淺談基于GPS 的中心時鐘系統設計

李慧中

中鐵通信信號勘測設計院有限公司 北京 100036

1 背景

時鐘系統作為城市軌道交通通信系統基本組成之一，為整個系統提供統一的校時信號，以確保系統的同步，并為乘客及工作人員提供準確的時間信息。在國外某條軌道交通線路工程，其要求設計一套基于GPS 天線，提供同步時間信息的中心時鐘系統。該系統需具備冗余的設計，且為信號系統授時的母鐘要求物理獨立于通信系統的母鐘。同時，出于安全考慮，要求設計的中心時鐘系統實現防干擾（anti-jamming），反電子欺騙技術（anti-spoofing）的功能。該功能常見于軍用編碼系統，較民用編碼相比，具有更高的安全性。

2 整體方案

中心時鐘系統采用冗余的設計，主備母鐘分別設置在主備數據中心，互為熱備份。系統基于中心母鐘一級架構，子鐘連接到本地傳輸網絡，通過網絡傳輸，接收母鐘時間信號。為實現信號系統母鐘與通信系統母鐘的物理隔離，在各數據中心設置兩套獨立的GPS 天線，母鐘系統。母鐘采用模塊化設計，安全模塊實現防干擾，反電子欺騙功能，授時模塊可同時支持NTP/PTP 協議，授時模塊冗余設置，內置銣鐘校時，當GPS 故障時確保系統的精度需求。中心設置時鐘網管軟件，對時鐘系統各設備進行配置和監控，告警信息同步上傳到集中網管系統。系統通過程序設置，可自動實現夏、冬令時間的切換，無需手動調節[1]。

正常情況下，系統通過GPS 天線接收GPS 衛星信號，系統精度優于10-11s。當GPS 信號接收故障，系統內置銣鐘可維持精度在1×10-11s。當采用NTP 協議，本地局域網內精度1ms 內，廣域網精度10-20ms。若系統有更要精度要求，可采用PTP 協議。

中心母鐘NTP 板卡冗余設置，當某塊板卡故障，系統可從備用板卡取時，當主用數據中心母鐘故障，系統從備用數據中心母鐘取時。子鐘可最多設置5 個母鐘IP 地址，當首選IP 地址通信失效時，按序與其他母鐘模塊進行通信。

該時鐘系統僅與傳輸及電源系統存在物理接口。在數據中心通過傳輸系統網絡為其他系統提供標準時間信號。中心母鐘采用雙電源模塊結構。子鐘通過RJ45 網絡接口接入本地傳輸網絡，以實現與中心母鐘的通信。子鐘采用POE 供電模式。

3 方案特點

在確保滿足各系統精度要求的情況下，該方案取消了二級母鐘的設計，與其他系統的接口均在中心實現，簡化了系統架構。與其他各系統的接口均為邏輯接口，通過傳輸網絡提供的通道實現，減化了接口數量[2]。

中心母鐘采用模塊化設計，未來線路接入可直接通過增加NTP 板卡實現，配置簡單，且不影響既有線路的運行。母鐘設備集成了安全模塊，模擬軍用P 碼的防干擾，反電子欺騙功能，提高了系統的安全性。

基于信號系統獨立性的特殊要求，在中心設置獨立的GPS 天線，母鐘設備，以實現信號系統與通信系統的物理隔離。信號時鐘GPS 天線與通信時鐘GPS 天線同址設置，以滿足系統同步精度要求。

4 結語

國內地鐵時鐘系統常見采用中心及車站二級組網架構，由傳輸系統提供數據通道實現，通過接口單元實現與其他子系統的物理連接。該中心時鐘系統的設計有其工程的特殊性，需要充分考慮當地的實際要求及設備特點，不同之處也可為國內時鐘系統設計提供參考。同時隨著系統要求的提高，技術的發展，北斗衛星系統的使用，PTP 協議的使用等均是后續時鐘系統設計需要討論、考慮的方面。廠家設備，技術方案的日新月異，再滿足基本功能需求的基礎上，進一步優化設計，提高系統的安全性，可靠性[3]。