北斗/GPS授时系统双备技术改造

施春霞，常昊，吴婵媛，徐宽，孙树军

（金华广播电视总台，浙江金华321000）

北斗/GPS授时系统双备技术改造

施春霞，常昊，吴婵媛，徐宽，孙树军

（金华广播电视总台，浙江金华321000）

通过金华台授时系统的改造实践，重点介绍了系统的设计思路，提出台标字幕网段的合理化改造，授时监测的方案设计和实施，以及播出应急处置预案的制定等。为安全、经济、有效地解决电视播出的时间同步系统提供借鉴思路。

授时系统；北斗/GPS；时间监测

【本文献信息】施春霞，常昊，吴婵媛，等.北斗/GPS授时系统双备技术改造［J］.电视技术，2015，39（10）.

广播电视直播、转播和各种演播室播出信号的正点精确播出，都离不开一个稳定可靠的授时系统。授时系统已成为整个播出系统协同工作的关键［1］。鉴于金华广播电视总台授时系统工作年限在10年以上，接近理论设计寿命，且为单链路工作模式，老化加单链路极大地增加了系统的不稳定性，授时系统的改造变得刻不容缓。

1　原授时系统

本台原来采用的授时系统是单链路的GPS授时方式。GPS（Global Positioning System）是全球定位系统的简称［1］，GPS的标准时间取自英国格林尼治天文台，用户可通过低成本的GPS接收机接收卫星信号，获取同步时标和标准时间。原授时系统上所有设备节点都为单节点，时间信号一旦出错，造成的播出事故无法想象。而GPS本身由美国军方控制，其可用性和时间精度值也受制于美国的GPS政策，单一地使用GPS授时方式，会凸显授时安全漏洞。因此设计更可靠、精度更高的授时系统就变得至关重要。

2　新授时系统改造

改造要求和方案：

1）新授时系统要能适应目前的技术要求，性能有一定的超前性。系统稳定、可靠，并有一定的扩展性。

2）在保证安全播出的前提下，合理利用现有的授时设备，以节约成本。

4）新授时系统应留有一定的扩展技术接口，以方便日后的扩展扩容需求。

5）新授时系统的技术监测应更简洁、直观，应急预案应更具操作性和快捷性。

本着以上改造要求，新授时系统采用北斗双模与GPS互备授时的技术方案，其框图如图1所示。

新授时系统采用北斗二代/GPS双模卫星校时钟和GPS卫星校时钟双链路比对的方法，来保证校准源的可靠性。最大限度地利用现有高稳时钟设备做成双路热备守时工作层。系统以主备双路互备授时，当其中一个链路故障时，经系统比对后，ST5101主备时码切换器会自动倒换至另一正常链路，也可强制手动应急切换，以确保不间断地提供高稳定性的授时信号，安全送达各监视子钟和整个播出系统的校时。

图1　GPS/北斗双模互备授时系统框图

2.1改造模块

2.1.1校准源

新增一套独立的TVZ6100北斗/GPS双模卫星校时钟，以和原来的GPS授时系统构成双路热备校准源。北斗卫星导航系统［2］（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我国自主建设独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。TVZ6100北斗/GPS双模卫星校时钟，可以同时接收BD2北斗二代、GPS卫星的时间信号，双模式工作可以获得更加良好的性能。也可手动选择接收其中任一套系统的信号，该模式具有最好的可用性和可靠性，校时迅速、准确、稳定。其内部工作原理如图2所示。

介入中心/手术室护士通过玩具、动画片、iPad游戏的应用，让患儿“开着小汽车”进入手术间，缓解了患儿对陌生环境的恐惧，避免了以往患儿被强行抱离父母而送入介入中心/手术室的情景。针对有明显负性情绪或应对不良的患儿，手术当日SPE小组成员与家属共同安抚患儿情绪，陪同患儿安全、安心地转入至相关科室。

