城市軌道交通時鐘系統(tǒng)

1、時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)是城市軌道交通運行的重要組成部分之一，其主要作用是為城軌工作人員和乘客提供統(tǒng)一的標準時間，并為其他各相關系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標準時間信號，使各系統(tǒng)的定時設備與本系統(tǒng)同步，從而實現(xiàn)城軌全線統(tǒng)一的時間標準。提供時間信息的時鐘系統(tǒng)分為一級母鐘系統(tǒng)與二級母鐘系統(tǒng)，一級母鐘系統(tǒng)安裝在控制中心，二級母鐘系統(tǒng)安裝在各車站和車輛段，用以驅(qū)動分布在站（段）內(nèi)的子鐘顯示正確的時間。城軌時鐘系統(tǒng)所采用的標準時鐘設備，在輸出時間信號的同時，亦輸出為通

2、信設備提供的時鐘同步信號，使各通信節(jié)點設備能同步運行。亦可另行配置通信綜合定時供給系統(tǒng)（BITS），單獨提供時鐘同步信號。如上所述，城軌同步系統(tǒng)分為兩類：一類是基于協(xié)調(diào)世界時（UTC）組建的時間同步系統(tǒng)；另一類是用于數(shù)字通信設備的時鐘同步系統(tǒng)（或數(shù)字同步系統(tǒng)）。時間同步系統(tǒng)定時（例如每隔1s或1min）輸出標準時間（年、月、日、時、分、秒、毫秒）信號；而時鐘同步系統(tǒng)則輸出高穩(wěn)定度、連續(xù)的正弦波或脈沖信號。第一節(jié)時鐘系統(tǒng)技術基礎一、時間的

3、概念一般來說，任何一個周期運動只要具有下列條件，都可以成為確定時間的基準。運動是連續(xù)的、周期的。運動的周期具有充分的穩(wěn)定性。運動的周期必須具有復現(xiàn)性，即要求在任何地點與時間，都可以通過觀察和實驗復現(xiàn)這種周期運動。最常用的時間系統(tǒng)有三大類：世界時、原子時與力學時。力學時系統(tǒng)通常在天文學中使用，在這里不作介紹。1世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)是以地球自轉運動為基準的時問系統(tǒng)。由于觀察地球自轉時所選擇空間參考點的不同，世界時系統(tǒng)又有幾種形式：恒星時、平

4、太陽時和世界時。以平子夜為零時起算的格林威治平太陽時稱為世界時。平太陽時是地方時，地球上各地點的平太陽時不同。為了使用方便，將地球按子午線劃分為24個時區(qū)，每個時區(qū)以中央子午線的平太陽時為該區(qū)的區(qū)時。零時區(qū)的平太陽時即為世界時。由于地球自轉軸在地球內(nèi)部的位置是不固定的（極移），而且地球自轉速度是不均勻的，它不僅包含有長期減緩的趨勢，還包含一些短周期的變化和季節(jié)性的變化。因此世界時不是一個嚴格均勻的時間系統(tǒng)。2原子時系統(tǒng)（1）原子時原子秒

5、定義為：銫原子133原子基態(tài)兩個超精細結構能態(tài)間躍遷輻射的電磁振蕩9192631770周所經(jīng)歷的時間，為1原子秒。原點定義為1958年1月1日的世界時。經(jīng)過國際上100多臺原子鐘的相互對比，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時，稱為國際原子時。（2）協(xié)調(diào)世界時（UTC）原子時雖然是秒長均勻、穩(wěn)定度很高的時間系統(tǒng)，但與地球自轉無關。世界時雖然不均勻，但與地球自轉精密相關。原子時的秒長與世界時的秒長不等，大約每年差1秒。為了協(xié)調(diào)原子時與世界時的關

6、系，建立了一種折中的時間系統(tǒng)，即為協(xié)調(diào)世界時（UTC）。根據(jù)國際規(guī)定，協(xié)調(diào)世界時的秒長采用原子時的秒長，其累計時刻與世界時刻之差保持在0.9秒之內(nèi)，當超過時，采用跳秒（閏秒）的方法來調(diào)整。閏秒一般規(guī)定在6月30日導航衛(wèi)星定時測距全球定位系統(tǒng)簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。它是一種可以定時和測距的導航系統(tǒng)，可向艦船、飛機和車輛提供全球、全天候、連續(xù)、實時服務的高精度三維位置、三維速度和時間信息。1994年7月美國完成目前在軌的24顆GPS導航

