基于WINCE5.0的CINRAD雷达GPS校时系统的设计与实现

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基于WINCE5．0的CINRAD雷达GPS校时系统
的设计与实现
柴秀梅 ，高玉春 ，周旭辉 ，马杰良。，李 拮
(1．中国气象局气象探测中心，北京100081；2．南京信息工程大学，南京210044)
摘 要：时间同步是新一代天气雷达(CINRAD)系统普遍存在的问题。针对新一代天气雷达
网的布局现状，采用卫星时钟作为CINRAD雷达网的时间同步校时基准时间，利用成熟的
GPS校时接收模块，设计以ARM9为核心的开放式、可视化的校时主机，研制了一套智能化的
新型CINRAD雷达GPS校时系统。该系统主要包括校时服务器硬件和软件，是一套校时精
度高、稳定性能好、功能齐全、可全自动工作的时间同步校时系统。文中详细介绍了新一代天
气雷达GPS校时系统的设计思路和工作模式。通过在不同型号雷达系统中的应用，取得了预
期的效果，较好地解决了CINRAD同步自动校时的关键技术，具有重要的应用价值和潜在的
经济效益。
关键词：CINRAD雷达；GPS时间同步；校时器
中图分类号：TN959．4 文献标识码：A 文章编号：1006—009X(2011)02—0058—04
Design and implementation for CINRAD GPS
timing system based on W INCE5．0
Chai Xiumei ，Gao Yuchun ，Zhou Xuhui ，Ma J ieliang。，Li Zhe
(1．Meteorological Observation Center of China Meteorological Administration，Beijing 100081；2．Nanjing University
of Information Science and Technology，Nanjing 210044)
Abstract：Time synchronization is a common problem existing in CINRAD system． Based on
distribution status of CINRAD network，adopting satellite clock as synchronous timing reference for
CINRAD network and using mature GPS timing receiver module，the author designs an open and visual
timing host computer with ARM9 as kernel and develops an intelligent new CINRAD GPS timing
system．This system includes timer hardware，server and client software that is a set of synchronous
timing system with features of accurate，stable，functional and automatic．This paper introduces design
scheme and working mode for CINRAD GPS timing system in detail．Through experiments in radar
systems of different types，it achieves desired results and solves key technologies of CINRAD
synchronous timing successfully，which has important application value and potential economic
benefits．
Key words：CINRAD radar；GPS time synchronization；timing system
收稿日期：2010—12—01．
基金项目：国家自然科学基金项目“天气雷达进一步获取晴空大气回波的研究”(40975018)资助
作者简介：柴秀梅(1956一)，女，大学，高级工程师．主要从事气象雷达技术保障与应用工作．
