北斗/GPS授時(shí)系統(tǒng)雙備技術(shù)改造

施春霞，常昊，吳嬋媛，徐寬，孫樹軍

（金華廣播電視總臺(tái)，浙江金華321000）

北斗/GPS授時(shí)系統(tǒng)雙備技術(shù)改造

施春霞，常昊，吳嬋媛，徐寬，孫樹軍

（金華廣播電視總臺(tái)，浙江金華321000）

通過金華臺(tái)授時(shí)系統(tǒng)的改造實(shí)踐，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提出臺(tái)標(biāo)字幕網(wǎng)段的合理化改造，授時(shí)監(jiān)測(cè)的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施，以及播出應(yīng)急處置預(yù)案的制定等。為安全、經(jīng)濟(jì)、有效地解決電視播出的時(shí)間同步系統(tǒng)提供借鑒思路。

授時(shí)系統(tǒng)；北斗/GPS；時(shí)間監(jiān)測(cè)

【本文獻(xiàn)信息】施春霞，常昊，吳嬋媛，等.北斗/GPS授時(shí)系統(tǒng)雙備技術(shù)改造［J］.電視技術(shù)，2015，39（10）.

廣播電視直播、轉(zhuǎn)播和各種演播室播出信號(hào)的正點(diǎn)精確播出，都離不開一個(gè)穩(wěn)定可靠的授時(shí)系統(tǒng)。授時(shí)系統(tǒng)已成為整個(gè)播出系統(tǒng)協(xié)同工作的關(guān)鍵［1］。鑒于金華廣播電視總臺(tái)授時(shí)系統(tǒng)工作年限在10年以上，接近理論設(shè)計(jì)壽命，且為單鏈路工作模式，老化加單鏈路極大地增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，授時(shí)系統(tǒng)的改造變得刻不容緩。

1　原授時(shí)系統(tǒng)

本臺(tái)原來采用的授時(shí)系統(tǒng)是單鏈路的GPS授時(shí)方式。GPS（Global Positioning System）是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱［1］，GPS的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間取自英國(guó)格林尼治天文臺(tái)，用戶可通過低成本的GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，獲取同步時(shí)標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。原授時(shí)系統(tǒng)上所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)都為單節(jié)點(diǎn)，時(shí)間信號(hào)一旦出錯(cuò)，造成的播出事故無(wú)法想象。而GPS本身由美國(guó)軍方控制，其可用性和時(shí)間精度值也受制于美國(guó)的GPS政策，單一地使用GPS授時(shí)方式，會(huì)凸顯授時(shí)安全漏洞。因此設(shè)計(jì)更可靠、精度更高的授時(shí)系統(tǒng)就變得至關(guān)重要。

2　新授時(shí)系統(tǒng)改造

改造要求和方案：

1）新授時(shí)系統(tǒng)要能適應(yīng)目前的技術(shù)要求，性能有一定的超前性。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，并有一定的擴(kuò)展性。

2）在保證安全播出的前提下，合理利用現(xiàn)有的授時(shí)設(shè)備，以節(jié)約成本。

4）新授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)留有一定的擴(kuò)展技術(shù)接口，以方便日后的擴(kuò)展擴(kuò)容需求。

5）新授時(shí)系統(tǒng)的技術(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)更簡(jiǎn)潔、直觀，應(yīng)急預(yù)案應(yīng)更具操作性和快捷性。

本著以上改造要求，新授時(shí)系統(tǒng)采用北斗雙模與GPS互備授時(shí)的技術(shù)方案，其框圖如圖1所示。

新授時(shí)系統(tǒng)采用北斗二代/GPS雙模衛(wèi)星校時(shí)鐘和GPS衛(wèi)星校時(shí)鐘雙鏈路比對(duì)的方法，來保證校準(zhǔn)源的可靠性。最大限度地利用現(xiàn)有高穩(wěn)時(shí)鐘設(shè)備做成雙路熱備守時(shí)工作層。系統(tǒng)以主備雙路互備授時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)鏈路故障時(shí)，經(jīng)系統(tǒng)比對(duì)后，ST5101主備時(shí)碼切換器會(huì)自動(dòng)倒換至另一正常鏈路，也可強(qiáng)制手動(dòng)應(yīng)急切換，以確保不間斷地提供高穩(wěn)定性的授時(shí)信號(hào)，安全送達(dá)各監(jiān)視子鐘和整個(gè)播出系統(tǒng)的校時(shí)。

圖1　GPS/北斗雙?；涫跁r(shí)系統(tǒng)框圖

2.1改造模塊

2.1.1校準(zhǔn)源

新增一套獨(dú)立的TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時(shí)鐘，以和原來的GPS授時(shí)系統(tǒng)構(gòu)成雙路熱備校準(zhǔn)源。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［2］（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我國(guó)自主建設(shè)獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時(shí)鐘，可以同時(shí)接收BD2北斗二代、GPS衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)，雙模式工作可以獲得更加良好的性能。也可手動(dòng)選擇接收其中任一套系統(tǒng)的信號(hào)，該模式具有最好的可用性和可靠性，校時(shí)迅速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。其內(nèi)部工作原理如圖2所示。

