CN112543078B - 一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，首先利用卫星共视将本地时钟远程溯源至国家的时间频率计量基准，然后以本地时钟为基准和网络时间服务的客户端，远程访问待测的网络时间服务器，通过不同网络时间服务器的授时方法，测量出网络时间服务器的授时精度，并进行校准。本发明还公开了一种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置，通过卫星共视远程溯源至国家标准时间，并对网络时间服务器进行直接或远程校准。本发明基于卫星共视的时间的远程溯源，实现对网络时间服务器的远程校准，解决了网络时间服务器的高精度、远程溯源和远程校准的问题，结构简单，作用效果显著，适于广泛推广。

Description

一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法与装置

技术领域

本发明涉及时间校准技术领域，特别涉及，一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法与装置。

背景技术

准确的时间在当前新基建，如：5G通信、物联网、大数据、国防建设中变得越来越重要。所以，时间频率的远程溯源、远程比对、远程校准显得尤为迫切和重要。

目前对时间频率设备的校准和测试，还基于溯源到GPS或北斗，没有统一到UTC(k)的溯源标准；测试手段也仅限于本地测试、局域网内测试，不能在生产和应用中进行网络化测试、云计量。这些因素可能会导致，时间设备的校准结果不准确，不可靠。很多网络时间服务器的时间准确度的计量均采用了GPS或北斗授时的基准进行计量，不但精度较差，而且不可直接溯源至国家时间频率的计量基准，不具有远程溯源特性。

根据以上问题，提出一种解决现在技术所存在的网络时间服务器的高精度、远程溯源和远程校准的问题的方法及装置。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法与装置，以解决现在技术所存在的网络时间服务器的高精度、远程溯源和远程校准的问题。

本发明提供了一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，具体步骤包括：

步骤1、通过网络或者北斗通信，获得国家时间频率计量基准的卫星共视数据与本地时钟的卫星共视数据；

步骤2、根据获取的共视数据，基于GNSS共视原理，对本地时钟进行调整控制，使本地时钟锁定到标准时间；

步骤3、依据已锁定到标准时间的本地时钟进行数据协义包的信息传输，基于网络时间服务器授时原理生成时间戳；

步骤4、通过往返数据协义包中的时间戳，获得本地时钟与网络时间服务器的时间偏差，得到网络时间服务器与标准时间的偏差，并对网络时间服务器进行校准。

优选地，所述步骤2具体步骤包括：

步骤2.1、根据测量得到的伪距信息，得出参考时钟与卫星时钟的钟差，其中参考时钟为国家时间频率计量基准；

步骤2.2、经过国家时间频率计量基准的参考端和本地时钟的客户端数据的交互，获得某一个时刻本地时钟与参考的标准时间之间的时间差ΔT＝ΔT_user-ΔT_utc＝T_user-T_utc(k)，其中T_utc(k)为时间基准的时刻，T_user为本地时钟的时刻，ΔT_utc为国家时间频率计量基准的参考端的钟差，ΔT_user为客户端的本地时钟的钟差；

步骤2.3、经过一段时间的积累，由时间差信息获得本地时钟相对于标准时间的频率偏差；

步骤2.4、通过对本地时钟时间偏差和频率偏差的调整，获得锁定到标准时间的本地时间。

优选地，所述步骤3具体步骤包括：

步骤3.1、基于已锁定到标准时间的本地时钟，客户端发送网络时间同步协议数据包，产生时间戳信息T1；

步骤3.2、服务器端接收到网络时间同步协议数据包，产生时间戳信息T2；

步骤3.3、服务器端向网络时间同步客户端返回网络时间同步数据包，产生时间戳信息T3；

步骤3.4、网络时间同步客户端接收到返回的网络时间同步数据包，产生时间戳信息T4。

优选地，所述步骤4具体步骤包括：通过往返数据协义包中的时间戳数据，得出服务器端与客户端的时间偏差和网络时间服务器与标准时间的网络延迟/>以及本地时钟与网络时间服务器的时间偏差得出网络时间服务器的时间同步精度，并进行校准或溯源。

优选地，所述步骤2.1中，国家时间频率计量基准的参考端的钟差为：客户端的本地时钟的钟差为：/>其中/>为PRN＝j卫星的时刻，/>为PRN＝j卫星的时刻。

优选地，所述步骤2.2中，本地时钟与国家时间频率计量基准的时间差其中：Δt_i为第i时刻，本地时钟与国家时间频率计量基准之间的时间差信息；/>为第j颗导航卫星计算的本地时钟与北斗卫星系统时间BDT之间的时间偏差，j＝1,2……n；/>为j颗导航卫星计算的国家时间频率计量基准UTC(k)与北斗卫星系统时间BDT之间的时间偏差，j＝1,2……n。

