電子信息工程專業(yè)畢設(shè)論文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時頻技術(shù)的研究.

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時頻技術(shù)的研究 指導(dǎo)教師： 職稱：高級工程師學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專 業(yè)： 電子信息工程 院（系）： 信息工程學(xué)院 完成時間： 2015.5.20 2015年 5月 20日基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時頻技術(shù)的研究摘要：本文以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間頻率為對象，首先簡單介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和時間頻率的研究意義，時間頻率是目前基本單位中測量精度最高的，同時也是很多其他物理量進(jìn)行測量時的基礎(chǔ)，因而高精度的時頻有助于各種物理量的精密測量，對科學(xué)技術(shù)的方方面面，對社會生產(chǎn)的各行各業(yè)，都有著重大的積極意義。然后列舉概括了幾種常用的時間標(biāo)準(zhǔn)，例如國際原子

2、時和協(xié)調(diào)世界時以及北斗時。簡要闡述衛(wèi)星授時常用原理。然后著重分析了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的時間同步技術(shù)，分析了GPS共視法和北斗共視法，再介紹分析了雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞的工作過程。分析研究了北斗衛(wèi)星RDSS和RNSS單向授時法，以及北斗衛(wèi)星雙向授時法，分析了各授時法的工作過程和具體測算方法。關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)世界時；北斗時；時間同步；衛(wèi)星授時。Abstact：In this paper, time and frequency of BeiDou Navigation Satellite System（BDS）is researched as an object, first, I briefly introd

3、uce the development of satellite navigation systems and significance of researching time and frequency. Time and frequency has the highest accuracy in all basic units at present, and is the basis for many other physical measurements, so high-precision time and frequency is contribution to accurate m

4、easure various physical quantities.For all aspects of science and technology, and for social production and each industry, it has great positive significance.Then I summarized list several common time standard,and briefly describe common principle of satellites granting time for example Internationa

5、l Atomic Time, Coordinated Universal Time and BeiDou time. Then I analyze the time synchronization technology of BDS,and analyze the GPS common-view method and BDS common-view method, and then introduces and analyze the working process of two-way satellite time and frequency transmission. Then I res

6、earch BDS RDSS and RNSS unidirectional granting timing method and two-way granting timing method, then analyze the working process of each method and analysis of specific calculation method.Key Words：UTC;BDT; time synchronization；satellites granting time.目錄第1章 緒論 11.1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國外現(xiàn)狀 11.2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國內(nèi)現(xiàn)狀 11.3

7、時間頻率的研究意義 2第2章 時間標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)星授時 32.1時間標(biāo)準(zhǔn) 32.1.1天文時 32.1.2國際原子時 32.1.3協(xié)調(diào)世界時 32.1.4北斗時 42.2衛(wèi)星授時 4第3章 北斗導(dǎo)航的時間同步技術(shù) 63.1時間同步 53.2GPS共視法 53.3北斗共視法 73.4雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞 8第4章 北斗衛(wèi)星授時原理 104.1北斗衛(wèi)星的RDSS單向授時 104.2北斗衛(wèi)星的RNSS單向授時 114.3北斗衛(wèi)星雙向授時 12第5章 北斗時頻技術(shù)的應(yīng)用 14第6章 總結(jié) 16致謝17參考文獻(xiàn)18第1章 緒論1.1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國外現(xiàn)狀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)建立以及原子時鐘的研發(fā)制造，體現(xiàn)了一個

8、國家的科學(xué)技術(shù)水平和綜合國力。美國、歐盟、俄羅斯、日本等國家在開發(fā)和升級衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)時，亦不忘積極研發(fā)更先進(jìn)的原子時鐘和時頻。隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ恍枨蟮娜找嬖黾?，各國紛紛利用最新技術(shù)研發(fā)具有更高精確度和穩(wěn)定性的新型星載原子鐘和時頻技術(shù)，從而提高現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，或是用作開發(fā)建立新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，世界上主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），此外，日本印度也積極參與到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)建立中，日本正在建立準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（QZSS），印度則在建立

