北斗 ZDA 與移動 ZDA 協(xié)議轉(zhuǎn)換設計與實現(xiàn)

　　摘要：由于國產(chǎn)核心交換芯片的時間同步接口一般為移動標準時間同步接口，與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗標準時間同步接口不一致，因此在以國產(chǎn)芯片為核心處理單元的骨干網(wǎng)中無法實現(xiàn)北斗時間的傳輸。本文設計了一種北斗時間同步接口標準協(xié)議與移動時間同步接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換方案，通過詳細對比兩者的日時間(TOD)數(shù)據(jù)幀的異同之處，以世界協(xié)調(diào)時(UTC)秒時間作為中間媒介實現(xiàn)兩者不同時間表達的轉(zhuǎn)換。實驗結果證明：在所搭建的網(wǎng)絡環(huán)境下，北斗衛(wèi)星接收機輸出的時間信息可以穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換成移動標準的時間信息，且轉(zhuǎn)換后的移動時間數(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 發(fā)表時間：2021-11-18

　　0 引言

　　北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會的發(fā)展需要，是自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時和高精度的定位導航授時服務的國家重要時空基礎設施[1]。2020 年 7 月 31 日，習近平同志向世界宣布北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式建成開通，中國北斗邁入服務全球、造福人類的新時代。

　　在以美國為首的國外大國核心芯片禁運背景下，自主研發(fā)并應用國產(chǎn)核心芯片成為解決軍用網(wǎng)絡中的唯一出路。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)務芯片采用移動標準的時間同步接口，實現(xiàn)對高精度時間的輸入和輸出。

　　然而，移動標準的時間同步接口無法與目前我國部署的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗時間同步標準接口兼容，故需要設計一套協(xié)議轉(zhuǎn)方法，才能將北斗授時時間傳輸給國產(chǎn)核心處理芯片，以便在核心網(wǎng)中同步北斗時間信息。本文詳細對比北斗標準時間同步接口協(xié)議和移動標準時間同步接口協(xié)議中的日時間(TOD)數(shù)據(jù)幀的異同之處，以 Unix 秒時間作為中間媒介實現(xiàn)兩者不同時間表達的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過測試可滿足高精度時間傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　1 協(xié)議對比

　　1.1 北斗時間同步接口標準的 TOD 數(shù)據(jù)幀

　　根據(jù)技術協(xié)議《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶終端通用數(shù)據(jù)接口》規(guī)范中的說明[2]，北斗時間同步接口標準的 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。北斗時間同步接口標準定義的物理層接口參數(shù)如下：

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

　　北斗時間同步接口標準協(xié)議定義的數(shù)據(jù)鏈路層要求，在串行數(shù)據(jù)中的通用語句標識符用 ZDA 標識 UTC 時間、日期和本地時區(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)域結束符，字符‘*’后 2 個字符為校驗和，校驗采用數(shù)據(jù)域亦或運算得到，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返回 ZDA 信息，RNSS 定時結果，當前 UTC 時間為 02 時 03 分 45 秒，日期為 2021 年 9 月 8 號，當前時區(qū)為東八區(qū)，轉(zhuǎn)換成北京時間為 2021 年 09 月 08 號 10 時 03 分 45 秒，時間精度未檢測，衛(wèi)星狀態(tài)鎖定，TOD 串行數(shù)據(jù)的校驗和為 0x25。

　　1.2 移動時間同步接口標準的 TOD 數(shù)據(jù)幀

　　根據(jù)《中國移動高精度時間同步 1PPS+TOD 接口規(guī)范》，標準編號 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) 校驗位：無。移動時間同步接口標準中定義的 TOD 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀幀格式如圖 1 所示。

　　移動時間同步接口標準定義的時間信息中各字段的內(nèi)容如表 2 所示。其中，包含有時間信息的消息，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)的詳細結構如表 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 為進制值 16 4) 00 03 B4 0A 為周內(nèi)秒 0x0003B40A 為十進制值 242698 5) 00 00 00 00 為保留值 6) 08 26 為周數(shù) 0x0826 為十進制值 2086 7) 12 為 GPS 相對 UTC 的偏差時間 0x12 為十進制值 18，表明當前 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 校驗和 0xC4

　　1.3 差異對比

　　比對北斗時間同步接口標準中定義的 TOD 信息與移動時間同步接口標準中定義的 TOD 信息的主要差異如表 4 所示。

　　2 軟件設計

　　為了實現(xiàn)北斗時間同步接口標準的 TOD 信息與移動時間同步接口標準的 TOD 信息的轉(zhuǎn)換，本文以 Unix 時間戳作為時間信息表達中間媒介，實現(xiàn) 2 種不同協(xié)議標準的時間信息描述的轉(zhuǎn)換。

　　2.1 Unix 時間戳

　　在 PC 系統(tǒng)中，Unix 時間戳(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 時間戳

　　在 PC 系統(tǒng)中，Unix 時間戳(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 時間戳

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

　　在字符串 UTC 時間轉(zhuǎn) Unix 時間戳時，需要注意閏年對秒時間的影響。當出現(xiàn)閏年時， 2 月會多出 1 天時間。基本的算法流程圖如圖 2 所示。

　　2.3 Unix 時間戳轉(zhuǎn)移動 TOD 信息

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

　　GPS 時以 1980 年 1 月 6 日零時作為其計時的紀元起點，其 0 s 與 UTC 秒時間的偏差值為 10 年 6 天，其中經(jīng)歷了 1972 和 1976 這 2 個閏年，轉(zhuǎn)換成秒時間為: Ngps=(365*10+2+6-1)*24*60*60=315964800 (1)由于國際原子時與 UCT 時間的時鐘基準不同，進過長時間的運行后，TAI 時間與 UTC 時間將產(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準組織公布進行閏秒調(diào)整。由于該偏差值存在可變性，在將 Unix 時間戳轉(zhuǎn)換成 GPS 時時，需要設計可配置的輸入?yún)?shù) LeapSeconds。實際的 GPS 時秒數(shù)： Ngps = Nutc – 315964800 + LeapSeconds (2)以 2021-09-06 23:01:49 為例，當前的閏秒偏差為+18，其 Ntct=1630940509，則： Ngps = 1630940509 – 315964800 + 18 = 1314975727。對應的周數(shù) Nweeks = Ngps %(7*24*60*60)= 2174= 0x087e 對應的周內(nèi)秒 Nsec = Ngps / (7*24*60*60) = 140527 = 0x000224ef

　　3 試驗驗證

　　3.1 功能驗證

　　實驗硬件平臺以國產(chǎn)芯片 GD32F103 作為核心處理器，該芯片擁有最多 4 個獨立的異步串行接口，設計串口 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，也可進行系統(tǒng)參數(shù)設置(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 為移動標準 TOD 信號輸出接口，波特率配置為 9600bps。硬件設計框圖如圖 3 所示。

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

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

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

　　3.2 性能驗證

　　將硬件轉(zhuǎn)換單板拷機 1 h(3600 個轉(zhuǎn)換點)，記錄 PPS 和 TOD 信號之間的傳輸延時，結果如圖 5 所示。

　　實驗結果表明當前的硬件單板工作穩(wěn)定可靠，軟件協(xié)議運行正常，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間在 32.0 毫秒到 32.4 毫秒之間;時間抖動在技術協(xié)議要求的指標范圍內(nèi)。

　　4 結束語

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