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摘要：时间同步的重要性不言而喻，随着我国自主研发控制的北斗卫星导航系统的迅速发展，联合GPS进行双系统冗余备份授时，可以保证在某一个卫星失步的情况下，可以使用另一个卫星授时源提供标准时间信息，提高了系统工作的安全性和授时精度。本文论述了北斗二代和M12T授时定位原理以及系统硬件实现的方法等。
关键词：时间同步；北斗/GPS；冗余
1 引言
电力系统要确保发电厂、变电站的电力设备运转同步进行，首先必须要确保设备内部时钟的一致性，电力系统的安全运行需要在很大范围内实现高精度的时间同步。安全可靠的高精度的时间同步技术是当代电网乃至未来智能电网正常运行的一项基本要求。
以往的时间同步装置大多采用单一GPS时钟源进行授时，存在一定的安全隐患，主要表现在以下几个方面：首先，GPS是由美国控制的全球卫星导航系统，虽然现在对世界各地开放，但是并未承诺他国可以无限期的免费使用；其次，万一出现战争或者其他因素，GPS信号可能在我国不可用或者存在干扰；再者，在某些状况下可能会出现暂时接收不到GPS信号的情况。
现在我国拥有自主研发控制的北斗卫星导航系统，并且“北斗二号”系统发展迅速，技术也逐步成熟，联合GPS进行双系统冗余备份授时，一方面摆脱对GPS的过分依赖，消除各行业的安全隐患问题，另一方面也解决了GPS信号不可用的情况下时钟源的问题。现在这种联合双模授时模式已经会成为时间同步系统的发展趋势，采用GPS/北斗双模授时，可以保证在某一个卫星失步的情况下，可以使用另一个卫星授时源提供标准时间信息，提高了系统工作的安全性和授时精度。
2 GPS/北斗定位授时基本原理
2.1 GPS定位与授时原理简介
GPS系统采用的时间基准是UTC (协调世界时)，GPS系统里的高精度原子钟与UTC时间同步，为GPS系统实施精确定位和高精度授时提供时间基础。GPS卫星会不间断将导航电文信息经过载波调制后向地面发播，导航电文中包含以下信息，包括卫星时钟的修正值、卫星工作状态、卫星星历、电离层传播时延修正参数等。地面用户可以从卫星下发的导航电文中得到接收机与相应卫星之间的距离和以及卫星时间等信息。由于接收机本地时钟和GPS卫星时间之间存在偏差，再加上大气层电离层对信号传播的干扰等因素，接收机得到的距离并不是真实有效的，我们一般将这种距离称为“伪距”。在实际应用中，必须要消除由于以上原因带来的偏差，求出本地接收机真实有效的位置信息以及精确的时间信息。
GPS卫星定位授时功能主要是指确定本地用户接收机的三维位置（经纬度和高度信息）和精确时间信息，共有四个未知参数。因此至少需要4颗卫星来实现时间同步和定位功能。GPS系统定位授时原理图如图1所示。
图1 GPS系统定位授时示意图
如上图4-2，假设用户在T时刻时，GPS用户接收机与四颗卫星的伪距值分别为PR1、PR2、PR3、PR4，四颗GPS卫星的卫星时间分别为T1、T2、T3、T4，卫星的此时空间位置坐标为（xi，yi，zi）,i=1,2,3,4，本地用户接收机的位置坐标记为（x，y，z），则有如下方程式：
式（1）
在式（1）中， c为光速，卫星的时间信息Ti、空间的位置坐标（xi，yi，zi）以及卫星到用户接收机的伪距PRi（i=1,2,3,4）等信息可以由GPS导航电文计算得出，均为已知量。我们由上面的方程组就可求得本地用户接收机所处的位置坐标（x，y，z）和精确的时间T，这就是GPS卫星导航定位系统的定位授时的基本原理。
2.2 北斗二代定位与授时原理简介
北斗二代卫星导航系统是中国自主研发的第二代卫星导航系统，北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，到2020年将建设成为覆盖全球为全球提供服务的卫星导航系统。目前北斗服务的方式有两种：开放服务和授权服务。开发服务免费提供定位、测速和授时服务。定位精度为10m，测速的精度为0.2m/s,授时的精度为50ns。
