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(shí)頻技術(shù)的研究.

1、鄭州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)頻技術(shù)的研究 指導(dǎo)教師： 職稱：高級(jí)工程師學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 專 業(yè)： 電子信息工程 院（系）： 信息工程學(xué)院 完成時(shí)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(shí)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(shí)間頻率為對(duì)象，首先簡(jiǎn)單介紹了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和時(shí)間頻率的研究意義，時(shí)間頻率是目前基本單位中測(cè)量精度最高的，同時(shí)也是很多其他物理量進(jìn)行測(cè)量時(shí)的基礎(chǔ)，因而高精度的時(shí)頻有助于各種物理量的精密測(cè)量，對(duì)科學(xué)技術(shù)的方方面面，對(duì)社會(huì)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，例如國(guó)際原子

2、時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)以及北斗時(shí)。簡(jiǎn)要闡述衛(wèi)星授時(shí)常用原理。然后著重分析了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)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(shí)間頻率傳遞的工作過(guò)程。分析研究了北斗衛(wèi)星RDSS和RNSS單向授時(shí)法，以及北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法，分析了各授時(shí)法的工作過(guò)程和具體測(cè)算方法。關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)世界時(shí)；北斗時(shí)；時(shí)間同步；衛(wèi)星授時(shí)。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(guó)外現(xiàn)狀 11.2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 11.3

7、時(shí)間頻率的研究意義 2第2章 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)星授時(shí) 32.1時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 32.1.1天文時(shí) 32.1.2國(guó)際原子時(shí) 32.1.3協(xié)調(diào)世界時(shí) 32.1.4北斗時(shí) 42.2衛(wèi)星授時(shí) 4第3章 北斗導(dǎo)航的時(shí)間同步技術(shù) 63.1時(shí)間同步 53.2GPS共視法 53.3北斗共視法 73.4雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞 8第4章 北斗衛(wèi)星授時(shí)原理 104.1北斗衛(wèi)星的RDSS單向授時(shí) 104.2北斗衛(wèi)星的RNSS單向授時(shí) 114.3北斗衛(wèi)星雙向授時(shí) 12第5章 北斗時(shí)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(guó)外現(xiàn)狀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)建立以及原子時(shí)鐘的研發(fā)制造，體現(xiàn)了一個(gè)

8、國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和綜合國(guó)力。美國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本等國(guó)家在開(kāi)發(fā)和升級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)時(shí)，亦不忘積極研發(fā)更先進(jìn)的原子時(shí)鐘和時(shí)頻。隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ恍枨蟮娜找嬖黾?，各?guó)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(shí)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(kāi)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(guó)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(guó)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(guó)家授時(shí)中心（NTSC）以及德國(guó)的物理技術(shù)研究院（PTB）等機(jī)構(gòu)都在對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星和同步授時(shí)系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究，期望提高時(shí)頻信號(hào)的生成和保持技術(shù)，以及提高衛(wèi)星導(dǎo)航中的時(shí)間同步技術(shù)。美國(guó)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(shí)也是目前世界上最成熟穩(wěn)定的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)GPS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的分析，有助于時(shí)頻技術(shù)的研究，同時(shí)對(duì)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)完善有重大參考價(jià)值。1.2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為軍事和民用的各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域提供了重大作用，對(duì)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(zhǎng)的生產(chǎn)生活

10、需要，以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，打破美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)的壟斷地位，2000年，我國(guó)建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)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(kāi)始提供區(qū)域服務(wù)，為我國(guó)以及周邊國(guó)家和地區(qū)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)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(shí)際上是一種時(shí)間同步系統(tǒng)，時(shí)間頻率的產(chǎn)生和保持影響到整個(gè)授時(shí)系統(tǒng)的精確度，高精度的星載原子時(shí)鐘是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備。穩(wěn)定、可靠、精確的北斗時(shí)間頻率系統(tǒng)，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和國(guó)家安全的重要設(shè)施。1.3時(shí)間頻率的研究意義時(shí)間是目前國(guó)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(qiáng)度等其他幾個(gè)物理量相比，時(shí)間具備一些獨(dú)特的性質(zhì)，時(shí)間無(wú)法被直接感知，但卻的確是客觀存在的，并且無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化著。頻率是單位時(shí)間內(nèi)周期性運(yùn)動(dòng)重復(fù)完成的次數(shù)，一般記作f，周期和頻率是一對(duì)倒數(shù)，由此，時(shí)間和頻率是密不可分的，通常被一起稱為時(shí)間頻率，簡(jiǎn)稱時(shí)頻。時(shí)間頻率是目前基本單位中測(cè)量精度最高的，同時(shí)也是很多其他物理量進(jìn)行測(cè)量時(shí)的基礎(chǔ)，因而高精度的時(shí)頻有助于各種物理量的精密測(cè)量，對(duì)科學(xué)技術(shù)的方方面面，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)的各行各業(yè)，都有著重大的積極意義。美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)建立后，全世界普遍采用GPS授時(shí)產(chǎn)品，GPS導(dǎo)航定位及其授時(shí)產(chǎn)品在我國(guó)也具有一定的市場(chǎng)規(guī)模，廣泛應(yīng)用與各行各業(yè)，我國(guó)面臨著潛

