摘要:本文介绍一种采用我国自主知识产权的北千卫星导航系统为广播电视设备授时的系统。该系统一套设备可以同时授时服务多套系统;采用物理隔离的网络授时方法，安全性好;设计了一种全数字化的天线，不仅可以适应各种工程布线环境，而且灵敏度高，即使把天线安装在室内窗口附近也可以正常工作。
关键词:北斗卫星网络授时
1引言
根据广播电视安全播出要求，所有值班人员和系统设备都必须按照精准时间工作。然而，一些广播电视台站即使有GPS设备，仍然还是存在时间误差，手工校时工作比较麻烦。如果不同台站的时间存在误差，那么就会导致对同一套节目的监管信息记录不一致，甚至可能发生按时开关机时间不一致情况。在普遍采用的大屏幕监测系统中，回传节目来自各个不同的监测系统，若时间不一致，则会导致同一电视墙上各节目水印时间不相同，将给值班和日常管理工作带来很多困扰。传统采用的美国GPS自动授时系统，因关键技术受制于外国，存在一定技术风险，安全性也没有保障，2019年的GPS系统时间归零就曾导致一些广播电视系统故障。
2传统授时系统存在时间误差问题
随着数字化、智能化进步，广播电视台站中各种系统越来越复杂，对时间的精准要求也越来越高，即使在机房已安装有GPS授时系统，但时间出现误差情况也还会经常发生。经过一些调查与实验发现，问题原因主要是传统GPS授时设备对工程现场的适应能力较差。传统的GPS授时系统天线位置及电缆受实际工程环境限制，很容易引发问题。有些台站的GPS天线电缆长达一百多米，在线槽中受相邻其他电缆磨擦拉扯应力或接头受潮等因素的影响，导致阻抗不匹配，还有材料老化、接触不良、噪声干扰等都显著影响着卫星信号接收质量。一般而言，在GPS电路模块上都带有一个由后备电池供电的低精度电子表，当卫星信号不良时，会自动切换到这个低精度的电子表继续为外部设备提供时间，但这种低精度时钟时间误差需要积累许多天之后才会被注意到。
3创新解决方案
基于以上问题，我们提出的总体解决方案是利用我国自主知识产权的北斗卫星导航系统中的授时功能，设计出一种用于广播电视播出监管工作的网络式授时系统，由数字天线、授时主机以及被授时子网等组成。与传统的GPS设备通常只提供串口授时不同，本系统主机不仅具有串口，而且还提供了八个物理隔离的网络接口，一台主机可以对8个不同网络系统中所有的设备进行NTP授时。因为多数操作系统都支持NTP协议，所以被授时系统只需要简单设置一下而无需另外安装软件，相比传统GPS设备的串口方式通常只能授时单台计算机且需要另外安装专门的授时软件而言，该系统更加高效、简便。吉林省某台站原有“综保”“五防”“抄表”三个系统以及NVR硬盘录像机，其中“综保”系统是内网联网控制方式，硬盘录像机联网工作，另外两台计算机没有联网。从网络信息安全隔离方面考虑，不能把所有设备直接联网到同一网络，需要物理隔离。本系统实际应用的联接关系图如图1所示。“五防”和“抄表”两个系统的计算机原本为单机工作，可用网线直接联接到授时主机；“综保”和NVR录像机原本分别为独立内网环境，可分别用网线直接把各自的内网交换机联接到授时主机。另外，可在值班台附近安装一台显示器实时显示时间。
4数字天线
与传统GPS系统天线把接收到的信号模拟传输到接收机不同，本系统在天线上已经完成数字转换，远程传输的是数字化数据，不存在远传模拟信号的情况。这种方式避免了传统模拟信号远程传输衰落，明显提高了接收灵敏度，且数字传输抗干扰性强，可避免受线槽中其他线缆泄漏信号的干扰。数字卫星天线实物如图2所示。数字授时天线采用五类网线传输数字化之后的授时信号，线缆可任意弯折，长度可轻松超越1公里。与必须安装在室外的传统GPS天线不同，这种数字天线灵敏度很高，即使在室内窗口附近也能正常工作，因此若实在不方便室外安装，也可以装在室内。这个特点使系统对工程现场环境有非常好的适应能力。可采取安全电压网线供电，不需要额外考虑供电问题。天线上设计有指示灯以及一个可关闭的蜂鸣器，可用声光指示信号接收状态，安装调试非常简单。
