GPS时钟同步机制及其在民航空管系统的应用

孙莹涛

摘 要：随着国家科学技术水平的发展，空中交通管制单位依赖于空管自动化系统的依赖度越来越大，用于空管的各个系统大都相互独立，但是，各个子系统都保持有统一的时间信息，因此，GPS时钟系统越来越多地应用到了民航空管系统。

关键词：GPS；时钟同步；民航空管；授时系统

中图分类号：TN87 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

GPS时钟同步系统的发展非常迅速，所谓GPS授时系统，就是指从GPS接收精确时间信号，通过单独的处理器进行处理，分发至现场所有需要对时的系统，已达到各个系统时间完全同步的目的。

目前，在民航空管系统中，GPS时钟同步越来越重要，本文主要介绍了时钟同步系统的概念和原理。为了保障民航空管各个环节的安全生产，应用在空管部门的各个系统，如空管主用自动化系统、备用自动化系统、综合信息显示处理系统、转报系统、雷达数据记录系统、航管集中监控系统、内话系统等，它们的时间是否正确，时间是否一致至关重要，这些系统的正常工作及其作用的充分发挥， 都需要有统一的时间基准， 即这些系统内部的实时时钟要实现时间同步。统一精确的时间是保证空管系统安全运行， 提高运行水平的一个重要措施， 因此研究并建设时间同步系统对空管的应用十分必要。

1 GPS时钟同步的原理

1.1 GPS 时钟

GPS 是美国陆海空三军联合研制的一种军用卫星导航系统， 历时20年完成， 不仅满足了军事上高精度导航和定位的要求， 还在民用类各个行业得到了广泛的应用。该系统由3个部分构成： GPS 卫星星座（空间部分）、地面监控系统（控制部分）、GPS 信号接收机（用户部分）。

GPS时钟是基于新型GPS高精度定位授时模块开发的基础型授时应用产品。能够按照用户需求输出符合规约的时间信息格式，从而完成同步授时服务。GPS时钟主要分为两类；一类是GPS授时仪，主要输出时标信息；包括1 pps及TOD信息；另外一类是GPS同步时钟，后者输出利用卫星信号驯服OCXO或者铷钟得到的高稳定频率信息，以及本地恢复的更平稳的时标信号。

1.2 时钟同步技术

在时钟同步系统中， 时钟源的精度和时钟信号传输的方式是同步技术中较为关键的部分， 他们将直接影响到系统的精度和容量。目前， 最常见的时钟源有石英晶振、铯原子钟、铷原子钟等。它们能达到的精度分别为：标准石英晶振：2×10-2 秒每4小时；铯原子钟： l×10-6秒每1天；铷原子钟： 3×10-3秒每30天。

目前常用的时钟信号传输的物理连接方式有：RS 232/422串口：最常见的设备外接时钟接口； VME 总线：用于工作站的时钟连接；NTP：用于计算机网络的时钟连接；PCM：用于时钟信号的远距离传输。民航空管系统大都采用NTP和RS 232接口。

1.2 NTP 原理

Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等）做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1 ms，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。NTP协议已经广泛应用于internet，使用标准的服务器/客户端工作模式，安装了NTP网络时间服务器，向其客户端提供时间服务基准。

2 GPS时钟同步在咸阳机场的应用

咸阳机场空管自动化系统目前配备了两套GPS时钟系统，互为主备。该时钟系统从GPS天线接收GPS卫星信号到GPS时钟信号处理器，GPS天线引接采用双通道冗余方式，该处理器可以配置多个网络输出口，用于隔离多个系统，同时给多个系统进行时钟信号输入，目前主要接收授时的系统有新Telephonics自动化系统、老Telephonics自动化系统、ATC3000备份自动化系统、Telephonics自动化测试平台、川大综合信息系统、雷达数据记录系统，内话系统等。如图1所示。

