shí)標(biāo)信號(hào)的精度,限制中央母鐘受控于GPS時(shí)標(biāo)信號(hào).為此,限制中央母鐘配置 GPS接收機(jī),向時(shí)間系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn),

40、以實(shí)現(xiàn)時(shí)間系統(tǒng)的無 累積誤差運(yùn)行.GPS信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)上應(yīng)具有 48個(gè)并行信道,即同時(shí)最多可以接收48個(gè)GPS衛(wèi)星的信號(hào).該模塊從接收的GPS信號(hào)中分解出時(shí)標(biāo)信息,用以同步一級(jí)母鐘中的受控高穩(wěn)定度晶體振蕩器,使該晶體振蕩輸出的時(shí)鐘信號(hào)精度到達(dá)GPS時(shí)鐘信號(hào)的精度土 1X 10-10s/d以上.2級(jí)母鐘一級(jí)母鐘為受GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)限制的高穩(wěn)定度溫補(bǔ)晶體振蕩器.該母鐘采用主備冗余結(jié) 構(gòu).并通過城軌傳輸系統(tǒng)同步各受控晶體振蕩器通過系統(tǒng)總線將時(shí)標(biāo)信號(hào)傳送給其他系統(tǒng),車站與車輛段的二級(jí)母鐘.當(dāng)GPS信號(hào)接收模塊無法正常接收GPS信號(hào)時(shí),由晶體振蕩器的獨(dú)立振蕩精度為土 1X 10-8s/d以上提供時(shí)鐘信號(hào)

41、.一級(jí)母鐘帶有時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路,用以驅(qū)動(dòng)限制中央中的子鐘；并帶有時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)管接口, 用以連接網(wǎng)管終端.2. 二級(jí)母鐘在各車站/車輛段的通信設(shè)備用房?jī)?nèi)設(shè)置二級(jí)母鐘,通過城軌傳輸通道接收限制中央母 鐘發(fā)出的時(shí)標(biāo)信號(hào), 產(chǎn)生并輸出時(shí)間限制信號(hào),用于驅(qū)動(dòng)本站所有的子鐘.同時(shí),二級(jí)母鐘向限制中央一級(jí)母鐘回送的各站二級(jí)母鐘及子鐘的運(yùn)行狀態(tài)信息.二級(jí)母鐘預(yù)留系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口,以便接入便攜式終端進(jìn)行設(shè)備維護(hù)治理.3子鐘子鐘接收二級(jí)母鐘發(fā)出的時(shí)標(biāo)驅(qū)動(dòng)信號(hào),進(jìn)行時(shí)間信息顯示.子鐘能夠脫離二級(jí)母鐘單獨(dú)運(yùn)行,子鐘顯示方式為指針或數(shù)字方式.考慮到乘客導(dǎo)乘信息系統(tǒng)在站臺(tái)、站廳區(qū)均設(shè)有PIS顯示屏,此設(shè)備上已顯示了時(shí)間信息,故

42、在車站站臺(tái)、站廳區(qū)可少設(shè)子鐘.4. 傳輸通道限制中央一級(jí)母鐘至二級(jí)母鐘的傳輸通道利用城軌專用傳輸網(wǎng)提供的電路數(shù)據(jù)傳輸通道亦可采用分組數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn).每站占用2路一主一備通道,接口標(biāo)準(zhǔn)為RS- 422 ,傳輸速率9600bit/s.限制中央母鐘、車站車輛段二級(jí)母鐘至子鐘間的傳輸通道,采用 時(shí)鐘屏蔽電纜.5. 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)終端在限制中央的通信設(shè)備用房?jī)?nèi)時(shí)鐘監(jiān)測(cè)治理終端網(wǎng)管終端,通過數(shù)據(jù)傳輸通道,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全線時(shí)鐘系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)施故障定位、報(bào)警.并通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備向城軌綜合網(wǎng)管系統(tǒng)傳輸告警信息,實(shí)施集中治理與集中告警.三、時(shí)鐘系統(tǒng)的連接接口1. 限制中央母鐘輸出接口限制中央一級(jí)母鐘向各車站 /車輛段的二

43、級(jí)母鐘、系統(tǒng)網(wǎng)管、城軌的其他機(jī)電系統(tǒng)通過 傳輸系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)通道,發(fā)送時(shí)標(biāo)信號(hào)的接口均采用RS-422接口,以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或總線方式連接.限制中央一級(jí)母鐘與車站 /車輛段二級(jí)母鐘之間,也可以采用NTP接口,通過分組數(shù)據(jù)IP通道傳送時(shí)標(biāo)信號(hào).需要時(shí)標(biāo)信號(hào)的其他機(jī)電系統(tǒng)包括：PIS CCTV系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、專用 系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、綜合UPS系統(tǒng).2. 限制中央母鐘與限制中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)的單設(shè)接口限制中央一級(jí)母鐘設(shè)備單設(shè)兩路時(shí)標(biāo)輸出接口,在整秒時(shí)刻給城軌限制中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào).3. 限制中央母鐘與信號(hào)系統(tǒng)的單設(shè)接口限制中央母鐘設(shè)備單設(shè)兩路時(shí)標(biāo)信號(hào)輸出接口

