一种基于北斗卫星定位的网络授时系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于北斗卫星定位的网络授时系统及方法，通过基于GPS/BD模块提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块，实时与网络上发起授时请求的客户端建立授时传输链路；根据客户端向服务器发出的请求，根据客户端向服务器发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端进行授时同步。本发明网络授时准确性更高，能更好的满足电力通讯、通信计费、分布式网络计算、气象预报领域的需要。
【专利说明】—种基于北斗卫星定位的网络授时系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于网络授时【技术领域】，尤其涉及一种基于北斗卫星定位的网络授时系统及方法。
【背景技术】
[0002]以电网为例，要确保电厂、变电站的设备运转同步进行，必须要确保设备内部时钟一致。在北斗电力全网时间同步管理系统出现之前，为了统一内部时钟，我国电力系统必须通过美国GPS民用频道向电力系统的电力自动化设备、微机监控系统、安全自动保护设备、故障及事件记录等提供授时信号，这使我国电力安全难以得到保障。
[0003]在一些需要精确时间同步的场合，如电力通讯、通信计费、分布式网络计算、气象预报等，仅靠计算机本身提供的时钟信号是远远不够的。据统计，计算机时间与国际标准时间偏差在I分钟以上的占到90%以上，这是因为计算机的时钟信号来源于自带的简单晶体振荡器，而这种晶体振荡器守时性很差，调整好时间后，一般每天都有几秒钟的时间漂移。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于北斗卫星定位的网络授时系统及方法，旨在解决现有网络授时精确性不闻的问题。
[0005]本发明是这样实现的，一种基于北斗卫星定位的网络授时系统，包括GPS/BD网络授时服务器、客户端；所述网络授时服务器包括:用于提供精确时间信息的GPS/BD模块，RTC时钟，TCP/IP网络传输模块，EEPR0M,以及主处理器；
[0006]所述主处理器用于:
[0007]优选地，所述客户端包括:基于GPS/BD模块提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块，实时与网络上发起授时请求的客户端建立授时传输链路；
[0008]根据客户端向服务器发出的请求，根据客户端向服务器发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端进行授时同步；
[0009]其中，所述主处理器分别与GPS/BD模块、RTC时钟、网络传输模块以及EEPROM信号连接，所述网络传输模块与客户端网络连接。
[0010]门户网站授时终端，用于向服务器发送对门户网站的授时请求；
[0011]搜索网页授时终端，用于向服务器发送对搜索网页的授时请求；
[0012]应用软件授时终端，用于向服务器发送对应用软件的授时请求；
[0013]其中，所述门户网站授时终端、搜索网页授时终端以及应用软件授时终端均分别与网络传输模块网络连接。
[0014]本发明进一步提供了一种基于北斗卫星定位的网络授时方法，包括以下步骤:
[0015]基于GPS/BD模块提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块，实时与网络上发起授时请求的客户端建立授时传输链路；
[0016]根据客户端向服务器发出的请求，根据客户端向服务器发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端进行授时同步。
[0017]优选地，所述客户端向服务器发出的请求具体包括:客户端向服务器发出对门户网站、搜索网页以及应用软件的授时请求。
[0018]相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果:本发明网络授时准确性更高，能更好的满足电力通讯、通信计费、分布式网络计算、气象预报领域的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明基于北斗卫星定位的网络授时系统的结构示意图；
[0020]图2是NTP协议工作原理；
[0021 ] 图3是NTP的报文格式；
[0022]图4是客户端/服务器模式；
[0023]图5是对等体模式；
[0024]图6是广播模式；
[0025]图7是组播模式；
[0026]图8是本发明基于北斗卫星定位的网络授时方法的步骤流程图；
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]一种基于北斗卫星定位的网络授时系统，如图1所示，包括GPS/BD网络授时服务器1、客户端2 ;所述网络授时服务器I包括:用于提供精确时间信息的GPS/BD模块11，RTC时钟12，TCP/IP网络传输模块13，EEPR0M14,以及主处理器15 ；
[0029]所述主处理器15用于:基于GPS/BD模块11提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟12，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块13，实时与网络上发起授时请求的客户端2建立授时传输链路；