对于咸阳机场的Telephonics自动化系统，包括新Telephonics自动化系统、老Telephonics自动化系统、Telephonics自动化测试平台，在接收到GPS信号之后，首先由FDP服务器（飞行计划处理服务器）接收处理，作为整个Telephonics自动化系统的时钟服务器，所有分布于区调、进近、塔台、飞服中心、运控中心的DP终端和FDT终端从FDP服务器同步时钟信号，达到全系统时钟的统一。

图1 咸阳机场各个子系统GPS时钟同步框图

对于ATC3000自动化系统，在接收到GPS信号之后，首先由MRDP服务器（多雷达数据处理服务器）接收处理，作为整个ATC3000自动化系统的时钟服务器，所有分布于区调、进近、塔台、飞服中心、运控中心的SDD终端和FDD终端从MRDP同步时钟信号，达到全系统时钟的统一。

对于川大综合信息显示系统，首先由川大系统自己的时间服务器接收处理GPS信号，然后，所有分布于区调、进近、塔台、飞服中心、运控中心的终端从该时间服务器上直接同步时钟信号，达到全系统时钟的统一。

3 GPS时钟同步在户县区管现场的应用

户县区管中心设备大厅，配备了一套北京东进记录科技有限公司的GPS时钟系统，该系统的主要功能特点有完全模块化设计、支持多路时间源输入、具有时间检测功能、具有时间源补偿功能、具有多种监控手段、所有模块均相互隔离、具有高精度的内时钟等。

该套系统主要输出给主用INDRA自动化系统、民航二所备份自动化系统、SIPDS综合信息显示系统、INDRA测试验证系统（TVS系统）、INDRA模拟培训系统（STS系统）、民航二所测试验证系统、航管集中监控系统、川大雷达记录系统。如图2所示。

各个系统的引接时钟同步的原理如下：

对于主用INDRA自动化系统、INDRA测试验证系统（TVS系统）、INDRA模拟培训系统（STS系统），在接收到GPS信号之后，首先由各个系统的CMD（集中监控显示终端）接收处理，并作为整个INDRA自动化系统的时钟服务器，所有分布于管制大厅、咸阳塔台的终端和服务器从CMD同步时钟信号，如果某个正在作为时钟服务器的CMD出现故障，系统会优选其它CMD同步，由不同CMD的启动顺序决定，达到全系统时钟的完全统一。

图2 户县区管中心各个子系统GPS时钟同步框图

对于民航二所备份自动化系统，东进GPS通过串口将时间信号送至NPORT上，告警服务器再访问NPORT处理之后的时间数据，同时，系统将主备告警服务器作为二所系统的时间服务器，所有分布于管制大厅、咸阳塔台的终端和服务器通过中间件程序从主备告警服务器同步时钟信号，如果主用告警服务器出现故障，系统会自动同步备用告警服务器。

对于SIPDS综合信息显示系统，该系统引接来自东进GPS的网口至系统内部交换机，在接收到GPS信号之后，所有分布于区调、进近、塔台、飞服中心、运控中心的终端通过NTP服务从GPS时钟处理器上直接同步时钟信号，达到全系统时钟的统一。

对于航管集中监控系统，首先由RDP服务器进行时钟接收处理，并将RDP作为整个航管集中监控系统的时钟服务器，其他终端电脑的时间同该服务器进行统一同步。

川大雷达数据记录系统接收来自东进GPS的串口输出数据，首先由系统内部的时间主机进行时间数据处理和分发，再将数据通过串口分发给所有系统的终端主机，来进行时间数据的同步和统一。

4 结 语

本文首先简单阐述GPS时钟同步的原理、接入方法、同步机制等，主要针对GPS时钟同步对于空管系统的接入方法进行了分析探讨，对于其他系统的在接入GPS时可以提供借鉴作用，为空管系统的安全运行提供了安全保障。

参考文献

[1]董绍武.守时型原子钟及其应用[J]. 电子测量与仪器学报，2004 （z1）： 490-493.

[2]王万义.GPS原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2003.

[3]北京东进公司.西安区管中心时钟同步系统培训手册[Z].2013.