标题：GPS时钟
概况
高精度时间基准已经成为通信、电力、广播电视、安防监控、工业控制等领域的基础保障平台之一。卫星导航定位系统可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务，授时性能优异；  GPS时钟原理图高精度、低成本；安全可靠；全天候；覆盖范围广。 
GPS时钟也是基于最新型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1PPS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。
GPS同步时钟主要由以下几部分组成：GPS/GNSS接收机，其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高精度OCXO或铷钟，本地同步校准单元，测差单元，误差处理及控制结构，输入输出等几部分。 
其主要原理是通过GPS或其他卫星导航[1]系统的信号驯服晶振，从而实现高精度的频率和时间信号输出，是目前达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出的最有效方式。 
内部还可以增加IRIG-B码，DCF77码，NTP时间服务器等单元。
GPS时钟内部晶振的设计
由于恒温晶振精密控温，使晶体工作在零温度系数点的温度上，具有很高的频率精度和稳定度，是目前石英晶振器件中频率稳定度最高的一种。晶振的频率精度是指晶振的实际工作频率与标称频率间的偏差，精度引起的偏差会给测量系统引入累积误差。不管是贴片晶振还是插件晶振频率稳定度都是指秒级间隔内的瞬时稳定度，即由晶振“相位噪声”引起的频率随机变化，瞬时稳定度通常会给测量系统引入随机误差。本装置采用新型的高稳定度恒温晶振OD02 - 5T型晶振，它的频率精度达到10- 8量级，频率稳定度达到10- 11量级。频率调整范围是电压调整（0~5V）为- 9 ×10 - 7/8 ×10- 7 ,这种可调特性使得此恒温晶振通过GPS的校准输出频率精度可以达到10- 9.
典型的产品
GPS卫星跟踪性能通道数：50通道 
冷启动时间：32秒 
热启动时间：小于1秒 
定位精度：小于2.5米 
1pps秒脉冲精度：30ns（1σ），综合由于0.5μS; 
1PPS信号格式：BNC接口，TTL电平，阻抗：50Ω授时精度保持模式15ns，非保持模式30ns 
IRIG-B码输出精度：小于0.5us（起始上升沿与1PPS同步）频率精度10MHz：1路，BNC，标准正弦波，50Ω 
准确度：小于1E-12（内置高稳恒温晶振） 
超低相噪。
本款时钟详细指标请见北京寰亚翔宇公司网站。
GPS时钟诞生的原因
我们知道通信系统可以分成同步通信系统和异步通信系统两种。
所谓同步通信，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。这样一方面省去了存储器（异步通信系统需要存储器保存接收到的信号后再解码），同时也确保了实时性。
在最初的同步通信系统中，我们会找到一个时钟源，然后把所有的收发子系统都接到这个时钟源上。小型的同步通信系统完全可以这样做，比如一台电脑中的一个同步通信的系统，  他们就用电缆线接到一个共同的时钟源上，再来收发信号。
可是一旦同步通信的系统变大到全国性的呢？如果还用电缆或者光缆接到同一个时钟源上，会发生很多问题。首先，建设的成本太大了，要在全国范围内铺设线路，只为传输一个时钟信号，不划算。其次，如果收发信机分别在黑龙江和广东，时钟信号即使以光速传过去，还会产生一定的延时。
那么这个问题怎么解决呢？
随着GPS系统民用化和其越来越广泛的应用，人们似乎看到了解决方案。后来就诞生了以‘GPS时钟’（GPS clock）为主的‘时钟信号广播系统’（radio clock）。
每个GPS卫星上都有2~3个高精度的原子钟，这几块原子钟互为备份的同时，也互相纠正。另外地面的控制站会定期发送时钟信号，和每一颗卫星进行时钟校准。这样的时钟系统堪称世界上最精准的了，为什么不能用来做radio clock呢。不管什么同步通信系统，大家都接入GPS卫星信号，将其中的时钟信号解码，那大家就有了精准的同步时钟源了。
当然你可能会担心卫星信号传送到地面的延迟问题。GPS信号中自带了误差纠正码，接收端可以很容易的把延迟的这段传输延迟去掉。另外，由于卫星信号很微弱，只有在室外才能接受的到，因此每个GPS授时系统都应当有室外天线，否则就不能用了。
这样一来上面列出的两个问题都解决了。用来铺设全国性电缆并不是每家公司都有资金实力的，而且铺设的成本用来买GPS接收器，那肯定可以买到无数个了。而延时的问题，也被GPS出色的编码系统所解决了。真的是太完美了。
关于radio clock，世界上还有其他的一些系统，包括欧盟的伽利略卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统等，都有授时的功能。
GPS时钟的实现方法
常规时钟频率产生方法可以是晶体、铷钟等。但晶体会老化，易受外界环境变化影响，长期的精度漂移影响；原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时校准。而GPS系统由于其工作特性的需要，定期对自身时钟系统进行修正，所以其自身时钟系统长期稳定，具有对外界物理因素变化不敏感特性。晶体或铷钟以GPS为长期参考，可以获得低成本、高性能的基准时钟。现有同步时钟的比较如表1所示。 　
