浅谈基于GPS 的中心时钟系统设计

李慧中

中铁通信信号勘测设计院有限公司 北京 100036

1 背景

时钟系统作为城市轨道交通通信系统基本组成之一，为整个系统提供统一的校时信号，以确保系统的同步，并为乘客及工作人员提供准确的时间信息。在国外某条轨道交通线路工程，其要求设计一套基于GPS 天线，提供同步时间信息的中心时钟系统。该系统需具备冗余的设计，且为信号系统授时的母钟要求物理独立于通信系统的母钟。同时，出于安全考虑，要求设计的中心时钟系统实现防干扰（anti-jamming），反电子欺骗技术（anti-spoofing）的功能。该功能常见于军用编码系统，较民用编码相比，具有更高的安全性。

2 整体方案

中心时钟系统采用冗余的设计，主备母钟分别设置在主备数据中心，互为热备份。系统基于中心母钟一级架构，子钟连接到本地传输网络，通过网络传输，接收母钟时间信号。为实现信号系统母钟与通信系统母钟的物理隔离，在各数据中心设置两套独立的GPS 天线，母钟系统。母钟采用模块化设计，安全模块实现防干扰，反电子欺骗功能，授时模块可同时支持NTP/PTP 协议，授时模块冗余设置，内置铷钟校时，当GPS 故障时确保系统的精度需求。中心设置时钟网管软件，对时钟系统各设备进行配置和监控，告警信息同步上传到集中网管系统。系统通过程序设置，可自动实现夏、冬令时间的切换，无需手动调节[1]。

正常情况下，系统通过GPS 天线接收GPS 卫星信号，系统精度优于10-11s。当GPS 信号接收故障，系统内置铷钟可维持精度在1×10-11s。当采用NTP 协议，本地局域网内精度1ms 内，广域网精度10-20ms。若系统有更要精度要求，可采用PTP 协议。

中心母钟NTP 板卡冗余设置，当某块板卡故障，系统可从备用板卡取时，当主用数据中心母钟故障，系统从备用数据中心母钟取时。子钟可最多设置5 个母钟IP 地址，当首选IP 地址通信失效时，按序与其他母钟模块进行通信。

该时钟系统仅与传输及电源系统存在物理接口。在数据中心通过传输系统网络为其他系统提供标准时间信号。中心母钟采用双电源模块结构。子钟通过RJ45 网络接口接入本地传输网络，以实现与中心母钟的通信。子钟采用POE 供电模式。

3 方案特点

在确保满足各系统精度要求的情况下，该方案取消了二级母钟的设计，与其他系统的接口均在中心实现，简化了系统架构。与其他各系统的接口均为逻辑接口，通过传输网络提供的通道实现，减化了接口数量[2]。

中心母钟采用模块化设计，未来线路接入可直接通过增加NTP 板卡实现，配置简单，且不影响既有线路的运行。母钟设备集成了安全模块，模拟军用P 码的防干扰，反电子欺骗功能，提高了系统的安全性。

基于信号系统独立性的特殊要求，在中心设置独立的GPS 天线，母钟设备，以实现信号系统与通信系统的物理隔离。信号时钟GPS 天线与通信时钟GPS 天线同址设置，以满足系统同步精度要求。

4 结语

国内地铁时钟系统常见采用中心及车站二级组网架构，由传输系统提供数据通道实现，通过接口单元实现与其他子系统的物理连接。该中心时钟系统的设计有其工程的特殊性，需要充分考虑当地的实际要求及设备特点，不同之处也可为国内时钟系统设计提供参考。同时随着系统要求的提高，技术的发展，北斗卫星系统的使用，PTP 协议的使用等均是后续时钟系统设计需要讨论、考虑的方面。厂家设备，技术方案的日新月异，再满足基本功能需求的基础上，进一步优化设计，提高系统的安全性，可靠性[3]。