1 可供選擇的時間、頻率基準源

將系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種設(shè)備或計算機的時間信息（年月日分秒）統(tǒng)一于一個標準時間，或使它們的時間信息與一個基準時間的偏差限定在一個足夠小的范圍內(nèi)，這樣的技術(shù)叫時間同步。很多行業(yè)領(lǐng)域如金融、廣播電視、交通等的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都極需要在大范圍內(nèi)保持系統(tǒng)內(nèi)的計算機和設(shè)備的時間同步和時間準確才能有效地工作。

廣播系統(tǒng)中電視或廣播等同步廣播網(wǎng)工作時，都需要有一個高穩(wěn)定的基準頻率來鎖定廣播網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)射機的工作頻率，這個基準頻率是實現(xiàn)同步廣播的基礎(chǔ)，其好壞關(guān)系到整個同步廣播網(wǎng)的工作質(zhì)量。

當前廣電系統(tǒng)正向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，一方面從節(jié)目制作、播出到辦公正逐步完成網(wǎng)絡(luò)化；另一方面有線電視網(wǎng)絡(luò)正進行傳輸速度快的SDH網(wǎng)絡(luò)改造，并實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)連網(wǎng)、網(wǎng)際互連；開路的無線同步廣播、電視/FM同步廣播在向數(shù)字化轉(zhuǎn)化。在這一過程中，標準時間和標準頻率基準源的選擇就顯得尤為重要。

隨著科技和時代的發(fā)展，現(xiàn)代社會對時間、頻率的標準化、準確性方面的要求越來越高，標準時間、標準頻率的發(fā)布和利用在當今社會有著舉足輕重的地位，衡量著一個國家的科技發(fā)展。目前在我國，已逐步形成了一套完備的標準時間、標準頻率發(fā)布體系，當前廣播系統(tǒng)可資選擇利用的基準時間、基準頻率源主要有：

　?。?）BPL-—長波授時系統(tǒng)（LORAN或長河二號系統(tǒng)）；

　　（2）BPM-—短波授時系統(tǒng)；

　　（3）超短波-—CCTV電視信號場逆程播發(fā)的標準時間、標準頻率；

　?。?）衛(wèi)星定位（授時）系統(tǒng)；

　?。?）網(wǎng)絡(luò)IRIG-B時碼及授時系統(tǒng)（ACTS）。

當今世界上，正被廣泛使用的幾個的衛(wèi)星定位系統(tǒng)都采用多軌多星技術(shù)，有效地解決了不同接收點因信號傳輸距離不同對基準時間、基準頻率形成的誤差。其原理如圖1所示。

若甲、乙兩臺同時接收一顆衛(wèi)星（假設(shè)為A星）的基準信號，因甲、乙兩臺距A星接收信號路徑的不同，有AO < AO’，使衛(wèi)星信號到達甲臺的時間t1小于到達乙臺的時間t2，兩者的時間差：t2-t1=Δt使甲、乙兩臺所接收到的基準時間出現(xiàn)誤差、基準頻率間出現(xiàn)相位差ΔΦ，這些誤差將給兩臺的時間或頻率同步帶來問題。若甲、乙兩臺同時接收A和B兩顆衛(wèi)星的基準信號情況就不一樣了，雖然甲臺比乙臺距A星近，有AO < AO’；但甲臺比乙臺距B星遠，又有BO > BO’。若每個臺將所收到各星的信號相互均衡，將會使兩個臺收到的基準信

號趨向一致。也就是說系統(tǒng)內(nèi)各點能接收到的衛(wèi)星信號越多，各個點接收到的基準信號的時間、相位就越一致，同步也就準確。

世界上zui廣泛使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)——GPS系統(tǒng)，在地球視角為1800的任一接收點任一時間都可以接收到至少8顆以上衛(wèi)星的信號；在山腳下或高大建筑物旁、視角為900惡劣接收點至少可以接收到4顆以上衛(wèi)星的信號，這樣就能夠有效地解決因接收路徑不同而產(chǎn)生的時間、頻率誤差。同時又由于衛(wèi)星信號接收方便、受干擾少，不受地形地貌和地理位置的限制（只要接收當面上空不受遮擋即行）等優(yōu)點，因此現(xiàn)在各行各業(yè)絕大多數(shù)系統(tǒng)都采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)射的授時信號和標頻信號作為標準時間和標準頻率的基準源。