[0030]根据客户端2向服务器I发出的请求，根据客户端向服务器I发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端2进行授时同步；
[0031]其中，所述主处理器15分别与GPS/BD模块11、RTC时钟12、网络传输模块13以及EEPROM信号14连接，所述网络传输模块13与客户端2网络连接。
[0032]更具体的，所述客户端2包括:
[0033]门户网站授时终端21，用于向网络授时服务器发送对门户网站的授时请求；
[0034]搜索网页授时终端22，用于向网络授时服务器发送对搜索网页的授时请求；
[0035]应用软件授时终端23，用于向网络授时服务器发送对应用软件的授时请求；
[0036]其中，所述门户网站授时终端21、搜索网页授时终端22以及应用软件授时终端23均分别与网络传输模块13网络连接。
[0037]在本发明中，在网络授时同步服务器中主处理器STM32F103，基于GPS/BD模块11 (GPS/BD卫星时钟，S卩北斗授时方式)提供的精确时间信息，并结合内部RTC12，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块13，实时与网络上发起授时请求的客户端2建立授时传输链路，搭建出一个完整的GPS/BD网络授时服务器I。当客户端2向服务器I发出请求时，服务器I便可同步地统一客户端2的时间信息，并达到ms级精度，网络传输时需实现NTP应用层协议，设计中通过构造NTP协议包并根据同步算法可计算出包交换的往返延迟。
[0038]在本发明中，北斗授时方式分为双向授时和单向授时，其主要差别在于从中心站系统到用户机传播时延的获取方式:单向授时用系统广播的卫星位置信息按照一定的计算模型由用户机自主计算单向传播时延，卫星位置误差、建模误差(对流层模型、电离层模型等)都会影响该时延的估计精度，从而影响最终的定时精度；双向授时无需知道用户机位置和卫星位置，通过来回双向传播时间除以2的方式获取，更精确的反映了各种延迟信息，因此其估计精度较高。采用西安航天华迅的北斗定位模块在北斗系统中单向授时精度的系统设计值为100ns，双向授时为20ns，实际授时用户机的性能通常优于该指标。
[0039]在本发明中，NTP协议(Network Time Protocol,网络时间协议)是由RFC1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。如图2所示，NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。使用NTP的目的是对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内所有设备的时钟保持一致，从而使设备能够提供基于统一时间的多种应用。
[0040]对于运行NTP的本地系统，既可以接收来自其他时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其他的时钟，并且可以和其他设备互相同步。
[0041]NTP协议工作原理:
[0042]NTP的基本工作原理如图2所示。Device A和Device B通过网络相连，它们都有自己独立的系统时钟，需要通过NTP实现各自系统时钟的自动同步。为便于理解，作如下假设:
[0043]在Device A和Device B的系统时钟同步之前，Device A的时钟设定为10:00:00am, Device B 的时钟设定为 11:00:00am。
[0044]Device B作为NTP时间服务器，即Device A将使自己的时钟与Device B的时钟同步。
[0045]NTP报文在Device A和Device B之间单向传输所需要的时间为I秒。
[0046]如图2所示，系统时钟同步的工作过程如下:
[0047]Device A发送一个NTP报文给Device B,该报文带有它离开Device A时的时间戳，该时间戳为10:00:00am(Tl)。
[0048]当此NTP报文到达Device B时，Device B加上自己的时间戳，该时间戳为ll:00:01am(T2)。
[0049]当此NTP报文离开Device B时，Device B再加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:02am(T3)。
[0050]当Device A接收到该响应报文时，Device A的本地时间为10:00:03am(T4)。
[0051]至此，Device A已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数:
[0052]NTP 报文的往返时延 Delay = (T4-T1) -(T3-T2) = 2 秒。
[0053]Device A 相对 Device B 的时间差 offset = ((T2-T1) + (T3-T4))/2 = I 小时。
[0054]这样，Device A就能够根据这些信息来设定自己的时钟，使之与Device B的时钟同步。
[0055]NTP的报文格式:
[0056]NTP有两种不同类型的报文，一种是时钟同步报文，另一种是控制报文。控制报文仅用于需要网络管理的场合，它对于时钟同步功能来说并不是必需的，这里不做介绍。
[0057]如图3所示，主要字段的解释如下:
[0058]LI (Leap Indicator):长度为2比特，值为“ 11”时表示告警状态，时钟未被同步。为其他值时NTP本身不做处理。
[0059]VN(Vers1n Number):长度为3比特，表示NTP的版本号，目前的最新版本为3。