9、印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（IRNSS）。此外，國家授時中心（NTSC）以及德國的物理技術(shù)研究院（PTB）等機構(gòu)都在對導(dǎo)航衛(wèi)星和同步授時系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究，期望提高時頻信號的生成和保持技術(shù)，以及提高衛(wèi)星導(dǎo)航中的時間同步技術(shù)。美國的GPS全球定位系統(tǒng)是早在1980年就已經(jīng)正式建立，是世界上最早建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，同時也是目前世界上最成熟穩(wěn)定的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對GPS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的分析，有助于時頻技術(shù)的研究，同時對我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)完善有重大參考價值。1.2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國內(nèi)現(xiàn)狀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為軍事和民用的各個專業(yè)領(lǐng)域提供了重大作用，對人類的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了積極的影響，為了滿足日益增長的生產(chǎn)生活

10、需要，以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展，打破美國GPS全球定位系統(tǒng)的壟斷地位，2000年，我國建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實驗系統(tǒng)。2012年12月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完成，正式開始提供區(qū)域服務(wù)，為我國以及周邊國家和地區(qū)提供定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。另外，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的整體規(guī)劃，將在2020年建設(shè)成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實際上是一種時間同步系統(tǒng)，時間頻率的產(chǎn)生和保持影響到整個授時系統(tǒng)的精確度，高精度的星載原子時鐘是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。穩(wěn)定、可靠、精確的北斗時間頻率系統(tǒng)，是我國國民經(jīng)濟發(fā)展、國防建設(shè)和國家安全的重要設(shè)施。1.3時間頻率的研究意義時間是目前國際通用的七大基本物理量之一，和質(zhì)量、電

11、流或發(fā)光強度等其他幾個物理量相比，時間具備一些獨特的性質(zhì)，時間無法被直接感知，但卻的確是客觀存在的，并且無時無刻不在變化著。頻率是單位時間內(nèi)周期性運動重復(fù)完成的次數(shù)，一般記作f，周期和頻率是一對倒數(shù)，由此，時間和頻率是密不可分的，通常被一起稱為時間頻率，簡稱時頻。時間頻率是目前基本單位中測量精度最高的，同時也是很多其他物理量進(jìn)行測量時的基礎(chǔ)，因而高精度的時頻有助于各種物理量的精密測量，對科學(xué)技術(shù)的方方面面，對社會生產(chǎn)的各行各業(yè)，都有著重大的積極意義。美國GPS全球定位系統(tǒng)建立后，全世界普遍采用GPS授時產(chǎn)品，GPS導(dǎo)航定位及其授時產(chǎn)品在我國也具有一定的市場規(guī)模，廣泛應(yīng)用與各行各業(yè)，我國面臨著潛

12、在的安全隱患。隨著我國生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，我國自主研發(fā)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有的北斗授時系統(tǒng)已經(jīng)在國家生產(chǎn)建設(shè)中扮演起重要角色。對時頻技術(shù)的研究，有助于了解各國同類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理，有助于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其授時系統(tǒng)的進(jìn)一步完善和性能的提高。第2章 時間標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)星授時2.1時間標(biāo)準(zhǔn)一個穩(wěn)定、可靠精確的時間基準(zhǔn)，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立和運行的技術(shù)基礎(chǔ)，同時一些新式服務(wù)也需要統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，如衛(wèi)星的導(dǎo)航、定位和授時，現(xiàn)代無線通信服務(wù)，銀行和股票證券的運行，還有航空航天活動等等。本論文將簡單介紹幾種時間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。2.1.1天文時通過觀測日月星辰等天體的周期性運動為所獲得的時間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)稱為天文時，根據(jù)不

13、同的定義方法，又有恒星時、平太陽時、真太陽時、地方時、歷書時和世界時（UT）等。其中，世界時既是我們平常所稱的格林尼治時間，格林尼治是英國格林尼治天文臺的所在地，地理學(xué)中0度經(jīng)線又稱本初子午線恰巧經(jīng)過此地，由本初子午線的平子夜起算的平太陽時既是世界時。將世界時進(jìn)行極移修正得到UT1，再將UT1按地球自轉(zhuǎn)修正得到UT2。2.1.2國際原子時原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是將原子從高能級向低能級躍遷時輻射出的頻率作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，以原子頻率標(biāo)準(zhǔn)為基本的時間測定系統(tǒng)稱為原子時（AT）。在1967年10月召開的第13屆國際計量大會上，大會決議將原子時的1秒定義為：位于海平面上的零磁場中的銫原子CS133基態(tài)的兩個超精細(xì)能級