2 世界上主要衛(wèi)星定位系統(tǒng)

2.1定位系統(tǒng)（GPS）/由美國于1994年全部建成投入使用，空間系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆衛(wèi)星均勻分布于6個軌道面工作、3顆在軌備用，地面高度20000km、軌道傾角55°、軌道偏心率約為0，運行周期約12h，這種布局對中低緯度的用戶較有利（我國屬此類地區(qū)），它能確保在地球上任一地點任一時刻都能夠收到至少4顆以上的衛(wèi)星信號。定位、導(dǎo)航、星歷時間等信息分別由1575.75 MHz和1227.6MHz兩個載波頻率向地面播發(fā)，載波頻率由裝備在每顆衛(wèi)星上精度很高的兩個釹原子鐘和兩個銫原子鐘產(chǎn)生，采用CDMA區(qū)分各星的信號；能在范圍內(nèi)向任意多的用戶提供高精度、連續(xù)、實時的三維測速、三維定位及授時服務(wù)，現(xiàn)已發(fā)展成為目前世界上應(yīng)用范圍zui廣的主流衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.2導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）

由前蘇聯(lián)為了與美國GPS系統(tǒng)競爭而組建的，1996年整體建成。其空間系統(tǒng)也由24顆衛(wèi)星組成，其中在軌備用衛(wèi)星3顆，工作衛(wèi)星21顆、均勻分布于3個軌道面、每個軌道等距分布8顆衛(wèi)星,軌道面互成12 0°夾角，軌道高度19100 km、軌道傾角64.8°、軌道偏心率約為0.01，運行周期11h15min，這種布局較適合高緯度的用戶。其設(shè)計也要求保證在地球上任一地點任一時刻都至少收到4顆以上衛(wèi)星信號，但實際因工作壽命到期的衛(wèi)星更換等諸多原因已無法全部實現(xiàn)。和GPS所有衛(wèi)星都采用同一載波頻率不同，GLONASS播發(fā)兩個載波頻段：F1 =1602＋0.5625N（MHz）; F1 =1246＋0.4375N（MHz）;N=1～24為每顆衛(wèi)星編號，各星的載波頻率各不一樣，用FDMA區(qū)分各星的信號。

2.3 北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)/

我國自行建立、完善的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。于2000年發(fā)射*顆衛(wèi)星開始運行，迄今有3顆在軌衛(wèi)星組成一完整的導(dǎo)航定位系統(tǒng)全天候、全天時地提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r服務(wù)。衛(wèi)星位于36000 km高的地球同步軌道，具有簡短的數(shù)字報文通信功能。北斗一號服務(wù)范圍只限于中國及周邊地區(qū)，因而采用了一種用星少、經(jīng)濟*的定位方式。GPS和GOLNASS都是定位，都屬三維單向系統(tǒng)，地面用戶要求接收4個衛(wèi)星的位置信息，自行解算出其三維座標。北斗一號本身是兩維系統(tǒng)，地面用戶應(yīng)同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)出定位信號，兩星都轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心，由地面控制中心據(jù)此解算出其座標位置，再經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回用戶，也就是說系統(tǒng)具備一定的雙向通信功能。

2.4 伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

是由歐盟正在研發(fā)構(gòu)建的、具有zui高精度和技術(shù)水準的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。“伽利略計劃”1999年提出，后因美國多方阻饒反對，直至2003年方才正式啟動，計劃2008年整個系統(tǒng)全部建成正式運營。我國在2003年受邀簽約加盟了“伽利略計劃”，現(xiàn)該計劃已經(jīng)在華實施。

伽利略空間系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中工作衛(wèi)星27顆、冗余備份3顆，衛(wèi)星定位于3個圓形中軌道平面，高度15000英里、軌道傾角56°。伽利略系統(tǒng)建成后，將比現(xiàn)行的GPS系統(tǒng)有更大的*性，不僅的覆蓋面更全面，并且定位精度要比GPS提高10倍以上。

根據(jù)歐盟與美、俄有關(guān)方面的協(xié)議，伽利略系統(tǒng)要與GPS和GLONASS系統(tǒng)相兼容，屆時GPS和GLONASS的設(shè)備可以平移過來接收伽利略信號，用戶投資得以保護。伽利略系統(tǒng)還有一個*之處是，它不像GPS和GLONASS系統(tǒng)那樣由一國的*門掌控，將是由跨國民用組織控制管理，政治方面的使用風(fēng)險小。