5授时主机
主机为标准1U机械尺寸，自带8个物理隔离的网络授时服务接口。运用嵌入式软件设计，提供NTP网络协议服务，可以为计算机和硬盘录像机等设备自动校时。授时主机实物如图3所示。如果被授时设备具有操作系统，那么就无需另外安装软件。此外，授时主机还带有与其他厂商兼容的可用于输出时间码服务的串口，可兼容一些传统GPS授时系统的接线及软件，便于用北斗授时系统直接取代替换传统GPS设备。一台主机可同时授时多个网络系统，每个网络授时服务接口各自独立，并且物理隔离，可保证网络安全。任意子网中的故障、病毒及黑客都不会破坏或影响到其他子网。每个网络接口都由一个独立的微处理器[1]组成嵌入式系统，分别对外提供独立的HTTP服务器，可以任意设置网络参数。网络接口还对外开放网络协议，对外输出如下三种数据。（1）提供NTP授时服务数据，可直接为计算机、硬盘录像机以及其他支持NTP协议的设备授时。被授时设备只需要简单设置一下即可，无需另外安装软件。（2）提供北斗卫星模块输出的所有数据，用TCP协议网络传输，可以支持第三方软件获取定位数据、时间信息以及星图信号状态等。（3）提供经过提取的时间信息并转换成明文格式，便于第三方软件继续扩展开发其他应用。主机内置超低功耗实时时钟，掉电时间不丢失，且有月误差小于2秒的时间精度，可以由卫星时间修正及自动驯服[2]，能够解决晶体老化精度漂移问题。授时主机具有VGA接口，可在大屏幕上显示时间，可以直接联接各种尺寸的显示器、电视机、投影、电视墙、图形处理器等设备。适用于任何机房安装条件，可完美吻合装修风格。采用最明显的大字体显示时、分、秒，稍小的字体显示年、月、日和星期，便于值班员记录时间。在实时显示时间的同时，可以用网络远程设置特定文字，例如设计“重要保障期”来提醒值班员需要执行零报告等重要规定。时钟大屏幕实际安装显示图如图4所示。如果卫星信号异常，那么大屏幕自动调用内部的实时时钟时间显示，短期内不影响用户使用。信号异常期间，大屏幕上会显示“正在搜索信号”字样，提醒用户需要检查天线及线缆，防止时间误差长期累积。
6大屏幕扩展器
如果大屏幕距离主机较远，或者在多个不同地点需要安装大屏幕显示同一个时间，那么可使用时钟大屏幕扩展器。如图5所示，时钟大屏幕扩展器有网络接口和VGA接口，也内置实时时钟，月误差小于2秒，掉电时间不丢失。可从网络中取得授时数据，自动修正及驯服，实现远程多地大屏同时显示精准时间。7结语北斗卫星导航系统，我国拥有完全自主的知识产权，安全、可靠且不受制于外国，现已开通全球组网，信号覆盖与影响力极佳。本授时系统采用NTP网络授时协议，若为计算机系统授时则只需设置网络校时服务的IP地址，不必另外安装软件，为NVR硬盘录像机等设备授时也仅需几步设置即可。环境适应强，安装调试特别方便。被授时各个网络之间物理安全隔离，已在多个广播电视台站成功应用。
参考文献：
[1]房涛,邹琴,张日东.基于STM32的北斗授时定位设备[P].中国专利:105589084B,2018-02-23.
[2]刘铁强,霍婧.基于北斗授时的时钟驯服系统设计[J].无线电工程,2018(48):569-572.
作者:焦杰 单位:吉林省广播电视研究所
