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什么是GNSS系统的“真命天子”?

添加时间:2020-03-05 来源:环球新时空信息技术研究院 作者:曹 冲
  GNSS最为重要的作用是提供高精度的时间服务,这是GNSS系统星座的核心技术,也是GNSS应用服务的核心技术,或者说是“真命天子”。卫星导航玩儿的就是精度,这句话的依据,就是提供高精度的原子钟时间技术。至今,在所有的可计量单位中,时间具有至高无上的精度,没有其它物理量可以超过它。原子钟是导航卫星的心脏,GNSS信号频率的产生是源于原子钟,GNSS高精度的距离测量是依托源于原子钟的高精度时间测量加以实现的。而GNSS应用服务中,用四个卫星实现三维(3D)定位,其中有一个卫星提供的高精度时间参量,是用来代替GNSS用户接收机自身带有的低精度石英钟时钟。GNSS卫星信号带有的高精度时间参量用于广播式无源测距,能够保障用户无限量。随着卫星导航应用服务的广泛深入,其高精度的时间应用作用更加显示出强大的生命力,几乎所有的关键性重大基础设施,都需要高精度时统,最为廉价易用的时间源,就是卫星导航,最大的用户之一是通信,特别是移动通信。高精度时间成为信号频率发生器的源,也是所有服务器和计算机系统的时钟源。不仅仅是通信系统,还有电力网系统、金融证券交易系统、交通管理调度系统,以及多种多样的有无线系统的融合定位,均需要高精度的时间加以支撑。在多种多样技术系统融合的时代,更加需要精确的定时和时间同步,更加显示出卫星导航的不可或缺和不可替代性。从当初卫星导航系统开始时的每三十万年累计误差为一秒,到现在最高的原子钟精度已经可以达到三亿年累计误差为一秒。但是,人们往往还没有真正完全认识到这样的高度,而且还埋怨没有好好利用时间信号参量。
 


 
  最近,总部位于西班牙格拉纳达的“七个解决方案”SociedadLimitada公司,是美国交通部选中的演示GPS可替代备份技术的11家公司之一。“七个解决方案”公司为美国运输部(DOT)演示了提供的精密授时(时间保持)解决方案。提供的演示解决方案测试将于今年3月份进行。该公司提供的时间即服务(TaaS),包括远程定时监视,与GPS干扰保护,以及用于数据中心内部和数据中心之间的时间同步解决方案,精度高达亚纳秒。
 
  其称之为“白兔”(White Rabbit)的核心技术,可在本地和广域部署中使用。在GPS被拒阻的情况下,它可以为光纤提供非常稳定的时间参考,作为备用替代源或互补方式供需要精确时间和定时分配用的其他PNT解决方案。
 
  关键的工业、金融、军事和政府部门的应用中,越来越需要高精度的时间和同步来实现精准、可靠和可追溯的信号。应用的关键领域包括银行和金融,以及电信网络和电力网。跨接不同节点的准确时钟可实现许多关键功能,如一致性,事件排序,以及利用精确定时确定因果关系和实现资源调度。
 
  《GNSS内参》(InsideGNSS)杂志先前介绍过的故事,在技术上相当详细地探讨了“白兔”的功能和性能结果。其中描述了马德里证券交易所的时间服务,该服务所使用“白兔”网络协议通过光纤进行分发。数据中心的可扩展、可追溯时间可解释为“白兔”与GNSS的集成。在金融和电子商务中,时钟同步对于确定交易顺序至关重要:交易平台需要按照出价和报价的放置顺序进行匹配,即使它们是从不同的网关进入交易平台的。在分布式数据库中,精确的时钟同步允许数据库强制执行外部一致性,并提高数据库的吞吐量和控制执行时间。
 
  网络时间协议(NTP)是通过Internet流行的时钟同步协议,其价格便宜且易于部署,但其时间精度通常在毫秒范围内。精确定时协议(PTP)在本地完全“启用PTP”的网络中提供的精度约100纳秒。如果网络硬件未完全启用PTP,则同步精度可能会降低1,000倍。NTP和PTP在高网络负载下均表现不佳。
 
  “白兔”是一个合作项目,旨在开发一种新的基于以太网的技术,以确保亚纳秒级同步和确定性数据传输。该项目使用开源范例开发其硬件、网关软件和软件组件。核心硬件设计和源代码是公开可用的。为了实现亚纳秒同步,“白兔”使用同步以太网(SyncE)进行同步(频率传输),并使用IEEE 1588精确时间协议(PTP)确定通信时间。PTP同步消息的双向交换可以精确调整时钟相位和偏移。链接延迟是通过精确的硬件时间戳和延迟不对称性的计算,从而精确地获悉。“白兔”以向后兼容的方式扩展了PTP,以实现亚纳秒精度。“白兔”最初的构想是通过长达10 km的光纤或铜缆连接实现1000多个节点的同步,现在已经实现了更长距离的覆盖。
 
  当前,七个解决方案公司提供了工业级解决方案,以满足下一代金融市场对时间同步的要求。 2018年,德国股票交易市场的德意志交易所(DeutscheB?rse)部署并测试了“白兔”,以监控其交易网络的监控基础架构中的精确时间。德意志交易所使用七个解决方案公司的产品,在整个数据中心内精确地同步其数据,包捕获和时间戳设备。这种时间传递解决方案可以准确地测量从定单和报价输入到传递到数据中心分布式站点的市场数据所经过的时间。七个解决方案演示结果表明:时间分布的精度在纳秒级范围内,可以满足金融领域最苛刻的客户要求。德意志交易所(DeutscheB?rse)率先在数据中心上使用超精确的时间分配,以连续测量网络上的延迟并增强监视和分析工具。基于“白兔”概念的时间传递解决方案提供了一种多协议和多供应商的解决方案,其中不同的设备可以受益于超精确的时间分配互操作性。在物理上独立的数据中心模块之间分配时间(所有这些模块之间都相距很远),这是一个难题。七个解决方案公司被证明是可靠的业务合作伙伴,并提供了能以亚纳秒精度对数据包捕获和时间戳设备的时钟进行调节的技术,使得网络有了前所未有的可用性。
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