城市軌道交通時(shí)鐘系統(tǒng)

1、時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并為其他各相關(guān)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，使各系統(tǒng)的定時(shí)設(shè)備與本系統(tǒng)同步，從而實(shí)現(xiàn)城軌全線統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。提供時(shí)間信息的時(shí)鐘系統(tǒng)分為一級(jí)母鐘系統(tǒng)與二級(jí)母鐘系統(tǒng)，一級(jí)母鐘系統(tǒng)安裝在控制中心，二級(jí)母鐘系統(tǒng)安裝在各車站和車輛段，用以驅(qū)動(dòng)分布在站（段）內(nèi)的子鐘顯示正確的時(shí)間。城軌時(shí)鐘系統(tǒng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘設(shè)備，在輸出時(shí)間信號(hào)的同時(shí)，亦輸出為通

2、信設(shè)備提供的時(shí)鐘同步信號(hào)，使各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備能同步運(yùn)行。亦可另行配置通信綜合定時(shí)供給系統(tǒng)（BITS），單獨(dú)提供時(shí)鐘同步信號(hào)。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(shí)（UTC）組建的時(shí)間同步系統(tǒng)；另一類是用于數(shù)字通信設(shè)備的時(shí)鐘同步系統(tǒng)（或數(shù)字同步系統(tǒng)）。時(shí)間同步系統(tǒng)定時(shí)（例如每隔1s或1min）輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒）信號(hào)；而時(shí)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(hào)。第一節(jié)時(shí)鐘系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)一、時(shí)間的

3、概念一般來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)只要具有下列條件，都可以成為確定時(shí)間的基準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的、周期的。運(yùn)動(dòng)的周期具有充分的穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性，即要求在任何地點(diǎn)與時(shí)間，都可以通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)這種周期運(yùn)動(dòng)。最常用的時(shí)間系統(tǒng)有三大類：世界時(shí)、原子時(shí)與力學(xué)時(shí)。力學(xué)時(shí)系統(tǒng)通常在天文學(xué)中使用，在這里不作介紹。1世界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的時(shí)問(wèn)系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)時(shí)所選擇空間參考點(diǎn)的不同，世界時(shí)系統(tǒng)又有幾種形式：恒星時(shí)、平

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

5、定義為：銫原子133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能態(tài)間躍遷輻射的電磁振蕩9192631770周所經(jīng)歷的時(shí)間，為1原子秒。原點(diǎn)定義為1958年1月1日的世界時(shí)。經(jīng)過(guò)國(guó)際上100多臺(tái)原子鐘的相互對(duì)比，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時(shí)，稱為國(guó)際原子時(shí)。（2）協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）原子時(shí)雖然是秒長(zhǎng)均勻、穩(wěn)定度很高的時(shí)間系統(tǒng)，但與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。世界時(shí)雖然不均勻，但與地球自轉(zhuǎn)精密相關(guān)。原子時(shí)的秒長(zhǎng)與世界時(shí)的秒長(zhǎng)不等，大約每年差1秒。為了協(xié)調(diào)原子時(shí)與世界時(shí)的關(guān)

6、系，建立了一種折中的時(shí)間系統(tǒng)，即為協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）。根據(jù)國(guó)際規(guī)定，協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)采用原子時(shí)的秒長(zhǎng)，其累計(jì)時(shí)刻與世界時(shí)刻之差保持在0.9秒之內(nèi)，當(dāng)超過(guò)時(shí)，采用跳秒（閏秒）的方法來(lái)調(diào)整。閏秒一般規(guī)定在6月30日導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)測(cè)距全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。它是一種可以定時(shí)和測(cè)距的導(dǎo)航系統(tǒng)，可向艦船、飛機(jī)和車輛提供全球、全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)服務(wù)的高精度三維位置、三維速度和時(shí)間信息。1994年7月美國(guó)完成目前在軌的24顆GPS導(dǎo)航

7、衛(wèi)星的發(fā)射。GPS由空間系統(tǒng)（導(dǎo)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(dǎo)航衛(wèi)星星座）GPS空間系統(tǒng)在相對(duì)赤道傾斜角55的6個(gè)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(shí)替代發(fā)生故障的其他衛(wèi)星。導(dǎo)航衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為7.5年，軌道距地面高度為20128km，運(yùn)行周期為12恒星小時(shí)。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(diǎn)、任何時(shí)刻可以同時(shí)收到至

8、少4（4～10）顆衛(wèi)星的信號(hào)。足以提供全球任一地點(diǎn)的移動(dòng)或固定用戶作連續(xù)實(shí)時(shí)的三維定位、導(dǎo)航。GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上裝備了無(wú)線收發(fā)信機(jī)、天線、銫原子鐘（穩(wěn)定度為1013～1014）、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器。每顆衛(wèi)星以兩個(gè)L波段頻率發(fā)射無(wú)線電載波信號(hào)：L1=1575.42MHz（波長(zhǎng)約為19cm）L2=1227.60MHz（波長(zhǎng)約為24cm）在L1載波上測(cè)距用P碼（Precise精搜索碼，碼長(zhǎng)約30m）和CA碼（CoarseAcquisitio

9、n粗搜索碼，碼長(zhǎng)約300m）。P碼只供美國(guó)軍方與授權(quán)用戶使用，CA碼供民用定位服務(wù)。此外，在載波上還調(diào)制了50bits的數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shí)問(wèn)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(fù)責(zé)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(yùn)行的核心部分。地面監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)主控站、五個(gè)監(jiān)控站和三個(gè)注入站（向衛(wèi)星發(fā)射更新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)）組成，內(nèi)部各設(shè)有一組標(biāo)準(zhǔn)原子鐘。（1）主控站主控

10、站負(fù)責(zé)接收、處理來(lái)自各監(jiān)控站跟蹤數(shù)據(jù)。完成衛(wèi)星星歷和原子鐘計(jì)算，衛(wèi)星軌道和鐘差參數(shù)計(jì)算，用以產(chǎn)生向空間衛(wèi)星發(fā)送的更新導(dǎo)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(dǎo)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(wú)人值守站，共有5個(gè)。除主控站上的監(jiān)控站外，監(jiān)控站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤與測(cè)軌，以2200－2300MHz頻率接收衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)，并收集當(dāng)?shù)貧庀蠹按髿夂?/p>

11、對(duì)流層對(duì)信號(hào)的時(shí)延數(shù)據(jù)，連同時(shí)鐘修正、軌道預(yù)報(bào)參數(shù)一起傳送給主控站。（3）注入站3個(gè)注入站將主控站送來(lái)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(dǎo)航電文存儲(chǔ)器中。3GPS接收終端GPS基本定位原理為：位于地面的GPS接收機(jī)檢測(cè)GPS衛(wèi)星發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算獲取到達(dá)時(shí)間（ToA）信息并由此計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，再結(jié)合衛(wèi)星廣播的星歷信息計(jì)算衛(wèi)星的空間位置，完成定位計(jì)算。有3顆衛(wèi)星時(shí)，若衛(wèi)星與接收機(jī)鐘差很小即可實(shí)視二