基于北斗系统的铁路地面时间同步系统设计

卫　龙，高红梅

(西南交通大学，四川　成都　610031)



基于北斗系统的铁路地面时间同步系统设计

卫龙，高红梅

(西南交通大学，四川成都610031)

中国铁道部专项科研基金项目(项目号：2013X009-A)

摘要：铁路系统是典型的复杂网络系统，为保障铁路安全、准点运行，铁路时间的同步是非常必要的。文章通过对时间同步在我国铁路授时管理中的应用现状分析，设计了一种基于北斗授时的铁路地面时间同步系统，采用分级配置的方式，可以形成高效、统一、精准的铁路同步网络。

关键词：北斗系统；授时；时间同步；铁路；设计

0引言

北斗卫星导航系统[1]〔BeiDou(COMPaSS)Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端或兼容终端组成。其功能为向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。服务功能包括开放服务和授权服务，开放服务为免费向用户提供定位、测速和授时服务，定位精度10 m，测速精度0.2 m/s，授时精度10纳秒。授权服务为向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

随着中国铁路列车运行速度和复杂程度的不断提高，对安全性和可靠性的要求也越来越高，从而对时间系统的一致性要求也越来越高，因此，建设时间同步网非常必要。时间同步为铁路的业务系统、运输管理、车辆调度、情报分析系统、电力监控及通讯系统等信息平台提供了一个安全保障的时间基础。同时也能为铁路调度员、车站值班员、与行车相关的各部门工作人员和车站乘客提供统一的基准时间信息。

高青，马煦，瞿稳科，陶春燕[2]探讨了北斗卫星导航系统信息与铁路运输系统信息的融合定位在智能铁路运输系统建设中的应用。伏滨[3]提出一个两级结构铁路系统时间统一的方案，其中铁道部及铁路局授时中心都是由GPS接收系统、标准时钟授时装置及计算机三部分组成，层级之间通过共用电话线传输信息数据。王礼，王倩[4]针对传统的孤岛式调度系统的时间同步方法，提出在综合调度系统中建立统一的网络时间同步网，解决网络时间的同步问题。在给出综合调度系统时间同步网结构的基础上，论述了综合调度系统NTP协议的实现流程，分析了网络时间同步技术的特点。曲博[5]提出一种铁路时间同步网的系统组成结构，铁路时间同步网主要由卫星接收设备、母钟设备、时间显示设备、设备网管和传输通道组成。施怿栋[6]介绍新建高速铁路时间同步系统的结构和主要性能指标，同时阐述时间同步系统测试的重要性和测试内容，最后介绍以往时间同步系统的测试经验。

1时间同步在我国铁路授时管理中的应用现状

1.1铁路授时相关规定

2011年9月1日起施行的《铁路技术管理规程》(铁道部令第90号)第178条规定：“全国铁路的行车时刻，均以北京时间为标准，从零时起计算，实行24小时制。铁路行车房舍内和办理行车工作的有关人员均应备有钟表。钟表的时刻应与铁路局调度所的时钟校对。各级调度的时钟及用于运输生产管理信息系统的计算机主机时钟须定期校准。钟表的配置、校对、检查、修理及时钟校准办法，由铁路局规定。”

对于授时体系、授时的具体流程与组织方法没有进一步的规范或章程。

1.2铁路授时管理现状

铁路系统目前没有形成一个统一的授时系统，各个信息系统基本相互独立，自成体系，没有构成一个有机整体。

部、局及站段的信息系统大部分安装了GPS接收装置，以GPS授时作为时间源。没有安装GPS接收装置的站段，其时间获取有的来自路局内信息系统的网络传输，有的来自电脑单机或石英钟。

铁道部与各路局基本不进行时间传输，路局之间同样没有进行时间传输。如果路局和站段使用相同的网络版信息系统，通过网络在路局和站段间传输时间，每隔一定时间由网络终端主动向系统时间服务器发起时间校对；如果路局、站段使用单机版信息系统，由独立的GPS接收装置接收时间，并从该装置输入时间或由人工输入时间，不与其他系统或单位进行时间传输。

因为部、局及站段之间基本没有进行时间校对，各路局、站段使用的各种信息系统之间基本相互独立，自成体系，并且部、局及站段的信息系统的GPS时间接收装置工作环境和工作状态存在差异，所以部、局及站段之间的时间上存在一定的误差。

1.3北斗时间同步系统在我国铁路管理中应用的必要性

铁路是典型的复杂网络系统，为保障铁路安全、准点运行，必须高度集中、统一指挥。当前，铁路广泛采用了先进的信息技术，涵盖了运输生产的全过程。为了保证系统各方面无误衔接，命令的及时传达以及信息的实时上报，需要整个系统能够精准授时。

由于我国铁路系统主用时钟源由GPS提供，而GPS完全受控于美国，一旦发生紧急状态，GPS信号及授时服务被关闭或者调整，将给我国铁路系统带来安全隐患。北斗卫星导航系统是我国自主研发、拥有自主知识产权的卫星导航系统，它具有独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠等特点。

因此，北斗时间同步系统应用于我国铁路管理中有着非常大的好处。

2铁路北斗卫星时间同步系统

2.1系统设计原则

本系统设计原则：

(1)采用简单、可靠、实用、成熟、经济的原则。

(2)融合现有铁路网络通讯体制。

(3)以北斗为主、GPS为辅组成互备的天空时基，地面以高精度稳定频率源及SDH传输通道，作为地基备用。

(4)以原子钟、恒温晶振分级守时。

(5)末端多种同步授时方式共存的系统架构。

(6)兼容现有各种对时体制和设备，满足系统内现有及将来各种形式的同步精度及同步方式的需求(如PTP/NTP/IRIGB/PPS/串行码等)，兼顾将来技术发展和系统扩充的要求。