44、,提供“NMEA0183 格式時(shí)間信號(hào)給城軌限制中央信號(hào)系統(tǒng).4. 母鐘與子鐘的接口二級(jí)母鐘連接子鐘的時(shí)標(biāo)接口采用RS- 422總線方式,也可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式.第四節(jié)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)問同步與 NTP協(xié)議一、概述每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的時(shí)間,并且是可以調(diào)節(jié)的. 一般情況下,很難保證網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)具有相同的時(shí)間,但在不少應(yīng)用場(chǎng)合下,網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)需要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,例如： 在調(diào)度系統(tǒng)中上級(jí)調(diào)度下達(dá)的調(diào)度指揮命令與下級(jí)接受該命令的時(shí)間；CCTV系統(tǒng)錄像回放時(shí)所顯示的視頻記錄時(shí)間；信號(hào)系統(tǒng)中列車出發(fā)/到達(dá)時(shí)間；電力監(jiān)控中合/拉閘時(shí)間；AFC 系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)的順序等,都需要網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步.網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各

45、臺(tái)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間不斷地進(jìn)行調(diào)整,使其時(shí)間盡量地統(tǒng)一于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間.二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法從實(shí)現(xiàn)機(jī)制來看,時(shí)間同步有硬件和軟件兩種同步方法,各有不同的精度與本錢.目前,世界各國(guó)發(fā)布的時(shí)間包括中國(guó)的北京時(shí)間,均以協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC作為基準(zhǔn).UTC是基于地球自轉(zhuǎn)/天文歷法和銫原子鐘相結(jié)合的基準(zhǔn)時(shí)間.硬件時(shí)間同步系指利用一定的硬件設(shè)施接受UTC進(jìn)行時(shí)間同步.在實(shí)際應(yīng)用中,采用GPS系統(tǒng)獲得精確的UTC基準(zhǔn)時(shí)間是最為經(jīng)濟(jì)、便捷的方法.城軌的時(shí)鐘系統(tǒng)采用硬件時(shí) 間同步技術(shù),同步于 GPS接收機(jī)輸出的ToD時(shí)間信號(hào),并采用電路數(shù)據(jù)方式傳輸同步時(shí)標(biāo) 信號(hào),故可獲得很高的時(shí)間同步精度.軟件時(shí)間同步亦是接受 U

46、TC 在城軌中為限制中央母鐘通過RS- 422等電路數(shù)據(jù)接口輸出的同步時(shí)標(biāo)信號(hào) 進(jìn)行時(shí)間同步,與硬件時(shí)間同步的不同點(diǎn)在于,軟件時(shí)間同步利用時(shí)間同步算法,通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步.軟件同步信息在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳送,特別是在廣域網(wǎng)上傳輸時(shí)延大且有很大的不確定性,使得軟件同步可以到達(dá)的同步精度較低通常為毫秒級(jí).然而軟件時(shí)間同步比硬件時(shí)間同步更加靈活,本錢也低.在城軌應(yīng)用中采用混合時(shí)間同步方式.其中的城軌時(shí)鐘系統(tǒng)采用硬件時(shí)間同步方式產(chǎn)生高精度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào).同步城軌中的列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS、通信系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)AFC、電力監(jiān)控系統(tǒng)SCADA、防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)FAS、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)BAS、基于 通信的列

47、車限制系統(tǒng)CBTC、列車的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)FAO、辦公室自動(dòng)化系統(tǒng)OA 等網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)間效勞器NTP效勞器,并通過城軌專用傳輸網(wǎng)同步車輛段與車站各局域網(wǎng) 的從時(shí)間效勞器,進(jìn)而同步相應(yīng)局域網(wǎng)中的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)例如CCTV中的網(wǎng)絡(luò)攝像頭、AFC中的進(jìn)出站檢票機(jī)等.三、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP除了可以估算消息包在網(wǎng)絡(luò)中的往返時(shí)間外,還可以估算計(jì)算機(jī) 之間的時(shí)鐘偏差,用以在無序的因特網(wǎng)環(huán)境中提供精確與健壯的時(shí)間效勞,把計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步到某個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間上.當(dāng)前幾乎所有的授時(shí)網(wǎng)站都是基于NTPv3 NTP第三版本的,它們提供的時(shí)間精度在廣域網(wǎng)上為數(shù)十毫秒,在局域網(wǎng)上那么為亞毫秒級(jí)或更高.NTP的應(yīng)用越