3 GPS和GLONASS幾種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的比較

3.1 GPS系統(tǒng)的優(yōu)缺點

GPS是世界上zui早建成的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，因吸取了Internet的經(jīng)驗，一開始即采取軍民兩用政策，注重民用市場開發(fā)，多年下來得到幾乎所有服務(wù)公司和器件生產(chǎn)廠商的支持和追捧，各類和各種

窗體頂端

窗體底端

性價比高的芯片，應(yīng)用軟件、硬件隨處可得；加之多年來系統(tǒng)維護得不錯，一直能保持運行穩(wěn)定可靠；再加上其技術(shù)指標，很多地方獨此一家等天時地利的條件，因此囊括了90%以上的市場，其在衛(wèi)星定位領(lǐng)域的地位如同In的芯片在CPU領(lǐng)域、微軟的Windows 窗體頂端

窗體底端操作系統(tǒng)在家用電腦領(lǐng)域一樣，幾乎不可撼動，GPS一詞儼然成了整個衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的代稱。

對GPS系統(tǒng)zui大的詬病是美國政府采取對自家軍用優(yōu)先的做法。GPS播發(fā)兩種獨立信號：C/A碼和P碼。P碼用于精密服務(wù)，可實現(xiàn)納秒級的時間同步，僅給軍方或*的用戶使用；C/A碼用于普通服務(wù)，實現(xiàn)的是微秒級的時間同步，供一般用戶使用。更有甚者，美國為降低C/A碼的應(yīng)用精度，又在衛(wèi)星中添加了SA措施，SA（Selection Adaptive）選擇適用性措施，人為降低C/A碼的定位、定時精度。不過，zui近在人們的強烈反對下，GLONASS、北斗等系統(tǒng)奮起直追，印度、日本加速發(fā)展自己本國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，特別是在伽利略計劃出現(xiàn)的巨大壓力下，美國已被迫放松和允諾取消SA措施。

3.2 GLONASS系統(tǒng)的情況

前蘇聯(lián)組建GLONASS系統(tǒng)時是純?yōu)檐娪迷O(shè)計的，后來俄羅斯改取軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS衛(wèi)星同時播發(fā)S碼和P碼，P碼為精碼、用于俄軍方和科研用的高精度定位；S碼是粗碼、用于向民用提供標準定位，不采取任何人為降低定位精度的措施。

蘇聯(lián)解體出現(xiàn)的經(jīng)濟困難造成GLONASS發(fā)展的倒退，使用壽命到期衛(wèi)星（平均設(shè)計壽命僅3～5年，本來就比GPS短）未及時補發(fā)，設(shè)備無法更新，維護不善，技術(shù)指標下滑，前幾年能正常使用的在軌衛(wèi)星只剩下9～10顆，不能獨立組網(wǎng)。近年隨著俄羅斯經(jīng)濟的復(fù)蘇，俄決定振興GLONASS系統(tǒng)，用4年時間將其更新，向*推廣，到2006年整個系統(tǒng)已恢復(fù)到 17顆衛(wèi)星運行。但這一轉(zhuǎn)變可能為時已晚，制約其發(fā)展的主要因素有：（1）投入運行相對晚，沒有廣泛優(yōu)良的技術(shù)服務(wù)做后盾（現(xiàn)在網(wǎng)上連有關(guān)中文技術(shù)資料都查不到），相關(guān)產(chǎn)品和器件品種少、缺乏 窗體頂端

窗體底端競爭力，很難有后續(xù)廠商再愿意投入較大的資金和技術(shù)力量來開發(fā)相應(yīng)軟硬件為其作；（2）認知度差，由于GLONASS系統(tǒng)發(fā)展一波三折，加上系統(tǒng)運行記錄表明其穩(wěn)定性、可靠性不盡人意，市場對其缺乏信心；（3）在現(xiàn)有GPS占有優(yōu)勢地位，兩年后又有伽利略系統(tǒng)同時投入運行，中印日致力發(fā)展本國系統(tǒng)的局面下，GLONASS系統(tǒng)發(fā)展的空間很有限。鑒于以上情況，該系統(tǒng)發(fā)展的前景不容樂觀，GLONASS系統(tǒng)除了在原蘇聯(lián)范圍內(nèi)的一些國家還有市場，或作為GPS系統(tǒng)的替補備份外，可能難以有大的作為。