与GPS卫星导航系统相比，北斗二代卫星导航系统的平均区域覆盖数有了明显提高。北斗二代卫星导航系统采用和GPS相同的单向测距三维导航定位技术，直接接收卫星单程测距信号进行定位，系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置的隐蔽性。因为原理相似，在此就不再赘述。
3 系统硬件实现
GPS接收模块和北斗接收模块通过天线分别接收GPS和北斗卫星信号，经过信号处理后产生各自的秒脉冲信号和串行时间信息，然后通过总线板输出给主控制板控制处理。GPS/北斗双模授时原理如图2所示。
图2 GPS/北斗双模授时原理框图
系统遵照电磁兼容性要求，采用模块化设计主机接收模块采用通用的M12T GPS专用授时模块或者北斗二代中星恒通模块。电路设计原则是保证在同一块电路板上既可以插接GPS模块，也可插接北斗模块，增加了系统的通用性。接收板硬件架构图如图3所示。
图3 接收板硬件架构图
GPS模块采用摩托罗拉的M12T专用授时模块,作为标准时钟源。M12+ TIMING ONCORE GPS专用授时模块定时精度高，在使用时间间隔信息时PPS授时精度小于20ns，不使用时间间隔时，授时精度也能达到100ns。
北斗模块采用中星恒通的北斗二代模块，相比北斗一代模块，定位更快，优势明显。中星恒通模块是利用 GPS、BD 两个卫星导航系统进行组合定位、授时的OEM 模块。本模块可实现 GPS、BD 单独无源授时、定位功能。系统可选择指定北斗、指定 GPS、自由组合三种方式。当选择某个系统时，将输出该系统当前的定位及授时信息。三种工作方式可由命令进行选择设置。我们默认设置其在北斗工作模式下。模块波特率可选，配置有TTL 电平(3.3V)输出的串行接口。其中秒脉冲宽度为 100 ms(高脉冲)，授时精度(RMS)为100ns，定位精度(RMS)为10m，测速精度（RMS）为0.1m/s。
中星恒通北斗二代接收机默认出厂配置为$P2SSZ,1,4,<3>,<4>*hhhh ，系统选用自由组合模式，9600bps的波特率；P2SLZ,接收机默认零值为0ns；P2STIM默认显示的时间是 UTC 时间；P2STZN默认时区为东8区；P2SYBL默认输出 GPS 系统闰秒相关信息；P2SDLY默认串口数据延时为100ms。在系统的默认出厂设置下P2SYZ语句值为10100010，2SZDY语句是关闭的，为了方便授时信息的读取以及确认北斗定位状态是否有效，我们需要打开2SZDY语句（用户自定义语句）。我们只需将P2SYJ语句值设为 00000100即可打开2SZDY语句[28]。
我们所解析的用户自定义语句2SZDY的语句格式为$ 2SZDY,<1>,<2>,<3>, <4>, <5>, <6>, <7>, <8>, <9>, <10>, <11>, <12>, <13>,<14>,<15>,<16>,<17>,<18>, <19>,<20>,<21>,<22>,<23>*hh<CR><LF> 。用户自定义语句包含有时间信息、接收机状态V、经纬度信息、时间信息、北斗系统状态，闰秒信息和天线状态等信息。通过这条语句，我们能很方便的解析出所需要的报文。
为了增强主机接收模块的稳定性和可靠性，还采用了瞬态抑制二极管来防止高电压对系统的破坏，并且在接收天线上均采用了防雷天线。通过以上措施，增加了系统的可靠性。
4 结论
本文论述的北斗/GPS IRIG-B时间同步系统能够实现以北斗为主，GPS为辅的双模授时模式，并且能够根据实际情况进行自主切换。但是随着时间同步设备对于时间精度的不断提高和对时间平稳性的不断要求，双模时间系统还需要做不断的完善，来达到切换时尽可能小的波动。
参考文献:
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论文作者:章伟华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/18
标签：北斗论文; 时间论文; 系统论文; 接收机论文; 模块论文; 信息论文; 精度论文; 《电力设备》2018年第13期论文;