GPS北斗卫星时钟同步系统的原理和技术

GPS北斗卫星时钟同步系统的原理和技术
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1、有关时间的一些基本概念：

时间与频率之间互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，由晶体振荡器决定时间的精度。

4种实用的时间频率标准源包括

晶体钟、铷原子钟、氢原子钟和铯原子钟。

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

时钟源技术

时钟振荡器是所有数字通信设备中最基本的部件，时钟源技术可以分为普通晶体时钟、高稳定晶振、原子钟和芯片级原子钟。

锁相环技术

锁相环技术是一种使得输出信号在频率和相位上与输入信号同步的电路技术，利用锁相环技术进入锁定状态或者同步状态后，系统的振荡器输出信号与输入信号之间的相差为零。锁相环技术是时钟同步的核心技术。

模拟锁相环由检相器、环路滤波器和压控振荡器3个部分组成。而数字锁相环中的误差控制信号使用离散的数字信号，而不是模拟电压。智能锁相环路技术，即直接数字频率合成（DDS-Digital Direct Frequency Synthesis）技术，在单片FPGA中就可以实现。

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。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。

3、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。