隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們在不同領(lǐng)域?qū)r(shí)間的精度要求越來越高。GPS單向動態(tài)授時(shí)精度高， 所有授時(shí)由接收機(jī)自主完成，靈活方便，已在通信、 電力、交通、金融、石油勘探、地震監(jiān)測等多個(gè)方面獲 得了廣泛地應(yīng)用。在石油勘探中，GPS授時(shí)是節(jié)點(diǎn)儀器能夠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)⑴⑵。但在一些山 區(qū)、樹林等地區(qū)，由于接收到的GPS衛(wèi)星數(shù)量少，定 位和授時(shí)比較困難⑶。為了使相關(guān)讀者進(jìn)一步了解 授時(shí)相關(guān)原理、影響GPS授時(shí)裝置授時(shí)的因素以及GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度，特作本文闡述。

1 GPS授時(shí)裝置衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

  GPS授時(shí)裝置（Global Navigation Satellite System）是 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱，現(xiàn)有的GPS授時(shí)裝置導(dǎo)航系統(tǒng) 包括 GPS、GLONASS、BDS 二代（以下簡稱 BDS）、 Galileo, QZSS、SBAS 等，其中 GPS、GLONASS、 BDS,Galileo為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其他為區(qū)域增 強(qiáng)系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)共有32顆衛(wèi)星，GLONASS共 24顆衛(wèi)星。BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的

  衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2012年底具備區(qū)域?qū)Ш侥?力。截止2016年6月，BDS共發(fā)射23顆衛(wèi)星，除失 效和未開放衛(wèi)星外，能觀測到的衛(wèi)星有14顆。Gali- leo是歐空局的導(dǎo)航系統(tǒng)，截止2016年12月，共 發(fā)射18顆衛(wèi)星，在我國武漢可以接收到14顆衛(wèi)星。 以我國武漢JFNG站為例，圖1統(tǒng)計(jì)了 JFNG站2017 年4月24日24h觀測到的各系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量。表1統(tǒng) 計(jì)了 JFNG站接收到的各衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)量平均值。

2 GPS授時(shí)裝置授時(shí)原理

  GPS授時(shí)裝置授時(shí)包括單向授時(shí)和雙向授時(shí)兩種，雙 向授時(shí)為服務(wù)本文所述GPS授時(shí)裝置均為單向 授時(shí)，即由接收機(jī)自主計(jì)算完成授時(shí)，其原理如下：衛(wèi)星坐標(biāo)和衛(wèi)星鐘差可根據(jù)廣播星歷 計(jì)算得出（計(jì)算方法請參閱文獻(xiàn)［10］）,電離層延遲 可通過雙頻削弱至厘米級G〕，對流層延遲也可改正 精確至厘米級，地球自轉(zhuǎn)和相對論效應(yīng)可精確地根據(jù) 公式計(jì)算。如果接收點(diǎn)坐標(biāo)已知，未知數(shù)只有接收 機(jī)鐘差，只需一個(gè)衛(wèi)星即可計(jì)算出接收機(jī)鐘差；如果 接收機(jī)坐標(biāo)未知，則需至少4顆衛(wèi)星，然后釆用最小 二乘法計(jì)算出接收機(jī)坐標(biāo)和鐘差。接收機(jī)根據(jù)計(jì)算 出的接收機(jī)鐘差，修正其時(shí)間至精確的UTC時(shí)⑴， 并準(zhǔn)確地輸出1PPS脈沖信號，供用戶使用。

3 GPS授時(shí)裝置授時(shí)精度分析

  從上述授時(shí)原理可知，授時(shí)精度是衛(wèi)星的軌道 （即衛(wèi)星坐標(biāo)）、衛(wèi)星鐘差、偽距、電離層延遲、對流層 延遲等這些主要影響因素精度的綜合。分析GPS授時(shí)裝置授時(shí)精度，首先需要分析各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合因 素分別對時(shí)間精度的影響。

3.1 GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度受廣播星歷軌道精度影響

目前 GPS、BDS、GLONASS、Galileo 的衛(wèi)星軌 道精度見 GPS授時(shí)裝置各系統(tǒng)廣播星歷軌道精度

衛(wèi)星系統(tǒng) 廣播星歷軌道精度（m）

GPS 1.0

BDS 5.0

GLONASS 3.5

Galileo 5.0

以武漢JFNG站為例，以IGS提供的精密星歷 作為標(biāo)準(zhǔn)星歷（星歷內(nèi)插采用拉格朗日9階內(nèi)插）， 計(jì)算的廣播星歷衛(wèi)星位置與精密星歷衛(wèi)星位置差值 見表3。

