京準(zhǔn)：解讀北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

京準(zhǔn)：解讀北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用

一、GPS北斗信息與信息時(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）；三是信息享用的全球化（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)星能給出最重要的位置和時(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北斗信息的特點(diǎn)：

（1）全球覆蓋、全天候、晝夜全連續(xù)地工作；（2）單向廣播體制，GPS北斗接收機(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北斗信息的應(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(cè)繪定位，廣泛用於地圖的測(cè)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，在國際時(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北斗時(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(jiǎn)稱鐘）：

①晶體鐘

②銣原子鐘

③氫原子鐘

④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：

① 世界時(shí)（UT）

②地方時(shí)

③原子時(shí)（AT）

④協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）

⑤GPS北斗時(shí)

（4）、定時(shí)、時(shí)間同步與守時(shí)：

①定時(shí)：是指根據(jù)參考時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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）；

②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(jiǎn)稱時(shí)統(tǒng)）；

③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)最好的一臺(tái)被定主鐘（MC）。

2、GPS北斗時(shí)間是怎樣建立的？

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

①每顆GPS北斗衛(wèi)星上都裝有銫子鐘作星載鐘；

②GPS北斗全部衛(wèi)星與地面測(cè)控站構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)修正系統(tǒng)；

③采用UTC（USNO/MC）為參考基準(zhǔn)。

3、GPS北斗定位、定時(shí)和校頻的原理

（1）、GPS北斗定位原理：是基于精確測(cè)定GPS北斗信號(hào)的傳輸時(shí)延（Δt），以得到GPS北斗衛(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北斗衛(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(duì)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北斗定時(shí)原理：

基于在用戶端精確測(cè)定和扣除GPS北斗時(shí)間信號(hào)的傳輸時(shí)延（Δt），以達(dá)到對(duì)本地鐘的定時(shí)與校準(zhǔn)。GPS北斗定時(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：

①信號(hào)發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷（位置）誤差；

②信號(hào)傳輸過程：電離層誤差、對(duì)流層誤差、地面反射多路徑誤差；

③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北斗校頻原理：

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(cè)時(shí)間間隔）的方法（以GPS北斗的秒信號(hào)為參考）來測(cè)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(cè)得的本地鐘與GPS北斗時(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：

①采用GPS北斗雙頻、相位測(cè)量技術(shù)；

②選用更高精度的GPS北斗時(shí)間傳遞接收機(jī)；

③采用GPS北斗共視法比對(duì)技術(shù)與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)雙向法技術(shù)。

三、GPS北斗在時(shí)頻領(lǐng)域的應(yīng)用

1、國際時(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，國際計(jì)量局（BIPM）的時(shí)間部，就開始正式采用標(biāo)準(zhǔn)化的GPS北斗共視比對(duì)方法，把全世界幾十個(gè)守時(shí)中心的主鐘溝通起來，并建立了準(zhǔn)確度最高的國際原子時(shí)（TAI）和國際協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC/BIPM）。我國有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加了國際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，它們是：

①中國科學(xué)院陜西天文臺(tái)（CSAO）；

②國家計(jì)量研究院（NIM）；

③航天無線電計(jì)量測(cè)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)：

①一般是按國家級(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；

②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；

③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(cè)試。

（2）、通過采用GPS北斗共視法時(shí)間比對(duì)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以建立不需搬運(yùn)的、實(shí)時(shí)的、完全新型的時(shí)頻遙遠(yuǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

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

①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北斗時(shí)間同步技術(shù)。GPS北斗時(shí)間同步技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：精度高、可靠性好、成本較低。

②GPS北斗時(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北斗衛(wèi)星信號(hào)是一種十分重要的全世界可共享的信息源，GPS北斗信息可以提供精確的定位、定時(shí)和校頻，GPS北斗時(shí)間同步技術(shù)在國際時(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