北斗/GPS授時系統(tǒng)雙備技術改造

施春霞，常昊，吳嬋媛，徐寬，孫樹軍

（金華廣播電視總臺，浙江金華321000）

北斗/GPS授時系統(tǒng)雙備技術改造

施春霞，常昊，吳嬋媛，徐寬，孫樹軍

（金華廣播電視總臺，浙江金華321000）

通過金華臺授時系統(tǒng)的改造實踐，重點介紹了系統(tǒng)的設計思路，提出臺標字幕網段的合理化改造，授時監(jiān)測的方案設計和實施，以及播出應急處置預案的制定等。為安全、經濟、有效地解決電視播出的時間同步系統(tǒng)提供借鑒思路。

授時系統(tǒng)；北斗/GPS；時間監(jiān)測

【本文獻信息】施春霞，常昊，吳嬋媛，等.北斗/GPS授時系統(tǒng)雙備技術改造［J］.電視技術，2015，39（10）.

廣播電視直播、轉播和各種演播室播出信號的正點精確播出，都離不開一個穩(wěn)定可靠的授時系統(tǒng)。授時系統(tǒng)已成為整個播出系統(tǒng)協(xié)同工作的關鍵［1］。鑒于金華廣播電視總臺授時系統(tǒng)工作年限在10年以上，接近理論設計壽命，且為單鏈路工作模式，老化加單鏈路極大地增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，授時系統(tǒng)的改造變得刻不容緩。

1　原授時系統(tǒng)

本臺原來采用的授時系統(tǒng)是單鏈路的GPS授時方式。GPS（Global Positioning System）是全球定位系統(tǒng)的簡稱［1］，GPS的標準時間取自英國格林尼治天文臺，用戶可通過低成本的GPS接收機接收衛(wèi)星信號，獲取同步時標和標準時間。原授時系統(tǒng)上所有設備節(jié)點都為單節(jié)點，時間信號一旦出錯，造成的播出事故無法想象。而GPS本身由美國軍方控制，其可用性和時間精度值也受制于美國的GPS政策，單一地使用GPS授時方式，會凸顯授時安全漏洞。因此設計更可靠、精度更高的授時系統(tǒng)就變得至關重要。

2　新授時系統(tǒng)改造

改造要求和方案：

1）新授時系統(tǒng)要能適應目前的技術要求，性能有一定的超前性。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，并有一定的擴展性。

2）在保證安全播出的前提下，合理利用現有的授時設備，以節(jié)約成本。

4）新授時系統(tǒng)應留有一定的擴展技術接口，以方便日后的擴展擴容需求。

5）新授時系統(tǒng)的技術監(jiān)測應更簡潔、直觀，應急預案應更具操作性和快捷性。

本著以上改造要求，新授時系統(tǒng)采用北斗雙模與GPS互備授時的技術方案，其框圖如圖1所示。

新授時系統(tǒng)采用北斗二代/GPS雙模衛(wèi)星校時鐘和GPS衛(wèi)星校時鐘雙鏈路比對的方法，來保證校準源的可靠性。最大限度地利用現有高穩(wěn)時鐘設備做成雙路熱備守時工作層。系統(tǒng)以主備雙路互備授時，當其中一個鏈路故障時，經系統(tǒng)比對后，ST5101主備時碼切換器會自動倒換至另一正常鏈路，也可強制手動應急切換，以確保不間斷地提供高穩(wěn)定性的授時信號，安全送達各監(jiān)視子鐘和整個播出系統(tǒng)的校時。

圖1　GPS/北斗雙模互備授時系統(tǒng)框圖

2.1改造模塊

2.1.1校準源

新增一套獨立的TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時鐘，以和原來的GPS授時系統(tǒng)構成雙路熱備校準源。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)［2］（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我國自主建設獨立運行，并與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時鐘，可以同時接收BD2北斗二代、GPS衛(wèi)星的時間信號，雙模式工作可以獲得更加良好的性能。也可手動選擇接收其中任一套系統(tǒng)的信號，該模式具有最好的可用性和可靠性，校時迅速、準確、穩(wěn)定。其內部工作原理如圖2所示。

介入中心/手術室護士通過玩具、動畫片、iPad游戲的應用，讓患兒“開著小汽車”進入手術間，緩解了患兒對陌生環(huán)境的恐懼，避免了以往患兒被強行抱離父母而送入介入中心/手術室的情景。針對有明顯負性情緒或應對不良的患兒，手術當日SPE小組成員與家屬共同安撫患兒情緒，陪同患兒安全、安心地轉入至相關科室。

圖2　TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時鐘內部原理圖

GPS的L1頻段信號（一般授時GPS接收機只使用L1=1 575.42 MHz這一頻段）和北斗二代的B1頻段信號（B1= 1 561 MHz），經過選擇開關，共同進入DSP（Digital Signal Processor）組件進行信號判別比對，最終從不同的接口模式輸出準確的時間數據。基于北斗和GPS不同的算法和機理，可以很好地滿足現有技術條件下多模、多路的校準源要求，以避免因不同的衛(wèi)星傳輸或者其他原因造成的授時故障。

