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铁路时间同步网综合原子时标的研究

梁坤 韦宝盈

梁坤, 韦宝盈. 铁路时间同步网综合原子时标的研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(11): 4127-4136. doi: 10.11999/JEIT230806
引用本文: 梁坤, 韦宝盈. 铁路时间同步网综合原子时标的研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(11): 4127-4136. doi: 10.11999/JEIT230806
LIANG Kun, WEI Baoying. Research on Distributed Ensemble Time Scale for Railway Time Synchronization Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(11): 4127-4136. doi: 10.11999/JEIT230806
Citation: LIANG Kun, WEI Baoying. Research on Distributed Ensemble Time Scale for Railway Time Synchronization Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(11): 4127-4136. doi: 10.11999/JEIT230806

铁路时间同步网综合原子时标的研究

doi: 10.11999/JEIT230806
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFB3900704),国家铁路智能运输系统工程技术研究中心开放课题
详细信息
    作者简介:

    梁坤:男,教授,研究方向为精密测量,时间频率标准产生、精准测量、传递和同步(守时、授时)等

    韦宝盈:女,硕士生,研究方向为精密测量,时间频率传递和同步等

    通讯作者:

    梁坤  liangk@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TB939

Research on Distributed Ensemble Time Scale for Railway Time Synchronization Network

Funds: The National Key R&D Program of China (2021YFB3900704), The Open Foundation of National Railway Intelligence Transportation System Engineering Technology Research Center
  • 摘要: 铁路时间同步网为铁路各系统提供统一的标准时间量值,其精确、稳定与否对铁路系统安全、高效地运营具有重要影响。根据调研,当前铁路时间同步网的潜在问题有:各时间节点时间溯源参考不一致,且未精确溯源至协调世界时(UTC);仅设置1处的1级时间节点故障时,2,3级时间节点受其影响大、鲁棒性不足;监测手段仅针对单个节点,缺乏整体层面的自动监测方法。针对以上潜在问题,该文提出可精确溯源至UTC的铁路时间同步网综合原子时标(TE)作为网内统一的时间溯源参考的解决方案,通过建立铁路时间同步网仿真模型,研究设计了综合原子时标算法,基于1级、2级时间节点19台母钟设备形成了TE。仿真结果表明,TE与UTC的溯源偏差可优于30 ns,溯源不确定度可优于5 ns;1级时间节点正常运行时,引入TE可提高2级时间节点时间稳定度约40%;1级时间节点故障时,TE仍可持续生成并作为网内统一的时间溯源参考, TE同步架构下的2级时间节点与传统同步架构下的相比,其频率、时间稳定度提高约35%;基于TE可获取任意节点间时差,通过分析时差数据,可实现整体层面的所有时间节点、精确时间协议(PTP)链路通断的自动监测。
  • 图  1  TE同步架构下1级时间节点正常工作时铁路时间同步网时间同步原理图

    图  2  TE同步架构下一级时间节点故障时铁路时间同步网时间同步原理图

    图  3  传统同步架构下一级时间节点故障时铁路时间同步网时间同步原理图

    图  4  1级时间节点故障时TE同步架构与传统同步架构下时间量值传递对比

    图  5  TE的物理实现及TE-UTC溯源链路构建

    图  6  铁路时间同步网综合原子时标系统结构

    图  7  TE、通过GNSS单向授时同步的1级时间节点频率稳定度、时间稳定度

    图  8  TE、通过GNSS单向授时同步的1级时间节点MTIE

    图  9  TE、TE同步架构下/传统同步架构下2级时间节点1的时间稳定度、MTIE

    图  10  TE同步架构/传统同步架构下2级时间节点1的频率稳定度、时间稳定度

    图  11  1级、部分2级时间节点与TE时差图

    图  12  1级、部分2级时间节点与TE时差、权重变化图

    表  1  各时间节点向TE同步后与UTC(k)频差

    时间节点 频差 时间节点 频差
    TE $ 5.4 \times {10^{ - 14}} $ 1 $ - 3.5 \times {10^{ - 14}} $
    21 $ - 9 \times {10^{ - 15}} $ 22 $ 1.42 \times {10^{ - 13}} $
    23 $ - 9.4 \times {10^{ - 14}} $ 24 $ 4.6 \times {10^{ - 14}} $
    25 $ 7.9 \times {10^{ - 14}} $ 26 $ - 6.5 \times {10^{ - 14}} $
    27 $ - 1.55 \times {10^{ - 13}} $ 28 $ - 9.7 \times {10^{ - 14}} $
    29 $ - 1.00 \times {10^{ - 13}} $ 210 $ - 2.8 \times {10^{ - 14}} $
    211 $ - 2.34 \times {10^{ - 13}} $ 212 $ - 5.3 \times {10^{ - 14}} $
    213 $ - 4.0 \times {10^{ - 14}} $ 214 $ - 6.1 \times {10^{ - 14}} $
    215 $ - 2.6 \times {10^{ - 14}} $ 216 $ - 1.5 \times {10^{ - 14}} $
    217 $ - 2.03 \times {10^{ - 13}} $ 218 $ - 2.0 \times {10^{ - 14}} $
    下载: 导出CSV

    表  2  1级时间节点故障前后TE同步架构/传统同步架构下2级时间节点1相对UTC(k)的标准差、均值变化(ns)

    向TE同步 通过GNSS单向授时
    进行同步
    标准差变化 6.96 23.99
    均值变化 0.02 0.14
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-01
  • 修回日期:  2023-10-24
  • 网络出版日期:  2023-10-30
  • 刊出日期:  2023-11-28

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