鐵路時間同步網綜合原子時標的研究

梁 坤 韋寶盈

(北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044)

1 引言

鐵路時間同步網是鐵路通信網的重要組成部分，為鐵路各系統提供統一的標準時間量值，其精確、穩定是鐵路系統安全、高效地運營的重要保障。

傳統同步架構下的地面時間同步網分為3級，呈主從樹狀結構，設在鐵路總公司的唯一的1級時間節點通過北斗衛星導航系統(BeiDou navigation Satellite system, BDS)或全球定位系統(Global Positioning System, GPS)單向授時獲取標準時間，其輸出的時間信號通過傳輸網骨干層傳遞至設置在鐵路局的18個2級時間節點，設置在站、段、所的3級時間節點通過傳輸網獲取2級時間節點時間信號。目前鐵路骨干/局域光傳送網絡(Optical Transport Network, OTN)已經覆蓋鐵路總公司和全國18個鐵路局，全面支持精確時間協議(Precision Time Protocol, PTP)[1]，部分3級時間節點已接入OTN，具備鐵路1/2級時間節點間、部分2/3級時間節點間高準確度時間傳送的能力。當地面鏈路發生故障，或來自上一級時間節點的時間信號不滿足TB/T 3283—2015《鐵路時間同步網技術條件》[2](以下簡稱《標準》)要求時，2級時間節點同步BDS或GPS單向授時信號，3級時間節點采用內置鐘守時。

時間節點可通過單向授時同步至全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)預測的協調世界時(Coordinated Universal Time,UTC)UTC(GNSS)或GNSS的系統時間(GNSS System Time, GNSST)，這可能導致多個溯源源頭，使不同節點溯源參考不一致。未經校準的不同GNSS接收機觀測到的GPS的系統時間(GPS System Time, GPST)與BDS的系統時間(BDS System Time, BDST)偏差可達幾百納秒[3]，使得鐵路各應用系統源頭上存在時差而無法保證時間溯源一致，進而干擾數據通信，導致故障時刻記錄不準確，直接影響故障分析、定責。計量溯源性是測量結果的一種特性，即測量結果可以通過已校準的不間斷比對鏈路與參考標準聯系的特性[4]。時間節點基于未經校準的GNSS接收機通過單向授時同步，溯源源頭之一的UTC(GNSS)與UTC間的時差無法準確獲知，存在時間節點無法精確溯源至UTC的問題，時間來源依據不足，也影響同步網內系統與網外系統的交互。文獻[1,5,6]分別提出將BDS單向授時信號作為GPS單向授時信號冗余的建議；文獻[7,8]分別提出了BDS單向授時信號應當作為鐵路時間同步網1級時間節點第1路標準時間信號輸入的建議；研究集中在提高GNSS單向授時信號的可靠性、安全性，未涉及時間溯源一致性、精確溯源至UTC的問題。

1級時間節點僅設于鐵路總公司一處，其故障時，2級時間節點轉為通過GNSS單向授時同步，節點溯源參考的切換會由于不同溯源參考間的偏差引入時間跳變，降低2,3級時間節點輸出時間信號的穩定程度，造成通信中斷、系統不穩定。文獻[9]提出增加建設備用1級時間節點，但該方案本質仍未解決2級時間節點時間源切換引入較大時間跳變的問題，即，2,3級時間節點受1級時間節點故障影響大、魯棒性不足的問題。

應用于鐵路的長期演進技術系統(Long Term Evolution for Rail, LTE-R)、基于5G的鐵路移動通信系統(the Fifth Generation communication for Railway, 5G-R)等下一代承載網基本業務時間同步需求為1.5 μs, 5G-R多進多出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術為65 ns，米級定位服務為納秒級[10–12]。高精度時間同步需求使得監測技術在保證同步網可靠性上發揮重要作用。目前鐵路時間同步網監測手段僅針對單個時間節點，監測指標不含節點間的時差[6]，無整體層面自動監測手段。部分涉及行車安全分析的系統間曾出現17 min以上的偏差[1]而沒有被及時發現，為鐵路系統的運營帶來極大安全隱患。文獻[6,13]分別提出將GNSS共視技術應用到鐵路時間同步網性能監測中，但目前網內時間節點未裝備有GNSS時間頻率傳遞接收機，無法實現共視比對。