3.3 幾種授時系統(tǒng)時鐘精度的比較

對已經(jīng)服務(wù)使用了一段時間的幾種主要授時系統(tǒng)，我們只考慮其時鐘或標頻的準確性，不關(guān)心其定位、導(dǎo)航等其它參量的精度，現(xiàn)將它們的同步時鐘精度比較如下。

　　表1 幾種主要授時系統(tǒng)同步時鐘精度比較

　　系統(tǒng) 同步時鐘誤差 使用特點

　　LORAN（BPL） 1～3 μs 接收天線尺寸大

　　OMEGS 2 ms 誤差大

　　GOES 0.1～0.3 ms 不穩(wěn)定

　　GPS 1 μs 接收容易、穩(wěn)定性好

　　GLONASS 10 μs 不夠

4 關(guān)于雙系統(tǒng)工作的問題

標準時間和頻率基準源的穩(wěn)定性或不間斷性是人們需要考慮的一個重要方面，像廣播系統(tǒng)這樣非常強調(diào)停播率的應(yīng)用尤其如此。由于衛(wèi)星信號要通過電離層傳輸，受電離層復(fù)雜多變的影響，信號傳輸質(zhì)量將受到影響甚至可能中斷。為此有人提出了雙系統(tǒng)工作方案，即同時采用兩個衛(wèi)星授時系統(tǒng)作為時間和頻率的基準源工作，市場也推出了一些雙系統(tǒng)OEM板，zui流行的是GPS＋GLONASS雙系統(tǒng)。我單位以前推出的同步廣播激勵器也采取過這種雙系統(tǒng)兼容激勵工作方式，但是我們的實踐證明，雙系統(tǒng)工作方案在廣播系統(tǒng)網(wǎng)現(xiàn)今的工作模式中并無太大的實用價值，試分析如下。

4.1 雙系統(tǒng)工作的實際意義

若對單GPS系統(tǒng)，地平線以上可視的衛(wèi)星數(shù)一般為8～11顆，在山腳下或高大建筑物旁、可視度只有900收視角的惡劣環(huán)境下能確保在任一時刻都能夠收到至少4顆以上的衛(wèi)星信號。若對GPS＋GLONASS雙系統(tǒng)，則地平線以上可視衛(wèi)星數(shù)可以14～20顆，但在小于900收視角的情況下可視衛(wèi)星數(shù)只可適當增加1～2顆。

可視衛(wèi)星數(shù)增加的主要好處是：（1）可以提高觀測結(jié)果的可靠性和精度。前面我們提到過衛(wèi)星系統(tǒng)測量定位的可靠性主要取決于定位計算的衛(wèi)星顆數(shù)，衛(wèi)星顆數(shù)多當然可靠性和精度增大；（2）減少了衛(wèi)星信號劣化和中斷的概率。傳輸不好的衛(wèi)星信號可能由另一個系統(tǒng)其它軌位的衛(wèi)星信號彌補；在定位導(dǎo)航時，特別當移動目標進入障礙物遮擋部分衛(wèi)星視線的區(qū)域時，單系統(tǒng)有時無法工作；（3）提率。GPS測量所需的時間取決于求解載波相位整周模糊度所需的時間；快速定位、實時動態(tài)測量或后處理動態(tài)測量時，可觀測到的衛(wèi)星增加的越多，求解載波相位整周模糊度所需的時間就縮短的越多。由此可見，雙系統(tǒng)工作方案主要在可視度大于900收視角的良好接收環(huán)境下，對那些不允許信號瞬間丟失、快速移動目標的定位導(dǎo)航、精密無線電測量等應(yīng)用場合有較大的實用價值。