表3實(shí)例計(jì)算GPS授時(shí)裝置各系統(tǒng)廣播星歷軌道精度

衛(wèi)星系統(tǒng) X(m) Y(m) Z(m) 徑向（m） 徑向距離化 為時(shí)間（ns）

GPS 0.932 0.846 1.067 0.864 2.882

BDS 8.875 3.849 1.682 0.946 3.156

GLONASS 1.892 2.182 2.293 1.974 6.585

Galileo 2.383 2.948 5.078 0.694 2.315

表3中，x、y、z是廣播星歷減去精密星歷后求 值的平均值。衛(wèi)星軌道徑向精度是影響測距精 度的主要原因，也是影響授時(shí)精度的主要

3.2 GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度受廣播星歷和衛(wèi)星鐘差精度影響

利用原子不受壓力和溫度影響的固定頻率振蕩 的原理制成的原子鐘具有很高的精度E ,如石英鐘、 釧原子鐘、飽原子鐘、氫原子鐘等。不同原子鐘精度 見表4。

表4不同原子鐘精度

導(dǎo)航衛(wèi)星一般搭載的是高精度的錨原子鐘和氫 原子鐘，非常穩(wěn)定。GPS授時(shí)裝置授時(shí)接收的是廣播星歷, 通過廣播星歷提供的GPS衛(wèi)星鐘差精度在5ns左 右⑹。表5列出了武漢JFNG站廣播星歷計(jì)算的鐘 差與IGS提供的精密鐘差之間的差值統(tǒng)計(jì)。IGS的 SP3提供的精密鐘差精度可達(dá)0.1ns⑻，其誤差可忽 略不計(jì)。

表5實(shí)例計(jì)算GPS授時(shí)裝置各系統(tǒng)衛(wèi)星鐘差精度（ns）

從表5可以看出，GPS衛(wèi)星鐘差最小，達(dá)到 0.542ns,不超過4ns；Galileo次之，衛(wèi)星鐘 差也不超過4ns；GLONASS不超過16ns；BDS 廣播星歷預(yù)報(bào)的衛(wèi)星鐘差較大，達(dá)到30ns,最小不 超過20ns,接近40ns。北斗衛(wèi)星鐘差與IGS提 供的精密鐘差之間存在系統(tǒng)偏差，導(dǎo)致計(jì)算的北斗 衛(wèi)星鐘差偏大。

3.3電離層、對流層等對GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度影響

電離層與對流層影響與衛(wèi)星高度角有關(guān)，對流 層影響在高度角10度以上可達(dá)到20多米3】，電離 層在高度角10度以上可超過50米。對于雙頻接收 機(jī)，可釆用雙頻消電離層組合消除電離層影響，消除 后的電離層參差僅為厘米級；對流層可采用模型精 確改正至厘米級；地球自傳改正后的殘差也僅為厘 米級山；相對論效應(yīng)可通過公式改正至忽略不計(jì)。 故通過雙頻消電離層、改正對流層、地球自傳、相對 論效應(yīng)后的的距離殘差應(yīng)為0.1m左右，換算至?xí)r 間約為0.333ns,可忽略不計(jì)。對于單頻接收機(jī)，由 于不能消除電離層，通過模型改正可以改正到 60%。如果以電離層延遲40m算，改正后的電離層 殘差為16m,化歸至?xí)r間則為53.370ns。對于亞微 秒級別授時(shí)精度的用戶可采用單頻GPS授時(shí)裝置接收機(jī)。

3.4GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度受偽距精度影響

由式（1）可知，影響授時(shí)精度的還有偽距F。偽 距是通過C/A碼或P碼產(chǎn)生，以GPS為例，C/A碼 元寬度對應(yīng)的距離為293.052m,倘若接收機(jī)測距精 度為一個(gè)碼元的1/100,則測距精度為2.930m,P碼 的精度可達(dá)0.290m^M_o在實(shí)際測量中，偽距會受到 噪聲的影響。

  結(jié)論

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：， GPS授時(shí)的前提首先是定位，只有準(zhǔn)確地知道接 收機(jī)的坐標(biāo)，才能完成授時(shí)。第二，對于雙頻GNSS 接收機(jī)，GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度主要受衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、偽距 測量精度的影響。如果采用BDS的GNSS授時(shí)，精 度為30ns左右；如果僅釆用GPS授時(shí)，則精度小于 5ns；Galileo授時(shí)精度與GPS相當(dāng)，截止2017年5 月，在我國可視衛(wèi)星只有4顆，僅能滿足最少授時(shí)的 衛(wèi)星數(shù)。第三，如果采用GNSS單頻接收機(jī)，則GPS授時(shí)裝置的授時(shí)精度還全在原來的基礎(chǔ)上降低50ns左右。第四， 對于山溝、有遮擋的一些地方，由于單系統(tǒng)授時(shí)可見衛(wèi)星少，不能計(jì)算接收機(jī)坐標(biāo)，可采用GNSS多系統(tǒng)授時(shí)，增加可視衛(wèi)星數(shù)量，以加快授時(shí)速度。

 目前已經(jīng)發(fā)展到2020年了，我們自己的北斗衛(wèi)星三代系統(tǒng)已經(jīng)建成，北斗授時(shí)精度和GPS授時(shí)精度相當(dāng)，在很多國家重要行業(yè)都開始選擇用自己的北斗衛(wèi)星授時(shí)或者是GPS北斗雙模授時(shí)方案，這樣不僅保證了授時(shí)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，還保證了在特殊時(shí)期，衛(wèi)星授時(shí)不被別人停用干擾。