綜上，針對上述潛在問題，本文提出鐵路時間同步網綜合原子時標(distributed Ensemble Time scale,TE)，在不改變現有鐵路時間同步網結構的情況下，充分利用現有時間比對鏈路資源、時鐘資源，生成可精確溯源至UTC的綜合原子時標以提供統一的標準時間量值；設計基于綜合原子時標的同步架構，減小1級時間節點故障對2,3級時間節點的影響，提高節點魯棒性；構建基于綜合原子時標的監測系統，對鐵路時間同步網整體層面所有時間節點、PTP鏈路通斷進行自動監測，以實現故障及時初步排查與判斷。

2 鐵路時間同步網綜合原子時標

2.1 原子時標

時標是由一個特定起點累積而成的時間坐標或時間尺度[14,15]。UTC作為國際標準時間，是全球授時服務的參考時間，其基本單位是原子秒，由國際計量局(International Bureau of weights and Measures, BIPM)采集全球約80個實驗室的原子鐘數據，通過原子時算法綜合生成，穩定度、準確度和可靠性超出任何參與計算的單臺時鐘[16,17]。

鐵路時間同步網綜合原子時標可通過融合部分關鍵時間節點的時鐘，生成一個高可靠性、高準確性、長期穩定的綜合時標，作為網內統一的時間溯源參考，向鐵路各系統提供標準時間量值。

2.2 時標算法

假設參與計算鐵路時間同步網綜合原子時標的鐘組內時鐘數量為N，選取一臺時鐘作為主鐘，用下標r表示，其余時鐘用下標j表示。τ為時差測量周期，測量時刻可遞歸表示為tk=tk-1+τ。tk時刻鐵路時間同步網綜合原子時標TE如式(1)

其中，hj為時鐘j的讀數，ωj為時鐘j在計算TE時的權重，可基于表征時鐘頻率穩定性的統計量計算獲得，例如經典方差、艾倫方差等[17]?；谇癿個時差測量周期內時鐘j與TE時差的標準差計算權重。tk時刻鐘組時鐘j的權重ωj(k)計算如式(3)和式(4)

由于hj無法直接獲取，對式(1)進行變換，結果如式(5)

2.3 構建方案

鐵路時間同步網1,2級時間節點及部分3級時間節點均通過OTN設備接入傳輸網，任意兩個時間節點間均可基于PTP獲取節點間時差，所以通過OTN設備接入傳輸網的所有時間節點可構成一個鐘組。但3級時間節點總數不確定且非均支持PTP時間同步，各節點設備性能差異較大，綜合考慮，選擇1級時間節點和18個2級時間節點構成鐘組。

TE同步架構下，1級時間節點正常工作時，選取其為鐘組主鐘，鐵路時間同步網時間同步原理如圖1。各2級時間節點基于PTP協議與1級時間節點比對時間，TE根據時標算法生成。1級時間節點向TE同步，2,3級時間節點向1,2級時間節點同步，實現網內所有時間節點通過向TE同步溯源至UTC。

圖1 TE同步架構下1級時間節點正常工作時鐵路時間同步網時間同步原理圖

1級時間節點故障時，鐵路時間同步網時間同步原理如圖2。新主鐘在18個2級時間節點中產生，確保TE可持續生成。為保持TE穩定，新主鐘性能應該最接近TE，選取方式為，分別計算18個2級時間節點前m個時差測量周期與TE時差的標準差，標準差最小的被選為新主鐘。新主鐘向TE同步，其余的2級時間節點、3級時間節點分別向新主鐘、2級時間節點同步，各時間節點通過向TE同步溯源至UTC。