48、來越廣泛,在互聯(lián)網(wǎng)上工作的時(shí)間效勞器已超過十萬臺(tái).1. NTP的工作模式1 客戶機(jī)/效勞器模式：采用一對(duì)一連接,效勞器可同步客戶機(jī)； 客戶機(jī)不能同步服 務(wù)器.2對(duì)稱模式：與客戶機(jī)/效勞器模式根本相同,但雙方均可同步對(duì)方或被對(duì)方所同步, 先發(fā)出申請(qǐng)連接的一方工作在主動(dòng)模式下；另一方工作在被動(dòng)模式下.3 播送/多播模式：效勞器與各客戶機(jī)工作在一對(duì)多的連接方式下,效勞器主動(dòng)發(fā)出時(shí)間信息,客戶機(jī)接收此信息調(diào)整自己的時(shí)間.由于忽略了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,精度較低,適合用于高速局域網(wǎng)中.2. NTP協(xié)議的工作原理NTP以客戶機(jī)/效勞器模式進(jìn)行通信,客戶機(jī)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包,效勞器接收后回送 一個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)包.兩個(gè)數(shù)據(jù)包

49、都帶有發(fā)送與接收的時(shí)間戳,根據(jù)這四個(gè)時(shí)間戳, 可用來計(jì)算客戶機(jī)與效勞器之間的時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延.在圖8 6中,Ti為客戶機(jī)發(fā)送查詢請(qǐng)求包的時(shí)刻；T2為效勞器收到查詢請(qǐng)求包的時(shí)刻；T3為效勞器回復(fù)時(shí)間信息包的時(shí)刻；T4為客戶機(jī)收到時(shí)間信息包的時(shí)刻.根據(jù)上述過程的時(shí)間關(guān)系可得：T2 =(+ ) + ST4 =( T3 0) + S根據(jù)以上兩式可解得效勞器和客戶機(jī)之間的時(shí)間偏差0,以及兩者之間的單程網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間&0=(T2 Ti) ( T4 T3) /2&= (T2 Ti) + ( T4 T3) /2由以上2式可見0、&只與T2與Ti的差值、T4與T3的差值相關(guān),而與 T3和

50、T2的差值 無關(guān),即所得結(jié)果與效勞器處理請(qǐng)求所需時(shí)間無關(guān).據(jù)此,客戶機(jī)可根據(jù)、T2、T3、T4四個(gè)時(shí)間戳,計(jì)算出時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí),用以調(diào)整本地時(shí)鐘.3. NTP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)一般采用如圖87所示的分層結(jié)構(gòu).STD根本時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)圖87 時(shí)間同步網(wǎng)的根本結(jié)構(gòu)圖中根部ST0為基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)可以采用GPS UTC或國(guó)家時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)等；STl基準(zhǔn)時(shí)間效勞器直接同步于基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),STl通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 (NTP)將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間送ST2時(shí)間效勞器或其他工作站.ST2、ST3時(shí)間效勞器完成對(duì)時(shí)間信號(hào)的傳送和分配.因網(wǎng)絡(luò)采用逐層同步的方法,故隨著層數(shù)的增加、同步時(shí)間的精度逐層下降,層數(shù)被限制在

51、15層之內(nèi).時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的效勞范圍,建議不超過500個(gè)工作站.另外,出于對(duì)精確度與可靠性的考慮,下層設(shè)備可以同時(shí)引用多個(gè)上層或同層設(shè)備作為時(shí)間同步的參考源.在NTP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,NTP數(shù)據(jù)包均帶有時(shí)間戳.時(shí)間戳用 64位無符號(hào)數(shù)表示自公元 1900年1月1日零時(shí)起開始的秒數(shù),前 32位為整數(shù)局部,后 32位為小數(shù)局部,理論上的 精度可以到達(dá)2-32s.NTP數(shù)據(jù)包的傳輸采用 UDP協(xié)議.4. NTP的處理流程圖8 8表示了 NTP在一個(gè)同步節(jié)點(diǎn)中的處理流程.圖8 8 NTP處理流程由圖8 8可見,NTP利用多個(gè)對(duì)等上級(jí)或同級(jí)的效勞器來獲得高精確度與可靠性. 當(dāng)從多個(gè)對(duì)等機(jī)獲得時(shí)間同步信息后,過濾