TVZ6100北斗/GPS雙模衛(wèi)星校時鐘在不斷電的情況下，如衛(wèi)星失鎖，也可以維持數小時的準確走時，保證了播出的連續(xù)性，同時給故障維修爭取了一定的時間；考慮接收與播出有一定的時間差，還增設了時延補償秒數調整功能，走時一般快于標準時間，這樣經過傳輸以后的時間剛好為標準時間。也就是電視播控系統(tǒng)標準時間=衛(wèi)星時間+時區(qū)時間差-信號傳輸時延（Δt）+播出與接收時間差。

雙模的衛(wèi)星校時鐘保證了外部輸入時間信息的準確性，保證了時間源頭信息的可靠。

2.1.2高穩(wěn)守時單元

作為守時單元，輸出的時間信號必須是完全穩(wěn)定可信賴的、唯一可用的基準。它是授時系統(tǒng)的核心，其主要功能就是生成穩(wěn)定的持續(xù)走時，保證時間的連續(xù)性和統(tǒng)一性。

新授時系統(tǒng)配備了主備兩臺青島廣電所的GS-2型高穩(wěn)時鐘構成冗余結構，可雙備份地校準外部輸入的標準時間，如圖1所示。當外部校準源校時信號故障或中斷時，高穩(wěn)時鐘可以靠內部的自有恒溫晶振維持穩(wěn)定的運行，且有斷電守時功能。帶有SZ碼、EBU、1PPS、5 MHz等多種輸出接口，方便擴展，也可與多種標準融合輸出。當失效的時碼恢復正常時必須手動確認輸入正確時碼，以防止輸出錯誤時碼影響安全播出。

雙路熱備高穩(wěn)定的時間信號源，在校時源不能鎖相或故障時，也能確保整個授時系統(tǒng)的正常運轉，保障后級設備時間同步的播出安全要求。

2.1.3TVZ3400時碼發(fā)生器

配備主備2臺TVZ3400時碼發(fā)生器，以保證各種情況下的時鐘串口輸出精度。內部工作如圖3所示：單片機讀取外部輸入的標準時碼，進行判斷，無誤后以并行碼格式傳輸給其他單片機，單片機分別產生與標準時碼同步的EBU碼、TTL電平串行碼，再經電平轉換輸出RS-232及RS-422時碼信號。要注意RS-232或RS-422輸出口到授時服務器的串口線纜最好不超過10 m，以減少損耗保證時碼輸出的精確性。

圖3　TVZ3400時碼發(fā)生器原理

2.2輸出接口

改造的系統(tǒng)由不同時期和不同公司的設備組成，它勢必帶來信號接口轉換和距離傳輸上的問題。新設備的接口能根據需要與原來舊設備很好的銜接。新授時系統(tǒng)可根據需要輸出SZ、RS-485、RS-232、PPS、PPM、PPH報文等多種接口類型和協(xié)議。可適應信號輸出電平特性或類型的不同，分成TTL、RS-422/485、RS-232、EBU等。也可方便與國外標準和第三方接口標準接駁，以提供精確的標準時間。主要功能接口如下：

1）SZ碼，輸出口是一個電流型接口，其前沿與秒脈沖保持對齊。

2）RS-422信號，接口類型為串行接口，單向輸出。3腳正信號，8腳負信號，1腳地。可為播出系統(tǒng)的計算機提供精確的同步時間。

3）RS-232輸出，單向輸出。3腳數據，5腳地。RS-232/ RS-485信號在秒脈沖以后發(fā)送。

4）EBU信號，兼容歐盟廣播協(xié)會標準，平衡式，輸出引腳1和2，提供LTC碼輸出。可提供國外進口設備的同步接口類型。

2.3臺標字幕校時模塊改造

為了解決臺標機不兼容千兆網絡以及字幕機校時標準因采用計算機本地校時造成時間不準的問題，采用新建百兆185網段的方法，把原先接在187網段的臺標機和186網段的字幕機同時接入185百兆網段，使它們處在同一網段，達到統(tǒng)一網絡校時的目的，減少系統(tǒng)內時間差異化帶來的播出安全隱患。

具體改造方法如圖4所示。在局域網中的其中一臺字幕主機上安裝串口卡，并在這臺字幕機上安裝串口校時精靈和網絡校時服務端，使其與時碼發(fā)生器輸出相連；局域網中的其他字幕機上安裝網絡校時客戶端。網段的改造解決了老字幕系統(tǒng)無網絡校時而導致的動畫角標和字幕播放的時間不精準問題；提高了臺標的半點和準點報時；播出網與臺標字幕網段的相互獨立，也避免了外部拷入文件帶來的病毒風險。

圖4　臺標字幕校時系統(tǒng)改造結構圖

3　監(jiān)測系統(tǒng)