圖2 TE同步架構下一級時間節點故障時鐵路時間同步網時間同步原理圖

如圖3，傳統同步架構下1級時間節點故障時，各2級時間節點分別轉為通過GNSS單向授時同步至BDST, UTC(BDS), GPST, UTC(GPS)四者之一，時間溯源不一致。圖4為1級時間節點故障時TE同步架構與傳統同步架構下時間量值傳遞對比示意圖。TE同步架構下，TE由多個時間節點融合生成，只要鐘組內存在正常運行的時間節點，TE便可生成，為網內鐵路各系統提供統一的標準時間量值，保證網內各時間節點溯源一致，避免傳統同步架構下時間節點溯源不一致的問題。

圖3 傳統同步架構下一級時間節點故障時鐵路時間同步網時間同步原理圖

圖4 1級時間節點故障時TE同步架構與傳統同步架構下時間量值傳遞對比

鐵路1,2級時間節點的母鐘設備集成了PTP時間服務器、銣原子鐘/高穩晶振等，自動運行。在不改變當前設備內部結構和運行狀態的前提下，主鐘與TE的時差數據無法被主鐘的母鐘設備直接使用，所以，考慮將TE的物理實現作為母鐘設備的外部時間頻率源。如圖5，時頻精細調整裝置接入主鐘的母鐘設備輸出的時頻信號，并根據TE與主鐘的時差調整自身，使自身的輸出與TE保持一致，構建TE的物理實現。時頻精細調整裝置輸出的時頻信號再供主鐘的母鐘設備實現向TE同步，即主鐘向TE同步。

圖5 TE的物理實現及TE-UTC溯源鏈路構建

UTC作為紙面時標，以參與UTC計算的實驗室k實現的UTC的物理實現UTC(k)與UTC的時差XUTC-UTC(k)形式給出，XUTC-UTC(k)公布在BIPM每月發布的Circular T時間公報中(參見文獻[18])。如圖3，GNSS時頻傳遞接收機接入TE物理實現輸出的時頻信號，基于GNSS全/共視法實現TE與UTC(k)比對，以獲取二者時差XUTC(k)-r

由式(6)、式(10)—式(12)原理即可實現TE-UTC時間比對，進而實現鐵路時間同步網溯源至UTC。TE根據XUTC-TE調整自身，實現與UTC的同步。

圖6為鐵路時間同步網綜合原子時標系統設計結構圖，主要包含時差數據庫與綜合時標計算服務器。非主鐘的各2級時間節點在本地記滿M個周期的自身與主鐘的時差數據后，輪流將該M個時差發送至時差數據庫。綜合時標計算服務器獲取數據庫的時差數據，生成TE，即主鐘與TE的時差，并計算2級時間節點j與TE的時差，以實現后續節點及PTP鏈路的監測。主鐘通過傳輸網獲取自身與TE的時差，并調整自身。不考慮其他耗時，理論上TE滯后時間為至少τ、至多(M-1)τ。

圖6 鐵路時間同步網綜合原子時標系統結構

2.4 基于綜合原子時標的節點及PTP鏈路監測

綜合原子時標系統同時可實現時間節點及PTP鏈路監測功能。基于PTP計算的節點間時差θ公式如式(13)