优选地，所述步骤2.3中，第i时刻本地时钟相对于国家时间频率计量标准的相位偏差Δphaseoffset＝Δt_i，第i时刻本地时钟相对于国家时间频率计量标准的频率偏差其中Δt_i为时刻T_i相对于国家时间频率计量标准时间偏差，Δt_i-1为时刻T_i所对应的本地时钟T_i-1相对于国家时间频率计量标准时间偏差。

本发明还提供一种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置，包括：

卫星共视接收机，用于与国家时间频率计量基准的卫星共视接收机进行共视观测；

本地时钟，与所述卫星共视接收机电连接；

FPGA处理器，分别与所述卫星共视接收机和所述本地时钟电连接；

时间同步处理模块，与所述FPGA处理器连接，用于与待测的网络时间服务器进行数据传输。

由上述方案可知，本发明提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法首先利用卫星共视将本地时钟远程溯源至国家的时间频率计量基准，然后以本地时钟为基准和网络时间服务的客户端，远程访问待测的网络时间服务器，通过不同网络时间服务器的授时方法，测量出网络时间服务器的授时精度，并进行校准。该方法不但可解决时间频率的溯源性问题，还可实现对网络时间服务器进行高精度、远距离的精度检测与计量。本发明提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置通过卫星共视远程溯源至国家标准时间，并对网络时间服务器进行直接或远程校准。本发明基于卫星共视的时间的远程溯源，实现对网络时间服务器的远程校准，解决了网络时间服务器的高精度、远程溯源和远程校准的问题，结构简单，作用效果显著，适于广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法的过程框图一；

图2为本发明实施例提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法的过程框图二；

图4为本发明实施例提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法的GNSS共视原理图；

图5为本发明实施例提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法的网络时间服务器与客户端授时原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法与装置的一种具体实施方式进行说明。该种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法与装置的具体步骤包括：

S1、通过网络或者北斗通信，获得国家时间频率计量基准的卫星共视数据(参考端)，通过卫星共视接收机获得本地时钟的卫星共视数据(客户端)；

S2、根据获取的共视数据，基于GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)共视原理，对本地时钟进行调整控制，使本地时钟锁定到标准时间，实现时间频率的远程溯源，将本地时钟远程溯源到国家时间频率的计量标准UTC(k)；

本步骤具体的实现步骤可以为：

S2.1、通过GNSS接收模块测量的伪距信息，根据测量得到的伪距信息，得出参考时钟与卫星时钟的钟差，其中参考时钟为国家时间频率计量基准；

S2.1中，国家时间频率计量基准的参考端的钟差为：客户端的本地时钟的钟差为：/>其中T_utc(k)为时间基准的时刻，/>为PRN＝j卫星的时刻，T_user为本地时钟的时刻，/>为PRN＝j卫星的时刻。

S2.2、经过国家时间频率计量基准的参考端和本地时钟的客户端数据的交互，获得某一个时刻本地时钟与参考的标准时间之间的时间差ΔT＝ΔT_user-ΔT_utc＝T_user-T_utc(k)；

S2.2中，本地时钟(客户端)与国家时间频率计量基准的时间差其中：Δt_i为第i时刻，本地时钟(客户端)与国家时间频率计量基准之间的时间差信息，单位s；/>为第j颗导航卫星计算的本地时钟(客户端)与北斗卫星系统时间BDT之间的时间偏差，j＝1,2……n；/>为j颗导航卫星计算的国家时间频率计量基准UTC(k)与北斗卫星系统时间BDT之间的时间偏差，j＝1,2……n。

S2.3、经过一段时间的积累，由时间差信息获得本地时钟相对于标准时间的频率偏差；

S2.3中，第i时刻本地时钟相对于国家时间频率计量标准的相位偏差Δphaseoffset＝Δt_i，第i时刻本地时钟相对于国家时间频率计量标准的频率偏差其中Δt_i为时刻T_i相对于国家时间频率计量标准时间偏差，单位s，Δt_i-1为时刻T_i所对应的本地时钟T_i-1相对于国家时间频率计量标准时间偏差，单位s。

S2.4、根据本地时钟相对于国家时间频率计量标准的相位偏差和频率偏差，对本地时钟时间偏差和频率偏差进行调整控制，使其锁定到标准时间，获得锁定到标准时间的本地时间，从而达到时间频率远程溯源的目的。