在网络正常工作状态下，GPS时钟具有与GPS主钟相同的频率准确度；由于在某些特殊情况下GPS时钟信号会暂时消失，所以基于GPS的时钟模块一般需要另一个外部时钟作为后备输入，预留有外接时钟的时基和频标信号（如GLONASS、中国双星、铷原子钟等）接口。另外，GPS时钟其频率准确度还具有自身保持性能。 　
GPS时钟频率模块提供所需的各种时频的信号，并输出定位时间信息、GPS接收机是否工作正常、输出的时间信号是否有效、时钟和频率处理模块激活状态、异常告警等等。图1是GPS时钟模块的原理图。
电力自动化系统GPS时钟的应用
电力自动化系统内有众多需与GPS时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确定GPS时钟时应注意以下几点： 　
(1)这些系统分属热控、电气、系统专业，如决定由DCS厂商提供的GPS时钟实现时间同步(目前通常做法)，则在DCS合同谈判前，就应进行专业间的配合，确定时钟信号接口的要求。(GPS时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块，如事先无法确定有关要求，则相应合同条款应留有可调整的余地。) 　
(2)各系统是否共用一套GPS时钟装置，应根据系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各专业如对GPS时钟信号接口型式或精度要求相差较大时，可各自配置GPS时钟，这样一可减少专业间的相互牵制，二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外，当系统之间相距较远(例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼)时，为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰，也可就地单设GPS时钟。分设GPS时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。 　
(3)IRIG-B码可靠性高、接口规范，如时钟同步接口可选时，可优先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B类编码的总称，具体按编码是否调制、有无CF和SBS等又分成多种(如IRIG-B000等)，故时钟接收侧应配置相应的解码卡，否则无法达到准确的时钟同步。 　
(4)1PPS/1PPM脉冲并不传送TOD信息，但其同步精度较高，故常用于SOE模件的时钟同步。RS-232时间输出虽然使用得较多，但因无标准格式，设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。 　
(5)火电厂内的控制和信息系统虽已互连，但因各系统的时钟同步协议可能不尽相同，故仍需分别接入GPS时钟信号。即使是通过网桥相连的机组DCS和公用DCS，如果时钟同步信号在网络中有较大的时延，也应考虑分别各自与GPS时钟同步。
GPS时钟特性
保证Intranet/Internet内所有的计算机时间同步；
授时精度：1～10ms；
时间源双机热备份，恒温晶振自守时（可选）；
支持双电源工作备份（可选）；
支持协议ARP，UDP，Telnet，ICMP，SNMP，DHCP，TFTP，NTP/SNTP，Time/UDP，NTP V4，V3，V2，V1；
1-4个独立以太网口速率10/100M，协议兼容：Ethernet 2.0/IEE 802.3；
12通道GPS接收机，寻星时间小于10秒；
装置可通过面板在线显示当前收星个数，直观反映装置的同步状况；
可用于WIN95/98/ME/NT/2000，Unix，Linux等；
串口输出精度可达微秒级；
串口信号输出可编程，按键设置,操作方便；
提供MD5加密验证，防止非法获取时间；
提供UDP广播协议，可接LED显示屏；
完善的SNMP网管功能；
可同步数万台客户端、服务器、工作站等设备时钟；
装置的所有输出信号均经隔离输出，抗干扰能力强；
装置具有多种串行信息输出与交互方式，以满足不同用户的需求；
采用高性能、宽范围开关电源，工作稳定；
GPS接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计，信号接收可靠性高，不受地域条件和环境的限制；
架装式结构，标准机箱,安装方便；
客户端软件操作简单，显示直观，占用系统资源小；
可选模块：IRIG-B码输入/输出，CDMA，北斗接收机，1PPS，1PPM，1PPH；
无线GPS时钟
目前市场上普遍使用的GPS时钟系统是GPS子母数码时钟，即各个数码子钟需要用GPS母钟来传送标准时间信息。在使用的时候需要在室外合适位置架设GPS天线，在每台数码子钟和GPS母钟之间需要连接电缆，但是很多时候建筑物不具备室外架设天线条件，在母钟和子钟之间连接电缆也很麻烦。 
石家庄雷鸣电子科技有限公司，新研发的雷鸣数码时钟不需要母钟，也不需要架设天线，而是在子钟内部电路接收联通CDMA标准时间信号，溯源到UTC时间，即在任何可以使用联通CDMA手机的地方均可使用CDMA数码时钟显示标准时间。具有传统GPS子母钟系统显示标准时间的特点，同时克服了原GPS子母时钟系统使用安装受使用地点条件限制、成本高的弊端。 
该时钟系统可用于于机场、医院、电力、火车站、地铁轻轨、广播电视时钟、体育馆时钟、车载时钟、办公大楼时钟、酒店时钟、学校时钟等不同领域的公共场所。