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(jiǎn)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(duì)本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過(guò)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(guò)程）；

◆ 時(shí)間同步：是指在母鐘與子鐘之間時(shí)間一致的過(guò)程，又稱時(shí)間統(tǒng)一或簡(jiǎn)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(guò)程，國(guó)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(lái)進(jìn)行守時(shí)，守時(shí)鐘組鐘長(zhǎng)期運(yùn)行性能表現(xiàn)最好的一臺(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(duì)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(cè)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(cè)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(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定時(shí)原理：

　　基于在用戶端精確測(cè)定和扣除GPS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定時(shí)準(zhǔn)確度取決于信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)在傳輸過(guò)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(guò)程：電離層誤差、對(duì)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(cè)時(shí)間間隔）的方法（以GPS的秒信號(hào)為參考）來(lái)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(cè)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(duì)技術(shù)與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)雙向法技術(shù)。

GPS在時(shí)頻領(lǐng)域的應(yīng)用

　　1、國(guó)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(guó)際計(jì)量局（BIPM）的時(shí)間部，就開(kāi)始正式采用標(biāo)準(zhǔn)化的GPS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(lái)，并建立了準(zhǔn)確度最高的國(guó)際原子時(shí)（TAI）和國(guó)際協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC/BIPM）。我國(guó)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加了國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，它們是：

　　中國(guó)科學(xué)院陜西天文臺(tái)（CSAO）、國(guó)家計(jì)量研究院（NIM）、航天無(wú)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)：

◆ 一般是按國(guó)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；

◆ 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(cè)試。

（2）通過(guò)采用GPS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)。