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GPS衛星同步時鐘(NTP時間服務器)在某機場系統的應用 [2015/8/12]

    某機場是某省的重要航空交通樞紐,是一個現代化的大型機場。機場内有電子鐘94個,同時建設有離港系統、航顯系統、廣播系統、指揮調度系統、安檢信息系統、樓宇自控系統、安防監控系統、停車場管理系統、呼叫中心系統等多個信息系統,這些系統通過接口互相連接協同工作,時間的一緻性非常重要。通過建設時鐘同步系統,将各系統的時鐘進行統一校準,為各系統協同工作打下堅實基礎。   1、時鐘在機場的應用和時鐘同步的必要性

  将通信網上各種通信設備或計算機設備的時間信息(年月日時分秒)基于UTC(協調世界時)時間偏差限定在足夠小的範圍内(如100ms),這種同步過程叫做時間同步。

  機場離港系統根據時間信号在指定時間開放和關閉值機;航顯系統在指定時間顯示航班信息;廣播系統在預訂時間播報各種提醒信息引導旅客;樓宇自控系統根據時間來控制燈光、空調的開放和關閉;指揮調度系統依靠準确的時間信息指揮機場各部門協同工作;安防監控系統中每個畫面必須記錄時間信息;停車場管理系統依靠準确的時間收取停車費用;呼叫中心根據時間信息指導旅客乘機;旅客和工作人員也需要準确的時間信息。

  一套精确的時鐘系統是機場的各個生産系統正常發揮作用的重要基礎。

   2、時鐘同步系統的實現

   2.1 功能簡介

  采用星型結構,設置一台NTP服務器,接收來自GPS的标準時間信号,設置一台高精度母鐘,母鐘接收來自NTP的時間信号,并将信号通過時鐘傳輸子系統傳給各個子鐘,為進/出港旅客和機場工作人員提供統一的标準時間,同時母鐘輸出(帶有毫秒級信号)标準時間信号至NTP網絡時間服務器,由NTP網絡時間服務器通過計算機網絡系統,為協調機場航站樓各業務和各生産運行部門提供統一的時間信号,使各機電系統的定時設備與時鐘系統同步。

  2.2 時鐘系統組成

  時鐘系統主要由GPS接收裝置、中心母鐘、子鐘、世界鐘、NTP服務器、傳輸通道和管理控制計算機組成。

  2.2.1 硬件組成示意圖

  圖1為硬件組成示意圖。

  2.2.2 硬件詳細說明

  2.2.2.1 NTP(網絡時間)服務器

  網絡時間服務器接收GPS 标準時間信息,并将此标準時間信息發送給母鐘。網絡時間服務器能夠通過以太網為聯網計算機提供标準時間信息。

  将GPS 天線安裝妥當并将标準時間信号引入控制中心通信室後,接至網絡時間服務器後部,打開電源開關,網絡時間服務器開始工作,一段時間後,其前面闆顯示當地标準時間。

  2.2.2.2 中心母鐘

  母鐘作為整個時鐘系統的基礎主時鐘,它能夠接收來自網絡時間服務器的标準時間信号,将自身的時間精度校準,并分配精确時間信号給各個子鐘。由于母鐘是整個時間系統的中樞部分,其工作的穩定性很大程度上決定了整個系統的可靠性,因此要充分考慮系統功能的實現與系統可靠性等綜合因素,将其設計為主、付機配置的系統單元,并且主、付機之間可實現自動或手動切換。母鐘通過标準的RS422 接口接收網絡時間服務器發送的标準時間信号。網絡時間服務器正常工作時,該信号将作為母鐘的時間基準;網絡時間服務器出現故障時,母鐘将采用自身的高穩晶振做為時間基準。母鐘通過标準的RS422 接口向所屬子鐘發送校準後的标準時間信号,同時可接收子鐘回送的工作狀态信息,并可将所控子鐘的工作狀态信息回送到監控終端,在監控計算機上顯示。母鐘通過标準的RS232 接口與監控計算機相連,以實現對時鐘系統主要設備的監控,以及監控計算機的時間。

  電源停電時,中心母鐘在備用電源支持下仍可正常工作24小時。中心母鐘能與GPS進行同步校時,保持同步。停電96小時以内,供電恢複時能自動追蹤,與标準時間同步。

  中心母鐘能與GPS進行自動校時,保持同步。母鐘同步誤差≤10ms。停電96小時以内供電恢複時,能自動追蹤到标準時間。

  2.2.2.3 監控終端

  在中心機房内設置時鐘系統的控制管理終端(即監控計算機),監控界面采用全中文顯示、下拉菜單模式,具有良好的人機對話界面,其優良的開放性和可擴充性便于顯示子鐘數量的更改,它通過标準的RS232接口與中心母鐘相連,具有集中維護功能和自診斷功能,可進行故障管理、一般性能管理、配置管理及安全管理,其監控軟件界面如圖2所示。

  監控終端包括監控計算機,其串行口經由直接電纜與中心母鐘相連,具有自診斷功能,可進行故障管理、性能管理、配置管理及安全管理。

  通過監控終端可以進行系統的配置,能夠實時監測時鐘系統主要設備運行狀态,對系統的工作狀态、故障狀态進行顯示,能夠對全系統時鐘進行點對點監控。其能夠監控和顯示内容包括:中心母鐘、所有子鐘的工作狀态。系統出現故障時,監控軟件能夠進行報警,指示故障部位。

  2.2.2.4 子鐘

  子鐘通過标準的RS422 接口與中心母鐘相連。在正常情況下,子鐘接收中心母鐘發送的标準時間信号,将自身精度校準,并可回送自身的工作狀态信息;當接收不到标準時間信号時,子鐘可以以自身的精度走時。候機樓所采用的子鐘全為數字式子鐘。

  2.2.2.5世界鐘

  世界鐘由位于不同時區的12個城市的時間組成,各個數字子鐘接收母鐘發送來的校時信号進行校時,與GPS時間同步。世界鐘有獨立的晶振,如果母鐘出現故障,世界鐘便獨立工作。

  世界鐘具有手動校時和追時功能,世界時鐘配有調整鍵盤、複位按鈕和電源開關。

  世界鐘顯示的城市名稱為:某、東京、紐約、洛杉矶、巴黎、倫敦、柏林、莫斯科、悉尼、新加坡、開羅、新德裡。

  2.3 系統配置和功能調試

  2.3.1 GPS的安裝

  天線模塊必須安裝在堅固而耐久的器殼内,。所有天線模塊的電路和元件都裝在一個密封的天線組件内。主要元器件有低剖面微帶插拔天線,陶瓷射頻濾波器(即預選器)和信号前置放大器。天線模塊設計并調諧在能有效接收GPS衛星發送的L1波部分信号(标稱頻率為1575.42MHz)。一但接收到信号,信号将被放大後送入M12接收器。天線模塊内的信号前置放大是可以通過M12接收器供給的外部電源實現的。天線模塊直接從M12接收器的天線連接器獲取标稱為20MA電流的5伏直流電源。

  天線模塊的連接與安裝:天線模塊内有一個特殊設計的低剖面天線,它與M12接收器配合使用。天線接收的GPS信号在天線組合内進行放大,然後經電纜傳至 M12接收器模塊進行處理。天線安裝在一個塑料盒内,以保護其不受惡劣環境的影響。

  對電纜與連接器的要求:天線模塊轉發接收到的GPS信号和從接收器模塊接收電源的功率(5Vdc,20mA)是通過同一條電纜的。建議使用RG-58同軸電纜連接天線模塊和接收器模塊。裝在天線模塊基闆上的射頻插座作為天線電路連接的接口。請注意,電纜上的功率損耗在頻率為1575.42MHz(對GPS的L1波段)時不得超過6dB。為滿足6dB損耗的要求,RG-58電纜的長度應限制在6米以内。天線模塊與接收器模塊之間的連接電纜兩端必須使用直角超小型插入式連接器。請注意,RG-58電纜的内導線應該是絞合線。如果使用實心内導線,則要求安裝者在天線基座内安裝電纜進行彎曲時,必須保證内導線的工作狀态要保持像絞合線一樣良好。

    天線的架設必須充分考慮當地的自然環境和電磁環境,架設場地的選擇尤為重要。天線一般都是露天放置,冰淩日曬,風吹雨打,時間久了難免出現故障,嚴重時甚至收不到信号,所以衛星天線的維護工作也不可忽視。要使GPS的定位性能處于最佳狀态,安裝天線模塊時,必須做到以下四點:

  天線平面應與當地水平面一緻;

  天線必面對整個天空,以便可直視頭頂所有可見的衛星。天線不論口徑尺寸大小,都應盡可能架設在當地開闊空曠地最高處,避開山坡、樹林、高層建築物、鐵塔、高壓輸電線等對天線波束的阻擋。天線主波束方向上應有足夠的視界,天線正前方應有盡可能寬的視角。一般要求以天線基點為參考,對障礙物最高點所成的夾角小于3度;

  天線的架設位置應避開風口,以減小天線的風載。在多雷雨地區,天線的架設位置應避開雷擊多發地點,同時要采取多種避雷措施;

  天線模塊的維護:天線安裝調試完成後,在接收某确定衛星的電視信号時,其方位角、俯仰角基本不動。為消除衛星漂移帶來的影響,可以根據實際收測效果,定期或不定期對天線進行微調,以便之始終處于最佳接收狀态。

  為防止天線遭受雷擊,天線上方應安裝避雷針,在雷雨季節到來之前必須仔細檢查避雷接地系統是否良好。

  2.3.2 NTP服務器的安裝

  應安裝在帶有UPS供電系統的機房中,并和網絡系統及中心母鐘使用。服務器的網絡接口連接交換機:使用兩端都是RJ-45接頭的網線,兩個接頭的做法采用國際标準EIA/TIA 568B,這樣的網線稱為平行電纜或者正序線,液位計液位變送器電容式液位計電容式液位變送器可以對NIC(網絡接口适配器)和交換機或者集線器進行連接。

  2.3.3 母鐘的安裝

  應安裝在帶有UPS供電系統的機房中,并和NTP服務器通過網線連接,由于母鐘會發出校時信号給各個子鐘,因此需将母鐘信号發射線與至各分弱電間網線相連,将校時信号送入各分弱電間的時鐘配線架。

  2.3.4 子鐘的安裝

  安裝在使用位置并通過網絡連接到各分弱電間的時鐘配線架。

  2.3.5 網絡時鐘信息源的設置

  設置NTP服務器的網絡時鐘信号IP地址及時鐘信号傳輸協議(一般使用SNTP協議)。各信息系統可以使用Netime、Sntp等軟件讀取時鐘服務器的時鐘信息進行校時,實現時鐘同步功能。

3 總結

  通過建設某時鐘同步系統,使機場各系統間的聯動更加順暢、準确,最大限度地發揮了信息系統的作用。

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