S3、依据已锁定到标准时间的本地时钟进行数据协义包的信息传输，基于网络时间服务器授时原理生成时间戳；

利用网络时间服务器授时原理实现对网络时间服务器的精度测试和校准。目前常用的网络时间服务器包括NTP和PTP(IEEE1588)，其工作原理基本一致。

本步骤具体的实现步骤可以为：

S3.1、基于已锁定到标准时间的本地时钟，网络时间同步客户端向网络时间服务器端发送网络时间同步协议数据包，产生时间戳信息T1(T1时刻已经溯源至标准时间)；

S3.2、网络时间服务器端接收到网络时间同步协议数据包，产生时间戳信息T2；

S3.3、网络时间服务器端向网络时间同步客户端返回网络时间同步数据包，产生时间戳信息T3；

S3.4、网络时间同步客户端接收到网络时间服务器返回的网络时间同步数据包，产生时间戳信息T4(T4时刻已经溯源至标准时间)。

由FPGA处理器作为硬件平台，并以本地时钟(已锁定到标准时间)，运行网络时间同步客户端程序，在数据协议包发送时刻，为其产生时间戳信息T1，并将该数据协议包发送给网络时间服务器；在接收到网络时间服务器返回的数据包时，再次产生时间戳T4。

S4、通过往返数据协义包中的时间戳，获得本地时钟与网络时间服务器的时间偏差，得到网络时间服务器与标准时间的偏差，并对网络时间服务器进行校准。

通过服务器端和客户端交付的往返数据协义包中的时间戳数据，得出网络时间服务器服务器端与本地时钟客户端的时间偏差和网络时间服务器与标准时间的网络延迟/>以及本地时钟与网络时间服务器的时间偏差/>由于本地时钟已经远程溯源至国家时间频率计量基准，所以该时间偏差可认为是网络时间服务器与标准时间的偏差。因为客户端的时间已经溯源至标准时间，所以得出网络时间服务器的时间同步精度，并进行校准或溯源，其中T1为本地时钟产生的网络时间数据协议包数据发送产生的时间戳，T4为本地时钟产生的网络时间数据协议包数据返回接收产生的时间戳，T2为网络时间服务器端接收客户端发送的数据协议包接收产生的时间戳，T3为网络时间服务器端接收客户端发送的数据协议包发送产生的时间戳。

该种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法是一种高精度的网络时间服务器的检测与校准方法，首先利用卫星共视将本地时钟远程溯源至国家的时间频率计量基准(如：中国计量科学研究院的UTC(k))，然后以本地时钟为基准和网络时间服务的客户端，远程访问待测的网络时间服务器，通过不同网络时间服务器(NTP或PTP)的授时方法，测量出网络时间服务器的授时精度，并进行校准。利用卫星导航共视技术，实现高精度的时间溯源问题，将测量用的参考时间与国家时间频率计量基准进行联系；将获得时间频率溯源的本地装置作为客户端，再对网络时间服务器进行网络访问与时差测量，从而对其授时精度进行评估校准。

实施例2

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置的一种具体实施方式进行说明。该种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置包括卫星共视接收机、本地时钟、FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编辑逻辑门阵列)处理器和时间同步处理模块，其中卫星共视接收机用于与国家时间频率计量基准的卫星共视接收机进行共视观测；本地时钟与卫星共视接收机电连接；FPGA处理器分别与卫星共视接收机和本地时钟电连接；时间同步处理模块与FPGA处理器连接，用于与待测的网络时间服务器进行数据传输。

卫星共视接收机为客户端，通过网络自动下载国家时间频率计量基准所生成的卫星共视数据，与其进行卫星共视比对；连接本地时钟接收其时频信号1PPS/10MHz，并对其进行控制调整；与FPGA处理器连接为其提供标准时间的时间戳TOD。主要功能是与国家时间频率计量基准的卫星共视接收机(参考端)进行共视观测，获得本地时钟与计量基准之间的时差和频差，并对本地时钟进行控制与调整。

本地时钟产生标准的时间频率信号1PPS/10MHz，并接受外部控制指令，对时间频率信号进行修正，本地时钟为卫星共视接收机(客户端)提供标准时间频率信号1PPS、10MHz，并接受其控制，同时为FPGA处理器提供标准时间与频率。

FPGA处理器接收本地时钟和卫星共视接收机的时间频率信号，产生锁定于本地时钟(已锁定到标准时间)的时间戳，并作为网络时间服务器客户端程序的运行平台，为其产生数据包发送和接收的时间戳。FPGA处理器接收本地时钟标准的时间频率信号1PPS、10MHz；同时接收卫星共视接收机标准的时间戳信息TOD；作为网络时间同步客户端程序的运行平台，产生网络时间协议数据包的发送和接收时间戳。

