GPS/北斗衛(wèi)星授時(shí)服務(wù)器在時(shí)頻領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展

安徽京準(zhǔn)電子科技開發(fā)設(shè)計(jì)的GPS北斗授時(shí)服務(wù)器是一款高科技產(chǎn)品。

一、GPS信息與信息時(shí)代

信息時(shí)代的特點(diǎn)：一是信息量急劇增加（如需海量存儲(chǔ)器）；二是信息傳輸?shù)臄?shù)字化（如數(shù)字通信的發(fā)展）；三是信息享用的化（如互聯(lián)網(wǎng)的普及）；四是信息技術(shù)應(yīng)用的集成化（如ITS---智能交通系統(tǒng)）。

信息的主要來源:

除互聯(lián)網(wǎng)、電視網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)外，還有很重要的衛(wèi)星信息源（如導(dǎo)航衛(wèi)星能給出重要的位置和時(shí)間信息；遙感衛(wèi)星能給出各類地球表面的遙感數(shù)據(jù)）。

GPS信息的特點(diǎn)：

（1）覆蓋、全天侯、晝夜全連續(xù)地工作；（2）單向廣播體制，GPS接收機(jī)不發(fā)射信號(hào)，電磁兼容性能好，可有無限多的用戶。但無通信功能；（3）可實(shí)時(shí)地為地面、海上和高空的各種動(dòng)態(tài)和靜態(tài)用戶提供高精度的七維信息（三維位置、三維速度、和精密時(shí)間）。

GPS信息的應(yīng)用領(lǐng)域:

大致可分為三類：（1）動(dòng)態(tài)的導(dǎo)航定位，包括陸上各類車輛、水上各種艦船以及空中各類飛機(jī)和飛行器的導(dǎo)航定位；（2）靜態(tài)的測繪定位，廣泛用於地圖的測繪、礦藏的勘探、鐵路、公路、隧道的建設(shè)等；（3）精密的定時(shí)和時(shí)間同步，在時(shí)間協(xié)調(diào)、時(shí)頻計(jì)量傳遞、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域十分有用。

二、GPS時(shí)間同步的原理與技術(shù)

1、有關(guān)時(shí)間的一些基本概念：

（1）、時(shí)間（周期）與頻率：

互為倒數(shù)關(guān)系，兩者密不可分，時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間坐標(biāo)系：

時(shí)間的概念包含時(shí)刻（點(diǎn)）和時(shí)間間隔（段）。時(shí)系（時(shí)間坐標(biāo)系）是由時(shí)間起點(diǎn)和時(shí)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(shí)間坐標(biāo)系：

◆ 世界時(shí)（UT）

◆ 地方時(shí)

◆ 原子時(shí)（AT）

◆ 協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）

◆ GPS時(shí)

（4）、定時(shí)、時(shí)間同步與守時(shí)：

◆ 定時(shí)：是指根據(jù)參考時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過程）；授時(shí)（指采用適當(dāng)?shù)氖侄伟l(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的過程）；

◆ 時(shí)間同步：是指在母鐘與子鐘之間時(shí)間一致的過程，又稱時(shí)間統(tǒng)一或簡稱時(shí)統(tǒng)）；

◆ 守時(shí)：是指將本地鐘已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持下去的過程，國內(nèi)外守時(shí)中心一般都采用由多臺(tái)銫原子鐘和氫原子鐘組成的守時(shí)鐘組來進(jìn)行守時(shí)，守時(shí)鐘組鐘長期運(yùn)行性能表現(xiàn)hao的一臺(tái)被定主鐘（MC）。

2、GPS時(shí)間是怎樣建立的？

為了得到精密的GPS時(shí)間，使它的準(zhǔn)確度達(dá)到<100ns（相對于UTC（USNO/MC））：

◆ 每個(gè)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(gè)閉環(huán)的自動(dòng)修正系統(tǒng)；

◆ 采用UTC（USNO/MC）為參考基準(zhǔn)。

3、GPS定位、定時(shí)和校頻的原理

（1）、GPS定位原理：是基于精確測定GPS信號(hào)的傳輸時(shí)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(shí)捕獲4顆GPS衛(wèi)星，解算4個(gè)聯(lián)立方程，可給出用戶實(shí)時(shí)時(shí)刻（t）和對應(yīng)的位置參數(shù)（x、y、z）共4個(gè)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(shí)原理：

基于在用戶端精確測定和扣除GPS時(shí)間信號(hào)的傳輸時(shí)延（Δt），以達(dá)到對本地鐘的定時(shí)與校準(zhǔn)。GPS定時(shí)準(zhǔn)確度取決于信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：

◆ 信號(hào)發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷（位置）誤差；

◆ 信號(hào)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(shí)延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。

（3）、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(shí)法（測時(shí)間間隔）的方法（以GPS的秒信號(hào)為參考）來測量本地鐘的頻率準(zhǔn)確度（Δf/f），以達(dá)到校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時(shí)刻測得的本地鐘與GPS時(shí)的時(shí)差值）。

4、進(jìn)一步提高定時(shí)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(shí)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在時(shí)頻領(lǐng)域的應(yīng)用

1、時(shí)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(shí)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(gè)守時(shí)中心的主鐘溝通起來，并建立了準(zhǔn)確度gao的原子時(shí)（TAI）和協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC/BIPM）。我國有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，它們是：

◆ *陜西天文臺(tái)（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(shí)頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)的建立

（1）、傳統(tǒng)時(shí)頻計(jì)量傳遞的特點(diǎn)：

◆ 一般是按國嘉級(jí)計(jì)量單位、一級(jí)計(jì)量站、二級(jí)計(jì)量站和使用單位四級(jí)逐級(jí)傳遞；

◆ 受檢時(shí)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(shí)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(shí)的計(jì)量測試。

（2）、通過采用GPS共視法時(shí)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(shí)的、*新型的時(shí)頻遙遠(yuǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

3、GPS時(shí)間同步技術(shù)在電信、電力和鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用：

◆ 我國的通信網(wǎng)已基本上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，為了保證整個(gè)電信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行、提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能，通信網(wǎng)必須采用高精度的時(shí)間同步技術(shù)。目前，我國的通信網(wǎng)采用的是4級(jí)時(shí)鐘（銫原子鐘、銣原子鐘、高穩(wěn)晶體鐘和普通晶體鐘）分級(jí)時(shí)間同步的方法。隨著電信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)時(shí)間同步精度的要求越來越高。這種分級(jí)時(shí)間同步的方法已不能滿足要求。因此，我國的通信網(wǎng)迫切需要采用GPS時(shí)間同步技術(shù)。GPS時(shí)間同步技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：精度高、可靠性好、成本較低。

◆ GPS時(shí)間同步技術(shù)在電力供電系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)也有廣闊的應(yīng)用前景。

四、結(jié)語:

從以上的論述可以看出：GPS衛(wèi)星信號(hào)是一種十分重要的*可共享的信息源，GPS信息可以提供精確的定位、定時(shí)和校頻，GPS時(shí)間同步技術(shù)在時(shí)間頻率的協(xié)調(diào)、新型時(shí)頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)建立、數(shù)字通信系統(tǒng)、電力和供電系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)以及許多其他領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。