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GPS同步時(shí)鐘的原理
  • 發(fā)布日期:2009-11-06      瀏覽次數(shù):2932
    • GPS時(shí)間同步的原理與技術(shù)

      1、有關(guān)時(shí)間的一些基本概念:

      (1)、時(shí)間(周期)與頻率:

      互為倒數(shù)關(guān)系,兩者密不可分,時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)是頻率標(biāo)準(zhǔn),所以有人把晶體振蕩器叫‘時(shí)基振蕩器’。鐘是由頻標(biāo)加上分頻電路和鐘面顯示裝置構(gòu)成的。

      (2)、四種實(shí)用的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)源(簡(jiǎn)稱(chēng)鐘):

      ◆ 晶體鐘

      ◆ 銣原子鐘

      ◆ 氫原子鐘

      ◆ 銫原子鐘

      (3)、常用的時(shí)間坐標(biāo)系:

      時(shí)間的概念包含時(shí)刻(點(diǎn))和時(shí)間間隔(段)。時(shí)系(時(shí)間坐標(biāo)系)是由時(shí)間起點(diǎn)和時(shí)間尺度單位--秒定義(又分地球秒與原子秒)所構(gòu)成。常用的時(shí)間坐標(biāo)系:

      ◆ 時(shí)(UT)

      ◆ 地方時(shí)

      ◆ 原子時(shí)(AT)

      ◆ 協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)

      ◆ GPS時(shí)

      (4)、定時(shí)、時(shí)間同步與守時(shí):

      ◆ 定時(shí):是指根據(jù)參考時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)的過(guò)程);授時(shí)(指采用適當(dāng)?shù)氖侄伟l(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的過(guò)程);

      ◆ 時(shí)間同步:是指在母鐘與子鐘之間時(shí)間一致的過(guò)程,又稱(chēng)時(shí)間統(tǒng)一或簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)統(tǒng));

      ◆ 守時(shí):是指將本地鐘已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持下去的過(guò)程,守時(shí)中心一般都采用由多臺(tái)銫原子鐘和氫原子鐘組成的守時(shí)鐘組來(lái)進(jìn)行守時(shí),守時(shí)鐘組鐘長(zhǎng)期運(yùn)行性能表現(xiàn)好的一臺(tái)被定主鐘(MC)。

      2、GPS時(shí)間是怎樣建立的?

      為了得到精密的GPS時(shí)間,使它的準(zhǔn)確度達(dá)到<100ns(相對(duì)于UTC(USNO/MC)):

      ◆ 每個(gè)GPS衛(wèi)星上都裝有銫子鐘作星載鐘;

      ◆ GPS全部衛(wèi)星與地面測(cè)控站構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)修正系統(tǒng);

      ◆ 采用UTC(USNO/MC)為參考基準(zhǔn)。

      3、GPS定位、定時(shí)和校頻的原理

      (1)、GPS定位原理:是基于測(cè)定GPS信號(hào)的傳輸時(shí)延(Δt),以得到GPS衛(wèi)星到用戶(hù)間的距離(R) R=C×Δt ----------------------- [1](式中C為光速)同時(shí)捕獲4顆GPS衛(wèi)星,解算4個(gè)聯(lián)立方程,可給出用戶(hù)實(shí)時(shí)時(shí)刻(t)和對(duì)應(yīng)的位置參數(shù)(x、y、z)共4個(gè)參數(shù)。R={(Xs- Xu)2+(Ys-Yu)2+(Zs-Zu)}1/2 ---- [2](式中Xs、Ys、Zs為衛(wèi)星的位置參數(shù);Xu、Yu、Zu為用戶(hù)的的位置參數(shù))

      (2)、GPS定時(shí)原理:

      基于在用戶(hù)端測(cè)定和扣除GPS時(shí)間信號(hào)的傳輸時(shí)延(Δt),以達(dá)到對(duì)本地鐘的定時(shí)與校準(zhǔn)。GPS定時(shí)準(zhǔn)確度取決于信號(hào)發(fā)射端、信號(hào)在傳輸過(guò)程中和接收端所引入的誤差,主要誤差有:

      ◆ 信號(hào)發(fā)射端:衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷(位置)誤差;

      ◆ 信號(hào)傳輸過(guò)程:電離層誤差、對(duì)流層誤差、地面反射多路徑誤差;

      ◆ 接收端:接收機(jī)時(shí)延誤差、接收機(jī)坐標(biāo)誤差、接收機(jī)噪聲誤差。

      (3)、GPS校頻原理:

      根據(jù)頻率和周期互為倒數(shù)的關(guān)系,可采用比時(shí)法(測(cè)時(shí)間間隔)的方法(以GPS的秒信號(hào)為參考)來(lái)測(cè)量本地鐘的頻率準(zhǔn)確度(Δf/f),以達(dá)到校頻的目 的。Δf/f=(Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3](式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時(shí)刻測(cè)得的本地鐘與GPS時(shí)的時(shí)差值)。

      4、進(jìn)一步提高定時(shí)準(zhǔn)確度的幾種途徑:

      ◆ 采用GPS雙頻、相位測(cè)量技術(shù);

      ◆ 選用更高精度的GPS時(shí)間傳遞接收機(jī);

      ◆ 采用GPS共視法比對(duì)技術(shù)與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)雙向法技術(shù)。

      三、GPS在時(shí)頻領(lǐng)域的應(yīng)用

      1、時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)與建立:

      從二十世紀(jì)八十年代末,*(BIPM)的時(shí)間部,就開(kāi)始正式采用標(biāo)準(zhǔn)化的GPS共視比對(duì)方法,把全幾十個(gè)守時(shí)中心的主鐘溝通起來(lái),并建立了 準(zhǔn)確度高的原子時(shí)(TAI)和協(xié)調(diào)時(shí)(UTC/BIPM)。我國(guó)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào),它們是:

      ◆ *陜西天文臺(tái)(CSAO);

      ◆ 國(guó)家計(jì)量研究院(NIM);

      ◆ 航天無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所(BIRM)

      2、新型時(shí)頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)的建立

      (1)、傳統(tǒng)時(shí)頻計(jì)量傳遞的特點(diǎn):

      ◆ 一般是按*計(jì)量單位、一級(jí)計(jì)量站、二級(jí)計(jì)量站和使用單位四級(jí)逐級(jí)傳遞;

      ◆ 受檢時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)源或儀器設(shè)備必須往返搬運(yùn),檢定校準(zhǔn)后的狀態(tài)在搬運(yùn)中難免受到破壞;

      ◆ 傳統(tǒng)的時(shí)頻計(jì)量一般只能按檢定周期(一般為一年)進(jìn)行,難以進(jìn)行經(jīng)常性和實(shí)時(shí)的計(jì)量測(cè)試。

      (2)、通過(guò)采用GPS共視法時(shí)間比對(duì)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以建立不需搬運(yùn)的、實(shí)時(shí)的、*新型的時(shí)頻遙遠(yuǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)
       

      南京六瑞生產(chǎn)的HST系列同步時(shí)鐘已近成功應(yīng)用在多個(gè)電力系統(tǒng)項(xiàng)目上。 

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