时间同步处理模块包括网络时间同步客户端程序，时间同步处理模块产生网络时间协议，记录数据包发送时间戳，并向待测的网络时间服务器发起传输；接收待测网络时间服务器返回的数据包，并记录接收的时间戳，根据数据包中的时间戳计算本地时钟与网络时间服务器的时间偏差和网络延迟。

该种基于卫星共视的网络时间服务器校准装置通过卫星共视远程溯源至国家标准时间，并对网络时间服务器进行直接或远程校准。经过验证，时间频率的溯源精度可达到5ns(95％)，一般比网络时间服务器的精度高了1-2个数量级，对网络时间服务器的时间准确度的计量的不确定度达20ns，满足现有的NTP、PTP等网络时间服务器的精度测试需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1、通过网络或者北斗通信，获得国家时间频率计量基准的卫星共视数据与本地时钟的卫星共视数据；

步骤2、根据获取的共视数据，基于GNSS共视原理，对本地时钟进行调整控制，使本地时钟锁定到标准时间；

步骤3、依据已锁定到标准时间的本地时钟进行数据协议包的信息传输，基于网络时间服务器授时原理生成时间戳；

步骤4、通过往返数据协议包中的时间戳，获得本地时钟与网络时间服务器的时间偏差，得到网络时间服务器与标准时间的偏差，并对网络时间服务器进行校准；

所述步骤2具体步骤包括：

步骤2.1、根据测量得到的伪距信息，得出参考时钟与卫星时钟的钟差，其中参考时钟为国家时间频率计量基准；

步骤2.2、经过国家时间频率计量基准的参考端和本地时钟的客户端数据的交互，获得某一个时刻本地时钟与参考的标准时间之间的时间差ΔT＝ΔT_user-ΔT_utc＝T_user-T_ut(ck)，其中T_utc(k)为时间基准的时刻，T_user为本地时钟的时刻，ΔT_utc为国家时间频率计量基准的参考端的钟差，ΔT_user为客户端的本地时钟的钟差；

步骤2.3、经过一段时间的积累，由时间差信息获得本地时钟相对于标准时间的频率偏差；

步骤2.4、通过对本地时钟时间偏差和频率偏差的调整，获得锁定到标准时间的本地时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，其特征在于，所述步骤3具体步骤包括：

步骤3.1、基于已锁定到标准时间的本地时钟，客户端发送网络时间同步协议数据包，产生时间戳信息T1；

步骤3.2、服务器端接收到网络时间同步协议数据包，产生时间戳信息T2；

步骤3.3、服务器端向网络时间同步客户端返回网络时间同步数据包，产生时间戳信息T3；

步骤3.4、网络时间同步客户端接收到返回的网络时间同步数据包，产生时间戳信息T4。

3.根据权利要求2所述的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，其特征在于，所述步骤4具体步骤包括：通过往返数据协议包中的时间戳数据，得出服务器端与客户端的时间偏差和网络时间服务器与标准时间的网络延迟以及本地时钟与网络时间服务器的时间偏差得出网络时间服务器的时间同步精度，并进行校准或溯源。

4.根据权利要求3所述的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，其特征在于，所述步骤2.1中，国家时间频率计量基准的参考端的钟差为：客户端的本地时钟的钟差为：/>其中/>为PRN＝j卫星的时刻。

5.根据权利要求4所述的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，其特征在于，所述步骤2.2中，本地时钟与国家时间频率计量基准的时间

计量基准之间的时间差信息；为第j颗导航卫星计算的本地时钟与北斗卫星系统时间BDT之间的时间偏差，j＝1,2……n；/>为j颗导航卫星计算的国家时间频率计量基准UTC(k)与北斗卫星系统时间BDT之间的时间偏差，j＝1,2……n。

6.根据权利要求5所述的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法，其特征在于，所述步骤2.3中，第i时刻本地时钟相对于国家时间频率计量标准的相位偏差Δphaseoffset＝Δt_i，第i时刻本地时钟相对于国家时间频率计量标准的频率偏差其中Δt_i为时刻T_i相对于国家时间频率计量标准时间偏差，Δt_i-1为时刻T_i所对应的本地时钟T_i-1相对于国家时间频率计量标准时间偏差。

7.根据权利要求1所述的一种基于卫星共视的网络时间服务器校准方法的校准装置，其特征在于，包括：

卫星共视接收机，用于与国家时间频率计量基准的卫星共视接收机进行共视观测；

本地时钟，与所述卫星共视接收机电连接；

FPGA处理器，分别与所述卫星共视接收机和所述本地时钟电连接；

时间同步处理模块，与所述FPGA处理器连接，用于与待测的网络时间服务器进行数据传输。