4.2 單GPS系統(tǒng)足以滿足現(xiàn)今廣播系統(tǒng)同步工作模式的要求

在現(xiàn)今廣播系統(tǒng)中，不管是有線網(wǎng)絡(luò)還是無線同步廣播網(wǎng)，其工作模式一般是標準頻率或標準時間的利用點固定，一般不移動；在要求同步的各點接收到衛(wèi)星信號時，將調(diào)制在載波上的信息去掉恢復(fù)出載波，經(jīng)分頻處理或DDS得到所要求的10MHz或所希望的其它標頻作為鎖定其時間或頻率的基準。也就是說現(xiàn)時同步模式只要求利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)zui簡單的功能——接收到足以消除各點時間相位差的幾個衛(wèi)星信號即可（甚至可以少于GPS定位精度要求的4顆衛(wèi)星信號）。GPS的衛(wèi)星載頻是由高穩(wěn)原子鐘所產(chǎn)生，各衛(wèi)星采用一樣的載頻且相互同步，利用其作為同步廣播網(wǎng)的基準源是很理想的。

由于現(xiàn)行廣播網(wǎng)的同步系統(tǒng)末利用衛(wèi)星系統(tǒng)上的定位導(dǎo)航等信息，連衛(wèi)星上的授時信號大多數(shù)情況下也未利用，（目前網(wǎng)絡(luò)時間同步是用從GPS得到的標頻或PPS脈沖來鎖定或校正各同步點本身的時鐘形成電路來實現(xiàn)統(tǒng)一的時間精度），所以無須關(guān)心其解調(diào)和其它處理過程，對衛(wèi)星信號接收的要求相對不高。從實際工作中看，在可視度良好的固定接收點因GPS信號中斷或劣化至不能利用的情況極少發(fā)生，雙系統(tǒng)中只需一個系統(tǒng)工作，另一個系統(tǒng)的絕大部分時間不工作，基本成為擺設(shè)。

4.3 雙系統(tǒng)工作時出現(xiàn)的同步切換問題不好解決

雙系統(tǒng)工作的另一個大問題是同步切換的問題。同步網(wǎng)工作不像單個目標的定位導(dǎo)航，系統(tǒng)內(nèi)有很多個臺站或服務(wù)器異地同時工作，各點相距少則幾百米、多則幾百公里，信號接收環(huán)境相差很大，不少時候是甲點GPS信號好、乙點GLONASS信號強，不可避免地會出現(xiàn)甲點切換于GPS系統(tǒng)、乙點切換于GLONASS系統(tǒng)工作。若甲乙兩點切換于不同的系統(tǒng)工作，雖然可以將不同系統(tǒng)產(chǎn)生的標頻頻率統(tǒng)一起來，但因GPS和GLONASS兩系統(tǒng)原本衛(wèi)星載頻不一樣，形成的標頻初始相位不同，加上兩者穩(wěn)定性指標也不同，將使兩點的標頻間形成一周期循環(huán)的相位差，這是消除不掉的，將使廣播網(wǎng)處于非精密同步的失鎖狀態(tài)。

為解決GPS信號可能中斷的問題，我們設(shè)想可以在同步點設(shè)置一取樣保持電路來解決。取樣保持電路把GPS正常工作一日或多日時的平均值取樣保存下來，在GPS信號瞬間中斷的時候取出以維持PLL正常工作。

5 建議

綜上所述，試提出以下建議。

（1）強烈建議國家有關(guān)部門開展相關(guān)標準時間和標準頻率方面的研究，及早拿出相關(guān)行業(yè)指導(dǎo)性意見，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的標準和法律法規(guī)，改變目前在標準時間和標準頻率的選擇、使用方面各行其是、各自為政的無序狀態(tài)，以免將來在這方面產(chǎn)生混亂、造成不必要的損失；

（2）考慮到衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展變化，廣播同步網(wǎng)的激勵系統(tǒng)宜采取積木式結(jié)構(gòu)，將基準源部分和性能功能部分分成兩個相互獨立的單元，改變、升級靈活。任何一部分的改變都不會相互影響；

（3）雙系統(tǒng)工作方案對目前廣播同步網(wǎng)而言實際上是一個價格昂貴而實際效果有限的解決方案；

（4）當前，廣播系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的標準時間和標準頻率基準源以采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)射的信號為宜。在北斗系統(tǒng)成熟和伽利略系統(tǒng)開通前的這一段時間內(nèi)，若不強調(diào)政治使用風(fēng)險，從技術(shù)指標、經(jīng)濟成本、運行、維護等諸方面因素考慮，衛(wèi)星定位系統(tǒng)選GPS系統(tǒng)應(yīng)是*選擇。

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