以主鐘、2級時間節點j間PTP同步為例，主鐘發送Sync報文至2級時間節點j，并記錄報文發送時刻，用時間戳T1表示，緊接著又向2級時間節點j發送包含T1的Follow_Up報文；2級時間節點j接收Sync報文，記錄報文接收時刻，用時間戳T2表示，再向主鐘j發送Delay_Req報文，并記錄報文發送時刻，用時間戳T3表示；主鐘接收Delay_Req報文，記錄報文接收時刻，用時間戳T4表示，并將包含了4個時間戳信息的Delay_Resp報文發送至2級時間節點j。2級時間節點j根據式(13)，即可計算自身與主鐘的時差。時間戳在節點時間服務器加蓋，其包含的時間信息由節點時鐘設備決定，PTP鏈路中斷會導致報文無法傳輸，任一時間戳加蓋失敗或報文缺失，都將導致時差無法計算，具體表現為時差數據的中斷。TE又是基于節點間PTP時差數據生成的，所以，時間節點與TE的時差可一定程度地反映時間節點或PTP鏈路通斷的情況。當2級時間節點j與TE的時差抖動明顯增大，Xr-TE無明顯變化，ωj明顯減小但非0，則大概率可判定2級時間節點j時鐘設備出現故障或相應PTP鏈路不穩定；當時間節點與TE的時差數據中斷，Xr-TE無明顯變化，ωj驟降為0時，則大概率可判定2級時間節點j的PTP鏈路中斷或節點時間服務器出現故障；當Xr-TE抖動明顯增大且無法自恢復至原平穩水平，或Xr-TE數據中斷，則大概率可判定作為主鐘的時間節點出現故障。由于TE的生成具有近實時性，通過分析時間節點與TE的時差、ωj隨時刻的變化，能夠實現時間節點及鏈路故障的及時排查和判斷。將兩個2級時間節點與TE的時差作差，即可實現任意2級節點間時差的獲取。3級時間節點基于PTP協議獲取自身與2級時間節點的時差，任意3級節點間時差也可間接獲取，如此，從整體層面實現了對鐵路時間同步網所有時間節點間時差的監測。

3 性能評估與分析

由于UTC為滯后的紙面時，UTC與UTC(k)比對周期為5天，并且在驗證測試時UTC(k)常作為參考，所以基于UTC(k)建立仿真模型。由式(14)時鐘相位差模型[19]，構建鐵路時間同步網中的節點仿真模型

x(k)為tk時刻時間節點與UTC(k)的時差，x0為初始時差，y0為初始頻率偏差，a為線性頻率漂移率，φ(k)為隨機噪聲。通過引用文獻[7]中1級時間節點頻率準確度(頻率偏差)的測量結果，構建頻差為8.750×10-13的1級時間節點模型，頻差優于3.000×10-12的2級時間節點模型。根據鐵路時間同步網同步原則，3級時間節點向2級時間節點同步，其性能可通過2級時間節點性能推斷。18個2級時間節點基于PTP協議與1級時間節點比對，根據式(13)，PTP比對鏈路模型可通過4個時間戳描述。通過引用文獻[20]在鐵路骨干網進行PTP時間傳送實驗的結果，對4個時間戳加入不同大小的服從高斯分布的隨機噪聲，以模擬鐵路時間同步網不同鏈路噪聲下PTP時間同步。

本節基于仿真模型，分析TE頻率、時間特性，驗證各節點溯源一致性、TE可精確溯源至UTC,TE對2, 3級時間節點魯棒性提升和基于TE的節點及鏈路監測方法有效性。

3.1 綜合原子時標時間頻率特性

仿真總時長為30 d，由于通用全球導航衛星系統時間傳遞標準(Common GNSS Generic Time Transfer Standard, CGGTTS)文件生成時間間隔為960 s，設置1級時間節點960 s與UTC(k)進行一次比對，各2級時間節點與1級時間節點測量間隔為960 s。

各時間節點與UTC(k)頻差如表1，其中“1”代表1級時間節點，“21”代表2級時間節點1，“22”代表2級時間節點2，以此類推。結果顯示，TE、1級時間節點、18個2級時間節點均滿足頻差優于 3.000×10-12的要求。TE與UTC(k)的最大偏差為27.12 ns, UTC(k)與UTC時差可由Circular T獲取，一般為幾納秒，故TE與UTC偏差可實現優于30 ns。

表1 各時間節點向TE同步后與UTC(k)頻差

表2 1級時間節點故障前后TE同步架構/傳統同步架構下2級時間節點1相對UTC(k)的標準差、均值變化(ns)

分別對比TE與通過GNSS單向授時同步的1級時間節點、TE同步架構下與傳統同步架構下2級時間節點的性能。使用修正Allan偏差 (Modified Allan DEViation, MDEV)表示頻率穩定度，時間偏差(Time DEViation, TDEV)表示時間穩定度。根據文獻[6]中國信息通信研究院對1級時間節點通過GNSS單向授時同步性能的實測結果，仿真1級時間節點通過GNSS單向授時同步，2級時間節點向1級時間節點時間同步的過程。圖7(a)、圖7(b)、圖8分別顯示了TE的MDEV, TDEV優于通過GNSS單向授時同步的1級時間節點近1個數量級，同時TE的TDEV, 最大時間間隔誤差(Maximum Time Interval Error, MTIE)滿足《標準》要求，表明TE可作為更穩定的網內統一的時間溯源參考，為鐵路各系統提供標準時間量值。

圖7 TE、通過GNSS單向授時同步的1級時間節點頻率穩定度、時間穩定度

圖8 TE、通過GNSS單向授時同步的1級時間節點MTIE

以2級時間節點1為例，分析TE同步結構與傳統同步架構下2級時間節點的MTIE、時間穩定度。TE同步架構下2級時間節點1頻差計算得到為5×10-15，與UTC(k)最大偏差為108 ns。頻差、與UTC時差、MTIE,TDEV均滿足《標準》要求。與表1結果相比，2級時間節點1在TE同步架構下的頻差稍優于傳統同步架構下的頻差。圖9(a)顯示了TE同步架構下2級時間節點1較傳統同步架構的TDEV小約1倍，時間穩定度較傳統同步架構高約40%。仿真結果表明，引入TE可提高時間節點時間穩定度。

圖9 TE、TE同步架構下/傳統同步架構下2級時間節點1的時間穩定度、MTIE

3.2 綜合原子時標向UTC溯源的不確定度

影響TE向UTC溯源的不確定度分量包括TE與UTC(k)時差測量不確定度、UTC(k)與UTC時差的不確定度。在BIPM主導的產生UTC的時頻領域唯一關鍵比對(CCTF-UTC.K001)中，GPS載波相位法和GPS碼基時頻傳遞法不確定度A類評定結果分別為0.3 ns和0.7 ns；B類評定由于主要受到比對鏈路校準的影響，兩種方法的結果幾乎都為1.5～2.5 ns。故兩種方法的合成標準不確定度均為2～3 n s，即基于G N S S 全/共視法測量的T E 與UTC(k)時差的標準不確定度為2～3 ns。UTC(k)與UTC時差的標準不確定度可通過Circular T獲取，一般為幾納秒。在各標準不確定度分量不相關的前提下，TE向UTC溯源的不確定度uTE-UTC可由式(15)評定

以2023年7月12日發布的Circular T中，uUTC(NIM)-UTC為2 ns的結果，uTE-UTC評定3～4 ns，即TE向UTC溯源的不確定度為3～4 ns。

3.3 2,3級時間節點魯棒性的提高

1級時間節點故障時，根據新主鐘選取原則，2級時間節點3成為新主鐘，TE持續生成，并作為網內統一的時間溯源參考提供標準時間量值，保證網內各時間節點溯源一致。節點魯棒性由1級時間節點故障前后TE同步架構與傳統同步架構下2,3級時間節點時間信號的穩定程度體現，指標有節點時間相對UTC(k)的標準差變化、均值變化、基于MDEV計算的頻率穩定度、基于TDEV計算的時間穩定度。以2級時間節點1為例，通過分析1級時間節點故障前后TE同步架構下與傳統同步架構下2級時間節點1的上述4個指標，并根據鐵路時間同步網同步原則推斷向其同步的3級時間節點性能，驗證TE對2,3級時間節點魯棒性提高的有效性。

表2顯示，1級時間節點故障前后，2級時間節點1在TE同步架構下相對UTC(k)標準差變化、均值變化較傳統同步架構下轉為通過GNSS單向授時同步要小。圖10(a)、圖10(b)顯示了TE同步架構下2級時間節點1 的MDEV與TDEV小于傳統同步架構，時間、頻率穩定度提高約35%。仿真結果說明，相比于傳統同步架構，TE同步架構下2級時間節點受1級時間節點故障影響減小，3級時間節點由于向2級時間節點同步，所受到的1級時間節點故障的影響也減小，驗證了TE可有效提高2,3級時間節點魯棒性。

圖10 TE同步架構/傳統同步架構下2級時間節點1的頻率穩定度、時間穩定度

3.4 基于綜合原子時標的自動監測

設置仿真總時長為 1×107s，各2級時間節點與1級時間節點測量間隔為10 s。權重由前500個測量周期時差數據的標準差決定。為驗證綜合原子時標節點監測功能，從仿真時刻 5.501×104s開始，2級時間節點18加入標準差為20 μs的高斯白噪聲；從仿真時刻 1.000 1×105s開始，2級時間節點17加入標準差為15 μs的高斯白噪聲；從仿真時刻1.500 1×105s開始，3級時間節點16的時差數據被抹去；模擬時間同步節點數據異?；蛑袛鄷r的情景。

圖11展示了部分2級時間節點與TE時差，為方便顯示，時差數據進行了平移。圖12(b)為2級時間節點16,17,18權重的局部放大圖。2級時間節點17,18與TE時差分別在約 1×105s、約 1×104s發生劇烈抖動，圖12(b)顯示其權重驟降接近于0。由于2級時間節點1,15與TE時差數據抖動仍較為平穩，且TE正常生成，排除1級時間節點故障的可能，大概率可判斷2級時間節點17,18的時鐘設備出現故障或PTP鏈路不穩定，但由于時差可持續獲得，PTP鏈路仍連通。圖12(a)顯示2級時間節點16的時差數據在約 1.5×105s時中斷，圖12(b)顯示對應時間節點權重降為0，大概率可判斷此時節點PTP鏈路斷開或時間服務器出現故障。

圖11 1級、部分2級時間節點與TE時差圖

圖12 1級、部分2級時間節點與TE時差、權重變化圖

仿真結果表明，鐘組某時間節點或某幾個時間節點出現故障時，通過對各級時間節點與TE時差、權重的分析，能夠準確實現對故障的初步排查與判斷。又由于1級、2級時間節點與TE時差已知，3級與2級時間節點間時差可通過PTP獲取，基于統一參考TE，能夠實現網內所有時間節點間時差的監測。

4 結束語

針對目前鐵路時間同步網各時間節點溯源不一致，且未精確溯源至UTC；2,3級時間節點受1級時間節點故障影響大，魯棒性不足；缺乏整體層面的自動監測方法的潛在問題，提出鐵路時間同步網綜合原子時標TE，在不改變現有鐵路時間同步網結構的條件下，基于1,2級共19個時間節點構建TE，設計TE同步架構，同時介紹了基于TE的時間節點及PTP鏈路監測方法，實現時間節點及其相應PTP鏈路通斷、節點間時差自動監測。結果表明，TE與UTC(k)的最大偏差為27.12 ns，與UTC的溯源偏差可優于30 ns，溯源不確定度可優于5 ns，頻差可達 10-14量級。相比通過GNSS單向授時同步的1級時間節點，TE的MDEV,TDEV小約1個數量級，頻率、時間穩定度更優，其可為網內各系統提供統一的標準時間量值。1級時間節點正常運行時，引入TE可提高2級時間節點時間穩定度約40%。1級時間節點故障時，TE依然能夠穩定、準確地持續生成，作為網內統一的時間溯源參考提供標準時間量值，保證網內各時間節點溯源一致；對比傳統架構下2級時間節點轉為通過GNSS單向授時進行同步，TE同步架構下的2級時間節點標準差、均值變化要小，時間節點時間、頻率穩定度提高約35%，受1級時間節點故障影響小，驗證了引入TE對提高2,3級時間節點魯棒性的有效性。通過對時間節點權重、時間節點與TE的時差數據分析，可對節點間時差、時間節點及PTP鏈路通斷進行自動監測，實現故障及時初步排查與判斷。構建鐵路時間同步網綜合原子時標，從源頭保證鐵路各系統時間量值一致性、精確性及可溯源至UTC，減小1級時間節點故障對2,3級時間節點的影響，提高節點魯棒性，實現時間節點及PTP鏈路通斷自動監測，對于完善鐵路時間同步網的建設，確保鐵路系統安全、高效地運營具有積極作用。