基于GPS时钟实现数字同步网工程的应用设计

作者：卢山，陈为怀 

数字同步网是数字通信网正常运行的基础，也是保障各种业务网运行质量的重要手段。他与电信管理网、信令网一起并列为电信网的3大支撑网，在电信网中具有举足轻重的地位。

1 数字同步网的基本原理和结构

对于任何通信设备，都需要时钟为其提供工作频率，所以时钟性能是影响设备性能的一个重要方面。时钟常被称为设备的心脏。时钟工作时的性能主要由2个方面决定：自身性能和外同步信号的质量。而外同步信号的质量就是由数字同步网来保证的。当设备组成系统和网络后，数字同步网必须为系统和网络提供精确的定时，以保障其正常运行。网内各节点时钟的精度影响一个数字通信网工作是否正常。

数字同步网是一个由节点时钟设备和定时链路组成的实体网，他通过网同步技术为各种业务网的所有网元分配定时信号（频率或者时间信号），以实现各种业务网的同步。网同步是指为了保证数字通信网正常工作，分配定时信号到网内所有节点，要求网内所有节点的时钟频率和相位严格控制在一定的容差范围内。

数字同步网的结构主要取决于同步网的规模、网络中的定时分配方式和时钟的同步方法，而这些又取决于业务网的规模、结构和对同步的要求。同步网一般可分为准同步方式和同步方式2大类。准同步方式常用于国际间链路，各节点独立设置基准时钟（如铯原子钟），其时钟基准一般都优于或满足G.811规定的基准钟，频率准确度保持在10-11极窄的频率容差之内。各国国内的数字通信网则普遍采用同步方式，节点时钟之间一般采用主从同步方法：将网内节点时钟分级，各级时钟具有不同的频率准确度和稳定度。设置高稳定度和高准确度时钟（如铯原子钟或GPS时钟，其频率准确度应≤±1×10-11／d）为基准主时钟（最高级时钟或一级时钟），网内其他节点时钟则称为从时钟，用从时钟锁相环技术与基准主时钟（或上一级时钟）频率同步，使全网时钟工作在同一频率上。

我国的数字通信网规模庞大，分布范围广，所以数字同步网一般要接受几个基准主时钟共同控制。如果采取定时链路来传输定时信号，那么随着数字传输距离的增长，传输损伤逐渐增大、可靠性逐渐降低。而利用装配在基准钟上的GPS接收机跟踪UTC（世界协调时），来实现对基准钟的不断调整，使之与UTC保持一致的长期频率准确度，从而达到各个基准钟同步运行和全网高度同步的目的是切实可行的，也是方便实用的。并且，在数字同步网中采用GPS配置基准钟，实现方法简单，同步时间精度高，提高了全网性能，成本却相对低廉，并且便于维护管理，所以GPS时钟在基准钟中得到广泛使用。

2 GPS授时的基本原理

GPS是NAVSTAR／GPS（Navigation SatelliteTiming and Ranging／Global Positioning System）的简称，是由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星等间隔分布在6个互成60°的轨道面上，这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。GPS由3部分构成：

①GPS卫星（空间部分）；

②地面支撑系统（地面监控部分）；

③GPS接收机（用户部分）。

GPS向全球范围内提供定时和定位的功能，全球任何地点的GPS用户通过低成本的GPS接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。GPS要实时完成定位和授时功能，需要4个参数：经度、纬度、高度和用户时钟与GPS主钟标准时间的时刻偏差，所以需要接受4颗卫星的位置。若用户已知自己的确切位置，那么接受1颗卫星的数据也可以完成定时。

若设（x，y，z）为接收机的位置，（xn，yn，zn）为已知卫星的位置，则列解下列方程就可以得到x，y，z和标准时间T：

（X-X1）2+（y-y1）2+（z-z1）2=C2（T+ΔT-T1-t1）
（x-x2）2+（y-y2）2+（z-z2）2=C2（T+ΔT-T2-t2）
（x-x3）2+（y-y3）2+（z-z3）2=C2（T+ΔT-T3-t3）
（x-x4）2+（Y-y4）2+（z-z4）2=C2（T+ΔT-T4-t4）