介入中心/手術(shù)室護(hù)士通過玩具、動(dòng)畫片、iPad游戲的應(yīng)用，讓患兒“開著小汽車”進(jìn)入手術(shù)間，緩解了患兒對(duì)陌生環(huán)境的恐懼，避免了以往患兒被強(qiáng)行抱離父母而送入介入中心/手術(shù)室的情景。針對(duì)有明顯負(fù)性情緒或應(yīng)對(duì)不良的患兒，手術(shù)當(dāng)日SPE小組成員與家屬共同安撫患兒情緒，陪同患兒安全、安心地轉(zhuǎn)入至相關(guān)科室。

圖2　TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時(shí)鐘內(nèi)部原理圖

GPS的L1頻段信號(hào)（一般授時(shí)GPS接收機(jī)只使用L1=1 575.42 MHz這一頻段）和北斗二代的B1頻段信號(hào)（B1= 1 561 MHz），經(jīng)過選擇開關(guān)，共同進(jìn)入DSP（Digital Signal Processor）組件進(jìn)行信號(hào)判別比對(duì)，最終從不同的接口模式輸出準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)?；诒倍泛虶PS不同的算法和機(jī)理，可以很好地滿足現(xiàn)有技術(shù)條件下多模、多路的校準(zhǔn)源要求，以避免因不同的衛(wèi)星傳輸或者其他原因造成的授時(shí)故障。

TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時(shí)鐘在不斷電的情況下，如衛(wèi)星失鎖，也可以維持?jǐn)?shù)小時(shí)的準(zhǔn)確走時(shí)，保證了播出的連續(xù)性，同時(shí)給故障維修爭(zhēng)取了一定的時(shí)間；考慮接收與播出有一定的時(shí)間差，還增設(shè)了時(shí)延補(bǔ)償秒數(shù)調(diào)整功能，走時(shí)一般快于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，這樣經(jīng)過傳輸以后的時(shí)間剛好為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。也就是電視播控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間=衛(wèi)星時(shí)間+時(shí)區(qū)時(shí)間差-信號(hào)傳輸時(shí)延（Δt）+播出與接收時(shí)間差。

雙模的衛(wèi)星校時(shí)鐘保證了外部輸入時(shí)間信息的準(zhǔn)確性，保證了時(shí)間源頭信息的可靠。

2.1.2高穩(wěn)守時(shí)單元

作為守時(shí)單元，輸出的時(shí)間信號(hào)必須是完全穩(wěn)定可信賴的、唯一可用的基準(zhǔn)。它是授時(shí)系統(tǒng)的核心，其主要功能就是生成穩(wěn)定的持續(xù)走時(shí)，保證時(shí)間的連續(xù)性和統(tǒng)一性。

新授時(shí)系統(tǒng)配備了主備兩臺(tái)青島廣電所的GS-2型高穩(wěn)時(shí)鐘構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，可雙備份地校準(zhǔn)外部輸入的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，如圖1所示。當(dāng)外部校準(zhǔn)源校時(shí)信號(hào)故障或中斷時(shí)，高穩(wěn)時(shí)鐘可以靠?jī)?nèi)部的自有恒溫晶振維持穩(wěn)定的運(yùn)行，且有斷電守時(shí)功能。帶有SZ碼、EBU、1PPS、5 MHz等多種輸出接口，方便擴(kuò)展，也可與多種標(biāo)準(zhǔn)融合輸出。當(dāng)失效的時(shí)碼恢復(fù)正常時(shí)必須手動(dòng)確認(rèn)輸入正確時(shí)碼，以防止輸出錯(cuò)誤時(shí)碼影響安全播出。

雙路熱備高穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào)源，在校時(shí)源不能鎖相或故障時(shí)，也能確保整個(gè)授時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保障后級(jí)設(shè)備時(shí)間同步的播出安全要求。

2.1.3TVZ3400時(shí)碼發(fā)生器

配備主備2臺(tái)TVZ3400時(shí)碼發(fā)生器，以保證各種情況下的時(shí)鐘串口輸出精度。內(nèi)部工作如圖3所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)讀取外部輸入的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼，進(jìn)行判斷，無(wú)誤后以并行碼格式傳輸給其他單片機(jī)，單片機(jī)分別產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼同步的EBU碼、TTL電平串行碼，再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換輸出RS-232及RS-422時(shí)碼信號(hào)。要注意RS-232或RS-422輸出口到授時(shí)服務(wù)器的串口線纜最好不超過10 m，以減少損耗保證時(shí)碼輸出的精確性。

