GPS時間同步的原理與技術

　　1、有關時間的一些基本概念：

　　（1）時間（周期）與頻率：

　　互為倒數關系，兩者密不可分，時間標準的基礎是頻率標準，所以有人把晶體振蕩器叫‘時基振蕩器’。鐘是由頻標加上分頻電路和鐘面顯示裝置構成的。

　　（2）四種實用的時間頻率標準源（簡稱鐘）：

 　　晶體鐘、銣原子鐘、 氫原子鐘、銫原子鐘

　　（3）常用的時間坐標系：

　　時間的概念包含時刻（點）和時間間隔（段）。時系（時間坐標系）是由時間起點和時間尺度單位--秒定義（又分地球秒與原子秒）所構成。常用的時間坐標系：

　　世界時（UT）、地方時、原子時（AT）、協調世界時（UTC）、GPS時

　　（4）定時、時間同步與守時：

◆ 定時：是指根據參考時間標準對本地鐘進行校準的過程）；授時（指采用適當的手段發播標準時間的過程）；

◆ 時間同步：是指在母鐘與子鐘之間時間一致的過程，又稱時間統一或簡稱時統）；

◆ 守時：是指將本地鐘已校準的標準時間保持下去的過程，國內外守時中心一般都采用由多臺銫原子鐘和氫原子鐘組成的守時鐘組來進行守時，守時鐘組鐘長期運行性能表現最好的一臺被定主鐘（MC）。

2、GPS時間是怎樣建立的？

　　為了得到精密的GPS時間，使它的準確度達到<100ns（相對于UTC（USNO/MC））：

◆ 每個GPS衛星上都裝有銫子鐘作星載鐘；

◆ 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。

3、GPS定位、定時和校頻的原理

　　（1）GPS定位原理：是基于精確測定GPS信號的傳輸時延（Δt），以得到GPS衛星到用戶間的距離（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，可給出用戶實時時刻（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為用戶的的位置參數）

　　（2）GPS定時原理：

　　基于在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延（Δt），以達到對本地鐘的定時與校準。GPS定時準確度取決于信號發射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：

◆ 信號發射端：衛星鐘誤差、衛星星歷（位置）誤差；

◆ 信號傳輸過程：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、接收機坐標誤差、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的秒信號為參考）來測量本地鐘的頻率準確度（Δf/f），以達到校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時刻測得的本地鐘與GPS時的時差值）。

4、進一步提高定時準確度的幾種途徑：

◆ 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。

GPS在時頻領域的應用

　　1、國際時間標準的協調與建立：

　　從二十世紀八十年代末，國際計量局（BIPM）的時間部，就開始正式采用標準化的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，并建立了準確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標準的協調，它們是：

　　中國科學院陜西天文臺（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單位、一級計量站、二級計量站和使用單位四級逐級傳遞；

◆ 受檢時頻標準源或儀器設備必須往返搬運，檢定校準后的狀態在搬運中難免受到破壞；

◆ 傳統的時頻計量一般只能按檢定周期（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共視法時間比對和互聯網技術，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。