14、之間躍遷輻射振蕩9192631770周所需要的時間。相比于其他的時間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，原子時更穩(wěn)定可靠精確，于是，1971年國際計量大會上，國際權(quán)度局（BIPM）時間部聯(lián)合各個國家和地區(qū)的眾多實驗室建立了國際原子時（TAI），TAI的起點是1958年1月1日0時0分0秒，此刻的世界時和原子時相差僅0.0039s，然而幾十年的誤差累積，2010年時累計誤差已經(jīng)達(dá)到33s。2.1.3協(xié)調(diào)世界時1967年第13屆國際計量大會后，原子時成為了時間測量的標(biāo)準(zhǔn)，然而由于原子時和世界時的誤差，實際應(yīng)用中造成了諸多不便，于是，1972年，國際電信聯(lián)盟（ITU）建立實施了一種新的時間系統(tǒng)協(xié)調(diào)世界時UTC，UTC以原子時

15、的秒長作為UTC的秒長，同時兼顧參考世界時，在UTC的時刻中通過1秒的閏秒（跳秒）進(jìn)行修正，以保證兩者間的時間差始終保持在0.9s以內(nèi)。UTC是原子時TAI和極移修正后的世界時UT1的結(jié)合，作為國際標(biāo)準(zhǔn)時間沿用至今。2.1.4北斗時北斗衛(wèi)星的授時、定位導(dǎo)航和短報文通信等功能，需要有一個獨立精確的系統(tǒng)時間，使用統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，基于原子時建立的北斗時（BDT）系統(tǒng)是目前最好的選擇。北斗時頻系統(tǒng)BDT，首先由地面主控站運行的主原子鐘生成原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，以主鐘信號作為標(biāo)準(zhǔn)和本地進(jìn)行對比，在通過特定的算法得到BDT的時間尺度，再和國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC進(jìn)行對比，最后生成輸出北斗時間物理信號。北斗時采用國際原子

16、時基準(zhǔn)秒長（SI）為基本單位，與協(xié)調(diào)世界時不同的是，北斗時是連續(xù)不間斷的，北斗時沒有閏秒，起始?xì)v元時刻是2006年1月1日0時0分0秒，北斗時和協(xié)調(diào)世界時之間的閏秒信息附加在北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中。北斗時在實際應(yīng)用的過程中并非只有秒長一個基本單位，同時還產(chǎn)生了“分（m）”“日”“周”“年”等導(dǎo)出單位，這些單位經(jīng)常能在北斗的導(dǎo)航電文中看到，BDT的60s為1分鐘，86400s為1日，604800s為1周，而BDT的1年有52個整數(shù)周和1個小數(shù)周，小數(shù)周的具體時長不固定，取決于該年份的實際紀(jì)元。2.2衛(wèi)星授時全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）除了具備定位、導(dǎo)航和測速等功能外，同時還能進(jìn)行高精度的授時和時間

17、頻率傳遞。授時是指通過某種方式將已確定的時間系統(tǒng)的相關(guān)信息傳遞給需求者的過程。授時服務(wù)能給需求者傳送三種信息：日期和時刻；精密時間間隔；標(biāo)準(zhǔn)頻率。對于現(xiàn)代化的信息社會，授時系統(tǒng)是國計民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，甚至已經(jīng)對國家的國防安全產(chǎn)生影響。現(xiàn)在的大多數(shù)授時都是以某些波段的電磁波進(jìn)行發(fā)播的，衛(wèi)星授時發(fā)播信號的覆蓋范圍更大，精確度更高。衛(wèi)星授時分為直發(fā)式和轉(zhuǎn)發(fā)式兩種。直發(fā)式授時的衛(wèi)星自身攜帶了精密的星載原子鐘，目前主流的衛(wèi)星授時系統(tǒng)如美國的GPS全球定位系統(tǒng)、歐洲的Galileo系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都屬于直發(fā)式授時。 GNSS的時間系統(tǒng)一般采用協(xié)調(diào)世界時，在G