圖3　TVZ3400時(shí)碼發(fā)生器原理

2.2輸出接口

改造的系統(tǒng)由不同時(shí)期和不同公司的設(shè)備組成，它勢(shì)必帶來信號(hào)接口轉(zhuǎn)換和距離傳輸上的問題。新設(shè)備的接口能根據(jù)需要與原來舊設(shè)備很好的銜接。新授時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)需要輸出SZ、RS-485、RS-232、PPS、PPM、PPH報(bào)文等多種接口類型和協(xié)議?？蛇m應(yīng)信號(hào)輸出電平特性或類型的不同，分成TTL、RS-422/485、RS-232、EBU等。也可方便與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和第三方接口標(biāo)準(zhǔn)接駁，以提供精確的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。主要功能接口如下：

1）SZ碼，輸出口是一個(gè)電流型接口，其前沿與秒脈沖保持對(duì)齊。

2）RS-422信號(hào)，接口類型為串行接口，單向輸出。3腳正信號(hào)，8腳負(fù)信號(hào)，1腳地。可為播出系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)提供精確的同步時(shí)間。

3）RS-232輸出，單向輸出。3腳數(shù)據(jù)，5腳地。RS-232/ RS-485信號(hào)在秒脈沖以后發(fā)送。

4）EBU信號(hào)，兼容歐盟廣播協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，平衡式，輸出引腳1和2，提供LTC碼輸出?？商峁﹪?guó)外進(jìn)口設(shè)備的同步接口類型。

2.3臺(tái)標(biāo)字幕校時(shí)模塊改造

為了解決臺(tái)標(biāo)機(jī)不兼容千兆網(wǎng)絡(luò)以及字幕機(jī)校時(shí)標(biāo)準(zhǔn)因采用計(jì)算機(jī)本地校時(shí)造成時(shí)間不準(zhǔn)的問題，采用新建百兆185網(wǎng)段的方法，把原先接在187網(wǎng)段的臺(tái)標(biāo)機(jī)和186網(wǎng)段的字幕機(jī)同時(shí)接入185百兆網(wǎng)段，使它們處在同一網(wǎng)段，達(dá)到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)校時(shí)的目的，減少系統(tǒng)內(nèi)時(shí)間差異化帶來的播出安全隱患。

具體改造方法如圖4所示。在局域網(wǎng)中的其中一臺(tái)字幕主機(jī)上安裝串口卡，并在這臺(tái)字幕機(jī)上安裝串口校時(shí)精靈和網(wǎng)絡(luò)校時(shí)服務(wù)端，使其與時(shí)碼發(fā)生器輸出相連；局域網(wǎng)中的其他字幕機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)校時(shí)客戶端。網(wǎng)段的改造解決了老字幕系統(tǒng)無(wú)網(wǎng)絡(luò)校時(shí)而導(dǎo)致的動(dòng)畫角標(biāo)和字幕播放的時(shí)間不精準(zhǔn)問題；提高了臺(tái)標(biāo)的半點(diǎn)和準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)；播出網(wǎng)與臺(tái)標(biāo)字幕網(wǎng)段的相互獨(dú)立，也避免了外部拷入文件帶來的病毒風(fēng)險(xiǎn)。

圖4　臺(tái)標(biāo)字幕校時(shí)系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)圖

3　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

授時(shí)系統(tǒng)每天24小時(shí)不停地連續(xù)運(yùn)行，及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況很重要。為此筆者設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要功能就是為有效監(jiān)測(cè)授時(shí)環(huán)節(jié)工作是否正常。它把整個(gè)授時(shí)系統(tǒng)中的重要設(shè)備節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信號(hào)匯聚到一臺(tái)計(jì)算機(jī)，在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以直觀地顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信號(hào)和狀態(tài)，監(jiān)測(cè)程序?qū)崟r(shí)收集各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時(shí)間信號(hào)并進(jìn)行比對(duì)。授時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)程序軟件界面如圖5所示。

當(dāng)校時(shí)程序執(zhí)行后，會(huì)在安裝服務(wù)端軟件的主機(jī)界面上方出現(xiàn)一個(gè)小窗體，當(dāng)外部時(shí)間信號(hào)輸入正常，則窗體內(nèi)的時(shí)間顯示為綠色。當(dāng)顏色從綠色變?yōu)榧t色，則說明系統(tǒng)授時(shí)源有故障了。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network time protoco，NTPl）協(xié)議［3］，它可以使計(jì)算機(jī)對(duì)其服務(wù)器或時(shí)鐘源（如北斗、GPS等）做同步化，以提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正。校時(shí)客戶端接收校時(shí)服務(wù)端定時(shí)發(fā)來的時(shí)間同步信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間有差別時(shí)，可以及時(shí)調(diào)整，以保證本地校時(shí)與授時(shí)源的時(shí)間同步精度。調(diào)整時(shí)間的方式應(yīng)采用步進(jìn)方式，以避免時(shí)間跳變引起的播出紊亂。