12、在的安全隱患。隨著我國(guó)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)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(shí)系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)家生產(chǎn)建設(shè)中扮演起重要角色。對(duì)時(shí)頻技術(shù)的研究，有助于了解各國(guó)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(shí)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善和性能的提高。第2章 時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)星授時(shí)2.1時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)穩(wěn)定、可靠精確的時(shí)間基準(zhǔn)，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立和運(yùn)行的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)一些新式服務(wù)也需要統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，如衛(wèi)星的導(dǎo)航、定位和授時(shí)，現(xiàn)代無(wú)線通信服務(wù)，銀行和股票證券的運(yùn)行，還有航空航天活動(dòng)等等。本論文將簡(jiǎn)單介紹幾種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。2.1.1天文時(shí)通過(guò)觀測(cè)日月星辰等天體的周期性運(yùn)動(dòng)為所獲得的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)稱為天文時(shí)，根據(jù)不

13、同的定義方法，又有恒星時(shí)、平太陽(yáng)時(shí)、真太陽(yáng)時(shí)、地方時(shí)、歷書時(shí)和世界時(shí)（UT）等。其中，世界時(shí)既是我們平常所稱的格林尼治時(shí)間，格林尼治是英國(guó)格林尼治天文臺(tái)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(guò)此地，由本初子午線的平子夜起算的平太陽(yáng)時(shí)既是世界時(shí)。將世界時(shí)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(guó)際原子時(shí)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是將原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)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(shí)間測(cè)定系統(tǒng)稱為原子時(shí)（AT）。在1967年10月召開(kāi)的第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上，大會(huì)決議將原子時(shí)的1秒定義為：位于海平面上的零磁場(chǎng)中的銫原子CS133基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)

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

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

16、時(shí)基準(zhǔn)秒長(zhǎng)（SI）為基本單位，與協(xié)調(diào)世界時(shí)不同的是，北斗時(shí)是連續(xù)不間斷的，北斗時(shí)沒(méi)有閏秒，起始?xì)v元時(shí)刻是2006年1月1日0時(shí)0分0秒，北斗時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)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(shí)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中并非只有秒長(zhǎng)一個(gè)基本單位，同時(shí)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B(niǎo)DT的1年有52個(gè)整數(shù)周和1個(gè)小數(shù)周，小數(shù)周的具體時(shí)長(zhǎng)不固定，取決于該年份的實(shí)際紀(jì)元。2.2衛(wèi)星授時(shí)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）除了具備定位、導(dǎo)航和測(cè)速等功能外，同時(shí)還能進(jìn)行高精度的授時(shí)和時(shí)間

