北斗授時系統在軍隊院校中的應用

趙宇希

（武警士官學校，浙江杭州 310000）

1 北斗授時系統發展現狀

近些年來，隨著北斗衛星導航系統建成并開始提供服務，北斗授時和其應用技術研究也進入了快速發展階段。北斗衛星導航系統由中國自主研發建設，它的優勢就是使用三頻信號，使用了地球同步軌道衛星。地球同步軌道衛星的優勢就是在國內整個區域內的授時誤差相差不大，最重要的是隨著時間推移，誤差變化的速度也相對緩慢，授時穩定性在時間上和空間上都能保持較高質量。北斗衛星導航系統提供授時服務的原理是利用時間差測距。通常授時方法分為兩種,一種是自主定位授時,包括RDSS 雙向授時方法和RNSS 系統授時方法兩種。這種方式下用戶終端不清楚自身位置，而是通過測量無線電信號從北斗衛星到終端的傳播的大概時間,通過運用數學方程運算解析得到準確的時間和用戶的詳細位置;另外一種是用戶知道自身位置情況下的授時,又稱RDSS 單向授時方法，用戶在已經知道自身位置的前提下接收由地面測量控制中心發出、經GEO 衛星轉發的無線電信號，用戶設備通過計算衛星和用戶的精準時差,根據信號播發時間來得到終端本地時間[1]。RNSS授時方法是適用范圍最廣、發展前景最大的授時方法。未來北斗授時應用、北斗和5G 聯合授時應用、北斗和地基授時的融合發展、北斗授時的安全可靠性研究等都將是重要的研究發展方向。

2020 年7 月31 日，在人民大會堂，習近平總書記向全世界莊嚴宣布正式開通北斗三號全球衛星導航系統，這意味著北斗開啟了為全球提供服務的新篇章。我國的北斗三代系統和美國的GPS、歐盟的Galileo、俄羅斯的GLONASS導航系統相比，具備有獨特的性能和特點。如在區域范圍內能提供單次大于1000 漢字、在全球范圍內能提供單次40漢字的短報文和通信能力；采用了我國獨立研發和生產的氫原子鐘和銣原子鐘，這兩種子鐘有著更高的精度和更高的穩定度，時鐘穩定度能夠提高整整10 倍；采用了星間鏈路，35 顆“北斗”導航衛星可以通過星間鏈路相互測距和校時，保證在出現地面站全部失效的極端情況下精準定位和授時服務也能繼續提供，實現自主導航，提高北斗系統的安全可靠性；具有的雙向授時功能等能將授時的精度大幅度提高。從關鍵部位的元器件到衛星上搭載的產品，北斗三號全球衛星導航系統已經實現百分百國產化，完全自主可控，原來受制于人的被動局面已經一去不復返。未來北斗系統必將為全球提供更高質量、更穩定和更安全的授時服務。

2 軍隊院校應用北斗授時系統需求分析

軍隊院校作為涉密單位對網絡安全有著很高的要求，都建設了自己的校園專網，并通過出口路由和軍事綜合信息網連接，與互聯網形成了物理隔離。隨著數字校園和智慧校園建設的開展，校園內使用的網絡設備和服務器日益增多，如果無法保證網絡中的所有設備時鐘同步，將會帶來意想不到的嚴重后果。作為軍隊院校，講究服從命令、令行禁止，如果校園內發布緊急的通知，因為時間不一致將無法把信息及時傳遞落實到位，會產生嚴重的后果；校園內的機關樓、教學樓教室、學員宿舍、圖書館等場所如果時鐘信息不一致，會導致師生工作無法協同，考場內時鐘不一致將在重要考試時影響考生發揮真實水平，從而影響教學評估；作為軍隊院校，校園安全問題重中之重。隨著安全校園的建設，學校已經部署了一套完備的安防監控系統，實現對校園的360 度無死角全天候監控，而如果監控系統中視頻管理平臺、硬盤錄像機等設備的時間顯示不正確，長時間運行后產生較大的時間誤差，萬一出現校園安全問題，將會嚴重影響營區內安全管理工作的開展。

在軍隊院校改革重組的背景下，習近平主席提出要大力開展實戰化教學。軍隊院校旨在為國家的國防事業培育和輸送人才，這就要求在教育教學中不能拘泥于課本上的知識和理論，而是要貼近實戰。那么當教學以實戰和實際應用為目的，當課堂變成戰場，當課堂從室內走向室外，這就對教學設施設備和教學訓練環境提出了更高的要求。也就是說，要提升當前院校實戰化教學水平，最關鍵的在于要下功夫和心思建設貼近實戰的教學環境[2]，而建設貼近實戰的教學環境對校園數字化、信息化、智能化提出了更高的要求。為保障教學的順利開展，校園內網絡終端設備時鐘走時必須更精確、誤差必須更細微。作為我國自主研發建設的衛星導航系統，北斗脫離國外技術的限制，提供安全可靠的服務。將北斗授時技術應用于軍隊院校，有利于提高校園信息安全，提高師生工作效率和教學成果質量，保證學校正常的教學和生活秩序，為國防現代化事業的蓬勃發展奠定基礎。