圖5　授時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)程序界面圖（截圖）

雙鏈路的高穩(wěn)時(shí)鐘通過SZ口輸出給2個(gè)在同一平面疊加的子鐘，如圖1所示，主備兩路的授時(shí)源時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行直觀的數(shù)字比對(duì)。軟件和硬件的雙重監(jiān)測(cè)，使時(shí)鐘故障源的處置變得更迅速，授時(shí)故障判斷變得更直觀、更精準(zhǔn)。技術(shù)人員排查授時(shí)故障也變得更高效。

4　應(yīng)急預(yù)案

再周密的設(shè)計(jì)方案都可能會(huì)有安全漏洞。作為播出系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)改造都必須有應(yīng)急預(yù)案，以保證在緊急情況下，方便有效地應(yīng)對(duì)萬(wàn)一發(fā)生的故障可能。

GPS和北斗2個(gè)授時(shí)鏈路，如圖1所示?？捎蒘T5101主備時(shí)碼切換器來選擇，其本身支持掉電直通功能。應(yīng)急情況下，可以手動(dòng)強(qiáng)制切換。切換模式可以程控自動(dòng)，也可手動(dòng)硬切。將“切換模式”開關(guān)撥向“手動(dòng)”位置，選擇“A”或者“B”路就可以快速選擇準(zhǔn)確的校時(shí)源。在自動(dòng)模式下，主備路信號(hào)互相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常自動(dòng)倒換到備路。主路信號(hào)恢復(fù)后自動(dòng)切回。當(dāng)輸入源發(fā)生倒換，可實(shí)現(xiàn)輸出不中斷、軟切換EBU輸出時(shí)間信號(hào)的要求。

時(shí)間系統(tǒng)故障將直接影響安全播出，因此應(yīng)高度重視播控系統(tǒng)授時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［3］。目前本系統(tǒng)已安全保障了多個(gè)重要保障期，可靠性和精準(zhǔn)性得到驗(yàn)證。

5　小結(jié)

在這次改造中，采用了雙頻天線，其覆蓋了GPS和北斗二代天線，可以只用一個(gè)端口，同時(shí)接收GPS和北斗二代天線，構(gòu)成互補(bǔ)型互備結(jié)構(gòu)。改造投入大約4萬(wàn)元，本項(xiàng)目大大改進(jìn)了原先時(shí)間同步系統(tǒng)的不足，建立了多路多源的校準(zhǔn)源，確保了系統(tǒng)的高精度授時(shí)和穩(wěn)定準(zhǔn)確的自我守時(shí)能力，避免了單點(diǎn)帶來的故障隱患。監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)使故障定位變得更直觀和迅速，減輕了維護(hù)壓力。在全自動(dòng)倒換的運(yùn)行模式下，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急無(wú)縫倒換，也可進(jìn)行手工干預(yù)的應(yīng)急措施，使應(yīng)急預(yù)案真正做到可操作，可控制。達(dá)到了小投入、大保障的技術(shù)改造目的。

［1］汪漢捷，曾峰.GPS授時(shí)系統(tǒng)在電視播出系統(tǒng)授時(shí)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電視技術(shù)，2005（7）：150-152.

［2］陳孟元，凌有鑄，王冠凌.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS互備的廣播電視授時(shí)單元［J］.電視技術(shù)，2010，34（6）：60-63.

［3］卞德森.電視播控系統(tǒng)的精確時(shí)間獲取技術(shù)［J］.現(xiàn)代電視技術(shù)，2003（10）：49-54.

Double Backup Technological Transformation of Beidou/GPS Time Service System

SHI Chunxia，CHANG Hao，WU Chanyuan，XU Kuan，SUN Shujun
（Jinhua Radio and Television Station，ZhejiangJinhua321000，China）

By transformation practice of time service system in Jinhua radio and television station，the designing idea of time service system is emphatically introduced，the rationalization transformation of the station logo and subtitles on the network segment，time service monitoring program design and implementation，making of broadcast emergency measures etc are put forward.A solution is provided for safe，economical and effective transformation of television broadcast time service system.

time service system；Beidou/GPS；time monitoring

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.10.029

閆雯雯

2014-09-08

施春霞（1974—），高級(jí)工程師，從事電視播出技術(shù)工作；常昊（1989—），助理工程師，從事電視播出技術(shù)工作；吳嬋媛（1990—），助理工程師，從事電視播出技術(shù)工作；徐寬（1989—），助理工程師，從事電視播出技術(shù)工作；孫樹軍（1971—），助理工程師，從事電視播出技術(shù)工作。