授時系統(tǒng)每天24小時不停地連續(xù)運行，及時了解設備的運行情況很重要。為此筆者設計了一套監(jiān)測系統(tǒng)，其主要功能就是為有效監(jiān)測授時環(huán)節(jié)工作是否正常。它把整個授時系統(tǒng)中的重要設備節(jié)點狀態(tài)信號匯聚到一臺計算機，在這臺計算機上可以直觀地顯示各個節(jié)點的時間信號和狀態(tài)，監(jiān)測程序實時收集各節(jié)點設備的時間信號并進行比對。授時系統(tǒng)監(jiān)測程序軟件界面如圖5所示。

當校時程序執(zhí)行后，會在安裝服務端軟件的主機界面上方出現一個小窗體，當外部時間信號輸入正常，則窗體內的時間顯示為綠色。當顏色從綠色變?yōu)榧t色，則說明系統(tǒng)授時源有故障了。整個網絡采用網絡時間協(xié)議（Network time protoco，NTPl）協(xié)議［3］，它可以使計算機對其服務器或時鐘源（如北斗、GPS等）做同步化，以提供高精準度的時間校正。校時客戶端接收校時服務端定時發(fā)來的時間同步信號進行比對，當發(fā)現時間有差別時，可以及時調整，以保證本地校時與授時源的時間同步精度。調整時間的方式應采用步進方式，以避免時間跳變引起的播出紊亂。

圖5　授時系統(tǒng)監(jiān)測程序界面圖（截圖）

雙鏈路的高穩(wěn)時鐘通過SZ口輸出給2個在同一平面疊加的子鐘，如圖1所示，主備兩路的授時源時鐘信號進行直觀的數字比對。軟件和硬件的雙重監(jiān)測，使時鐘故障源的處置變得更迅速，授時故障判斷變得更直觀、更精準。技術人員排查授時故障也變得更高效。

4　應急預案

再周密的設計方案都可能會有安全漏洞。作為播出系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)改造都必須有應急預案，以保證在緊急情況下，方便有效地應對萬一發(fā)生的故障可能。

GPS和北斗2個授時鏈路，如圖1所示。可由ST5101主備時碼切換器來選擇，其本身支持掉電直通功能。應急情況下，可以手動強制切換。切換模式可以程控自動，也可手動硬切。將“切換模式”開關撥向“手動”位置，選擇“A”或者“B”路就可以快速選擇準確的校時源。在自動模式下，主備路信號互相檢測，發(fā)現異常自動倒換到備路。主路信號恢復后自動切回。當輸入源發(fā)生倒換，可實現輸出不中斷、軟切換EBU輸出時間信號的要求。

時間系統(tǒng)故障將直接影響安全播出，因此應高度重視播控系統(tǒng)授時結構的設計［3］。目前本系統(tǒng)已安全保障了多個重要保障期，可靠性和精準性得到驗證。

5　小結

在這次改造中，采用了雙頻天線，其覆蓋了GPS和北斗二代天線，可以只用一個端口，同時接收GPS和北斗二代天線，構成互補型互備結構。改造投入大約4萬元，本項目大大改進了原先時間同步系統(tǒng)的不足，建立了多路多源的校準源，確保了系統(tǒng)的高精度授時和穩(wěn)定準確的自我守時能力，避免了單點帶來的故障隱患。監(jiān)測環(huán)節(jié)使故障定位變得更直觀和迅速，減輕了維護壓力。在全自動倒換的運行模式下，可以實現應急無縫倒換，也可進行手工干預的應急措施，使應急預案真正做到可操作，可控制。達到了小投入、大保障的技術改造目的。

［1］汪漢捷，曾峰.GPS授時系統(tǒng)在電視播出系統(tǒng)授時中的應用［J］.現代電視技術，2005（7）：150-152.

［2］陳孟元，凌有鑄，王冠凌.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS互備的廣播電視授時單元［J］.電視技術，2010，34（6）：60-63.

［3］卞德森.電視播控系統(tǒng)的精確時間獲取技術［J］.現代電視技術，2003（10）：49-54.

Double Backup Technological Transformation of Beidou/GPS Time Service System

SHI Chunxia，CHANG Hao，WU Chanyuan，XU Kuan，SUN Shujun
（Jinhua Radio and Television Station，ZhejiangJinhua321000，China）

By transformation practice of time service system in Jinhua radio and television station，the designing idea of time service system is emphatically introduced，the rationalization transformation of the station logo and subtitles on the network segment，time service monitoring program design and implementation，making of broadcast emergency measures etc are put forward.A solution is provided for safe，economical and effective transformation of television broadcast time service system.

time service system；Beidou/GPS；time monitoring

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.10.029

閆雯雯

2014-09-08

施春霞（1974—），高級工程師，從事電視播出技術工作；常昊（1989—），助理工程師，從事電視播出技術工作；吳嬋媛（1990—），助理工程師，從事電視播出技術工作；徐寬（1989—），助理工程師，從事電視播出技術工作；孫樹軍（1971—），助理工程師，從事電視播出技術工作。