北斗同步時鍾（GPS授時系統）技術原理闡述
北斗同步時鍾（GPS授時系統）技術原理闡述
京准電子科技官微——ahjzsz
1、有關時間的一些基本概念：
（1）、時間（周期）與頻率：
互為倒數關系，兩者密不可分，時間標准的基礎是頻率標准，所以有人把晶體振盪器叫‘時基振盪器’。鍾是由頻標加上分頻電路和鍾面顯示裝置構成的。
（2）、四種實用的時間頻率標准源（簡稱鍾）：
①晶體鍾
②銣原子鍾
③氫原子鍾
④銫原子鍾
（3）、常用的時間坐標系：
時間的概念包含時刻（點）和時間間隔（段）。時系（時間坐標系）是由時間起點和時間尺度單位--秒定義（又分地球秒與原子秒）所構成。常用的時間坐標系：
① 世界時（UT）
②地方時
③原子時（AT）
④協調世界時（UTC）
⑤GPS時
（4）、定時、時間同步與守時：
①定時：是指根據參考時間標准對本地鍾進行校准的過程）；授時（指采用適當的手段發播標准時間的過程）；
②時間同步：是指在母鍾與子鍾之間時間一致的過程，又稱時間統一或簡稱時統）；
③守時：是指將本地鍾已校准的標准時間保持下去的過程，國內外守時中心一般都采用由多台銫原子鍾和氫原子鍾組成的守時鍾組來進行守時，守時鍾組鍾長期運行性能表現最好的一台被定主鍾（MC）。
2、GPS時間是怎樣建立的？
為了得到精密的GPS時間，使它的准確度達到<100ns（相對於UTC（USNO/MC））：
①每個GPS衛星上都裝有銫子鍾作星載鍾；
②GPS全部衛星與地面測控站構成一個閉環的自動修正系統；
③采用UTC（USNO/MC）為參考基准。
3、GPS定位、定時和校頻的原理
（1）、GPS定位原理：是基於精確測定GPS信號的傳輸時延（Δt），以得到GPS衛星到用戶間的距離（R）R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C為光速）同時捕獲4顆GPS衛星，解算4個聯立方程，可給出用戶實時時刻（t）和對應的位置參數（x、y、z）共4個參數。R={（Xs-Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs為衛星的位置參數；Xu、Yu、Zu為用戶的的位置參數）
（2）、GPS定時原理：
基於在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延（Δt），以達到對本地鍾的定時與校准。GPS定時准確度取決於信號發射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：
①信號發射端：衛星鍾誤差、衛星星歷（位置）誤差；
②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；
③接收端：接收機時延誤差、接收機坐標誤差、接收機噪聲誤差。
（3）、GPS校頻原理：
根據頻率和周期互為倒數的關系，可采用比時法（測時間間隔）的方法（以GPS的秒信號為參考）來測量本地鍾的頻率准確度（Δf/f），以達到校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時刻測得的本地鍾與GPS時的時差值）。
4、進一步提高定時准確度的幾種途徑：
①采用GPS雙頻、相位測量技術；
②選用更高精度的GPS時間傳遞接收機；
③采用GPS共視法比對技術與衛星轉發雙向法技術。
GPS在時頻領域的應用
1、國際時間標准的協調與建立：
從二十世紀八十年代末，國際計量局（BIPM）的時間部，就開始正式采用標准化的GPS共視比對方法，把全世界幾十個守時中心的主鍾溝通起來，並建立了准確度最高的國際原子時（TAI）和國際協調世界時（UTC/BIPM）。我國有三個實驗室參加了國際時間標准的協調，它們是：
①中國科學院陝西天文台（CSAO）；
②國家計量研究院（NIM）；
③航天無線電計量測試研究所（BIRM）
2、新型時頻計量傳遞系統的建立
（1）、傳統時頻計量傳遞的特點：
①一般是按國家級計量單位、一級計量站、二級計量站和使用單位四級逐級傳遞；
②受檢時頻標准源或儀器設備必須往返搬運，檢定校准后的狀態在搬運中難免受到破壞；
③傳統的時頻計量一般只能按檢定周期（一般為一年）進行，難以進行經常性和實時的計量測試。
（2）、通過采用GPS共視法時間比對和互聯網技術，可以建立不需搬運的、實時的、完全新型的時頻遙遠校准系統。
3、GPS時間同步技術在電信、電力和鐵路領域的應用：
①我國的通信網已基本上實現了數字化，為了保證整個電信網絡的正常運行、提高網絡服務質量和增強網絡功能，通信網必須采用高精度的時間同步技術。目前，我國的通信網采用的是4級時鍾（銫原子鍾、銣原子鍾、高穩晶體鍾和普通晶體鍾）分級時間同步的方法。隨着電信技術的發展，通信網時間同步精度的要求越來越高。這種分級時間同步的方法已不能滿足要求。因此，我國的通信網迫切需要采用GPS時間同步技術。GPS時間同步技術的優點：精度高、可靠性好、成本較低。
②GPS時間同步技術在電力供電系統、鐵路運輸系統也有廣闊的應用前景。
結語:
從以上的論述可以看出：GPS衛星信號是一種十分重要的全世界可共享的信息源，GPS信息可以提供精確的定位、定時和校頻，GPS時間同步技術在國際時間頻率的協調、新型時頻計量傳遞系統建立、數字通信系統、電力和供電系統、鐵路運輸系統以及許多其他領域都有廣闊的應用前景。