18、NSS上攜帶了與UTC同步的星載原子鐘，地面段用戶通過接收GNSS衛(wèi)星播發(fā)的授時服務(wù)信號來調(diào)整本地時鐘，從而與GNSS完成時間同步，以此達(dá)成授時服務(wù)。當(dāng)GNSS對位置未知的用戶授時，用戶位置的三維空間坐標(biāo)有三個未知數(shù)，另外時間偏差也是未知，所以至少需要四顆衛(wèi)星確定用戶位置和時間偏差從而完成定位和定時。設(shè)通過導(dǎo)航電文信息計算得到四顆GNSS衛(wèi)星的三維空間坐標(biāo)是（xi，yi，zi）（i=1，2，3，4），用戶位置的三維空間坐標(biāo)為（x0，y0，z0），i（i=1，2，3，4）是用戶分別到GNSS四顆衛(wèi)星偽距的實際測量值，t是用戶本地鐘相比于GNSS時間的時間偏差，c是真空中光的傳播速度，則有1=x0

19、-x12+y0-y12+z0-z12+ct2=x0-x22+y0-y22+z0-z22+ct （2.1）3=x0-x32+y0-y32+z0-z32+ct4=x0-x42+y0-y42+z0-z42+ct求解方程式（2.1）可以求得用戶位置的三維空間坐標(biāo)（x0，y0，z0）以及用戶本地鐘相對于GNSS時間的時間偏差t，通過t修正用戶本地鐘的時間從而達(dá)成和GNSS的時間同步。對于一些固定用戶，在已經(jīng)確定位置坐標(biāo)的情況下，只需要觀測到一顆GNSS衛(wèi)星就可以實現(xiàn)精確的授時服務(wù)。第3章 北斗導(dǎo)航的時間同步技術(shù)3.1時間同步時間同步狹義上來講就是指將兩個不同時鐘的時刻對齊，廣義上指測算出兩個時鐘的時差。

20、在時間頻率的研究中，時間同步通常是指廣義的。對于現(xiàn)代化的信息社會，高精度的時間同步對國民經(jīng)濟的發(fā)展有重要影響，在國家建設(shè)的各行各業(yè)尤其是一些高新技術(shù)行業(yè)，例如電力、無線電通信、航空航天和高速互聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。時間同步是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作條件，其精度直接影響系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位和授時等工作。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度的站間時間同步技術(shù)主要用于實現(xiàn)主控站、各監(jiān)測站和注入站之間的時間同步。根據(jù)時間比對鏈路的方向，時間同步方法可以分為單向法和雙向發(fā)兩種。根據(jù)需要同步的對象可以分為星地、星間和站間時間同步三種?，F(xiàn)下各守時實驗室之間的比對主要采用GPS共視法、北斗共視法和雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞等方法。

21、3.2 GPS共視法共視法是指在某顆GPS衛(wèi)星的視角范圍內(nèi)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站和國家授時中心兩地同時跟蹤觀測此GPS衛(wèi)星，通過同時收到該衛(wèi)星的時間信號達(dá)成兩地的時間同步，獲得BDT和中國UTC的時差信息，如圖1，圖中A站代表北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站，B站代表國家授時中心，現(xiàn)下，GPS共視法是世界各地的時頻基準(zhǔn)實驗室對TAI進(jìn)行遠(yuǎn)程對比的主要技術(shù)方法。圖1 GPS共視法示意圖GPS共視法在實際應(yīng)用時，兩站的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)當(dāng)一致，同時共視接收機的時延也需要進(jìn)行精確測定。GPS共視法可以消除衛(wèi)星星載鐘的影響，去掉大部分的信號傳播路徑附加時延的影響，這有助于GPS共視法提高時間傳遞精度。GPS共視法有如下的有點

