北斗 ZDA 與移動 ZDA 協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：由于國產(chǎn)核心交換芯片的時(shí)間同步接口一般為移動標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步接口，與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步接口不一致，因此在以國產(chǎn)芯片為核心處理單元的骨干網(wǎng)中無法實(shí)現(xiàn)北斗時(shí)間的傳輸。本文設(shè)計(jì)了一種北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與移動時(shí)間同步接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換方案，通過詳細(xì)對比兩者的日時(shí)間(TOD)數(shù)據(jù)幀的異同之處，以世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)秒時(shí)間作為中間媒介實(shí)現(xiàn)兩者不同時(shí)間表達(dá)的轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：在所搭建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，北斗衛(wèi)星接收機(jī)輸出的時(shí)間信息可以穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換成移動標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息，且轉(zhuǎn)換后的移動時(shí)間數(shù)據(jù)可正常穩(wěn)定地被國產(chǎn)芯片解析并傳輸?shù)胶诵墓歉删W(wǎng)中。

　　關(guān)鍵詞：北斗 ZDA ;移動 ZDA;協(xié)議轉(zhuǎn)換

　　程明; 盧建福; 羅晉， 光通信技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-18

　　0 引言

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需要，是自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)和高精度的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)的國家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施[1]。2020 年 7 月 31 日，習(xí)近平同志向世界宣布北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式建成開通，中國北斗邁入服務(wù)全球、造福人類的新時(shí)代。

　　在以美國為首的國外大國核心芯片禁運(yùn)背景下，自主研發(fā)并應(yīng)用國產(chǎn)核心芯片成為解決軍用網(wǎng)絡(luò)中的唯一出路。但由于受限于核心交換芯片的發(fā)展，目前國產(chǎn)的核心二三層業(yè)務(wù)芯片采用移動標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步接口，實(shí)現(xiàn)對高精度時(shí)間的輸入和輸出。

　　然而，移動標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步接口無法與目前我國部署的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)接口兼容，故需要設(shè)計(jì)一套協(xié)議轉(zhuǎn)方法，才能將北斗授時(shí)時(shí)間傳輸給國產(chǎn)核心處理芯片，以便在核心網(wǎng)中同步北斗時(shí)間信息。本文詳細(xì)對比北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步接口協(xié)議和移動標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步接口協(xié)議中的日時(shí)間(TOD)數(shù)據(jù)幀的異同之處，以 Unix 秒時(shí)間作為中間媒介實(shí)現(xiàn)兩者不同時(shí)間表達(dá)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過測試可滿足高精度時(shí)間傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　1 協(xié)議對比

　　1.1 北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)的 TOD 數(shù)據(jù)幀

　　根據(jù)技術(shù)協(xié)議《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端通用數(shù)據(jù)接口》規(guī)范中的說明[2]，北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)的 TOD 信息數(shù)據(jù)以串行異步方式傳送。第一位為起始位，其后是數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)遵循最低有效位優(yōu)先的規(guī)則。北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層接口參數(shù)如下：

　　1) 波特率：4800～115200 bps ，可根據(jù)需要設(shè)定，默認(rèn)值為 115200 bps ; 2) 數(shù)據(jù)位：8 bit (d7=0); 3) 停止位：1 bit ; 4) 校驗(yàn)位：無。

　　北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義的數(shù)據(jù)鏈路層要求，在串行數(shù)據(jù)中的通用語句標(biāo)識符用 ZDA 標(biāo)識 UTC 時(shí)間、日期和本地時(shí)區(qū)等。數(shù)據(jù)域中所有的字段都為 ASCII 可顯示字符范圍內(nèi)字符，其定義的數(shù)據(jù)幀格式為：

　　字段中以字符’ $’作為整個(gè)數(shù)據(jù)幀的啟始符，以字符’,’作為分隔符，以字符‘*’作為數(shù)據(jù)域結(jié)束符，字符‘*’后 2 個(gè)字符為校驗(yàn)和，校驗(yàn)采用數(shù)據(jù)域亦或運(yùn)算得到，其數(shù)據(jù)域中各字段的內(nèi)容如表 1 所示。

　　以$BDZDA,2,020345.00,08,09,2021,-08,00,000000.00,0.0,0,Y*25 為例，其表示為北斗信號接收機(jī)返回 ZDA 信息，RNSS 定時(shí)結(jié)果，當(dāng)前 UTC 時(shí)間為 02 時(shí) 03 分 45 秒，日期為 2021 年 9 月 8 號，當(dāng)前時(shí)區(qū)為東八區(qū)，轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間為 2021 年 09 月 08 號 10 時(shí) 03 分 45 秒，時(shí)間精度未檢測，衛(wèi)星狀態(tài)鎖定，TOD 串行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和為 0x25。

