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技術(shù)文章
GPS時鐘同步原理
點(diǎn)擊次數(shù)：185 發(fā)布時間：2011-7-8
GPS時鐘/同步的原理與技術(shù)
1、有關(guān)時間的一些基本概念：
（1）、時間（周期）與頻率：
互為倒數(shù)關(guān)系，兩者密不可分，時間標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是頻率標(biāo)準(zhǔn)，所以有人把晶體振蕩器叫‘時基振蕩器’。鐘是由頻標(biāo)加上分頻電路和鐘面顯示裝置構(gòu)成的。
互為倒數(shù)關(guān)系，兩者密不可分，時間標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是頻率標(biāo)準(zhǔn)，所以有人把晶體振蕩器叫‘時基振蕩器’。鐘是由頻標(biāo)加上分頻電路和鐘面顯示裝置構(gòu)成的。
（2）、四種實(shí)用的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)源（簡稱鐘）：
◆ 晶體鐘
◆ 銣原子鐘
◆ 氫原子鐘
◆ 銫原子鐘
（3）、常用的時間坐標(biāo)系：
時間的概念包含時刻（點(diǎn)）和時間間隔（段）。時系（時間坐標(biāo)系）是由時間起點(diǎn)和時間尺度單位--秒定義（又分地球秒與原子秒）所構(gòu)成。常用的時間坐標(biāo)系：
◆ 世界時（UT）
◆ 地方時
◆ 原子時（AT）
◆ 協(xié)調(diào)世界時（UTC）
◆ GPS時
（4）、定時、時間同步與守時：
◆ 定時：是指根據(jù)參考時間標(biāo)準(zhǔn)對本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過程）；授時（指采用適當(dāng)?shù)氖侄伟l(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時間的過程）；
◆ 時間同步：是指在母鐘與子鐘之間時間一致的過程，又稱時間統(tǒng)一或簡稱時統(tǒng)）；
◆ 守時：是指將本地鐘已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時間保持下去的過程，國內(nèi)外守時中心一般都采用由多臺銫原子鐘和氫原子鐘組成的守時鐘組來進(jìn)行守時，守時鐘組鐘*運(yùn)行性能表現(xiàn)的一臺被定主鐘（MC）。
2、GPS時間是怎樣建立的？
為了得到精密的GPS時間，使它的準(zhǔn)確度<100ns（相對于UTC（USNO/MC））：
◆ 每個GPS衛(wèi)星上都裝有銫子鐘作星載鐘；
◆ GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng)；
◆ 采用UTC（USNO/MC）為參考基準(zhǔn)。
3、GPS定位、定時和校頻的原理
?。?）、GPS定位原理：是基于測定GPS信號的傳輸時延（Δt），以得到GPS衛(wèi)星到用戶間的距離（R） R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C為光速）同時捕獲4顆GPS衛(wèi)星，解算4個聯(lián)立方程，可給出用戶實(shí)時時刻（t）和對應(yīng)的位置參數(shù)（x、y、z）共4個參數(shù)。R={（Xs- Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs為衛(wèi)星的位置參數(shù)；Xu、Yu、Zu為用戶的的位置參數(shù)）
（2）、GPS定時原理：
基于在用戶端測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延（Δt），以對本地鐘的定時與校準(zhǔn)。GPS定時準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：
◆ 信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷（位置）誤差；
◆ 信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；
◆ 接收端：接收機(jī)時延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
?。?）、GPS校頻原理：
根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系，可采用比時法（測時間間隔）的方法（以GPS的秒信號為參考）來測量本地鐘的頻率準(zhǔn)確度（Δf/f），以校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1）/（t2-t1） ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時刻測得的本地鐘與GPS時的時差值）。
4、進(jìn)一步提高定時準(zhǔn)確度的幾種途徑：
◆ 采用GPS雙頻、相位測量技術(shù)；
◆ 選用更高精度的GPS時間傳遞接收機(jī)；
◆ 采用GPS共視法比對技術(shù)與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)雙向法技術(shù)。
三、GPS時鐘/同步在時頻領(lǐng)域的應(yīng)用
1、時間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)與建立：
從二十世紀(jì)八十年代末，*（BIPM）的時間部，就開始正式采用標(biāo)準(zhǔn)化的GPS共視比對方法，把*幾十個守時中心的主鐘溝通起來，并建立了準(zhǔn)確度zui高的原子時（TAI）和協(xié)調(diào)世界時（UTC/BIPM）。我國有三個實(shí)驗(yàn)室參加了時間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，它們是：
◆ *陜西天文臺（CSAO）；
◆ 國家計(jì)量研究院（NIM）；
◆ 航天無線電計(jì)量測試研究所（BIRM）
2、新型時頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)的建立
（1）、傳統(tǒng)時頻計(jì)量傳遞的特點(diǎn)：
◆ 一般是按*計(jì)量單位、一級計(jì)量站、二級計(jì)量站和使用單位四級逐級傳遞；
◆ 受檢時頻標(biāo)準(zhǔn)源或儀器設(shè)備必須往返搬運(yùn)，檢定校準(zhǔn)后的狀態(tài)在搬運(yùn)中難免受到破壞；