22、：完全消除衛(wèi)星星載鐘的影響；部分消除衛(wèi)星位置的誤差；部分消除傳播信號經(jīng)過對流層和電離層時的附加時延的誤差。 3.3北斗共視法北斗共視法在本質(zhì)上和GPS共視法的原理基本相同，但處理數(shù)據(jù)的方法存在差異。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站和國家授時中心兩地同時跟蹤觀測此GPS衛(wèi)星，通過同時收到該衛(wèi)星的時間信號達(dá)成兩地的時間同步，獲得BDT和中國UTC的時差信息。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時有所不同，依據(jù)共視法的基本原理，假設(shè)兩個共視接收機分別安裝于A、B兩站，在A、B兩站同時觀測某顆北斗衛(wèi)星，獲得初始觀測數(shù)據(jù)和星歷信息，然后去除超限等一些異常數(shù)據(jù)，挑選匹配A、B兩站的共視衛(wèi)星，計算扣除一些修正項，最后

23、對共視數(shù)據(jù)做差處理從而得到系統(tǒng)時間偏差。通過測量偽距的方法可得A、B兩站的本地時間與共視衛(wèi)星星載鐘的時差tA和tB，即tA = TATSat （3.1）tB = TBTSat （3.2）式中，TA 和TB分別表示A、B兩個觀測站各自的接收機鐘差，TSat表示共視衛(wèi)星的鐘差。設(shè)兩觀測站接收到衛(wèi)星的時間信號的時刻分別是tA和tB，相對應(yīng)的偽距測定值為（tA）和（tB），那么幾何距離表示如下（tA）= ctA+(tA) = ctA+SSend+ 1cSAgeo+SAspa+SAplm+SAtide+SAeccen+SACom+SARec+SASagnac (3.3)（tB）= ctB+(tB) =

24、ctB+SSend+ 1cSBgeo+SBspa+SBplm+SBtide+SBeccen+SBCom+SBRec+SBSagnac (3.4)其中，c表示光在真空中的傳播速度，具體數(shù)值取c=299792458m/s；i取A和B，S代表衛(wèi)星；SiSagnac是Sagnac效應(yīng)的時延；SiRec是觀測站的接受通道延遲；SiCom是衛(wèi)星天線相位中心變化引發(fā)的延遲；Sieccen是接收機相位中心變化引發(fā)的延遲；Sitide是固體潮影響引發(fā)的延遲；Siplm是觀測站位移引起的延遲；Sispa是衛(wèi)星信號傳播到觀測站路徑上的延遲，包括對流層和電離層延遲；SiSend是衛(wèi)星發(fā)射通道延遲；Sigeo是衛(wèi)星與觀

25、測站之間的幾何距離。將tA和tB作差得式（3.5）。tAB = TATB （3.5）上式（3.5）中tAB代表兩個觀測站間的相對時差，將（3.3）式和（3.4）式帶入（3.5）式中，再經(jīng)過一些誤差修正，便能得到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站的BDT和國家授時中心的中國UTC標(biāo)準(zhǔn)時間的對比結(jié)果。3.4雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞（TWSTFT）是將地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，在兩個觀測站之間建立雙向比對鏈路，由A站北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站向B站國家授時中心發(fā)射信號并記錄信號發(fā)射時刻，通過GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后由對方接收記錄信號接收時刻，由B站向A站同樣進(jìn)行此過程，從而實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)交換，再將測量所得的

26、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得BDT和中國UTC的時差信息，原理如圖2所示。因為信號的傳播路徑是對稱的，所以鏈路上的所有的傳播路徑產(chǎn)生的時延都能相互抵消，因此TSWTFT法的時間同步精度和穩(wěn)定度非常高。圖2 TWSTFT原理圖假設(shè)A、B兩站分別在各自時鐘的TA和TB時刻向?qū)Ψ桨l(fā)送信號，在對應(yīng)時刻tS和tS到達(dá)GEO衛(wèi)星，再由GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，對方接收信號的分別記作TA和TB，收發(fā)信號的時差分別記作RA和RB，分別表示A、B兩觀測站各自計數(shù)器測量到的時延，那么RB = Aup+ASspa+ABS+SBspa+Bdown+ABSagnac+tAB (3.6)RA= Bup+BSspa+BAS+SAspa+Ad

