GPS和北斗卫星授时技术在时频领域的应用和发展
GPS和北斗卫星授时技术在时频领域的应用和发展
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一、GPS信息与信息时代
信息时代的特点：一是信息量急剧增加（如需海量存储器）；二是信息传输的数字化（如数字通信的发展）；三是信息享用的全球化（如互联网的普及）；四是信息技术应用的集成化（如ITS---智能交通系统）。
信息的主要来源:
除互联网、电视网、移动通信网外，还有很重要的卫星信息源（如导航卫星能给出最重要的位置和时间信息；遥感卫星能给出各类地球表面的遥感数据）。
GPS信息的特点：
（1）全球覆盖、全天侯、昼夜全连续地工作；（2）单向广播体制，GPS接收机不发射信号，电磁兼容性能好，可有无限多的用户。但无通信功能；（3）可实时地为地面、海上和高空的各种动态和静态用户提供高精度的七维信息（三维位置、三维速度、和精密时间）。
GPS信息的应用领域:
大致可分为三类：（1）动态的导航定位，包括陆上各类车辆、水上各种舰船以及空中各类飞机和飞行器的导航定位；（2）静态的测绘定位，广泛用於地图的测绘、矿藏的勘探、铁路、公路、隧道的建设等；（3）精密的定时和时间同步，在国际时间协调、时频计量传递、数字通信、网络技术等领域十分有用。
、GPS时间同步的原理与技术
1、有关时间的一些基本概念：
（1）、时间（周期）与频率：
互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，所以有人把晶体振荡器叫‘时基振荡器’。钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。
（2）、四种实用的时间频率标准源（简称钟）：
◆ 晶体钟
◆ 铷原子钟
◆ 氢原子钟
◆ 铯原子钟
（3）、常用的时间坐标系：
时间的概念包含时刻（点）和时间间隔（段）。时系（时间坐标系）是由时间起点和时间尺度单位--秒定义（又分地球秒与原子秒）所构成。常用的时间坐标系：
◆ 世界时（UT）
◆ 地方时
◆ 原子时（AT）
◆ 协调世界时（UTC）
◆ GPS时
（4）、定时、时间同步与守时：
◆ 定时：是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程）；授时（指采用适当的手段发播标准时间的过程）；
◆ 时间同步：是指在母钟与子钟之间时间一致的过程，又称时间统一或简称时统）；
◆ 守时：是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程，国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组钟长期运行性能表现最好的一台被定主钟（MC）。
2、GPS时间是怎样建立的？
为了得到精密的GPS时间，使它的准确度达到<100ns（相对于UTC（USNO/MC））：
◆ 每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；
◆ GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；
◆ 采用UTC（USNO/MC）为参考基准。
3、GPS定位、定时和校频的原理
（1）、GPS定位原理：是基于精确测定GPS信号的传输时延（Δt），以得到GPS卫星到用户间的距离（R）
R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C为光速）同时捕获4颗GPS卫星，解算4个联立方程，可给出用户实时时刻（t）和对应的位置参数（x、y、z）共4个参数。R={（Xs-Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs为卫星的位置参数；Xu、Yu、Zu为用户的的位置参数）
（2）、GPS定时原理：
基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延（Δt），以达到对本地钟的定时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，主要误差有：
◆ 信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；
◆ 信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；
◆ 接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。
（3）、GPS校频原理：
根据频率和周期互为倒数的关系，可采用比时法（测时间间隔）的方法（以GPS的秒信号为参考）来测量本地钟的频率准确度（Δf/f），以达到校频的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地钟与GPS时的时差值）。
4、进一步提高定时准确度的几种途径：
◆ 采用GPS双频、相位测量技术；
◆ 选用更高精度的GPS时间传递接收机；
◆ 采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。
三、GPS在时频领域的应用
1、国际时间标准的协调与建立：
从二十世纪八十年代末，国际计量局（BIPM）的时间部，就开始正式采用标准化的GPS共视比对方法，把全世界几十个守时中心的主钟沟通起来，并建立了准确度最高的国际原子时（TAI）和国际协调世界时（UTC/BIPM）。我国有三个实验室参加了国际时间标准的协调，它们是：
◆ 中国科学院陕西天文台（CSAO）；
◆ 国家计量研究院（NIM）；
◆ 航天无线电计量测试研究所（BIRM）
2、新型时频计量传递系统的建立
（1）、传统时频计量传递的特点：
◆ 一般是按国家级计量单位、一级计量站、二级计量站和使用单位四级逐级传递；
◆ 受检时频标准源或仪器设备必须往返搬运，检定校准后的状态在搬运中难免受到破坏；
◆ 传统的时频计量一般只能按检定周期（一般为一年）进行，难以进行经常性和实时的计量测试。
（2）、通过采用GPS共视法时间比对和互联网技术，可以建立不需搬运的、实时的、完全新型的时频遥远校准系统。
3、GPS时间同步技术在电信、电力和铁路领域的应用：
◆ 我国的通信网已基本上实现了数字化，为了保证整个电信网络的正常运行、提高网络服务质量和增强网络功能，通信网必须采用高精度的时间同步技术。目前，我国的通信网采用的是4级时钟（铯原子钟、铷原子钟、高稳晶体钟和普通晶体钟）分级时间同步的方法。随着电信技术的发展，通信网时间同步精度的要求越来越高。这种分级时间同步的方法已不能满足要求。因此，我国的通信网迫切需要采用GPS时间同步技术。GPS时间同步技术的优点：精度高、可靠性好、成本较低。
◆ GPS时间同步技术在电力供电系统、铁路运输系统也有广阔的应用前景。
四、结语:
从以上的论述可以看出：GPS卫星信号是一种十分重要的全世界可共享的信息源，GPS信息可以提供精确的定位、定时和校频，GPS时间同步技术在国际时间频率的协调、新型时频计量传递系统建立、数字通信系统、电力和供电系统、铁路运输系统以及许多其他领域都有广阔的应用前景。