图2　TVZ6100北斗/GPS双模卫星校时钟内部原理图

GPS的L1频段信号（一般授时GPS接收机只使用L1=1 575.42 MHz这一频段）和北斗二代的B1频段信号（B1= 1 561 MHz），经过选择开关，共同进入DSP（Digital Signal Processor）组件进行信号判别比对，最终从不同的接口模式输出准确的时间数据。基于北斗和GPS不同的算法和机理，可以很好地满足现有技术条件下多模、多路的校准源要求，以避免因不同的卫星传输或者其他原因造成的授时故障。

TVZ6100北斗/GPS双模卫星校时钟在不断电的情况下，如卫星失锁，也可以维持数小时的准确走时，保证了播出的连续性，同时给故障维修争取了一定的时间；考虑接收与播出有一定的时间差，还增设了时延补偿秒数调整功能，走时一般快于标准时间，这样经过传输以后的时间刚好为标准时间。也就是电视播控系统标准时间=卫星时间+时区时间差-信号传输时延（Δt）+播出与接收时间差。

双模的卫星校时钟保证了外部输入时间信息的准确性，保证了时间源头信息的可靠。

2.1.2高稳守时单元

作为守时单元，输出的时间信号必须是完全稳定可信赖的、唯一可用的基准。它是授时系统的核心，其主要功能就是生成稳定的持续走时，保证时间的连续性和统一性。

新授时系统配备了主备两台青岛广电所的GS-2型高稳时钟构成冗余结构，可双备份地校准外部输入的标准时间，如图1所示。当外部校准源校时信号故障或中断时，高稳时钟可以靠内部的自有恒温晶振维持稳定的运行，且有断电守时功能。带有SZ码、EBU、1PPS、5 MHz等多种输出接口，方便扩展，也可与多种标准融合输出。当失效的时码恢复正常时必须手动确认输入正确时码，以防止输出错误时码影响安全播出。

双路热备高稳定的时间信号源，在校时源不能锁相或故障时，也能确保整个授时系统的正常运转，保障后级设备时间同步的播出安全要求。

2.1.3TVZ3400时码发生器

配备主备2台TVZ3400时码发生器，以保证各种情况下的时钟串口输出精度。内部工作如图3所示：单片机读取外部输入的标准时码，进行判断，无误后以并行码格式传输给其他单片机，单片机分别产生与标准时码同步的EBU码、TTL电平串行码，再经电平转换输出RS-232及RS-422时码信号。要注意RS-232或RS-422输出口到授时服务器的串口线缆最好不超过10 m，以减少损耗保证时码输出的精确性。

图3　TVZ3400时码发生器原理

2.2输出接口

改造的系统由不同时期和不同公司的设备组成，它势必带来信号接口转换和距离传输上的问题。新设备的接口能根据需要与原来旧设备很好的衔接。新授时系统可根据需要输出SZ、RS-485、RS-232、PPS、PPM、PPH报文等多种接口类型和协议。可适应信号输出电平特性或类型的不同，分成TTL、RS-422/485、RS-232、EBU等。也可方便与国外标准和第三方接口标准接驳，以提供精确的标准时间。主要功能接口如下：

1）SZ码，输出口是一个电流型接口，其前沿与秒脉冲保持对齐。

2）RS-422信号，接口类型为串行接口，单向输出。3脚正信号，8脚负信号，1脚地。可为播出系统的计算机提供精确的同步时间。

3）RS-232输出，单向输出。3脚数据，5脚地。RS-232/ RS-485信号在秒脉冲以后发送。

4）EBU信号，兼容欧盟广播协会标准，平衡式，输出引脚1和2，提供LTC码输出。可提供国外进口设备的同步接口类型。

2.3台标字幕校时模块改造

为了解决台标机不兼容千兆网络以及字幕机校时标准因采用计算机本地校时造成时间不准的问题，采用新建百兆185网段的方法，把原先接在187网段的台标机和186网段的字幕机同时接入185百兆网段，使它们处在同一网段，达到统一网络校时的目的，减少系统内时间差异化带来的播出安全隐患。

