基于北斗系統(tǒng)的鐵路地面時間同步系統(tǒng)設計

衛(wèi)　龍，高紅梅

(西南交通大學，四川　成都　610031)

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基于北斗系統(tǒng)的鐵路地面時間同步系統(tǒng)設計

衛(wèi)龍，高紅梅

(西南交通大學，四川成都610031)

中國鐵道部專項科研基金項目(項目號：2013X009-A)

摘要：鐵路系統(tǒng)是典型的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，為保障鐵路安全、準點運行，鐵路時間的同步是非常必要的。文章通過對時間同步在我國鐵路授時管理中的應用現(xiàn)狀分析，設計了一種基于北斗授時的鐵路地面時間同步系統(tǒng)，采用分級配置的方式，可以形成高效、統(tǒng)一、精準的鐵路同步網(wǎng)絡。

關鍵詞：北斗系統(tǒng)；授時；時間同步；鐵路；設計

0引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1]〔BeiDou(COMPaSS)Navigation Satellite System﹞是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成?？臻g端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端或兼容終端組成。其功能為向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導航和授時服務。根據(jù)系統(tǒng)建設總體規(guī)劃，2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。服務功能包括開放服務和授權(quán)服務，開放服務為免費向用戶提供定位、測速和授時服務，定位精度10 m，測速精度0.2 m/s，授時精度10納秒。授權(quán)服務為向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。

隨著中國鐵路列車運行速度和復雜程度的不斷提高，對安全性和可靠性的要求也越來越高，從而對時間系統(tǒng)的一致性要求也越來越高，因此，建設時間同步網(wǎng)非常必要。時間同步為鐵路的業(yè)務系統(tǒng)、運輸管理、車輛調(diào)度、情報分析系統(tǒng)、電力監(jiān)控及通訊系統(tǒng)等信息平臺提供了一個安全保障的時間基礎。同時也能為鐵路調(diào)度員、車站值班員、與行車相關的各部門工作人員和車站乘客提供統(tǒng)一的基準時間信息。

高青，馬煦，瞿穩(wěn)科，陶春燕[2]探討了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信息與鐵路運輸系統(tǒng)信息的融合定位在智能鐵路運輸系統(tǒng)建設中的應用。伏濱[3]提出一個兩級結(jié)構(gòu)鐵路系統(tǒng)時間統(tǒng)一的方案，其中鐵道部及鐵路局授時中心都是由GPS接收系統(tǒng)、標準時鐘授時裝置及計算機三部分組成，層級之間通過共用電話線傳輸信息數(shù)據(jù)。王禮，王倩[4]針對傳統(tǒng)的孤島式調(diào)度系統(tǒng)的時間同步方法，提出在綜合調(diào)度系統(tǒng)中建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡時間同步網(wǎng)，解決網(wǎng)絡時間的同步問題。在給出綜合調(diào)度系統(tǒng)時間同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎上，論述了綜合調(diào)度系統(tǒng)NTP協(xié)議的實現(xiàn)流程，分析了網(wǎng)絡時間同步技術的特點。曲博[5]提出一種鐵路時間同步網(wǎng)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，鐵路時間同步網(wǎng)主要由衛(wèi)星接收設備、母鐘設備、時間顯示設備、設備網(wǎng)管和傳輸通道組成。施懌棟[6]介紹新建高速鐵路時間同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要性能指標，同時闡述時間同步系統(tǒng)測試的重要性和測試內(nèi)容，最后介紹以往時間同步系統(tǒng)的測試經(jīng)驗。

1時間同步在我國鐵路授時管理中的應用現(xiàn)狀

1.1鐵路授時相關規(guī)定

2011年9月1日起施行的《鐵路技術管理規(guī)程》(鐵道部令第90號)第178條規(guī)定：“全國鐵路的行車時刻，均以北京時間為標準，從零時起計算，實行24小時制。鐵路行車房舍內(nèi)和辦理行車工作的有關人員均應備有鐘表。鐘表的時刻應與鐵路局調(diào)度所的時鐘校對。各級調(diào)度的時鐘及用于運輸生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的計算機主機時鐘須定期校準。鐘表的配置、校對、檢查、修理及時鐘校準辦法，由鐵路局規(guī)定?！?/p>

對于授時體系、授時的具體流程與組織方法沒有進一步的規(guī)范或章程。

1.2鐵路授時管理現(xiàn)狀

鐵路系統(tǒng)目前沒有形成一個統(tǒng)一的授時系統(tǒng)，各個信息系統(tǒng)基本相互獨立，自成體系，沒有構(gòu)成一個有機整體。

部、局及站段的信息系統(tǒng)大部分安裝了GPS接收裝置，以GPS授時作為時間源。沒有安裝GPS接收裝置的站段，其時間獲取有的來自路局內(nèi)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸，有的來自電腦單機或石英鐘。