其中：ΔT为用户时钟与GPS主钟标准时间的时差；

Tn为卫星n所发射信号的发射时间；

tn为卫星n上的原子钟与GPS主钟标准时间的时差。

由于GPS采用被动定位原理，所以星载高稳定度的频率标准是精密定位和授时的关键。工作卫星上一般采用的是铯原子钟作为频标，其频率稳定度达到（1～2）X10-13／d。GPS卫星上的卫星钟通过和地面的GPS主钟标准时间进行比对，这样就可以使卫星钟与GPS主钟标准时间之间保持精确同步。GPS卫星发射的几种不同频率的信号，都是来自卫星上同一个基准频率。GPS接收机对GPS卫星发射的信号进行处理，经过一套严密的误差校正，使输出的信号达到很高的长期稳定性。定时精度能够达到300ns以内。在精确定位服务PPS（Precise Position Service）下，GPS提供的时间信号与UTC之差小于100ns。若采用差分GPS技术，则与UTC之差能达到几个纳秒。

3 GPS时钟的实现方法

常规时钟频率产生方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化影响，长期的精度漂移影响；原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时校准。而GPS系统由于其工作特性的需要，定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感特性。晶体或铷钟以GPS为长期参考，可以获得低成本、高性能的基准时钟。现有同步时钟的比较如表1所示。

在网络正常工作状态下，GPS时钟具有与GPS主钟相同的频率准确度；由于在某些特殊情况下GPS时钟信号会暂时消失，所以基于GPS的时钟模块一般需要另一个外部时钟作为后备输入，预留有外接时钟的时基和频标信号（如GLONASS、中国双星、铷原子钟等）接口。另外，GPS时钟其频率准确度还具有自身保持性能。

GPS时钟频率模块提供所需的各种时频的信号，并输出定位时间信息、GPS接收机是否工作正常、输出的时间信号是否有效、时钟和频率处理模块激活状态、异常告警等等。图1是GPS时钟模块的原理图

4 现状与展望

根据《中华人民共和国通信行业标准数字同步网工程设计规范》，数字同步网按分布式多个基准时钟的组网建设，以基准钟的同步范围划分同步区，每个同步区内采用主从同步方法。区域基准钟（LPR）的主用基准为GPS，备用基准来自全网基准钟（PRC）。LPR平时以接收GPS信号为主用信号，以接收PRC信号为备用。GPS不可用时，LPR同步于PRC。

我国现有数字同步网的网络结构如图2所示。

由于GPS全球卫星定位系统归美国政府所有，受控于美国国防部，对世界各地的用户未有任何政府承诺，而且用户只支付了GPS接收机的费用，并未支付GPS系统的使用费用，因此这种方法自主性差，也带来一些不稳定因素，例如故意降低GPS精度；关闭GPS在某个地区的发送信号；增加随机扰码；周围环境对GPS无线信号的干扰等。

可以充分利用但不能完全依靠，因此还需要有由铯钟组成的基准钟PRC，以他作为全网同步的根本保证。还有GPS在某些特殊情况下信号暂时消失，或者GPS不正常工作，这些可以通过监控GPS数据来发觉，这些情况如果不做处理带来的结果是基准钟将降质为二级时钟，所以此时要控制区域基准钟（LPR）改为同步于全网基准钟（PRC），同步质量就可以保证。

目前有GPS、CLONASS、北斗双星导航卫星系统CNSS、欧洲GALILEO等多元化定位资源环境，可以打破了独家垄断，促使资源更加开放。

可以利用市场上现在有的GPS／GLONASS双模接收机、GPS／北斗双模终端进行时钟同步，则可在很大程度上保证同步质量，还可以提高同步精度。例如GPS／GLONASS双模接收机输出时间信号1PPS的准确度如表2所示。

由此可见，使用GLONASS授时精度不会降低；在GPS／GLONASS模式下，其授时精度还可以获得进一步改善。