27、own+BASagnactAB (3.7)tAB = tAtB (3.8)其中，i取A或B，j取B或A，S代表衛(wèi)星；Ti表示觀測站鐘面時刻和系統(tǒng)時的時差；ijSagnac是Sagnac效應(yīng)的時延；idown是觀測站的接受通道延遲；ijS代表信號從i站到j(luò)站的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的延遲；iSspa是觀測站到衛(wèi)星的上行信號時延；Sispa是衛(wèi)星到觀測站的下行信號時延，包括對流層和電離層時延，iup是觀測站的發(fā)射通道時延tAB = 12 (RBRA)+ 12 (BupAup) +（BSspaASspa）+（BASABS） (3.9) +（SAspaSBspa）+（AdownBdown） + Sagnac 上式

28、（3.9）中tAB代表兩個觀測站間的相對時差，也就是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站的BDT和國家授時中心的中國UTC標(biāo)準(zhǔn)時間的對比結(jié)果。第4章 北斗衛(wèi)星授時原理4.1北斗衛(wèi)星的RDSS單向授時北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）單向授時是通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)地面站發(fā)送的授時信號轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，既BDT控制中心控制系統(tǒng)主原子鐘，主原子鐘監(jiān)控負(fù)責(zé)發(fā)播工作的原子鐘，負(fù)責(zé)發(fā)播工作的原子鐘控制產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻率、相位、編碼速率和導(dǎo)航電文等相關(guān)參數(shù)，再通過發(fā)射機從天線上行發(fā)送到北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器再將授時信號下行發(fā)送到用戶接收端，用戶接收機解碼算出1PPS和TOD等時間信息，從而完成單向授時服務(wù)。RDSS單向

29、授時示意圖見下圖圖3。圖3 北斗衛(wèi)星RDSS單向授時示意圖圖4 RDSS單向授時原理圖上圖圖4描述了小于1秒的小數(shù)秒部分的BDT由北斗衛(wèi)星進(jìn)行時間傳遞的原理。設(shè)地面站發(fā)出某一信號的時刻與前一BDT整數(shù)秒（1PPS）的時間差是tRD,信號經(jīng)過總時延RD(其中包括了系統(tǒng)設(shè)備的單向零值時延1RD；地面站到衛(wèi)星的信號上行時延2RD；3RD是衛(wèi)星到用戶的信號下行時延，包括對流層和電離層時延；用戶設(shè)備的單向零值時延4RD)，用戶提取信號的前沿，用戶將自己的本地時鐘的1PPS用作時間測量計數(shù)器開門信號，信號前言用作關(guān)門信號，測得兩者時差RD，計算可得得用戶本地時鐘與BDT標(biāo)準(zhǔn)時鐘的時差RD即RD=RDtRD

30、（1RD+2RD+3RD+4RD） (4.1)通過移動相位調(diào)整本地時鐘輸出的1PPS使時差RD為0，那么在調(diào)整后的本地時間就和BDT時間實現(xiàn)了相位秒部分的時間同步。北斗衛(wèi)星RDSS單向授時的誤差低于100ns，滿足絕大部分普通用戶的使用需求，經(jīng)過一些修正項的處理，也能得到標(biāo)準(zhǔn)的中國UTC時間，滿足一些需要中國UTC的用戶。4.2北斗衛(wèi)星的RNSS單向授時 與北斗衛(wèi)星RDSS單向授時通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)授時信號不同的是，北斗衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）單向授時是直接通過衛(wèi)星星載原子鐘產(chǎn)生衛(wèi)星信號發(fā)播給用戶進(jìn)行授時。其主要過程是BDT地面中心站的主原子鐘對RNSS衛(wèi)星上的星載原子鐘進(jìn)行監(jiān)控，定期更

31、新各星載原子鐘的時差參數(shù)，星載鐘控制產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻率、相位、編碼速率和導(dǎo)航電文等相關(guān)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，在通過衛(wèi)星的天線向用戶發(fā)播授時信號，下行傳送到用戶的接收端，再由用戶接收機解碼計算出1PPS和TOD等時間信息，從而完成單向授時服務(wù)，圖5是過程示意圖。北斗衛(wèi)星RNSS單向授時用戶接收機的接收、測算和修正過程大抵上與RDSS單向授時的過程相似，具體參數(shù)的數(shù)值略有不同。北斗衛(wèi)星RNSS單向授時的精確度優(yōu)于RDSS單向授時，其誤差小于50ns。圖5 北斗衛(wèi)星RNSS單向授時示意圖4.3北斗衛(wèi)星雙向授時 北斗衛(wèi)星雙向授時法是以RDSS衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的高精度授時法，北斗RDSS單向授時的過

32、程中，存在著很多的不確定因素，諸如衛(wèi)星星歷位置誤差、電離層和對流層時延修正殘余誤差以及用戶接收機天線位置定位誤差，由于這些不確定因素的存在，很難準(zhǔn)確計算出信號從北斗系統(tǒng)地面站傳播到用戶接收機的時延，因而限制了RDSS單向授時存在著100ns的誤差。為了滿足一些需要更高精確度授時的用戶需求，在北斗RDSS衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了更高精確度的北斗衛(wèi)星雙向授時法。北斗衛(wèi)星雙向授時法通過北斗中心站和用戶之間雙向比對測量確定傳播時延。北斗衛(wèi)星雙向授時法需要用戶也同樣擁有發(fā)射機和接收機兩種設(shè)備。圖6是北斗衛(wèi)星雙向授時法的示意圖，圖7是時延測定和修正的原理圖。圖6 北斗衛(wèi)星雙向授時法示意圖圖7 時延

33、測定修正原理圖 上圖圖7中，北斗中心站發(fā)射信號時的BDT時刻t用中心1PPS表示，用戶本地接收機某整數(shù)秒時刻T（t）用用戶1PPS表示，兩者間的時差表示為T, t 表示1個幀周期，nt是北斗第n幀信號參考時刻與BDT某1PPS之間的時間間隔。RDSS的幀周期t=31.25ms，同時nt也是該幀對應(yīng)的北斗時間。另外，用戶接收機接收到北斗中心站發(fā)送的第n幀時間幀詢問信號，測出此詢問信號參考時間與本地時鐘整數(shù)秒信號1PPS的時差T，同一時刻，用戶的發(fā)射機立刻向北斗中心站發(fā)送響應(yīng)信號，北斗中心站測算出第n幀信號往返需要的時間2，并且計算出北斗中心站發(fā)出信號到用戶接收機接收信號的傳播延遲，再將發(fā)送給用戶

34、用作雙向授時延遲的修正值。因為用戶可以直接測定T，由北斗中心站處獲得傳播延遲后，就可以計算出本地時鐘與BDT時鐘的時差T=1Tnt，根據(jù)T調(diào)整本地時鐘從而完成北斗中心站對用戶的雙向授時服務(wù)。 因為雙向授時法信號的傳播路徑是對稱的，只是方向相反，鏈路上的所有的傳播路徑產(chǎn)生的時延都能相互抵消，一些殘余誤差可以忽略不計，大大減小了各種時延造成的影響，所以，北斗衛(wèi)星雙向授時法的精確度更高，其誤差在20ns以內(nèi)。第5章 北斗時頻技術(shù)的應(yīng)用精確的時間同步對于涉及國家經(jīng)濟社會安全的諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)的有效運行都依賴于高精度時間同步。我國已明確了在對于涉及國家經(jīng)濟、公共安全

35、的重要行業(yè)領(lǐng)域必須逐步過渡到采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)體制，因而北斗系統(tǒng)高精度授時的行業(yè)應(yīng)用需求規(guī)模將會非?？捎^。電力公司和能源設(shè)施對時間和頻率有最嚴(yán)格的要求，以便有效地傳送和分配動力。目前電力系統(tǒng)內(nèi)部各送端、受端的分布廣泛而分散，自動化裝置內(nèi)部都帶有實時時鐘，或者站內(nèi)有以GPS為主的授時裝置，其固有誤差難以避免，隨著運行時間的增加，累積誤差會越來越大，會逐漸失去正確的時間計量作用，難以準(zhǔn)確描述時間順序，給電網(wǎng)故障的分析帶來了一定困難，如何實現(xiàn)實時時鐘能夠與時間同步，達(dá)到全網(wǎng)時間統(tǒng)一，一直是電力系統(tǒng)追求的目標(biāo)。若在終端安裝一臺北斗授時機，則北斗授時機的高精度就能保證各地時間信號

36、與UTC的相對誤差都不超過20l00ns。這種高精度時間同步不僅能全時段、全區(qū)域地控制電力全網(wǎng)內(nèi)所有時鐘的信息，實現(xiàn)真正意義上的全網(wǎng)同步，同時還可自動監(jiān)視系統(tǒng)中各單位時鐘狀態(tài)，并進(jìn)行主動干預(yù)和控制，實現(xiàn)電力全網(wǎng)時間同步管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控，在電力系統(tǒng)檢測和測量中具有極高的利用價值。國家電網(wǎng)已規(guī)劃投資上萬億元建設(shè)包含北斗系統(tǒng)的“國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)工程”。移動通信網(wǎng)在通信網(wǎng)計費、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、七號信令網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證以及今后可能存在的一些移動新業(yè)務(wù)(如位置定位等)中都對時間同步提出了要求，而北斗系統(tǒng)所具備的高精度授時能力，使其在移動通信網(wǎng)中也具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著時分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)

37、商用進(jìn)程的加速及我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的完善，我國自行研制的時間同步技術(shù)在擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)(3G)中得到廣泛應(yīng)用。通信部門的“北斗授時系統(tǒng)”已通過立項并開始籌建。金融行業(yè)對時間的精確同步有極高要求。如今金融交易的安全性越來越受到廣泛的關(guān)注。由于目前金融交易使用的通信網(wǎng)絡(luò)會受到天氣、地理、環(huán)境的影響產(chǎn)生誤差，而時間上的誤差可以導(dǎo)致數(shù)百萬、數(shù)億的交易延時，直接關(guān)系到公民私有財產(chǎn)。以股票交易為例，目前中國股民主要通過交易大廳電子顯示牌和互聯(lián)網(wǎng)中斷交易，這些交易終端信息的實時性對于交易雙方來說就十分重要，用戶端與交易所主機發(fā)布的消息是否完全同步往往影響股票的交易成功。想要解決這個問題，需

38、要一個全國性金融證券實時授時網(wǎng)絡(luò)的建立，這個網(wǎng)絡(luò)的建立需要依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的授時系統(tǒng)。隨著我國北斗系統(tǒng)的加緊建設(shè)，通過自主技術(shù)建立時頻系統(tǒng)的條件已初步成熟。采用北斗衛(wèi)星授時的手表，將傳統(tǒng)鐘表技術(shù)和現(xiàn)代時頻技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等多項技術(shù)相結(jié)合，通過接受北斗二代衛(wèi)星信號自動校準(zhǔn)，使授時手表顯示的時間與標(biāo)準(zhǔn)時間保持精確同步，其時間精度在0.1秒之內(nèi)。北斗系統(tǒng)的授時技術(shù)己逐步成熟并深入人們正常生活的各個領(lǐng)域和方面。除以上介紹的行業(yè)應(yīng)用外，穩(wěn)定可靠、便攜低耗的北斗高精度授時設(shè)備，實現(xiàn)精確的時鐘授時和同步數(shù)據(jù)采集控制，在工控時間同步方面具有廣闊的應(yīng)用前景；利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行物體定位、時鐘授時與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達(dá)到傳統(tǒng)測量控制手段所不及的精確程度，在航海航空、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險、地理測量、氣象預(yù)報、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面應(yīng)用日益廣泛。第6章 總結(jié)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航時間頻率系統(tǒng)由我國自主研發(fā)，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，本文主要介紹了導(dǎo)航和時間頻率的