具体改造方法如图4所示。在局域网中的其中一台字幕主机上安装串口卡，并在这台字幕机上安装串口校时精灵和网络校时服务端，使其与时码发生器输出相连；局域网中的其他字幕机上安装网络校时客户端。网段的改造解决了老字幕系统无网络校时而导致的动画角标和字幕播放的时间不精准问题；提高了台标的半点和准点报时；播出网与台标字幕网段的相互独立，也避免了外部拷入文件带来的病毒风险。

图4　台标字幕校时系统改造结构图

3　监测系统

授时系统每天24小时不停地连续运行，及时了解设备的运行情况很重要。为此笔者设计了一套监测系统，其主要功能就是为有效监测授时环节工作是否正常。它把整个授时系统中的重要设备节点状态信号汇聚到一台计算机，在这台计算机上可以直观地显示各个节点的时间信号和状态，监测程序实时收集各节点设备的时间信号并进行比对。授时系统监测程序软件界面如图5所示。

当校时程序执行后，会在安装服务端软件的主机界面上方出现一个小窗体，当外部时间信号输入正常，则窗体内的时间显示为绿色。当颜色从绿色变为红色，则说明系统授时源有故障了。整个网络采用网络时间协议（Network time protoco，NTPl）协议［3］，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如北斗、GPS等）做同步化，以提供高精准度的时间校正。校时客户端接收校时服务端定时发来的时间同步信号进行比对，当发现时间有差别时，可以及时调整，以保证本地校时与授时源的时间同步精度。调整时间的方式应采用步进方式，以避免时间跳变引起的播出紊乱。

图5　授时系统监测程序界面图（截图）

双链路的高稳时钟通过SZ口输出给2个在同一平面叠加的子钟，如图1所示，主备两路的授时源时钟信号进行直观的数字比对。软件和硬件的双重监测，使时钟故障源的处置变得更迅速，授时故障判断变得更直观、更精准。技术人员排查授时故障也变得更高效。

4　应急预案

再周密的设计方案都可能会有安全漏洞。作为播出系统的任一环节改造都必须有应急预案，以保证在紧急情况下，方便有效地应对万一发生的故障可能。

GPS和北斗2个授时链路，如图1所示。可由ST5101主备时码切换器来选择，其本身支持掉电直通功能。应急情况下，可以手动强制切换。切换模式可以程控自动，也可手动硬切。将“切换模式”开关拨向“手动”位置，选择“A”或者“B”路就可以快速选择准确的校时源。在自动模式下，主备路信号互相检测，发现异常自动倒换到备路。主路信号恢复后自动切回。当输入源发生倒换，可实现输出不中断、软切换EBU输出时间信号的要求。

时间系统故障将直接影响安全播出，因此应高度重视播控系统授时结构的设计［3］。目前本系统已安全保障了多个重要保障期，可靠性和精准性得到验证。

5　小结

在这次改造中，采用了双频天线，其覆盖了GPS和北斗二代天线，可以只用一个端口，同时接收GPS和北斗二代天线，构成互补型互备结构。改造投入大约4万元，本项目大大改进了原先时间同步系统的不足，建立了多路多源的校准源，确保了系统的高精度授时和稳定准确的自我守时能力，避免了单点带来的故障隐患。监测环节使故障定位变得更直观和迅速，减轻了维护压力。在全自动倒换的运行模式下，可以实现应急无缝倒换，也可进行手工干预的应急措施，使应急预案真正做到可操作，可控制。达到了小投入、大保障的技术改造目的。

［1］汪汉捷，曾峰.GPS授时系统在电视播出系统授时中的应用［J］.现代电视技术，2005（7）：150-152.

［2］陈孟元，凌有铸，王冠凌.北斗卫星导航系统与GPS互备的广播电视授时单元［J］.电视技术，2010，34（6）：60-63.

［3］卞德森.电视播控系统的精确时间获取技术［J］.现代电视技术，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

闫雯雯

2014-09-08

施春霞（1974—），高级工程师，从事电视播出技术工作；常昊（1989—），助理工程师，从事电视播出技术工作；吴婵媛（1990—），助理工程师，从事电视播出技术工作；徐宽（1989—），助理工程师，从事电视播出技术工作；孙树军（1971—），助理工程师，从事电视播出技术工作。