17、頻率傳遞。授時(shí)是指通過(guò)某種方式將已確定的時(shí)間系統(tǒng)的相關(guān)信息傳遞給需求者的過(guò)程。授時(shí)服務(wù)能給需求者傳送三種信息：日期和時(shí)刻；精密時(shí)間間隔；標(biāo)準(zhǔn)頻率。對(duì)于現(xiàn)代化的信息社會(huì)，授時(shí)系統(tǒng)是國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，甚至已經(jīng)對(duì)國(guó)家的國(guó)防安全產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在的大多數(shù)授時(shí)都是以某些波段的電磁波進(jìn)行發(fā)播的，衛(wèi)星授時(shí)發(fā)播信號(hào)的覆蓋范圍更大，精確度更高。衛(wèi)星授時(shí)分為直發(fā)式和轉(zhuǎn)發(fā)式兩種。直發(fā)式授時(shí)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(shí)系統(tǒng)如美國(guó)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(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都屬于直發(fā)式授時(shí)。 GNSS的時(shí)間系統(tǒng)一般采用協(xié)調(diào)世界時(shí)，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(guò)接收GNSS衛(wèi)星播發(fā)的授時(shí)服務(wù)信號(hào)來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘，從而與GNSS完成時(shí)間同步，以此達(dá)成授時(shí)服務(wù)。當(dāng)GNSS對(duì)位置未知的用戶授時(shí)，用戶位置的三維空間坐標(biāo)有三個(gè)未知數(shù)，另外時(shí)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(shí)間偏差從而完成定位和定時(shí)。設(shè)通過(guò)導(dǎo)航電文信息計(jì)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(shí)際測(cè)量值，t是用戶本地鐘相比于GNSS時(shí)間的時(shí)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(duì)于GNSS時(shí)間的時(shí)間偏差t，通過(guò)t修正用戶本地鐘的時(shí)間從而達(dá)成和GNSS的時(shí)間同步。對(duì)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(cè)到一顆GNSS衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)精確的授時(shí)服務(wù)。第3章 北斗導(dǎo)航的時(shí)間同步技術(shù)3.1時(shí)間同步時(shí)間同步狹義上來(lái)講就是指將兩個(gè)不同時(shí)鐘的時(shí)刻對(duì)齊，廣義上指測(cè)算出兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)差。

20、在時(shí)間頻率的研究中，時(shí)間同步通常是指廣義的。對(duì)于現(xiàn)代化的信息社會(huì)，高精度的時(shí)間同步對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要影響，在國(guó)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(wú)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(shí)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(shí)等工作。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度的站間時(shí)間同步技術(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)主控站、各監(jiān)測(cè)站和注入站之間的時(shí)間同步。根據(jù)時(shí)間比對(duì)鏈路的方向，時(shí)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(duì)象可以分為星地、星間和站間時(shí)間同步三種?，F(xiàn)下各守時(shí)實(shí)驗(yàn)室之間的比對(duì)主要采用GPS共視法、北斗共視法和雙向衛(wèi)星時(shí)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(guó)家授時(shí)中心兩地同時(shí)跟蹤觀測(cè)此GPS衛(wèi)星，通過(guò)同時(shí)收到該衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)達(dá)成兩地的時(shí)間同步，獲得BDT和中國(guó)UTC的時(shí)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(guó)家授時(shí)中心，現(xiàn)下，GPS共視法是世界各地的時(shí)頻基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)TAI進(jìn)行遠(yuǎn)程對(duì)比的主要技術(shù)方法。圖1 GPS共視法示意圖GPS共視法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，兩站的數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)當(dāng)一致，同時(shí)共視接收機(jī)的時(shí)延也需要進(jìn)行精確測(cè)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(hào)傳播路徑附加時(shí)延的影響，這有助于GPS共視法提高時(shí)間傳遞精度。GPS共視法有如下的有點(diǎn)

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(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層和電離層時(shí)的附加時(shí)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(guó)家授時(shí)中心兩地同時(shí)跟蹤觀測(cè)此GPS衛(wèi)星，通過(guò)同時(shí)收到該衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)達(dá)成兩地的時(shí)間同步，獲得BDT和中國(guó)UTC的時(shí)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(shí)有所不同，依據(jù)共視法的基本原理，假設(shè)兩個(gè)共視接收機(jī)分別安裝于A、B兩站，在A、B兩站同時(shí)觀測(cè)某顆北斗衛(wèi)星，獲得初始觀測(cè)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(jì)算扣除一些修正項(xiàng)，最后

23、對(duì)共視數(shù)據(jù)做差處理從而得到系統(tǒng)時(shí)間偏差。通過(guò)測(cè)量偽距的方法可得A、B兩站的本地時(shí)間與共視衛(wèi)星星載鐘的時(shí)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(gè)觀測(cè)站各自的接收機(jī)鐘差，TSat表示共視衛(wèi)星的鐘差。設(shè)兩觀測(cè)站接收到衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)的時(shí)刻分別是tA和tB，相對(duì)應(yīng)的偽距測(cè)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(shí)延；SiRec是觀測(cè)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(jī)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(cè)站位移引起的延遲；Sispa是衛(wèi)星信號(hào)傳播到觀測(cè)站路徑上的延遲，包括對(duì)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(cè)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(gè)觀測(cè)站間的相對(duì)時(shí)差，將（3.3）式和（3.4）式帶入（3.5）式中，再經(jīng)過(guò)一些誤差修正，便能得到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站的BDT和國(guó)家授時(shí)中心的中國(guó)UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的對(duì)比結(jié)果。3.4雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞雙向衛(wèi)星時(shí)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(gè)觀測(cè)站之間建立雙向比對(duì)鏈路，由A站北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站向B站國(guó)家授時(shí)中心發(fā)射信號(hào)并記錄信號(hào)發(fā)射時(shí)刻，通過(guò)GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后由對(duì)方接收記錄信號(hào)接收時(shí)刻，由B站向A站同樣進(jìn)行此過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)交換，再將測(cè)量所得的

