北斗同步时钟（GPS授时系统）技术原理阐述

北斗同步时钟技术原理的详细阐述

1、有关时间的一些基本概念：

（1）、时间（周期）与频率：

互为倒数之分的两个概念彼此紧密相连，在时间基准的构建中占据重要地位。基于频率的标准构成了时间的标准基础基础因此有人将具有精确时基特性的电子振荡器称为'时基振荡器'。钟表则由基准频率经由分频电路并结合显示面板实现计时功能

（2）、四种实用的时间频率标准源（简称钟）：

①晶体钟

②铷原子钟

③氢原子钟

④铯原子钟

（3）、常用的时间坐标系：

从概念上讲，时间既包括瞬间（点），也包括时段（段）。时系被定义为基于起始时间和以秒为单位的尺度构建的体系；其中包含地球秒和原子钟秒两种类型。常用的时系有：

① 世界时（UT）

②地方时

③原子时（AT）

④协调世界时（UTC）

⑤GPS时

（4）、定时、时间同步与守时：

定时：是指按照参考时间标准对本地钟进行精确校准的时间校准流程）；授时：指通过适当技术手段实现广播标准时间的过程。

时间同步是指母钟与子钟之间保持时间一致的过程也称作统一时间简称为时统

③精确计时：指持续维持本地标准时间的过程。国际及国内的时间同步中心通常采用由多台铯原子钟与氢原子钟构建的守时装置来进行精确计时工作；其中性能最优的一台设备被指定为主基准（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））：

①每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；

②GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；

③采用UTC（USNO/MC）为参考基准。

3、GPS定位、定时和校频的原理

GPS定位原理是基于精确测量 GPS 信号传输时延 Δt 用于计算出用户与各卫星之间的距离 R。
其中 R = C × Δt （式中 C 表示光速）。接着通过捕获四颗 GPS 卫星并求解四个联立方程组, 从而确定用户的实时位置信息包括时刻 t 及坐标 x,y,z。
其中, 式(2)定义了用户位置与各卫星位置之间的距离关系: R = √[(X_s - X_u)^2 + (Y_s - Y_u)^2 + (Z_s - Z_u)^2].

（2）、GPS定时原理：
通过在用户设备上精确计算并修正GPS时间信号传输的时间差（Δt），从而实现本地时钟的时间基准设置与校准工作。这种技术的有效性受到多个因素的影响：包括发射源端的时间偏差、信号在传输路径中的衰减或干扰以及接收设备处的环境因素等。主要影响因素包括多径效应、卫星时钟偏差、电离层折射效应以及对流层延迟等问题。

①信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；

②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；

③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：

基于频率与周期互为倒数的关系，在测时法的基础上（以GPS秒信号作为基准）提出了一种测本地钟频率精度（Δf/f）的方法：通过比较两次测量时间差值的变化率来确定本地钟与参考系统的时差误差，并以此实现钟表校准的目标。计算公式如下：\Delta f/f = (\Delta t_2 - \Delta t_1)/(t_2 - t_1)。（其中\Delta t_2、\Delta t_1分别表示t_2和t_1时刻测得的本地钟与GPS时的累积差值）

4、进一步提高定时准确度的几种途径：

①采用GPS双频、相位测量技术；

②选用更高精度的GPS时间传递接收机；

③采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。

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起就由国际计量局的时间部采用了标准化的GPS共视比对方法。该方法成功地将全球几十个授时中心的主要时间基准进行了统一同步，并成功地确立了最高精度的国际原子时（TAI）以及最新的国际协调世界时（UTC/BIPM）。我国参与了协调工作的是国家授时中心、国家物理测量台和国家授时研究院。

①中国科学院陕西天文台（CSAO）；

②国家计量研究院（NIM）；

③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：

遵循国家制定的计量标准，并采用国家级计量单位、一级计量站、二级计量站以及使用单位四个层级依次传递

受检时频标准源或仪器设备应当往返搬运，在搬运过程中可能存在状态损坏的风险；

传统的时频计量通常仅限于按照检定周期（一般为一年）执行,不易实现持续性的和即时性的测量

（2）、借助GPS协同视图的时间对比结合互联网技术应用，即可构建无需人工搬运操作、具备实时性特征且具备全新创新性的时频远程校准系统。

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实现数字化，在确保电信网络运行正常的同时提升服务质量并增强功能方面提出了更高要求。目前我国通信网采用4级时钟分级时间同步技术（包括铯原子钟、铷原子钟、高稳晶体钟和普通晶体钟）。随着电信技术的快速发展对通信网的时间同步精度要求日益提高现有方法已难以满足需求因此亟需引入GPS时间同步技术以弥补现有不足。GPS时间同步技术具有显著优势包括高精度可靠运行成本较低等特点能够有效提升通信网的整体性能。

②GPS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。

从以上论述可以看出：GPS卫星信号是一种重要的全球共享信息资源；GPS信息可实现精确的定位、定时和授时；GPS时间同步技术在协调国际时间基准、建立新型时频传递系统、数据通信系统以及电力与供配电系统等领域具有广泛的应用前景。