52、器從這些信息中選取最正確樣本,與本地時(shí)間進(jìn)行比擬.通過選擇與聚類算法對(duì)往返延時(shí)、離差和偏移等參數(shù)進(jìn)行分析,選擇假設(shè)干個(gè)較為準(zhǔn)確的效勞器.合成算法對(duì)這些效勞器的信號(hào)進(jìn)行綜合,用以獲取更正確的時(shí)間參考.環(huán)路濾波器和可變頻率振蕩器VFO所組成的鎖頻/相環(huán)路,在時(shí)鐘校準(zhǔn)算法的限制下,調(diào)節(jié)本地 時(shí)鐘的時(shí)間和頻率.上述的鎖頻 /相環(huán)路可以采用軟件或硬件的方式來實(shí)現(xiàn),但多數(shù)采用軟 件方式.采用NTP協(xié)議構(gòu)建同步時(shí)間網(wǎng),由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且采用標(biāo)準(zhǔn)接口,故利于維護(hù) 和平滑擴(kuò)容.廣泛用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)中計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步.第五節(jié) 城軌通信系統(tǒng)的時(shí)鐘同步一、概述基于協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的時(shí)間同步系統(tǒng)和城軌

53、數(shù)字通信系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步系統(tǒng)均采用GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)、銫原子鐘或高穩(wěn)定度的石英振蕩器作為同步時(shí)鐘源,但前者定期輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間年、月、日、時(shí)、秒、毫秒信息,而后者的輸出為不涉及具體時(shí)間、連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘 振蕩信號(hào).數(shù)字通信系統(tǒng)中時(shí)鐘同步的作用是,使數(shù)字網(wǎng)中所有通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時(shí)鐘頻率和相位都限制在預(yù)定的容限之內(nèi),從而使通過網(wǎng)內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)字流實(shí)現(xiàn)正確、有效的傳送與交換.數(shù)字交換機(jī)在進(jìn)行時(shí)隙交換時(shí), 要求各交換時(shí)隙在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn), 即要求交換設(shè)備與出人 中繼接口的數(shù)據(jù)流同步. 解決方法為在中繼接口中設(shè)置緩沖存儲(chǔ)器. 該存儲(chǔ)器以中繼傳輸線 路所提取的時(shí)鐘寫入,以交換機(jī)時(shí)鐘讀出.于由兩者時(shí)標(biāo)的差異,有可能隔

54、一定時(shí)間重復(fù)讀 一幀或喪失一幀,稱為滑碼.滑碼造成話音通路雜音和數(shù)據(jù)通路的誤碼.SDH節(jié)點(diǎn)間假設(shè)同步運(yùn)行那么無指針調(diào)節(jié), 隨著同步性能的降低,指針調(diào)節(jié)頻次增加.頻次 大到一定程度引起輸出數(shù)字流的抖動(dòng)、飄移和誤碼的超標(biāo).通信系統(tǒng)中時(shí)鐘同步的根本功能是,準(zhǔn)確地將基準(zhǔn)時(shí)鐘的時(shí)標(biāo)信號(hào)向網(wǎng)中各通信節(jié)點(diǎn)設(shè) 備傳送,從而調(diào)節(jié)網(wǎng)中的通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)鐘保持與基準(zhǔn)時(shí)鐘的一致.某些城軌時(shí)鐘沒備帶有 2048 kbit/s的通信網(wǎng)基準(zhǔn)同步信號(hào)接口,可以直接連接城軌通 信主設(shè)備的外接時(shí)鐘接口.城軌通信網(wǎng)亦可由通信綜合定時(shí)供應(yīng)系統(tǒng)BITS產(chǎn)生通信網(wǎng)基準(zhǔn)同步信號(hào).同步自身的時(shí)鐘,使其精度到達(dá)通信綜合定時(shí)供應(yīng)系統(tǒng)接收上級(jí)節(jié)點(diǎn)的

55、基準(zhǔn)同步信息, 上級(jí)時(shí)鐘的精度,為所在通信設(shè)備提供時(shí)標(biāo)信號(hào).二、通信綜合定時(shí)供應(yīng)系統(tǒng)BITS通信綜合定時(shí)供應(yīng)系統(tǒng) BITS的主要作用如下:1過濾輸入基準(zhǔn)同步信號(hào)BITS的基準(zhǔn)同步信號(hào)來自上級(jí)時(shí)鐘其中包括GPS時(shí)標(biāo)信號(hào),在基準(zhǔn)同步信號(hào)傳送過 程中,會(huì)引入時(shí)標(biāo)信號(hào)的抖動(dòng)與飄移,且這種抖動(dòng)與飄移會(huì)產(chǎn)生累積.對(duì)抖動(dòng)與飄移而言,BITS中的鎖相環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)截止頻率低于10Hz的低通濾波器,它將濾除疊加在輸入時(shí)標(biāo)信號(hào)上的相位抖動(dòng)；削弱疊加在輸入時(shí)標(biāo)信號(hào)上的相位飄移,從而使BITS設(shè)備輸出一個(gè)“純凈的時(shí)標(biāo)信號(hào).2 保持運(yùn)行在進(jìn)入BITS設(shè)備的上級(jí)基準(zhǔn)同步信號(hào)中斷條件下,BITS設(shè)備中的時(shí)鐘臨時(shí)成為BITS的主時(shí)鐘,它可以在一