關(guān)于GPS時鐘同步故障分析

李文嘉

（民航山西空管分局，山西 太原 030031）

1 GPS同步時鐘技術(shù)概述

隨著自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類空管設(shè)備的正常運(yùn)行離不開時間記錄和統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，因而在這些裝置內(nèi)部都有自己的時鐘，即“內(nèi)時鐘”。但是，這些時鐘都是電子式的，它的準(zhǔn)確性一般不是很高，長時間運(yùn)行累計誤差會越來越大，如果不及時校正，將影響它們的正常應(yīng)用，所以，對設(shè)備的時鐘校正是一項非常重要的任務(wù)。

GPS時鐘同步系統(tǒng)利用天線接收衛(wèi)星傳來的信號，然后經(jīng)CPU中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換、當(dāng)?shù)貢r間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標(biāo)準(zhǔn)和時間編碼輸出，如圖1所示。

圖1 接收GPS衛(wèi)星時鐘原理圖

當(dāng)GPS裝置采集到標(biāo)準(zhǔn)時間信號時，系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備如何與GPS的標(biāo)準(zhǔn)時間保持一致是同步時鐘面臨的難題。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，基于NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)對時方式是目前應(yīng)用最多的同步方式。NTP的工作模式一般分為3種：①廣播模式，即一對多的連接，服務(wù)器不管客戶端處于何種工作模式下，都將主動發(fā)出時間信息，客戶端由此信息調(diào)整自己的時間；②主/被動對稱模式，即一對一的連接，雙方均可同步對方或被對方同步，先發(fā)出申請建立連接的占據(jù)主動模式，被建立的為被動模式；③客戶端/服務(wù)器模式與主/被動模式基本相同，區(qū)別在于，客戶端可被服務(wù)器同步，但服務(wù)器不能被客戶端同步。

2 川大自動化系統(tǒng)時鐘無法同步

2.1 事件經(jīng)過

2017-10-22T11：38，主任席值班員發(fā)現(xiàn)管制大廳墻鐘GPS時間由11：38跳變?yōu)?0：04，主任席及時通知二樓值班員檢查GPS時鐘，緊接著管制員反映主用ATC系統(tǒng)SDD上管制員不可執(zhí)行移交、標(biāo)高度等操作。11：44，管制切換為使用備用二所ATC系統(tǒng)。二樓值班員檢查并復(fù)位H4機(jī)柜GPS時鐘電源開關(guān)后，設(shè)備恢復(fù)正常。11：54，管制切換為使用川大ATC系統(tǒng)，管制使用正常。

2.2 原因分析

川大自動化系統(tǒng)FDP服務(wù)器與GPS時鐘通過時鐘服務(wù)進(jìn)程進(jìn)行時間校對，系統(tǒng)內(nèi)部通過時鐘守護(hù)進(jìn)程N(yùn)TPD服務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)對時。FDP服務(wù)器與GPS時間校對后修改自身時鐘，進(jìn)而修改全系統(tǒng)時間。相關(guān)日志分析如圖2所示。

2.3 后續(xù)事件

2017-10-29，值班員早檢時發(fā)現(xiàn)中心機(jī)房H4島GPS時鐘主機(jī)故障。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)GPS主機(jī)電源1故障（每個主機(jī)有2個電源模塊，其中一個電源模塊故障會影響到另外一個電源模塊的正常工作），將電源模塊1隔離拆下后，時鐘恢復(fù)正常。為了預(yù)防另外一個電源故障導(dǎo)致川大自動化系統(tǒng)再次出現(xiàn)問題，值班員將ATC系統(tǒng)GPS時鐘信號源切換至E島GPS時鐘源。

圖2 日志分析

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，2017-10-30將川大自動化系統(tǒng)接回H4柜，GPS發(fā)生不正?，F(xiàn)象，這是因為GPS主機(jī)輸出接口的定義發(fā)生了變化。故障的主機(jī)生產(chǎn)時間為2004年，新接入的主機(jī)生產(chǎn)日期為2016年，2臺主機(jī)對應(yīng)分線箱的世界時、北京時接口分布不同，舊的主機(jī)對應(yīng)分線箱接口全部為世界時輸出，而新的主機(jī)對應(yīng)分線箱輸出端口1～8為北京時輸出，其余為世界時輸出。

2.4 總結(jié)

經(jīng)過這次GPS故障，相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)了一些需要注意和改進(jìn)的地方：①川大自動化系統(tǒng)的對時設(shè)定存在一些問題。當(dāng)遇到GPS故障時，管制員只能采取切換二所自動化系統(tǒng)來應(yīng)急。在此建議，當(dāng)故障發(fā)生時，管制員要及時與廠家聯(lián)系協(xié)商。②新舊2臺GPS主機(jī)先后發(fā)生故障，舊的GPS故障原因暫未查明，新的為電源模塊故障。雖然GPS主機(jī)有2個電源模塊，但它們無法作為熱備份使用。這說明，H島目前使用的GPS設(shè)備并不是非常穩(wěn)定，值班員在巡檢和工作時要多加注意，第一時間做好信息通報工作。③在后續(xù)的事件中我們發(fā)現(xiàn)，廠家發(fā)給的同一設(shè)備型號不同批次的備件，時鐘源輸出端鏈接分線箱接口的定義不同，廠家并沒有標(biāo)明這一點。因此，需要工作人員在收到備件時做好詳細(xì)的測試和檢查，并標(biāo)明功能變化后再入庫。