26、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得BDT和中國(guó)UTC的時(shí)差信息，原理如圖2所示。因?yàn)樾盘?hào)的傳播路徑是對(duì)稱的，所以鏈路上的所有的傳播路徑產(chǎn)生的時(shí)延都能相互抵消，因此TSWTFT法的時(shí)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(shí)鐘的TA和TB時(shí)刻向?qū)Ψ桨l(fā)送信號(hào)，在對(duì)應(yīng)時(shí)刻tS和tS到達(dá)GEO衛(wèi)星，再由GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)方接收信號(hào)的分別記作TA和TB，收發(fā)信號(hào)的時(shí)差分別記作RA和RB，分別表示A、B兩觀測(cè)站各自計(jì)數(shù)器測(cè)量到的時(shí)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(cè)站鐘面時(shí)刻和系統(tǒng)時(shí)的時(shí)差；ijSagnac是Sagnac效應(yīng)的時(shí)延；idown是觀測(cè)站的接受通道延遲；ijS代表信號(hào)從i站到j(luò)站的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的延遲；iSspa是觀測(cè)站到衛(wèi)星的上行信號(hào)時(shí)延；Sispa是衛(wèi)星到觀測(cè)站的下行信號(hào)時(shí)延，包括對(duì)流層和電離層時(shí)延，iup是觀測(cè)站的發(fā)射通道時(shí)延tAB = 12 (RBRA)+ 12 (BupAup) +（BSspaASspa）+（BASABS） (3.9) +（SAspaSBspa）+（AdownBdown） + Sagnac 上式

28、（3.9）中tAB代表兩個(gè)觀測(cè)站間的相對(duì)時(shí)差，也就是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)總站的BDT和國(guó)家授時(shí)中心的中國(guó)UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的對(duì)比結(jié)果。第4章 北斗衛(wèi)星授時(shí)原理4.1北斗衛(wèi)星的RDSS單向授時(shí)北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）單向授時(shí)是通過(guò)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(shí)信號(hào)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(hào)頻率、相位、編碼速率和導(dǎo)航電文等相關(guān)參數(shù)，再通過(guò)發(fā)射機(jī)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(shí)信號(hào)下行發(fā)送到用戶接收端，用戶接收機(jī)解碼算出1PPS和TOD等時(shí)間信息，從而完成單向授時(shí)服務(wù)。RDSS單向

29、授時(shí)示意圖見(jiàn)下圖圖3。圖3 北斗衛(wèi)星RDSS單向授時(shí)示意圖圖4 RDSS單向授時(shí)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(shí)間傳遞的原理。設(shè)地面站發(fā)出某一信號(hào)的時(shí)刻與前一BDT整數(shù)秒（1PPS）的時(shí)間差是tRD,信號(hào)經(jīng)過(guò)總時(shí)延RD(其中包括了系統(tǒng)設(shè)備的單向零值時(shí)延1RD；地面站到衛(wèi)星的信號(hào)上行時(shí)延2RD；3RD是衛(wèi)星到用戶的信號(hào)下行時(shí)延，包括對(duì)流層和電離層時(shí)延；用戶設(shè)備的單向零值時(shí)延4RD)，用戶提取信號(hào)的前沿，用戶將自己的本地時(shí)鐘的1PPS用作時(shí)間測(cè)量計(jì)數(shù)器開(kāi)門信號(hào)，信號(hào)前言用作關(guān)門信號(hào)，測(cè)得兩者時(shí)差RD，計(jì)算可得得用戶本地時(shí)鐘與BDT標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的時(shí)差RD即RD=RDtRD

30、（1RD+2RD+3RD+4RD） (4.1)通過(guò)移動(dòng)相位調(diào)整本地時(shí)鐘輸出的1PPS使時(shí)差RD為0，那么在調(diào)整后的本地時(shí)間就和BDT時(shí)間實(shí)現(xiàn)了相位秒部分的時(shí)間同步。北斗衛(wèi)星RDSS單向授時(shí)的誤差低于100ns，滿足絕大部分普通用戶的使用需求，經(jīng)過(guò)一些修正項(xiàng)的處理，也能得到標(biāo)準(zhǔn)的中國(guó)UTC時(shí)間，滿足一些需要中國(guó)UTC的用戶。4.2北斗衛(wèi)星的RNSS單向授時(shí) 與北斗衛(wèi)星RDSS單向授時(shí)通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)授時(shí)信號(hào)不同的是，北斗衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）單向授時(shí)是直接通過(guò)衛(wèi)星星載原子鐘產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)發(fā)播給用戶進(jìn)行授時(shí)。其主要過(guò)程是BDT地面中心站的主原子鐘對(duì)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(shí)差參數(shù)，星載鐘控制產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)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(guò)衛(wèi)星的天線向用戶發(fā)播授時(shí)信號(hào)，下行傳送到用戶的接收端，再由用戶接收機(jī)解碼計(jì)算出1PPS和TOD等時(shí)間信息，從而完成單向授時(shí)服務(wù)，圖5是過(guò)程示意圖。北斗衛(wèi)星RNSS單向授時(shí)用戶接收機(jī)的接收、測(cè)算和修正過(guò)程大抵上與RDSS單向授時(shí)的過(guò)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(shí)的精確度優(yōu)于RDSS單向授時(shí)，其誤差小于50ns。圖5 北斗衛(wèi)星RNSS單向授時(shí)示意圖4.3北斗衛(wèi)星雙向授時(shí) 北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法是以RDSS衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的高精度授時(shí)法，北斗RDSS單向授時(shí)的過(guò)

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(duì)流層時(shí)延修正殘余誤差以及用戶接收機(jī)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(jì)算出信號(hào)從北斗系統(tǒng)地面站傳播到用戶接收機(jī)的時(shí)延，因而限制了RDSS單向授時(shí)存在著100ns的誤差。為了滿足一些需要更高精確度授時(shí)的用戶需求，在北斗RDSS衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了更高精確度的北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法。北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法通過(guò)北斗中心站和用戶之間雙向比對(duì)測(cè)量確定傳播時(shí)延。北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法需要用戶也同樣擁有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩種設(shè)備。圖6是北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法的示意圖，圖7是時(shí)延測(cè)定和修正的原理圖。圖6 北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法示意圖圖7 時(shí)延

33、測(cè)定修正原理圖 上圖圖7中，北斗中心站發(fā)射信號(hào)時(shí)的BDT時(shí)刻t用中心1PPS表示，用戶本地接收機(jī)某整數(shù)秒時(shí)刻T（t）用用戶1PPS表示，兩者間的時(shí)差表示為T, t 表示1個(gè)幀周期，nt是北斗第n幀信號(hào)參考時(shí)刻與BDT某1PPS之間的時(shí)間間隔。RDSS的幀周期t=31.25ms，同時(shí)nt也是該幀對(duì)應(yīng)的北斗時(shí)間。另外，用戶接收機(jī)接收到北斗中心站發(fā)送的第n幀時(shí)間幀詢問(wèn)信號(hào)，測(cè)出此詢問(wèn)信號(hào)參考時(shí)間與本地時(shí)鐘整數(shù)秒信號(hào)1PPS的時(shí)差T，同一時(shí)刻，用戶的發(fā)射機(jī)立刻向北斗中心站發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，北斗中心站測(cè)算出第n幀信號(hào)往返需要的時(shí)間2，并且計(jì)算出北斗中心站發(fā)出信號(hào)到用戶接收機(jī)接收信號(hào)的傳播延遲，再將發(fā)送給用戶

34、用作雙向授時(shí)延遲的修正值。因?yàn)橛脩艨梢灾苯訙y(cè)定T，由北斗中心站處獲得傳播延遲后，就可以計(jì)算出本地時(shí)鐘與BDT時(shí)鐘的時(shí)差T=1Tnt，根據(jù)T調(diào)整本地時(shí)鐘從而完成北斗中心站對(duì)用戶的雙向授時(shí)服務(wù)。 因?yàn)殡p向授時(shí)法信號(hào)的傳播路徑是對(duì)稱的，只是方向相反，鏈路上的所有的傳播路徑產(chǎn)生的時(shí)延都能相互抵消，一些殘余誤差可以忽略不計(jì)，大大減小了各種時(shí)延造成的影響，所以，北斗衛(wèi)星雙向授時(shí)法的精確度更高，其誤差在20ns以內(nèi)。第5章 北斗時(shí)頻技術(shù)的應(yīng)用精確的時(shí)間同步對(duì)于涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(yùn)行都依賴于高精度時(shí)間同步。我國(guó)已明確了在對(duì)于涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)、公共安全

35、的重要行業(yè)領(lǐng)域必須逐步過(guò)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(shí)的行業(yè)應(yīng)用需求規(guī)模將會(huì)非常可觀。電力公司和能源設(shè)施對(duì)時(shí)間和頻率有最嚴(yán)格的要求，以便有效地傳送和分配動(dòng)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(dòng)化裝置內(nèi)部都帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，或者站內(nèi)有以GPS為主的授時(shí)裝置，其固有誤差難以避免，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，累積誤差會(huì)越來(lái)越大，會(huì)逐漸失去正確的時(shí)間計(jì)量作用，難以準(zhǔn)確描述時(shí)間順序，給電網(wǎng)故障的分析帶來(lái)了一定困難，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘能夠與時(shí)間同步，達(dá)到全網(wǎng)時(shí)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(tái)北斗授時(shí)機(jī)，則北斗授時(shí)機(jī)的高精度就能保證各地時(shí)間信號(hào)

36、與UTC的相對(duì)誤差都不超過(guò)20l00ns。這種高精度時(shí)間同步不僅能全時(shí)段、全區(qū)域地控制電力全網(wǎng)內(nèi)所有時(shí)鐘的信息，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全網(wǎng)同步，同時(shí)還可自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中各單位時(shí)鐘狀態(tài)，并進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)和控制，實(shí)現(xiàn)電力全網(wǎng)時(shí)間同步管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控，在電力系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量中具有極高的利用價(jià)值。國(guó)家電網(wǎng)已規(guī)劃投資上萬(wàn)億元建設(shè)包含北斗系統(tǒng)的“國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)工程”。移動(dòng)通信網(wǎng)在通信網(wǎng)計(jì)費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、七號(hào)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(dòng)新業(yè)務(wù)(如位置定位等)中都對(duì)時(shí)間同步提出了要求，而北斗系統(tǒng)所具備的高精度授時(shí)能力，使其在移動(dòng)通信網(wǎng)中也具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)

37、商用進(jìn)程的加速及我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的完善，我國(guó)自行研制的時(shí)間同步技術(shù)在擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(3G)中得到廣泛應(yīng)用。通信部門的“北斗授時(shí)系統(tǒng)”已通過(guò)立項(xiàng)并開(kāi)始籌建。金融行業(yè)對(duì)時(shí)間的精確同步有極高要求。如今金融交易的安全性越來(lái)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(huì)受到天氣、地理、環(huán)境的影響產(chǎn)生誤差，而時(shí)間上的誤差可以導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)、數(shù)億的交易延時(shí)，直接關(guān)系到公民私有財(cái)產(chǎn)。以股票交易為例，目前中國(guó)股民主要通過(guò)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(shí)時(shí)性對(duì)于交易雙方來(lái)說(shuō)就十分重要，用戶端與交易所主機(jī)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(gè)問(wèn)題，需

38、要一個(gè)全國(guó)性金融證券實(shí)時(shí)授時(shí)網(wǎng)絡(luò)的建立，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立需要依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的授時(shí)系統(tǒng)。隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的加緊建設(shè)，通過(guò)自主技術(shù)建立時(shí)頻系統(tǒng)的條件已初步成熟。采用北斗衛(wèi)星授時(shí)的手表，將傳統(tǒng)鐘表技術(shù)和現(xiàn)代時(shí)頻技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)接受北斗二代衛(wèi)星信號(hào)自動(dòng)校準(zhǔn)，使授時(shí)手表顯示的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持精確同步，其時(shí)間精度在0.1秒之內(nèi)。北斗系統(tǒng)的授時(shí)技術(shù)己逐步成熟并深入人們正常生活的各個(gè)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(shí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)鐘授時(shí)和同步數(shù)據(jù)采集控制，在工控時(shí)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(shí)鐘授時(shí)與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)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(xiǎn)、地理測(cè)量、氣象預(yù)報(bào)、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(shí)間頻率系統(tǒng)由我國(guó)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(shí)間頻率的