◆ 傳統(tǒng)的時頻計(jì)量一般只能按檢定周期（一般為一年）進(jìn)行，難以進(jìn)行經(jīng)常性和實(shí)時的計(jì)量測試。
（2）、通過采用GPS共視法時間比對和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以建立不需搬運(yùn)的、實(shí)時的、*新型的時頻遙遠(yuǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)。
◆ 晶體鐘
◆ 銣原子鐘
◆ 氫原子鐘
◆ 銫原子鐘
（3）、常用的時間坐標(biāo)系：
時間的概念包含時刻（點(diǎn)）和時間間隔（段）。時系（時間坐標(biāo)系）是由時間起點(diǎn)和時間尺度單位--秒定義（又分地球秒與原子秒）所構(gòu)成。常用的時間坐標(biāo)系：
◆ 世界時（UT）
◆ 地方時
◆ 原子時（AT）
◆ 協(xié)調(diào)世界時（UTC）
◆ GPS時
（4）、定時、時間同步與守時：
◆ 定時：是指根據(jù)參考時間標(biāo)準(zhǔn)對本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過程）；授時（指采用適當(dāng)?shù)氖侄伟l(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時間的過程）；
◆ 時間同步：是指在母鐘與子鐘之間時間一致的過程，又稱時間統(tǒng)一或簡稱時統(tǒng)）；
◆ 守時：是指將本地鐘已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時間保持下去的過程，國內(nèi)外守時中心一般都采用由多臺銫原子鐘和氫原子鐘組成的守時鐘組來進(jìn)行守時，守時鐘組鐘*運(yùn)行性能表現(xiàn)的一臺被定主鐘（MC）。
2、GPS時間是怎樣建立的？
為了得到精密的GPS時間，使它的準(zhǔn)確度<100ns（相對于UTC（USNO/MC））：
◆ 每個GPS衛(wèi)星上都裝有銫子鐘作星載鐘；
◆ GPS全部衛(wèi)星與地面測控站構(gòu)成一個閉環(huán)的自動修正系統(tǒng)；
◆ 采用UTC（USNO/MC）為參考基準(zhǔn)。
3、GPS定位、定時和校頻的原理
?。?）、GPS定位原理：是基于測定GPS信號的傳輸時延（Δt），以得到GPS衛(wèi)星到用戶間的距離（R） R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C為光速）同時捕獲4顆GPS衛(wèi)星，解算4個聯(lián)立方程，可給出用戶實(shí)時時刻（t）和對應(yīng)的位置參數(shù)（x、y、z）共4個參數(shù)。R={（Xs- Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs為衛(wèi)星的位置參數(shù)；Xu、Yu、Zu為用戶的的位置參數(shù)）
（2）、GPS定時原理：
基于在用戶端測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延（Δt），以對本地鐘的定時與校準(zhǔn)。GPS定時準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：
◆ 信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷（位置）誤差；
◆ 信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；
◆ 接收端：接收機(jī)時延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。
?。?）、GPS校頻原理：
根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系，可采用比時法（測時間間隔）的方法（以GPS的秒信號為參考）來測量本地鐘的頻率準(zhǔn)確度（Δf/f），以校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1）/（t2-t1） ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時刻測得的本地鐘與GPS時的時差值）。
4、進(jìn)一步提高定時準(zhǔn)確度的幾種途徑：
◆ 采用GPS雙頻、相位測量技術(shù)；
◆ 選用更高精度的GPS時間傳遞接收機(jī)；
◆ 采用GPS共視法比對技術(shù)與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)雙向法技術(shù)。
三、GPS時鐘/同步在時頻領(lǐng)域的應(yīng)用
1、時間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)與建立：
從二十世紀(jì)八十年代末，*（BIPM）的時間部，就開始正式采用標(biāo)準(zhǔn)化的GPS共視比對方法，把*幾十個守時中心的主鐘溝通起來，并建立了準(zhǔn)確度zui高的原子時（TAI）和協(xié)調(diào)世界時（UTC/BIPM）。我國有三個實(shí)驗(yàn)室參加了時間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，它們是：
◆ *陜西天文臺（CSAO）；
◆ 國家計(jì)量研究院（NIM）；
◆ 航天無線電計(jì)量測試研究所（BIRM）
2、新型時頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)的建立
（1）、傳統(tǒng)時頻計(jì)量傳遞的特點(diǎn)：
◆ 一般是按*計(jì)量單位、一級計(jì)量站、二級計(jì)量站和使用單位四級逐級傳遞；
◆ 受檢時頻標(biāo)準(zhǔn)源或儀器設(shè)備必須往返搬運(yùn)，檢定校準(zhǔn)后的狀態(tài)在搬運(yùn)中難免受到破壞；
◆ 傳統(tǒng)的時頻計(jì)量一般只能按檢定周期（一般為一年）進(jìn)行，難以進(jìn)行經(jīng)常性和實(shí)時的計(jì)量測試。
（2）、通過采用GPS共視法時間比對和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以建立不需搬運(yùn)的、實(shí)時的、*新型的時頻遙遠(yuǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)。
文章來源：上海銳呈電氣有限公司/