[0060]Mode:长度为3比特，表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含义分别是:0未定义、I表示主动对等体模式、2表示被动对等体模式、3表示客户模式、4表示服务器模式、5表示广播模式或组播模式、6表示此报文为NTP控制报文、7预留给内部使用。
[0061]Stratum:系统时钟的层数，取值范围为I?16，它定义了时钟的准确度。层数为I的时钟准确度最高，准确度从I到16依次递减，层数为16的时钟处于未同步状态，不能作为参考时钟。
[0062]Poll:轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔。
[0063]Precis1n:系统时钟的精度。
[0064]Root Delay:本地到主参考时钟源的往返时间。
[0065]Root Dispers1n:系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。
[0066]Reference Identifier:参考时钟源的标识。
[0067]Reference Timestamp:系统时钟最后一次被设定或更新的时间。
[0068]Originate Timestamp:NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。
[0069]Receive Timestamp:NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。
[0070]Transmit Timestamp:应答报文离开应答者时应答者的本地时间。
[0071]Authenticator:验证信息。
[0072]NTP的工作模式:
[0073]用户可以根据需要选择合适的工作模式。在不能确定服务器或对等体IP地址、网络中需要同步的设备很多等情况下，可以通过广播或组播模式实现时钟同步；客户端/服务器和对等体模式中，设备从指定的服务器或对等体获得时钟同步，增加了时钟的可靠性。
[0074]客户端/服务器模式，如图4所示，客户端向服务器发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为3 (客户模式)。服务器端收到报文后会自动工作在服务器模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为4(服务器模式)。客户端收到应答报文后，进行时钟过滤和选择，并同步到优选的服务器。
[0075]在该模式下，客户端能同步到服务器，而服务器无法同步到客户端。
[0076]对等体模式，如图5所示，主动对等体和被动对等体之间首先交互Mode字段为3 (客户端模式)和4(服务器模式)的NTP报文。之后，主动对等体向被动对等体发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为I (主动对等体)，被动对等体收到报文后自动工作在被动对等体模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为2 (被动对等体)。经过报文的交互，对等体模式建立起来。主动对等体和被动对等体可以互相同步。如果双方的时钟都已经同步，则以层数小的时钟为准。
[0077]广播模式，如图6所示，服务器端周期性地向广播地址255.255.255.255发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为5 (广播模式)。客户端侦听来自服务器的广播报文。当客户端接收到第一个广播报文后，客户端与服务器交互Mode字段为3 (客户模式)和4(服务器模式)的NTP报文，以获得客户端与服务器间的网络延迟。之后，客户端就进入广播客户端模式，继续侦听广播报文的到来，根据到来的广播报文对系统时钟进行同步。
[0078]组播模式，如图7所示，服务器端周期性地向用户配置的组播地址(若用户没有配置组播地址，则使用默认的NTP组播地址224.0.1.1)发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为5 (组播模式)。客户端侦听来自服务器的组播报文。当客户端接收到第一个组播报文后，客户端与服务器交互Mode字段为3 (客户模式)和4(服务器模式)的NTP报文，以获得客户端与服务器间的网络延迟。之后，客户端就进入组播客户模式，继续侦听组播报文的到来，根据到来的组播报文对系统时钟进行同步。
[0079]在本发明中，不局限用户采用的授时终端类型(客户端)，可采用多种方式进行网络授时申请，授时终端类型可采用PC计算机、手机、平板电脑等联网设备，通过网络方式进行远程连接授时服务器进行准确授时。由于采用的是标准NTP协议，硬件器件选型具体为:
[0080](I)主处理器芯片:STM32F103ZET6
[0081]基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器；
[0082]512K片内FLASH(相当于硬盘)，64K片内RAM(相当于内存)，片内FLASH支持在线编程(IAP)；
[0083]高达72M的频率；
[0084]支持JTAG，SffD调试.配合廉价的J-LINK，实现高速低成本的开发调试方案；