鐵道部與各路局基本不進行時間傳輸，路局之間同樣沒有進行時間傳輸。如果路局和站段使用相同的網(wǎng)絡版信息系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡在路局和站段間傳輸時間，每隔一定時間由網(wǎng)絡終端主動向系統(tǒng)時間服務器發(fā)起時間校對；如果路局、站段使用單機版信息系統(tǒng)，由獨立的GPS接收裝置接收時間，并從該裝置輸入時間或由人工輸入時間，不與其他系統(tǒng)或單位進行時間傳輸。

因為部、局及站段之間基本沒有進行時間校對，各路局、站段使用的各種信息系統(tǒng)之間基本相互獨立，自成體系，并且部、局及站段的信息系統(tǒng)的GPS時間接收裝置工作環(huán)境和工作狀態(tài)存在差異，所以部、局及站段之間的時間上存在一定的誤差。

1.3北斗時間同步系統(tǒng)在我國鐵路管理中應用的必要性

鐵路是典型的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，為保障鐵路安全、準點運行，必須高度集中、統(tǒng)一指揮。當前，鐵路廣泛采用了先進的信息技術，涵蓋了運輸生產(chǎn)的全過程。為了保證系統(tǒng)各方面無誤銜接，命令的及時傳達以及信息的實時上報，需要整個系統(tǒng)能夠精準授時。

由于我國鐵路系統(tǒng)主用時鐘源由GPS提供，而GPS完全受控于美國，一旦發(fā)生緊急狀態(tài)，GPS信號及授時服務被關閉或者調(diào)整，將給我國鐵路系統(tǒng)帶來安全隱患。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它具有獨立自主、開放兼容、技術先進、穩(wěn)定可靠等特點。

因此，北斗時間同步系統(tǒng)應用于我國鐵路管理中有著非常大的好處。

2鐵路北斗衛(wèi)星時間同步系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)設計原則

本系統(tǒng)設計原則：

(1)采用簡單、可靠、實用、成熟、經(jīng)濟的原則。

(2)融合現(xiàn)有鐵路網(wǎng)絡通訊體制。

(3)以北斗為主、GPS為輔組成互備的天空時基，地面以高精度穩(wěn)定頻率源及SDH傳輸通道，作為地基備用。

(4)以原子鐘、恒溫晶振分級守時。

(5)末端多種同步授時方式共存的系統(tǒng)架構(gòu)。

(6)兼容現(xiàn)有各種對時體制和設備，滿足系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有及將來各種形式的同步精度及同步方式的需求(如PTP/NTP/IRIGB/PPS/串行碼等)，兼顧將來技術發(fā)展和系統(tǒng)擴充的要求。

2.2系統(tǒng)組成

鐵路地面同步授時系統(tǒng)規(guī)劃為四級。第一級為鐵道部，第二級為18個鐵路局，第三級為站、段、所，第四級為站、段、所管轄下各級結(jié)算、管理中心等用戶終端。如下頁圖1所示。本方案中鐵道部中心級授時精度要求最高，系統(tǒng)采用北斗/GPS互為備用天空對時方案，授時精度可達到亞微秒級(≤1微秒)，系統(tǒng)內(nèi)部守時穩(wěn)定度達到10-12或者10-13；鐵路局授時精度可達到亞微秒級(≤1微秒)，時鐘守時穩(wěn)定度10-10～10-12；站、段、所及各級結(jié)算、管理中心級授時精度可達毫秒級，系統(tǒng)守時穩(wěn)定度達到10-9，特殊應用可達到亞毫秒級。

2.3系統(tǒng)配置說明

(1)鐵道部授時中心配置結(jié)構(gòu)說明

鐵道部授時中心接收北斗/GPS時間信號，采用銫鐘作為標準頻率源進行授時和守時。平時通過銫原子鐘對外授時，若標準銫原子鐘與北斗/GPS相差超過規(guī)定偏差時，接收北斗/GPS時鐘作為標準時鐘向下傳輸。為保證同步的精度，時間服務器采用NTP/PTP協(xié)議向同級或下級傳輸時間。時間服務器提供PTP/NTP/PPS/IRIG-B/串口對時等授時方式。時間服務器發(fā)布的授時信息與下一級專用的授時終端服務器進行時鐘同步。實現(xiàn)在現(xiàn)有通信條件下天、地互備授時功能，以保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行。鐵道部授時中心與各大鐵路局采用鐵路專網(wǎng)進行時間傳輸。