2.2系统组成

铁路地面同步授时系统规划为四级。第一级为铁道部，第二级为18个铁路局，第三级为站、段、所，第四级为站、段、所管辖下各级结算、管理中心等用户终端。如下页图1所示。本方案中铁道部中心级授时精度要求最高，系统采用北斗/GPS互为备用天空对时方案，授时精度可达到亚微秒级(≤1微秒)，系统内部守时稳定度达到10-12或者10-13；铁路局授时精度可达到亚微秒级(≤1微秒)，时钟守时稳定度10-10～10-12；站、段、所及各级结算、管理中心级授时精度可达毫秒级，系统守时稳定度达到10-9，特殊应用可达到亚毫秒级。

2.3系统配置说明

(1)铁道部授时中心配置结构说明

铁道部授时中心接收北斗/GPS时间信号，采用铯钟作为标准频率源进行授时和守时。平时通过铯原子钟对外授时，若标准铯原子钟与北斗/GPS相差超过规定偏差时，接收北斗/GPS时钟作为标准时钟向下传输。为保证同步的精度，时间服务器采用NTP/PTP协议向同级或下级传输时间。时间服务器提供PTP/NTP/PPS/IRIG-B/串口对时等授时方式。时间服务器发布的授时信息与下一级专用的授时终端服务器进行时钟同步。实现在现有通信条件下天、地互备授时功能，以保证系统可靠、稳定运行。铁道部授时中心与各大铁路局采用铁路专网进行时间传输。

(2)铁路局授时中心配置结构说明

铁路局授时中心接收铁道部授时中心的标准时钟和北斗时间信号，考虑成本，采用氢、铷等原子钟作为标准频率源。平时采用接收的铁道部时间信号进行授时和传输，并将自身的时间与工作状态向铁道部授时中心反馈，将北斗系统接收的时钟与铁道部授时中心时钟相比较，以验证自身设备及传输系统是否正常。如铁道部与铁路局传输系统有误，可使用北斗时间信号对外授时。时间服务器采用NTP/PTP协议向同级或下级传输时间。时间服务器提供PTP/NTP/PPS/IRIG-B/串口对时等授时方式。时间服务器发布的授时信息与下一级专用的授时终端服务器进行时钟同步。铁路局授时中心与站、段、所采用铁路专网进行时间传输。

(3)站、段、所授时中心配置结构说明

站、段、所授时中心接收铁路局授时中心的标准时钟和北斗时间信号，采用恒温晶振作为标准频率源。平时采用接收的铁路局时间信号进行授时和传输，并将自身的时间与工作状态向铁路局授时中心反馈，将北斗系统接收的时钟与铁路局授时中心时钟相比较，以验证自身设备及传输系统是否正常。如铁路局与站、段、所传输系统有误，可使用北斗时间信号对外授时。时间服务器采用NTP协议向同级或下级传输时间。时间服务器提供NTP/PPS/IRIG-B/串口对时等授时方式。时间服务器发布的授时信息与下一级专用的授时终端服务器进行时钟同步。站、段、所与所管辖的各级结算、管理中心等用户终端采用铁路专网进行时间传输。

(4)结算、管理中心等用户终端

结算、管理中心等用户终端接收站、段、所授时中心的标准时钟，采用接收的站、段、所时间信号进行授时和传输，并将自身的时间与工作状态向铁路局授时中心反馈，时间服务器采用NTP协议向同级或下级传输时间。时间服务器提供NTP授时方式。时间服务器发布的授时信息与下一级专用的授时终端服务器进行时钟同步。

图1　铁路同步授时系统规划示意图

3结语

随着北斗导航系统越来越成熟，其在各行各业的应用也将越来越广泛。为保证铁路系统安全稳定地运行，需要建立可靠的时间同步系统。为体现铁路系统高质量、现代化的稳定运行，充分完善时间同步机制对铁路系统未来的发展有着重大的实际意义。本文提出的基于北斗授时的铁路地面时间同步系统，采用分级配置的方式，可以形成高效、统一、精准的铁路同步网络。

参考文献

[1]北斗卫星导航系统[EB/OL].http：//www.beidou.gov.

cn/.

[2]高青，马煦，瞿稳科，等.北斗卫星导航系统在智能铁路运输系统中的应用[J].电讯技术，2006(4)：128-131.

[3]伏滨.铁路运输系统时钟统一问题研究[J].西铁科技，2006(3)：7-9.

[4]王礼，王倩.综合调度系统应用网络时间同步技术探讨[J].铁道运输与经济，2007，30(1)：49-51.

[5]曲博.铁路时间同步网概述[J].铁路通信信号工程技术，2010，7(4)：43-44.

[6]施怿栋.铁路时间同步系统的测试研究[J].铁路通信信号工程技术，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

文章编号：1673-4874(2016)02-0077-04

中图分类号：U172.7

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.018

基金项目

作者简介
卫龙(1977—)，工程师，硕士，在读博士研究生，研究方向：北斗授时、网络安全、数据挖掘方向；
高红梅(1981—)，工程师，硕士，在读博士研究生，研究方向：北斗授时、通信信息、数据挖掘方向。