GPS北鬥衛星時鐘同步系統的原理和技術

GPS北鬥衛星時鐘同步系統的原理和技術

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1、有關時間的一些基本概念：

時間與頻率之間互為倒數關系，兩者密不可分，時間标準的基礎是頻率标準，由晶體振蕩器決定時間的精度。

4種實用的時間頻率标準源包括

晶體鐘、铷原子鐘、氫原子鐘和铯原子鐘。

常用的時間坐标系：世界時（UT）、地方時、原子時（AT）、協調世界時（UTC）、GPS時

時鐘源技術

時鐘振蕩器是所有數字通信裝置中最基本的部件，時鐘源技術可以分為普通晶體時鐘、高穩定晶振、原子鐘和晶片級原子鐘。

鎖相環技術

鎖相環技術是一種使得輸出信号在頻率和相位上與輸入信号同步的電路技術，利用鎖相環技術進入鎖定狀态或者同步狀态後，系統的振蕩器輸出信号與輸入信号之間的相差為零。鎖相環技術是時鐘同步的核心技術。

模拟鎖相環由檢相器、環路濾波器和壓控振蕩器3個部分組成。而數字鎖相環中的誤差控制信号使用離散的數字信号，而不是模拟電壓。智能鎖相環路技術，即直接數字頻率合成（DDS-Digital Direct Frequency Synthesis）技術，在單片FPGA中就可以實作。

2、GPS時間是怎樣建立的？

為了得到精密的GPS時間，使它的準确度達到<100ns（相對于UTC（USNO/MC））：◆ 每個GPS衛星上都裝有铯子鐘作星載鐘；◆ GPS全部衛星與地面測控站構成一個閉環的自動修正系統；◆ 采用UTC（USNO/MC）為參考基準。GPS定位、定時和校頻的原理　　

（1）GPS定位原理：是基于精确測定GPS信号的傳輸時延（Δt），以得到GPS衛星到使用者間的距離（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，可給出使用者實時時刻（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為使用者的的位置參數）　　（2）GPS定時原理：　　基于在使用者端精确測定和扣除GPS時間信号的傳輸時延（Δt），以達到對本地鐘的定時與校準。GPS定時準确度取決于信号發射端、信号在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：◆ 信号發射端：衛星鐘誤差、衛星星曆（位置）誤差；◆ 信号傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；◆ 接收端：接收機時延誤差、接收機坐标誤差、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的秒信号為參考）來測量本地鐘的頻率準确度（Δf/f），以達到校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分别為t2、t1時刻測得的本地鐘與GPS時的時內插補點）。4、進一步提高定時準确度的幾種途徑：◆ 采用GPS雙頻、相位測量技術；◆ 選用更高精度的GPS時間傳遞接收機；◆ 采用GPS共視法比對技術與衛星轉發雙向法技術。

3、GPS在時頻領域的應用

1、國際時間标準的協調與建立：　　

從二十世紀八十年代末，國際計量局（BIPM）的時間部，就開始正式采用标準化的GPS共視比對方法，把全世界幾十個守時中心的主鐘溝通起來，并建立了準确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标準的協調，它們是：　　中國科學院陝西天文台（CSAO）、國家計量研究院（NIM）、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：◆ 一般是按國家級計量機關、一級計量站、二級計量站和使用機關四級逐級傳遞；◆ 受檢時頻标準源或儀器裝置必須往返搬運，檢定校準後的狀态在搬運中難免受到破壞；◆ 傳統的時頻計量一般隻能按檢定周期（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共視法時間比對和網際網路技術，可以建立不需搬運的、實時的、完全新型的時頻遙遠校準系統。