(2)鐵路局授時中心配置結(jié)構(gòu)說明

鐵路局授時中心接收鐵道部授時中心的標準時鐘和北斗時間信號，考慮成本，采用氫、銣等原子鐘作為標準頻率源。平時采用接收的鐵道部時間信號進行授時和傳輸，并將自身的時間與工作狀態(tài)向鐵道部授時中心反饋，將北斗系統(tǒng)接收的時鐘與鐵道部授時中心時鐘相比較，以驗證自身設備及傳輸系統(tǒng)是否正常。如鐵道部與鐵路局傳輸系統(tǒng)有誤，可使用北斗時間信號對外授時。時間服務器采用NTP/PTP協(xié)議向同級或下級傳輸時間。時間服務器提供PTP/NTP/PPS/IRIG-B/串口對時等授時方式。時間服務器發(fā)布的授時信息與下一級專用的授時終端服務器進行時鐘同步。鐵路局授時中心與站、段、所采用鐵路專網(wǎng)進行時間傳輸。

(3)站、段、所授時中心配置結(jié)構(gòu)說明

站、段、所授時中心接收鐵路局授時中心的標準時鐘和北斗時間信號，采用恒溫晶振作為標準頻率源。平時采用接收的鐵路局時間信號進行授時和傳輸，并將自身的時間與工作狀態(tài)向鐵路局授時中心反饋，將北斗系統(tǒng)接收的時鐘與鐵路局授時中心時鐘相比較，以驗證自身設備及傳輸系統(tǒng)是否正常。如鐵路局與站、段、所傳輸系統(tǒng)有誤，可使用北斗時間信號對外授時。時間服務器采用NTP協(xié)議向同級或下級傳輸時間。時間服務器提供NTP/PPS/IRIG-B/串口對時等授時方式。時間服務器發(fā)布的授時信息與下一級專用的授時終端服務器進行時鐘同步。站、段、所與所管轄的各級結(jié)算、管理中心等用戶終端采用鐵路專網(wǎng)進行時間傳輸。

(4)結(jié)算、管理中心等用戶終端

結(jié)算、管理中心等用戶終端接收站、段、所授時中心的標準時鐘，采用接收的站、段、所時間信號進行授時和傳輸，并將自身的時間與工作狀態(tài)向鐵路局授時中心反饋，時間服務器采用NTP協(xié)議向同級或下級傳輸時間。時間服務器提供NTP授時方式。時間服務器發(fā)布的授時信息與下一級專用的授時終端服務器進行時鐘同步。

圖1　鐵路同步授時系統(tǒng)規(guī)劃示意圖

3結(jié)語

隨著北斗導航系統(tǒng)越來越成熟，其在各行各業(yè)的應用也將越來越廣泛。為保證鐵路系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行，需要建立可靠的時間同步系統(tǒng)。為體現(xiàn)鐵路系統(tǒng)高質(zhì)量、現(xiàn)代化的穩(wěn)定運行，充分完善時間同步機制對鐵路系統(tǒng)未來的發(fā)展有著重大的實際意義。本文提出的基于北斗授時的鐵路地面時間同步系統(tǒng)，采用分級配置的方式，可以形成高效、統(tǒng)一、精準的鐵路同步網(wǎng)絡。

參考文獻

[1]北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)[EB/OL].http：//www.beidou.gov.

cn/.

[2]高青，馬煦，瞿穩(wěn)科，等.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在智能鐵路運輸系統(tǒng)中的應用[J].電訊技術，2006(4)：128-131.

[3]伏濱.鐵路運輸系統(tǒng)時鐘統(tǒng)一問題研究[J].西鐵科技，2006(3)：7-9.

[4]王禮，王倩.綜合調(diào)度系統(tǒng)應用網(wǎng)絡時間同步技術探討[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2007，30(1)：49-51.

[5]曲博.鐵路時間同步網(wǎng)概述[J].鐵路通信信號工程技術，2010，7(4)：43-44.

[6]施懌棟.鐵路時間同步系統(tǒng)的測試研究[J].鐵路通信信號工程技術，2012，9(1)：38-40.

Design of Railway Ground Time Synchronization System Based on Beidou Navigation System

WEI Long，GAO Hong-mei

(Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan，610031)

Abstract：The railway system is a typical complex network system，thus in order to ensure the railway safety and punctuality running，the railway time synchronization is very necessary.Through analyzing the current application status of time synchronization in China’s railway timing management，this article de-signed a railway ground time synchronization system based on Beidou timing，and by using the hierar-chical configuration mode，it can achieve the highly effective，unified，and accurate railway synchroniza-tion network.

Keywords：Beidou navigation system；Timing；Time synchronization；Railway；Design

收稿日期：2016-01-29

文章編號：1673-4874(2016)02-0077-04

中圖分類號：U172.7

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.018

基金項目

作者簡介
衛(wèi)龍(1977—)，工程師，碩士，在讀博士研究生，研究方向：北斗授時、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)挖掘方向；
高紅梅(1981—)，工程師，碩士，在讀博士研究生，研究方向：北斗授時、通信信息、數(shù)據(jù)挖掘方向。