第2期 柴秀梅，等：基于WINCE5．0的CINRAD雷达GPS校时系统的设计与实现 ‘59。
O 引言
CINRAD雷达是监测台风、暴雨等大范围降
水天气和对雹云、龙卷、气旋等小尺度强天气系统
及预警突发性、灾害性天气的最有效探测设备之
一
。CINRAD雷达作为降水测量系统，应具备较
高的测量精度，也是生成气象产品质量的保证。
为实现定时、定点、定量精细化气象预报服务，提
高探测数据质量是预报准确性的重要保障。为确
保新一代天气雷达网拼图资料时间的一致性，在
业务管理规范中要求每天对雷达3个子系统时间
进行检查校对，保障系统时间误差小于10 S的指
标要求，从而保证全国新一代天气雷达网的拼图
产品满足气象预警预报的业务需求。
新一代天气雷达布局中大部分数据采集系统
(RDA)与数据处理和显示系统通常是分离状态，
雷达站通常无人值守，客观上无法保证每天对雷
达3个子系统进行检查校时，甚至有的雷达站只
在每月作雷达标定时才做校时，因而组网雷达3
个子系统运行时间精度和同步无法得到保证。
此外，目前新一代天气雷达校时方法采用人
工拨打报时台进行校对，此方法存在一定的滞后
性，导致校时精度得不到保证，因为不同的电话线
路存在不同的延时。针对这种情况，研究开发了
基于WINCE5．0的新一代天气雷达GPS时间同
步系统。该系统采用可视化界面设计，具有精度
高、稳定性好、可靠性高等特点，完全解决了
CINRAD雷达网的时间同步性问题。
1 系统结构
系统由智能GPS时间同步服务器主机、新一
代天气雷达数据采集子系统(RDA)、雷达产品生
成子系统(RPG)和用户终端子系统(PUP)等组
成，内部局域网如图I所示。智能GPS校时器是
网络内的时间服务器。本网络内需要时间同步的
计算机系统，通过客户端软件周期性的请求时间
同步服务器而获取基准时间，然后根据与服务器
的偏差值的大小，选择性地对客户端校时，从而使
整个计算机网络系统时间与卫星时间同步。
2 系统相关协议
2．1 SNTP协议
SNTP是简单网络时间协议(Simple Network
Time protoco1)的简称，它是目前Internet网上实现
图1 新一代天气雷达网时间同步校时系统的结构
时间同步的一种重要工程化方法。SNTP协议采
用客户／服务器工作方式，服务器通过接收卫星时
间信号或自带的原子钟作为系统的时间基准，客
户机通过定期访问服务器提供的时间服务获得准
确的时间信息，并调整自己的系统时钟，从而达到
网络时间同步的目的。
2．2 GPS系统
GPS(Global Position System)是2O世纪7O
年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫
星导航定位系统，是目前应用最广泛的同步时钟，
具有时间同步精度高、抗干扰能力强、全天候工
作、不受天气等环境条件影响等特点，用户根据需
要通过GPS接收机接收卫星的信号，从而获取时
间、坐标、速度等信息。
2．3 NEMA协议数据格式
NMEA一0183协议是美国国家海洋电子协会
(National Marine Electronics Association)为统
一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已经
成为国际通用的一种格式。NEMA数据由帧头、
帧尾和帧内数据组成，根据数据帧的不同，帧头也
不相同，帧头主要有“$GPZDA”、“$GPGGA”、
“$GPGSA”、“$GPGSV ”、“$GPGST”、
“$GPVTG”、“$GPGLL”以及“$GPRMC”。
这些帧头标识了后续帧内数据的组成结构，各帧
均以回车符和换行符作为帧尾标识一帧的结束。
本文设计的GPS 模块输出“$GPZDA”与
“$GPGGA”，数据格式范例如下：
$GPZDA，073512．00，21，03，2010，*67
$GPGGA，073512．00，3956．63121，N，11619．29001，
E，2，l1，1．02，00092，M ，一006，M ，，*44
3 系统设计
3．1 设计原理
系统以SNTP协议为理论基础，采用客户／
· 60 · 气象水文海洋仪器
服务器工作方式，服务器通过接收GPS信号校准
自带的时钟作为系统的基准时间，客户端软件通
过自设的检测周期，周期性地请求服务器提供的
时间服务以获得准确的时间信息，并根据误差大
小自适应调整自身的系统时钟，达到与卫星时间
同步的目的。客户和服务器通讯采用UDP协
议，端口为123。授时原理可以用图2做一个描
述，如图2所示。
