北斗授时系统在军队院校中的应用

赵宇希

（武警士官学校，浙江杭州 310000）

1 北斗授时系统发展现状

近些年来，随着北斗卫星导航系统建成并开始提供服务，北斗授时和其应用技术研究也进入了快速发展阶段。北斗卫星导航系统由中国自主研发建设，它的优势就是使用三频信号，使用了地球同步轨道卫星。地球同步轨道卫星的优势就是在国内整个区域内的授时误差相差不大，最重要的是随着时间推移，误差变化的速度也相对缓慢，授时稳定性在时间上和空间上都能保持较高质量。北斗卫星导航系统提供授时服务的原理是利用时间差测距。通常授时方法分为两种,一种是自主定位授时,包括RDSS 双向授时方法和RNSS 系统授时方法两种。这种方式下用户终端不清楚自身位置，而是通过测量无线电信号从北斗卫星到终端的传播的大概时间,通过运用数学方程运算解析得到准确的时间和用户的详细位置;另外一种是用户知道自身位置情况下的授时,又称RDSS 单向授时方法，用户在已经知道自身位置的前提下接收由地面测量控制中心发出、经GEO 卫星转发的无线电信号，用户设备通过计算卫星和用户的精准时差,根据信号播发时间来得到终端本地时间[1]。RNSS授时方法是适用范围最广、发展前景最大的授时方法。未来北斗授时应用、北斗和5G 联合授时应用、北斗和地基授时的融合发展、北斗授时的安全可靠性研究等都将是重要的研究发展方向。

2020 年7 月31 日，在人民大会堂，习近平总书记向全世界庄严宣布正式开通北斗三号全球卫星导航系统，这意味着北斗开启了为全球提供服务的新篇章。我国的北斗三代系统和美国的GPS、欧盟的Galileo、俄罗斯的GLONASS导航系统相比，具备有独特的性能和特点。如在区域范围内能提供单次大于1000 汉字、在全球范围内能提供单次40汉字的短报文和通信能力；采用了我国独立研发和生产的氢原子钟和铷原子钟，这两种子钟有着更高的精度和更高的稳定度，时钟稳定度能够提高整整10 倍；采用了星间链路，35 颗“北斗”导航卫星可以通过星间链路相互测距和校时，保证在出现地面站全部失效的极端情况下精准定位和授时服务也能继续提供，实现自主导航，提高北斗系统的安全可靠性；具有的双向授时功能等能将授时的精度大幅度提高。从关键部位的元器件到卫星上搭载的产品，北斗三号全球卫星导航系统已经实现百分百国产化，完全自主可控，原来受制于人的被动局面已经一去不复返。未来北斗系统必将为全球提供更高质量、更稳定和更安全的授时服务。

2 军队院校应用北斗授时系统需求分析

军队院校作为涉密单位对网络安全有着很高的要求，都建设了自己的校园专网，并通过出口路由和军事综合信息网连接，与互联网形成了物理隔离。随着数字校园和智慧校园建设的开展，校园内使用的网络设备和服务器日益增多，如果无法保证网络中的所有设备时钟同步，将会带来意想不到的严重后果。作为军队院校，讲究服从命令、令行禁止，如果校园内发布紧急的通知，因为时间不一致将无法把信息及时传递落实到位，会产生严重的后果；校园内的机关楼、教学楼教室、学员宿舍、图书馆等场所如果时钟信息不一致，会导致师生工作无法协同，考场内时钟不一致将在重要考试时影响考生发挥真实水平，从而影响教学评估；作为军队院校，校园安全问题重中之重。随着安全校园的建设，学校已经部署了一套完备的安防监控系统，实现对校园的360 度无死角全天候监控，而如果监控系统中视频管理平台、硬盘录像机等设备的时间显示不正确，长时间运行后产生较大的时间误差，万一出现校园安全问题，将会严重影响营区内安全管理工作的开展。

在军队院校改革重组的背景下，习近平主席提出要大力开展实战化教学。军队院校旨在为国家的国防事业培育和输送人才，这就要求在教育教学中不能拘泥于课本上的知识和理论，而是要贴近实战。那么当教学以实战和实际应用为目的，当课堂变成战场，当课堂从室内走向室外，这就对教学设施设备和教学训练环境提出了更高的要求。也就是说，要提升当前院校实战化教学水平，最关键的在于要下功夫和心思建设贴近实战的教学环境[2]，而建设贴近实战的教学环境对校园数字化、信息化、智能化提出了更高的要求。为保障教学的顺利开展，校园内网络终端设备时钟走时必须更精确、误差必须更细微。作为我国自主研发建设的卫星导航系统，北斗脱离国外技术的限制，提供安全可靠的服务。将北斗授时技术应用于军队院校，有利于提高校园信息安全，提高师生工作效率和教学成果质量，保证学校正常的教学和生活秩序，为国防现代化事业的蓬勃发展奠定基础。

3 军队院校北斗授时系统应用方案

3.1 在学校数据中心机房内安装NTP 网络时钟服务器

数据中心机房作为一个屏蔽机房，满足保密要求，同时数据中心机房作为学校数据资源处理、存储、传输、交换和管理的中心，满足NTP 网络时钟服务器的安装要求。NTP 网络时钟服务器应架设在通风良好，温湿度适宜的机柜内，同时为保证服务器正常工作和保护其性能，将网络时钟服务器的电源连接到UPS 室内的UPS 稳压电源上，实现市电和UPS 双路供电，防止出现断电导致服务器瘫痪的情况。卫星信号接收天线连接到NTP 网络时钟服务器设备的ANT 接口端，用于接收北斗卫星实时同步信号。接收天线应安装在室外空旷处，周围没有明显遮挡物，平行于水平面，确保固定安装在基座上紧固不松动，同时要远离高压输电线和强电场的干扰，并安装避雷器，做好避雷器的防水措施。用直通网线将服务器的网络接口连接到数据中心机房内的交换机上。NTP 网络时钟服务器能接收来自北斗卫星导航系统和GPS 导航系统的卫星信号[3]，同时该网络时钟服务器能同时支持NTP 和SNTP 两种网络时间同步协议，这样在同一个局域网中，NTP 网络时钟服务器通过NTP 或SNTP 协议将时间信息传递给子网内的其他主机，实现时钟同步。通过交换机的网口与数据中心机房内教育教学管理系统服务器、智慧教室服务器、云桌面服务器、警讯通服务器、校园网站群服务器、流媒体服务器、动力环境监测系统等其他各个子系统的服务器相连，提供标准时间信号，实现所有接入校园网的网络设备时钟同步。在NTP 网络时钟服务器面板上，能够显示卫星时间、锁定卫星颗数、卫星状态、经纬度、高度、各网卡的IP 地址、各网卡的子网掩码、系统工作状态、版本号等。同时几个LED 指示灯能实时查看设备状态，如REF 指示灯亮，代表设备锁定卫星，指示灯灭代表设备失锁卫星；当NTP 指示灯亮，代表此时设备NTP 服务具备授时功能；ALM 指示灯作为告警提示，当设备卫星失锁或NTP 授时异常时就会亮灯提醒。面板上的VGA 接口用于连接显示器，方面后期调试配置NTP 授时系统；1PPS 接口和TOD 接口作为高精度时间同步接口；USB 接口可以用来对NTP 网络时钟服务器进行数据备份、数据恢复和系统升级等；RJ45 网络接口用于连接直通网线，同时还配备有可扩展网口。为方便对整个系统进行管理，要在高性能计算机上配置一套网管软件，该软件可以在Windows 系统下运行。这套网管软件能实时监测整个时钟系统的运行状态，在发生故障时能通过发出报警信息引起管理人员注意，保证故障及时解决。同时在时钟监控主机上可以查看任一子钟的运行状态，实现远程对子钟的实时监控，能够及时处理故障信息，方便后期对母钟和各子钟的维护。

3.2 在教室内配置网络子钟

网络子钟统一采用圆形单面指针式样式，款式简单大方。通过环境改造，布设低烟低卤阻燃的六类屏蔽双绞线和电源线，要求走线美观、安全，满足安装网络子钟的必备环境条件。根据网络子钟安装位置，给每一台网络子钟分配IP 地址，使子钟通过RJ45 以太网口接入校园网。网络子钟作为一个独立的终端，既可以脱离NTP 网络时钟服务器自主独立运行，又能主动发送时间同步信号请求给NTP 网络时钟服务器，网络时钟服务器接收到子钟的请求后自动响应，实现时间同步工作并对其进行实时校对。

3.3 在其他教学办公场所如机关楼会议室、图书馆、体育馆、礼堂、报告厅、值班室等安装网络子钟

网络子钟采取单面数字万年历的样式，醒目简洁，可显示年月日星期时分秒。其中体育馆作为校内承担各类文体比赛的场所，必须要为参赛人员提供倒计时时间，这就要求子钟有倒计时信号，在倒计时子钟显示端利用红外遥控器的方式调节倒计时设置。通过网管软件，能够实现计算机点对点控制，可以对系统内任意一台网络子钟进行时间校对、时间停止、时间复位、追时、时间设置等必要的操作。NTP 网络时钟服务器和分布在各个场所的网络子钟相互之间通过六类屏蔽双绞线相连接，整个系统是分布式的结构，这样系统中如果有任意一台子钟发生故障都不会影响其他子钟的正常运行。

4 结语

通过部署北斗授时系统，能够为校园提供可靠精准的时间，不仅大大提升师生工作学习效率，也为建设贴近实战化的教学训练环境、提升校园数字化智能化、开展“十四五”规划项目提供了有力保障。