　　1.2 移動時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)的 TOD 數(shù)據(jù)幀

　　根據(jù)《中國移動高精度時(shí)間同步 1PPS+TOD 接口規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)編號 QB-B-016-2010 中所定義的 TOD 信息物理層信號要求如下： 1) 波特率：默認(rèn)值為 9600 bps ; 2) 數(shù)據(jù)位：8 bit，空閑幀為高電平; 3) 停止位：1 bit ; 4) 校驗(yàn)位：無。移動時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的 TOD 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀幀格式如圖 1 所示。

　　移動時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)定義的時(shí)間信息中各字段的內(nèi)容如表 2 所示。其中，包含有時(shí)間信息的消息，其定義的消息類型為固定值 0x01，消息編號為固定值0x20，消息域長度為固定值 16，消息數(shù)據(jù)域的 16 字節(jié)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如表 3 所示。

　　以數(shù)據(jù)幀 43 4D 01 20 00 10 00 03 B4 0A 00 00 00 00 08 26 12 00 FF 00 00 00 C4 為例，其中： 1) 43 4D 為幀頭 1 和幀頭 2 2) 01 20 為時(shí)間信息消息類型 0x 01，消息 ID 為固定值 0x20 3) 00 10 為消息域長度 0x0010 為進(jìn)制值 16 4) 00 03 B4 0A 為周內(nèi)秒 0x0003B40A 為十進(jìn)制值 242698 5) 00 00 00 00 為保留值 6) 08 26 為周數(shù) 0x0826 為十進(jìn)制值 2086 7) 12 為 GPS 相對 UTC 的偏差時(shí)間 0x12 為十進(jìn)制值 18，表明當(dāng)前 GPS 比 UTC 快 18 秒 8) 00 秒脈沖狀態(tài)正常 9) FF 無意義 10) 00 00 00 為保留值 11) C4 為 CRC 校驗(yàn)和 0xC4

　　1.3 差異對比

　　比對北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的 TOD 信息與移動時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的 TOD 信息的主要差異如表 4 所示。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)的 TOD 信息與移動時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)的 TOD 信息的轉(zhuǎn)換，本文以 Unix 時(shí)間戳作為時(shí)間信息表達(dá)中間媒介，實(shí)現(xiàn) 2 種不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息描述的轉(zhuǎn)換。

　　2.1 Unix 時(shí)間戳

　　在 PC 系統(tǒng)中，Unix 時(shí)間戳(Unix epoch)是從 1970 年 1 月 1 日(UTC/GMT 的午夜)開始所經(jīng)過的不考慮閏秒的總秒數(shù)。

　　2.2 北斗 TOD 信息轉(zhuǎn) Unix 時(shí)間戳

　　在 PC 系統(tǒng)中，Unix 時(shí)間戳(Unix epoch)是從 1970 年 1 月 1 日(UTC/GMT 的午夜)開始所經(jīng)過的不考慮閏秒的總秒數(shù)。

　　2.2 北斗 TOD 信息轉(zhuǎn) Unix 時(shí)間戳

　　北斗時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的 TOD 信息以 ASCII 可識別字符形式標(biāo)示了當(dāng)前時(shí)間的時(shí)分秒，日月年信息;將該信息調(diào)整順序后，即可得到 UTC 標(biāo)準(zhǔn)的年月日時(shí)分秒時(shí)間信息。

　　在字符串 UTC 時(shí)間轉(zhuǎn) Unix 時(shí)間戳?xí)r，需要注意閏年對秒時(shí)間的影響。當(dāng)出現(xiàn)閏年時(shí)， 2 月會多出 1 天時(shí)間。基本的算法流程圖如圖 2 所示。

　　2.3 Unix 時(shí)間戳轉(zhuǎn)移動 TOD 信息

　　移動時(shí)間同步接口的 TOD 信息以 GPS 時(shí)間信息的方式表示，其中 GPS 時(shí)由 GPS 衛(wèi)星搭載的原子鐘作為基準(zhǔn)，與國際原子時(shí)(TAI)保持 19 s 的固定常數(shù)差，GPS 時(shí)在 1980 年 1 月 6 日零時(shí)與 UTC 保持一致。由于國際原子時(shí)(TAI)與世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)時(shí)間的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)不同，截止到 2021 年 09 月，國際原子時(shí)快于世界協(xié)調(diào)時(shí)時(shí)間為 37 s，由于 TAI 比 GPS 固定偏差快 19 s，故目前 GPS 時(shí)比 UTC 時(shí)間快 18 s。