3 軍隊院校北斗授時系統應用方案

3.1 在學校數據中心機房內安裝NTP 網絡時鐘服務器

數據中心機房作為一個屏蔽機房，滿足保密要求，同時數據中心機房作為學校數據資源處理、存儲、傳輸、交換和管理的中心，滿足NTP 網絡時鐘服務器的安裝要求。NTP 網絡時鐘服務器應架設在通風良好，溫濕度適宜的機柜內，同時為保證服務器正常工作和保護其性能，將網絡時鐘服務器的電源連接到UPS 室內的UPS 穩壓電源上，實現市電和UPS 雙路供電，防止出現斷電導致服務器癱瘓的情況。衛星信號接收天線連接到NTP 網絡時鐘服務器設備的ANT 接口端，用于接收北斗衛星實時同步信號。接收天線應安裝在室外空曠處，周圍沒有明顯遮擋物，平行于水平面，確保固定安裝在基座上緊固不松動，同時要遠離高壓輸電線和強電場的干擾，并安裝避雷器，做好避雷器的防水措施。用直通網線將服務器的網絡接口連接到數據中心機房內的交換機上。NTP 網絡時鐘服務器能接收來自北斗衛星導航系統和GPS 導航系統的衛星信號[3]，同時該網絡時鐘服務器能同時支持NTP 和SNTP 兩種網絡時間同步協議，這樣在同一個局域網中，NTP 網絡時鐘服務器通過NTP 或SNTP 協議將時間信息傳遞給子網內的其他主機，實現時鐘同步。通過交換機的網口與數據中心機房內教育教學管理系統服務器、智慧教室服務器、云桌面服務器、警訊通服務器、校園網站群服務器、流媒體服務器、動力環境監測系統等其他各個子系統的服務器相連，提供標準時間信號，實現所有接入校園網的網絡設備時鐘同步。在NTP 網絡時鐘服務器面板上，能夠顯示衛星時間、鎖定衛星顆數、衛星狀態、經緯度、高度、各網卡的IP 地址、各網卡的子網掩碼、系統工作狀態、版本號等。同時幾個LED 指示燈能實時查看設備狀態，如REF 指示燈亮，代表設備鎖定衛星，指示燈滅代表設備失鎖衛星；當NTP 指示燈亮，代表此時設備NTP 服務具備授時功能；ALM 指示燈作為告警提示，當設備衛星失鎖或NTP 授時異常時就會亮燈提醒。面板上的VGA 接口用于連接顯示器，方面后期調試配置NTP 授時系統；1PPS 接口和TOD 接口作為高精度時間同步接口；USB 接口可以用來對NTP 網絡時鐘服務器進行數據備份、數據恢復和系統升級等；RJ45 網絡接口用于連接直通網線，同時還配備有可擴展網口。為方便對整個系統進行管理，要在高性能計算機上配置一套網管軟件，該軟件可以在Windows 系統下運行。這套網管軟件能實時監測整個時鐘系統的運行狀態，在發生故障時能通過發出報警信息引起管理人員注意，保證故障及時解決。同時在時鐘監控主機上可以查看任一子鐘的運行狀態，實現遠程對子鐘的實時監控，能夠及時處理故障信息，方便后期對母鐘和各子鐘的維護。

3.2 在教室內配置網絡子鐘

網絡子鐘統一采用圓形單面指針式樣式，款式簡單大方。通過環境改造，布設低煙低鹵阻燃的六類屏蔽雙絞線和電源線，要求走線美觀、安全，滿足安裝網絡子鐘的必備環境條件。根據網絡子鐘安裝位置，給每一臺網絡子鐘分配IP 地址，使子鐘通過RJ45 以太網口接入校園網。網絡子鐘作為一個獨立的終端，既可以脫離NTP 網絡時鐘服務器自主獨立運行，又能主動發送時間同步信號請求給NTP 網絡時鐘服務器，網絡時鐘服務器接收到子鐘的請求后自動響應，實現時間同步工作并對其進行實時校對。

3.3 在其他教學辦公場所如機關樓會議室、圖書館、體育館、禮堂、報告廳、值班室等安裝網絡子鐘

網絡子鐘采取單面數字萬年歷的樣式，醒目簡潔，可顯示年月日星期時分秒。其中體育館作為校內承擔各類文體比賽的場所，必須要為參賽人員提供倒計時時間，這就要求子鐘有倒計時信號，在倒計時子鐘顯示端利用紅外遙控器的方式調節倒計時設置。通過網管軟件，能夠實現計算機點對點控制，可以對系統內任意一臺網絡子鐘進行時間校對、時間停止、時間復位、追時、時間設置等必要的操作。NTP 網絡時鐘服務器和分布在各個場所的網絡子鐘相互之間通過六類屏蔽雙絞線相連接，整個系統是分布式的結構，這樣系統中如果有任意一臺子鐘發生故障都不會影響其他子鐘的正常運行。

4 結語

通過部署北斗授時系統，能夠為校園提供可靠精準的時間，不僅大大提升師生工作學習效率，也為建設貼近實戰化的教學訓練環境、提升校園數字化智能化、開展“十四五”規劃項目提供了有力保障。