图2 GPS校时原理图
T ：客户端发送查询请求时间(以客户端时
间系统为参照)，标记为Originate Timestamp；
T。：服务器收到查询请求时间(以服务器时
间系统为参照)，标记为Receive Timestamp；
T ：服务器回复时间信息包时间(以服务器
时间系统为参照)，标记为Transmit Timestamp；
T ：客户端收到时间信息包时间(以客户端
时间系统为参照)，标记Destination Timestamp；
假设同一周期内两个时钟以相同速率运行，
则客户机与服务器之间时间差可以表示为△一
( —T )一(T。一T。)；又假设网络时延是对称
的，则d===△，得到客户机和服务器误差为0=：=
(T 一T2)+ (T4+ T3)
2
3．2 工作模式
系统以单播模式为工作模式，即先由客户端
发送请求到达服务器，然后从服务器茯得SNTP
报文数据，从而计算出时延，以及客户机与服务器
时间的偏差。然后客户端根据偏差是否超出预设
的阈值而自适应启动自动校正模块。
3．3 GPS授时模块设计
GPS授时模块主要由GPS接收芯片，RS一
232串口、供电系统以及相关外围电路构成。
GPS授时模块以美国著名GPS芯片生产厂
商天宝公司的哥白尼二代芯片63530—00为核心，
该芯片体积小，性能稳定。
4 系统实现
基于WinCE5．0的新一代天气雷达GPS时
间同步系统的硬件系统，主要由嵌入式服务器端
与PC机组成。
4．1 服务器端
4．1．1 硬件配置
校时服务器嵌入式服务器端以基于
ARM9T2O内核的SAMSUNG $3C244O-40为核
心，服务器硬件主要由微处理器($3C2440—40)，
GPS授时模块，液晶显示屏等组成，该服务器系
统配置了7时触摸屏，800×480真彩液晶屏作为
显示端，配置了WINCE图形化操作系统，各种操
作均通过屏幕进行，校时系统功能简单明了，包括
IP配置、校时记录查询、时间配置等，不用外接键
盘就可以操作，在保证系统稳定性的同时，还具有
良好的开放性，配置了电子硬盘，通过接口可以扩
展许多同雷达性能相关的功能。
4．1．2 软件设计
系统软件采用基于windowsCE5．0操作系
统，并通过基于．NET Compact Framework2．0
开发的服务器端校时软件，主要完成来自GPS授
时模块返回的GPS卫星实时数据，根据NMEA一
0183协议对数据进行解析并提取经纬度、时问、
当前可用星数等数据，并将提取到的时间信息与
服务器自身时钟进行比对，当两者误差超过设定
的阈值时，则将卫星时间赋给服务器时钟，从而保
证时间服务器的精度。
根据设计组合的GPS校时系统的特点，服务
器端的软件能够实现具有自复位能力；因干扰造
成装置程序出错时，能自动恢复正常工作；电源断
电，通电后无需人工干预能实现自动启动进入系
统；该系统突破了通用的GPS校时器封闭式设
计，没有人机交互界面、校时记录查询、GPS时间
显示、卫星时间状态显示及故障报警等功能。而
该系统通过软硬件实现通过界面对卫星数据进行
实时监测；并将接收到的数据通过软件解读、并实
时显示，如当地经纬度和海拔高度以及可见卫星
数目。
4．2 客户端
客户端主要由新一代天气雷达局域网内
RDA、RPG和PUP等需要时间同步的PC机组成。
客户端软件是利用C#．net开发的连接到网
络客户机上运行的UDP通信程序，它的主要任
务是向网络中的校时服务器主机发送校时请求，
接收服务器返回的带有时间戳的SNTP报文码，
计算时间偏差、网络延迟，然后根据时间偏差自适
应启动自动校正模块修正本地客户机的系统时
间，实现整个网内的计算机系统时间与GPS卫星
第2期 柴秀梅，等：基于WINCE5．0的CINRAD雷达GPS校时系统的设计与实现 。61‘
时间自动校时，达到网内计算机系统时间完全同
步的目的。
5 结论
(1)该系统实现了实时在线、自动校时、监控
方便、校时精度高、稳定性好、功能强，可完全替代
新一代天气雷达数据采集子系统(RDA)、雷达产
品生成子系统(RPG)、用户终端子系统(PUP)采
用人工拨打12117报时电话校时方法，实现了在
线校对时间间隔内100 纠错率。
(2)基本实现了与GQS卫星时间一致，平均
授时精度
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2014-9-29 20:00 上传

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