　　GPS 時(shí)以 1980 年 1 月 6 日零時(shí)作為其計(jì)時(shí)的紀(jì)元起點(diǎn)，其 0 s 與 UTC 秒時(shí)間的偏差值為 10 年 6 天，其中經(jīng)歷了 1972 和 1976 這 2 個(gè)閏年，轉(zhuǎn)換成秒時(shí)間為: Ngps=(365*10+2+6-1)*24*60*60=315964800 (1)由于國際原子時(shí)與 UCT 時(shí)間的時(shí)鐘基準(zhǔn)不同，進(jìn)過長時(shí)間的運(yùn)行后，TAI 時(shí)間與 UTC 時(shí)間將產(chǎn)生偏差積累，該偏差值大到一定程度后，一般每半年由國際標(biāo)準(zhǔn)組織公布進(jìn)行閏秒調(diào)整。由于該偏差值存在可變性，在將 Unix 時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成 GPS 時(shí)時(shí)，需要設(shè)計(jì)可配置的輸入?yún)?shù) LeapSeconds。實(shí)際的 GPS 時(shí)秒數(shù)： Ngps = Nutc – 315964800 + LeapSeconds (2)以 2021-09-06 23:01:49 為例，當(dāng)前的閏秒偏差為+18，其 Ntct=1630940509，則： Ngps = 1630940509 – 315964800 + 18 = 1314975727。對應(yīng)的周數(shù) Nweeks = Ngps %(7*24*60*60)= 2174= 0x087e 對應(yīng)的周內(nèi)秒 Nsec = Ngps / (7*24*60*60) = 140527 = 0x000224ef

　　3 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　3.1 功能驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)硬件平臺以國產(chǎn)芯片 GD32F103 作為核心處理器，該芯片擁有最多 4 個(gè)獨(dú)立的異步串行接口，設(shè)計(jì)串口 1 為調(diào)試配置串口，可輸出程序執(zhí)行過程中的調(diào)試信息，也可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置(如閏秒值配置);串口 2 為北斗 TOD 信號輸入接口，波特率配置為 115200bps;串口 3 為移動標(biāo)準(zhǔn) TOD 信號輸出接口，波特率配置為 9600bps。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖 3 所示。

　　通過邏輯分析儀抓取北斗接收機(jī)輸出的 TOD 信號和經(jīng)過硬件單板轉(zhuǎn)換后的移動標(biāo)準(zhǔn) TOD 信號，結(jié)果如圖 4 所示。

　　第一行信號為北斗接收機(jī)輸入的北斗時(shí)間同步接口的 TOD 信號，第二行信號為轉(zhuǎn)碼后輸出的移動時(shí)間同步接口的 TOD 信號;由于北斗時(shí)間同步接口的信號的波特率為 115200bps，而移動時(shí)間同步接口的信號標(biāo)準(zhǔn)信號為 9600bps，前者比后則速度快 12 倍，故第一行信號時(shí)間比第二行信號密集。

　　北斗衛(wèi)星接收機(jī)輸出的 TOD 信息和轉(zhuǎn)換后得到的移動標(biāo)準(zhǔn) TOD 輸出之間的時(shí)間間隔為1.5 ms，整體的輸出時(shí)間為 32.651 ms，滿足《中國移動高精度時(shí)間同步 1PPS+TOD 接口規(guī)范》中要求的 TOD 輸出完成時(shí)間必須小于 500 ms 的指標(biāo)。

　　3.2 性能驗(yàn)證

　　將硬件轉(zhuǎn)換單板拷機(jī) 1 h(3600 個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn))，記錄 PPS 和 TOD 信號之間的傳輸延時(shí)，結(jié)果如圖 5 所示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)前的硬件單板工作穩(wěn)定可靠，軟件協(xié)議運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間在 32.0 毫秒到 32.4 毫秒之間;時(shí)間抖動在技術(shù)協(xié)議要求的指標(biāo)范圍內(nèi)。

　　4 結(jié)束語

　　本文針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的北斗時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)的 TOD 和移動時(shí)間同步接口標(biāo)準(zhǔn) TOD 時(shí)間格式不兼容問題，設(shè)計(jì)北斗時(shí)間同步接口 TOD 信息到移動時(shí)間同步接口 TOD 信息的轉(zhuǎn)換方案和具體實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)裝設(shè)備測試，本協(xié)議可正確識別北斗衛(wèi)星接收機(jī)輸出的時(shí)間，并在 1.5 ms 內(nèi)完成北斗時(shí)間同步接口 TOD 信息到移動時(shí)間同步接口 TOD 信息的轉(zhuǎn)換。在長時(shí)間穩(wěn)定性測試下，轉(zhuǎn)換后的高精度時(shí)間可在以國產(chǎn)交換芯片為核心處理單元的骨干網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳輸。