北斗授時(shí)系統(tǒng)在軍隊(duì)院校中的應(yīng)用

趙宇希

摘 要 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國自主研發(fā)建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，國內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)廣泛地享受到其提供的高質(zhì)量服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度和高可靠性的授時(shí)服務(wù)。軍隊(duì)院校作為教育機(jī)構(gòu)和國防單位，雖然不是一線作戰(zhàn)單位，但是仍對校園專網(wǎng)內(nèi)設(shè)備時(shí)鐘同步有著較高的要求，因此在軍隊(duì)院校內(nèi)部署北斗授時(shí)系統(tǒng)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗授時(shí) 軍隊(duì)院校

中圖分類號：TN96;E25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0053-02

1 北斗授時(shí)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并開始提供服務(wù)，北斗授時(shí)和其應(yīng)用技術(shù)研究也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由中國自主研發(fā)建設(shè)，它的優(yōu)勢就是使用三頻信號，使用了地球同步軌道衛(wèi)星。地球同步軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢就是在國內(nèi)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的授時(shí)誤差相差不大，最重要的是隨著時(shí)間推移，誤差變化的速度也相對緩慢，授時(shí)穩(wěn)定性在時(shí)間上和空間上都能保持較高質(zhì)量。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供授時(shí)服務(wù)的原理是利用時(shí)間差測距。通常授時(shí)方法分為兩種，一種是自主定位授時(shí)，包括RDSS雙向授時(shí)方法和RNSS系統(tǒng)授時(shí)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(wèi)星到終端的傳播的大概時(shí)間，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方程運(yùn)算解析得到準(zhǔn)確的時(shí)間和用戶的詳細(xì)位置;另外一種是用戶知道自身位置情況下的授時(shí)，又稱RDSS單向授時(shí)方法，用戶在已經(jīng)知道自身位置的前提下接收由地面測量控制中心發(fā)出、經(jīng)GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的無線電信號，用戶設(shè)備通過計(jì)算衛(wèi)星和用戶的精準(zhǔn)時(shí)差，根據(jù)信號播發(fā)時(shí)間來得到終端本地時(shí)間[1]。RNSS授時(shí)方法是適用范圍最廣、發(fā)展前景最大的授時(shí)方法。未來北斗授時(shí)應(yīng)用、北斗和5G聯(lián)合授時(shí)應(yīng)用、北斗和地基授時(shí)的融合發(fā)展、北斗授時(shí)的安全可靠性研究等都將是重要的研究發(fā)展方向。

2020年7月31日，在人民大會堂，習(xí)近平總書記向全世界莊嚴(yán)宣布正式開通北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這意味著北斗開啟了為全球提供服務(wù)的新篇章。我國的北斗三代系統(tǒng)和美國的GPS、歐盟的Galileo、俄羅斯的GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具備有獨(dú)特的性能和特點(diǎn)。如在區(qū)域范圍內(nèi)能提供單次大于1000漢字、在全球范圍內(nèi)能提供單次40漢字的短報(bào)文和通信能力;采用了我國獨(dú)立研發(fā)和生產(chǎn)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(wěn)定度，時(shí)鐘穩(wěn)定度能夠提高整整10倍;采用了星間鏈路，35顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星可以通過星間鏈路相互測距和校時(shí)，保證在出現(xiàn)地面站全部失效的極端情況下精準(zhǔn)定位和授時(shí)服務(wù)也能繼續(xù)提供，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，提高北斗系統(tǒng)的安全可靠性;具有的雙向授時(shí)功能等能將授時(shí)的精度大幅度提高。從關(guān)鍵部位的元器件到衛(wèi)星上搭載的產(chǎn)品，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)百分百國產(chǎn)化，完全自主可控，原來受制于人的被動(dòng)局面已經(jīng)一去不復(fù)返。未來北斗系統(tǒng)必將為全球提供更高質(zhì)量、更穩(wěn)定和更安全的授時(shí)服務(wù)。

2 軍隊(duì)院校應(yīng)用北斗授時(shí)系統(tǒng)需求分析

軍隊(duì)院校作為涉密單位對網(wǎng)絡(luò)安全有著很高的要求，都建設(shè)了自己的校園專網(wǎng)，并通過出口路由和軍事綜合信息網(wǎng)連接，與互聯(lián)網(wǎng)形成了物理隔離。隨著數(shù)字校園和智慧校園建設(shè)的開展，校園內(nèi)使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器日益增多，如果無法保證網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備時(shí)鐘同步，將會帶來意想不到的嚴(yán)重后果。作為軍隊(duì)院校，講究服從命令、令行禁止，如果校園內(nèi)發(fā)布緊急的通知，因?yàn)闀r(shí)間不一致將無法把信息及時(shí)傳遞落實(shí)到位，會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果;校園內(nèi)的機(jī)關(guān)樓、教學(xué)樓教室、學(xué)員宿舍、圖書館等場所如果時(shí)鐘信息不一致，會導(dǎo)致師生工作無法協(xié)同，考場內(nèi)時(shí)鐘不一致將在重要考試時(shí)影響考生發(fā)揮真實(shí)水平，從而影響教學(xué)評估;作為軍隊(duì)院校，校園安全問題重中之重。隨著安全校園的建設(shè)，學(xué)校已經(jīng)部署了一套完備的安防監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對校園的360度無死角全天候監(jiān)控，而如果監(jiān)控系統(tǒng)中視頻管理平臺、硬盤錄像機(jī)等設(shè)備的時(shí)間顯示不正確，長時(shí)間運(yùn)行后產(chǎn)生較大的時(shí)間誤差，萬一出現(xiàn)校園安全問題，將會嚴(yán)重影響營區(qū)內(nèi)安全管理工作的開展。

在軍隊(duì)院校改革重組的背景下，習(xí)近平主席提出要大力開展實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)。軍隊(duì)院校旨在為國家的國防事業(yè)培育和輸送人才，這就要求在教育教學(xué)中不能拘泥于課本上的知識和理論，而是要貼近實(shí)戰(zhàn)。那么當(dāng)教學(xué)以實(shí)戰(zhàn)和實(shí)際應(yīng)用為目的，當(dāng)課堂變成戰(zhàn)場，當(dāng)課堂從室內(nèi)走向室外，這就對教學(xué)設(shè)施設(shè)備和教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境提出了更高的要求。也就是說，要提升當(dāng)前院校實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)水平，最關(guān)鍵的在于要下功夫和心思建設(shè)貼近實(shí)戰(zhàn)的教學(xué)環(huán)境[2]，而建設(shè)貼近實(shí)戰(zhàn)的教學(xué)環(huán)境對校園數(shù)字化、信息化、智能化提出了更高的要求。為保障教學(xué)的順利開展，校園內(nèi)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備時(shí)鐘走時(shí)必須更精確、誤差必須更細(xì)微。作為我國自主研發(fā)建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗脫離國外技術(shù)的限制，提供安全可靠的服務(wù)。將北斗授時(shí)技術(shù)應(yīng)用于軍隊(duì)院校，有利于提高校園信息安全，提高師生工作效率和教學(xué)成果質(zhì)量，保證學(xué)校正常的教學(xué)和生活秩序，為國防現(xiàn)代化事業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3 軍隊(duì)院校北斗授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用方案

3.1 在學(xué)校數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)安裝NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器