[0085]多达80个1 (大部分兼容5V逻辑)，4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART，一个USB从设备接口，一个CAN 接口，SD1 接口，可兼容 SRAM，NOR 和 NAND Flash 接口的 16 位总线-FSMC ；
[0086]3路共16通道的12位AD输入，2路共2通道的12位DA输出.支持片外独立电压基准；
[0087]CPU 操作电压范围:2.0-3.6V.;
[0088](2)GPS/BD 模块(HXM12):
[0089]HX6412 BD/GPS OEM模块是一款支持北斗(BI)和GPS的高性能集成模块，单板集成双模基带芯片和双模射频芯片。
[0090]支持北斗(BI)和GPS的高性能集成模块，单板集成双模基带芯片和双模射频芯片:
[0091]尺寸为16*12*2.2mm
[0092]24PIN表贴邮票封装
[0093]工作温度/存储温度_40°C to+85°C
[0094]跟踪灵敏度_161dBm捕获灵敏度_147dBm
[0095]水平误差彡5米
[0096]速度误差0.lm/s
[0097]VCC3.2-3.6V
[0098]工作电流彡I 1mA最大电流彡180mA
[0099](3)嵌入式以太网串口模块(USR-TCP232-D):
[0100]以太网串口模块，是GPS/BD网络授时服务器硬件的一部分，是负责网络传输接口的模块化硬件部分。
[0101]实现TTL与有线以太网双向透明传输；
[0102]支持TCP Server, TCP Client, UDP, UDP Server 四种模式；
[0103]串口波特率可以1200?256000任意设置；
[0104]同时支持通过网络和串口设置参数，设置参数设置后自动保存；
[0105]双向透明传输，无需用户串口做特殊的驱动，升级简单；
[0106]支持AUTO MDI/MDIX，可使用交叉网线或平行网线连接；
[0107]双供电接口，5V或者3.3供电；
[0108]体积小巧,功能强大,适合嵌入应用；
[0109]电源指示灯，网络已连接指示灯，数据收发指示灯；
[0110]支持升级功能，有新功能要求或Bug时无需返厂，只需要发送升级包即可；
[0111](4)嵌入式软件流程设计
[0112]嵌入式软件基于UCOS-1I操作系统开发，NTP协议包、同步算法均为嵌入式软件流程中的一部分，而嵌入式软件主要就是基于UCOS-1I操作系统，进行GPS/BD定位校时、NTP协议处理等工作，而NTP协议处理就是通过NTP协议包，根据同步算法计算出包交换的往返延迟，以提闻网络授时的精度。
[0113]本发明进一步公开了一种基于北斗卫星定位的网络授时方法，包括以下步骤:
[0114]步骤S1、基于GPS/BD模块提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块，实时与网络上发起授时请求的客户端建立授时传输链路；
[0115]步骤S2、根据客户端向服务器发出的请求，根据客户端向服务器发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端进行授时同步。
[0116]所述客户端向服务器发出的请求具体包括:客户端向服务器发出对门户网站、搜索网页以及应用软件的授时请求。
[0117]本发明实施例方法与上述实施例中系统相对应，以上述系统实施例记载内容同样用于解释本方法实施例，在此不再赘述。
[0118]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于北斗卫星定位的网络授时系统，其特征在于，包括GPS/BD网络授时服务器、客户端；所述网络授时服务器包括:用于提供精确时间信息的GPS/BD模块，RTC时钟，TCP/IP网络传输模块，EEPROM,以及主处理器； 所述主处理器分别与GPS/BD模块、RTC时钟、网络传输模块以及EEPROM信号连接，所述网络传输模块与客户端网络连接； 其中，所述主处理器基于GPS/BD模块提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟，计算并修正出时间信息，通过TCP/IP网络传输模块，实时与网络上发起授时请求的客户端建立授时传输链路；所述主处理器根据客户端向服务器发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端进行授时同步。
2.如权利要求1所述的基于北斗卫星定位的网络授时系统，其特征在于，所述客户端包括: 门户网站授时终端，用于向网络授时服务器发送对门户网站的授时请求； 搜索网页授时终端，用于向网络授时服务器发送对搜索网页的授时请求； 应用软件授时终端，用于向网络授时服务器发送对应用软件的授时请求。
3.一种基于北斗卫星定位的网络授时方法，其特征在于，包括以下步骤: 基于GPS/BD模块提供的精确时间信息，并结合内部RTC时钟，计算并修正出时间信息(年月日时分秒)，通过TCP/IP网络传输模块，实时与网络上发起授时请求的客户端建立授时传输链路； 根据客户端向服务器发出的请求，根据客户端向服务器发出的请求，通过NTP协议与发送请求信号的网络客户端进行授时同步。
4.如权利要求3所述的基于北斗卫星定位的网络授时方法，其特征在于，所述客户端向服务器发出的请求具体包括:客户端向服务器发出对门户网站、搜索网页以及应用软件的授时请求。
【文档编号】G04R20/02GK104363069SQ201410512449
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】周文益, 张科伟, 梁奋强, 秦华伟, 王正, 林博恒 申请人:西安航天华讯科技有限公司