7、衛(wèi)星的發(fā)射。GPS由空間系統(tǒng)（導航衛(wèi)星星座）、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS接收終端三大部分組成。1空間系統(tǒng)（導航衛(wèi)星星座）GPS空間系統(tǒng)在相對赤道傾斜角55的6個軌道上部署了24顆衛(wèi)星。其中的21顆為主用的基本星，3顆為備用星，3顆在軌的備用星可以隨時替代發(fā)生故障的其他衛(wèi)星。導航衛(wèi)星設計壽命為7.5年，軌道距地面高度為20128km，運行周期為12恒星小時。GPS的衛(wèi)星布局可確保覆蓋全球，使用戶在地平線10以上的任何地點、任何時刻可以同時收到至

8、少4（4～10）顆衛(wèi)星的信號。足以提供全球任一地點的移動或固定用戶作連續(xù)實時的三維定位、導航。GPS導航衛(wèi)星上裝備了無線收發(fā)信機、天線、銫原子鐘（穩(wěn)定度為1013～1014）、計算機、導航電文存儲器。每顆衛(wèi)星以兩個L波段頻率發(fā)射無線電載波信號：L1=1575.42MHz（波長約為19cm）L2=1227.60MHz（波長約為24cm）在L1載波上測距用P碼（Precise精搜索碼，碼長約30m）和CA碼（CoarseAcquisitio

9、n粗搜索碼，碼長約300m）。P碼只供美國軍方與授權用戶使用，CA碼供民用定位服務。此外，在載波上還調(diào)制了50bits的數(shù)據(jù)導航電文，其內(nèi)容包據(jù)：衛(wèi)星星歷、電離層模型系數(shù)、狀態(tài)信息、時問信息和星鐘偏差漂移等信息。2地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)負責監(jiān)控GPS的工作，是GPS系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，是保證GPS協(xié)調(diào)運行的核心部分。地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個主控站、五個監(jiān)控站和三個注入站（向衛(wèi)星發(fā)射更新的導航數(shù)據(jù)）組成，內(nèi)部各設有一組標準原子鐘。（1）主控站主控

10、站負責接收、處理來自各監(jiān)控站跟蹤數(shù)據(jù)。完成衛(wèi)星星歷和原子鐘計算，衛(wèi)星軌道和鐘差參數(shù)計算，用以產(chǎn)生向空間衛(wèi)星發(fā)送的更新導航數(shù)據(jù)。這些更新數(shù)據(jù)送到注入站，利用S頻段（1750～1850MHz）向衛(wèi)星發(fā)射。由于衛(wèi)星上的原子鐘有足夠精度，故導航更新數(shù)據(jù)約每天才更新一次。（2）監(jiān)控站監(jiān)控站為無人值守站，共有5個。除主控站上的監(jiān)控站外，監(jiān)控站對衛(wèi)星進行跟蹤與測軌，以2200－2300MHz頻率接收衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)，進行軌道預報，并收集當?shù)貧庀蠹按髿夂?/p>

11、對流層對信號的時延數(shù)據(jù)，連同時鐘修正、軌道預報參數(shù)一起傳送給主控站。（3）注入站3個注入站將主控站送來的衛(wèi)星星歷、鐘差信息和軌道修正參數(shù)，每天一次注入衛(wèi)星上的導航電文存儲器中。3GPS接收終端GPS基本定位原理為：位于地面的GPS接收機檢測GPS衛(wèi)星發(fā)送的擴頻信號，通過相關運算獲取到達時間（ToA）信息并由此計算出衛(wèi)星到接收機的距離，再結合衛(wèi)星廣播的星歷信息計算衛(wèi)星的空間位置，完成定位計算。有3顆衛(wèi)星時，若衛(wèi)星與接收機鐘差很小即可實視二