數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為一個(gè)屏蔽機(jī)房，滿足保密要求，同時(shí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為學(xué)校數(shù)據(jù)資源處理、存儲、傳輸、交換和管理的中心，滿足NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器的安裝要求。NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器應(yīng)架設(shè)在通風(fēng)良好，溫濕度適宜的機(jī)柜內(nèi)，同時(shí)為保證服務(wù)器正常工作和保護(hù)其性能，將網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器的電源連接到UPS室內(nèi)的UPS穩(wěn)壓電源上，實(shí)現(xiàn)市電和UPS雙路供電，防止出現(xiàn)斷電導(dǎo)致服務(wù)器癱瘓的情況。衛(wèi)星信號接收天線連接到NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器設(shè)備的ANT接口端，用于接收北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)同步信號。接收天線應(yīng)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(dòng)，同時(shí)要遠(yuǎn)離高壓輸電線和強(qiáng)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(wǎng)線將服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口連接到數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的交換機(jī)上。NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器能接收來自北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號[3]，同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器能同時(shí)支持NTP和SNTP兩種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，這樣在同一個(gè)局域網(wǎng)中，NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器通過NTP或SNTP協(xié)議將時(shí)間信息傳遞給子網(wǎng)內(nèi)的其他主機(jī)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。通過交換機(jī)的網(wǎng)口與數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)教育教學(xué)管理系統(tǒng)服務(wù)器、智慧教室服務(wù)器、云桌面服務(wù)器、警訊通服務(wù)器、校園網(wǎng)站群服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等其他各個(gè)子系統(tǒng)的服務(wù)器相連，提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號，實(shí)現(xiàn)所有接入校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘同步。在NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器面板上，能夠顯示衛(wèi)星時(shí)間、鎖定衛(wèi)星顆數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)、經(jīng)緯度、高度、各網(wǎng)卡的IP地址、各網(wǎng)卡的子網(wǎng)掩碼、系統(tǒng)工作狀態(tài)、版本號等。同時(shí)幾個(gè)LED指示燈能實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)，如REF指示燈亮，代表設(shè)備鎖定衛(wèi)星，指示燈滅代表設(shè)備失鎖衛(wèi)星;當(dāng)NTP指示燈亮，代表此時(shí)設(shè)備NTP服務(wù)具備授時(shí)功能;ALM指示燈作為告警提示，當(dāng)設(shè)備衛(wèi)星失鎖或NTP授時(shí)異常時(shí)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(diào)試配置NTP授時(shí)系統(tǒng);1PPS接口和TOD接口作為高精度時(shí)間同步接口;USB接口可以用來對NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)和系統(tǒng)升級等;RJ45網(wǎng)絡(luò)接口用于連接直通網(wǎng)線，同時(shí)還配備有可擴(kuò)展網(wǎng)口。為方便對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，要在高性能計(jì)算機(jī)上配置一套網(wǎng)管軟件，該軟件可以在windows系統(tǒng)下運(yùn)行。這套網(wǎng)管軟件能實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)能通過發(fā)出報(bào)警信息引起管理人員注意，保證故障及時(shí)解決。同時(shí)在時(shí)鐘監(jiān)控主機(jī)上可以查看任一子鐘的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對子鐘的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)處理故障信息，方便后期對母鐘和各子鐘的維護(hù)。

3.2 在教室內(nèi)配置網(wǎng)絡(luò)子鐘

網(wǎng)絡(luò)子鐘統(tǒng)一采用圓形單面指針式樣式，款式簡單大方。通過環(huán)境改造，布設(shè)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(wǎng)絡(luò)子鐘的必備環(huán)境條件。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)子鐘安裝位置，給每一臺網(wǎng)絡(luò)子鐘分配IP地址，使子鐘通過RJ45以太網(wǎng)口接入校園網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)子鐘作為一個(gè)獨(dú)立的終端，既可以脫離NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器自主獨(dú)立運(yùn)行，又能主動(dòng)發(fā)送時(shí)間同步信號請求給NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器接收到子鐘的請求后自動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步工作并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)校對。

3.3 在其他教學(xué)辦公場所如機(jī)關(guān)樓會議室、圖書館、體育館、禮堂、報(bào)告廳、值班室等安裝網(wǎng)絡(luò)子鐘

網(wǎng)絡(luò)子鐘采取單面數(shù)字萬年歷的樣式，醒目簡潔，可顯示年月日星期時(shí)分秒。其中體育館作為校內(nèi)承擔(dān)各類文體比賽的場所，必須要為參賽人員提供倒計(jì)時(shí)時(shí)間，這就要求子鐘有倒計(jì)時(shí)信號，在倒計(jì)時(shí)子鐘顯示端利用紅外遙控器的方式調(diào)節(jié)倒計(jì)時(shí)設(shè)置。通過網(wǎng)管軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)控制，可以對系統(tǒng)內(nèi)任意一臺網(wǎng)絡(luò)子鐘進(jìn)行時(shí)間校對、時(shí)間停止、時(shí)間復(fù)位、追時(shí)、時(shí)間設(shè)置等必要的操作。NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘服務(wù)器和分布在各個(gè)場所的網(wǎng)絡(luò)子鐘相互之間通過六類屏蔽雙絞線相連接，整個(gè)系統(tǒng)是分布式的結(jié)構(gòu)，這樣系統(tǒng)中如果有任意一臺子鐘發(fā)生故障都不會影響其他子鐘的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過部署北斗授時(shí)系統(tǒng)，能夠?yàn)樾@提供可靠精準(zhǔn)的時(shí)間，不僅大大提升師生工作學(xué)習(xí)效率，也為建設(shè)貼近實(shí)戰(zhàn)化的教學(xué)訓(xùn)練環(huán)境、提升校園數(shù)字化智能化、開展“十四五”規(guī)劃項(xiàng)目提供了有力保障。

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