3 DMHS-M轉(zhuǎn)報系統(tǒng)時間無法與GPS時鐘同步

3.1 事情經(jīng)過

2017-11-03，值班員在做例行周檢時，發(fā)現(xiàn)DMHS-M自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)時間與GPS時鐘時間不一致，兩者相差11 s。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)這是由于GPS時鐘送過來的發(fā)線與地線接反了。更改線序后，時鐘信號引接正常，再到DMHS-M自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)設(shè)備上修改時間即可校對成功。

圖3 服務(wù)器配置

圖4 串口配置

圖5 模式配置

3.2 原因分析

GPS時鐘是RS232方式外送時鐘信號，由發(fā)線和地線2根信號線組成。DMHS-M自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)作為接收端，通過NC601協(xié)轉(zhuǎn)器，將時鐘源設(shè)備輸出的RS232信號轉(zhuǎn)變?yōu)閁DP包傳入到指定的服務(wù)器中，為2臺服務(wù)器授時。其中，需要對NC601做以下幾個主要配置：①設(shè)置NC601通訊服務(wù)器的IP地址[100.100.100.18]和以太網(wǎng)子網(wǎng)掩碼 [255.255.255.0]，如圖3所示；②選擇“串口”修改，端口[1]，波特率[115 200]，數(shù)據(jù)[8]，停止[1]，校驗[n]，流量控制[none]，類型[RS232]，如圖4所示；③選擇“模式”，將“工作模式”設(shè)置為“TCP/UDP Socket”，如圖 5 所示。

在DMHS-M自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)中，將DMHS_GPS.CONG文件做如圖6所示的配置。

圖6GPS配置

一般在排故的過程中，要注意兩方面的情況，即硬件連接和軟件配置。在排故過程中，工作人員先查看了以上2個需要做配置的菜單，發(fā)現(xiàn)一切正常；接下來，查看了線路連接和網(wǎng)絡(luò)通斷，發(fā)現(xiàn)一切正常。這時，工作人員用筆記本電腦對GPS時鐘外送信號進(jìn)行一段一段的抓包查看，發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在了E島1柜與A島10柜之間的跳線處，有信號進(jìn)入到NC601協(xié)轉(zhuǎn)器中，但是信號是亂碼，并非是正常的時鐘信號。這也解釋了為什么DMHS-M自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)未出現(xiàn)告警，有信號接收，沒有中斷。

在后來的分析研究中發(fā)現(xiàn)，GPS時鐘信號線近期并未調(diào)整線路，可能是由于之前川大自動化GPS時鐘設(shè)備出現(xiàn)故障，在恢復(fù)時，對DMHS-M自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)所在端口的線路重新整理時發(fā)線與地線接反了。

3.3 后續(xù)事件

為了驗證問題所在，特別安排了實驗比對，確保以后不會再發(fā)生此類事件。具體做法是：①DMHS轉(zhuǎn)報系統(tǒng)接收到正常GPS時鐘信號為圖7所示界面；②DMHS轉(zhuǎn)報系統(tǒng)接收到不正常GPS時鐘信號（即發(fā)線與地線接反）為圖8所示界面；③DMHS轉(zhuǎn)報系統(tǒng)接收到正常GPS時鐘信號與接收到不正常GPS時鐘信號的對比如圖9所示。

3.4 總結(jié)

出現(xiàn)這次GPS時鐘未校對的情況，相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)了一些需要注意和改進(jìn)的地方，具體有以下3點：①要定期校對DMHS自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)的運(yùn)行時間；②DMHS自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)在接收時鐘信號時，無法辨別時鐘正確數(shù)據(jù)，系統(tǒng)判斷有數(shù)據(jù)即可；③聯(lián)系DMHS自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，看是否可以改進(jìn)GPS時鐘數(shù)據(jù)接入的辨識。

4 結(jié)束語

近年來，隨著空管系統(tǒng)的高速發(fā)展以及空管設(shè)備的更新迭代，通信設(shè)備保障的機(jī)務(wù)人員平常不僅要做好設(shè)備的正常巡檢和維護(hù)工作，還要及時發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備可能存在的隱患，從而提高空管設(shè)備運(yùn)行的完好率和正常率。不管是自動化設(shè)備，還是DMHS自動轉(zhuǎn)報系統(tǒng)，都是為管制和氣象用戶服務(wù)的。本文以2個實際情況為例，介紹了關(guān)于GPS時鐘同步的幾種解決故障的方法，希望可以為同仁們提供一些參考，以提高排故效率。

圖7 正常GPS時鐘信號

圖8 非正常GPS時鐘信號

圖9 正常與非正常GPS信號對比