GPS同步和授时相关的技术资料

GPS同步和授时相关的技术资料GPS时钟革命GPS成精确计时先锋据业界专家介绍，GPS精确时间自动校准技术，是一种简便的获取GPS精确时间信息的专利技术，具有灵敏度高、不受时间及地域限制等特点；是人类继沙漏、日晷、机械、石英钟表之后全自动数码信息计时技术；在各类钟表都是手动调校时间的今天，GPS精确校时时钟可以算是人类计时史上的又一次飞跃性、革命性的进步。GPS时钟集传统钟表技术与现代微电子技术、时频技术、通讯技术、计算机技术等多项技术于一身，通过接收GPS时间信息(含日期)，再经内置微处理器解码处理实现时间的自动校准，使得GPS时钟显示的时间与国家标准时间自动保持精确同步。GPS时钟的研制单位说钟表行业是一个非常传统的行业，钟表这种产品无论做得多好，都会有误差，随着时间的积累，这种误差会越来越大。消除累计误差的传统方法就是人工调整，这无形中给人们带来不便，增加人的负担(且人工调整本身就有误差)，与网络化和自动化程度越来越高的当今社会发展极不协调。GPS时钟应此需求而问世，接收的时间信息包括年、月、日；时、分、秒，且每过4分钟就校准一次，消除其自身计时所产生的极微小的误差，使得误差仅为毫秒级。为适应中国国情，GPS时钟还通过其内置微处理器计算出农历日期和星期；另外还可以查询2000—2099年任意一天的农历日期。GPS时钟特点：1.通电后数分钟之内自动校准2.每四分钟校准一次，消除累计误差3.时间精度达毫秒级4.超高灵敏度5.不受时间或地域限制6.体积小、重量轻7.低功耗8.成本低广泛的使用领域1.作露天及室内钟表使用：企事业单位、钟楼、车站、码头等；还可作为装饰品，实为现代家居设计钟表装饰首选。将其集成于芯片中，可生产出高档GPS腕表。2.可作为一个时间显示系统使用：城市和行业的大型标志性标准时间显示系统；民航、铁路、交通指挥调度自动控制系统；宾馆、饭店的标志性时间显示系统；大型公共场所和商场等时间信息显示系统和世界时显示系统。3.可将GPS时钟的内核嵌入其他系统，以其时间作为系统时间。例如：金融、证券实时结算，民航、铁路、交通调度系统，各种计算机网络系统、实时通信网络系统、体育彩票和福利彩票等实时销售系统等等。4.将GPS时钟技术应用到计算机的主板开发，可开发出毫秒级的实时网络计算机，这将给计算机主板带来一次革命。可以说，GPS时钟为钟表业注入了新鲜血液，其发展潜力不可限量。（市场报）关于北斗系统的工作原理以及精度北斗导航系统是我国建立的第一代卫星导航系统，在2000年10月随着2颗北斗导航实验卫星的成功发射，标志看中国拥有自主的卫星导航系统了。美国第一个拥有全球卫星定位系统(GPS)，继前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，我国的北斗导航系统是世界上第三个具有卫星导航系统的国家。北斗导航系统是全天候、全时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，该系统是由空间的导航通信卫星、地面控制中心和用户终端3部分组成：空间部分有2颗地球同步卫星，执行地面控制中心与用户终墙的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心(包括民用网管中心)主要负责无线电信号的发送接收，及整个工作系统的监控管理。其中，民用网管中心负责系统内民用用户的军记、识别和运行管理；用户终端是直接由用户使用的设备．用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。导航通信卫星是2颗地球同步卫星，距离地面36000km，位于赤经80oE和140oE，还有1颗备用卫星，将位于赤经110.5oE，2颗卫星的升交点赤经相差60o。2颗卫星于2000年10月31日和12月21日发射成功。地面控制中心包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心。主要用来捌量和收集校正导航定位参数，完成测软和调整卫星的运行轨道、姿态，编制星历，形成用户定位修正数据和对用户进行定位。北斗导航系统具有快速定位、简短通信和稻密授时的三大主要功能。快速定位：确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100m，差分定位精度小于20m。定位响应时间：1类用户5s；2类用户2s；3类用户1s。员短定位更新时间小于1s。一次性定位成功率95％。简短通信：北斗导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，一般1次可传输36个汉字，经核准的用户利用连续传送方式还可以传送120个汉字。精密授时：北斗导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，利用定时用户终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供100ns(单向授时)和20M(双向授时)的时间同步精度。北斗导航系统的定位原理：1982年提出“双星主动式卫星定位系统”，采用3球交会测星原理进行定位，2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可作2球面；另一个球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面；3个球面的会交点即为用户的位置。北斗导航系统的工作过程：用户随时都可以收到卫星广播的询问信号，这个信号是由控制中心发给2颗卫星的，经卫星转发器播发，用户响应其中1颗卫星的询问信号，通过用户发射机同时向2颗卫星发送响应信号，再经卫星转发回到地面控制中心，控制中心接收到并解调用户发送来的响应信号，根据用户的申请服务内容进行相应处理。北斗导航系统定位的计算方法：控制中心测出用户发出的定位响应信号到2颗卫星的2个时间延迟，由于控制中心和2颗卫星的位置是已知的，从上述的2个时间延迟量可以计算用户到第一额卫星的距离，以及用户到2额卫星距离的和，而且也知道用户处在以第一额卫星为球心的1个球面和以2颗卫星为焦点的椭球面的交线上，控制中心站存有效字地图，查寻到用户高程值，计算出用户所在点的三维坐标，再通过卫星发给用户。北斗导航系统通信过程：控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行转换后再发送到北斗导航系统的用户终端收件人。北斗导航系统的工作步骤总结如下：1、控制中心向2颗卫星发送询问信号；2、卫星接收到询问信号，经卫星转发器向服务区用户播发询问信号；3、用户响应其中1颗卫星的询问信号，并同时向2颗卫星发送响应信号；4、卫星收到用户响应信号，经卫星转发器发回控制中心；5、控制中心收到用户响应信号，解调出用户申请的服务内容6、控制中心计算出用户的三维坐标位置，再将它发送到卫星到卫星；进行相应的处理；或者用户的通信内容再发送7、卫星又收到控制中心发来的坐标数据或者通信内容，经卫星转发器发给用户或者收件人。显然，北斗导航系统的工作过程是比较繁琐的，但是它采用码分多址(CI)htA)制式，抗干扰能力大大优于现有的卫星导航系统。北斗导航系统对民用交通系统虽然存在着用户数量有限，每秒钟容纳用户150个左右，不能覆盖全球，对数字地图的依赖性等不足之处。但是，它是我国自主的卫星导航系统，不受他国的制约，深远意义不言而喻。北斗导航系统最大的特点是具有通信功能，充分发挥它的潜力，作用是非常大。北斗导航系统应用在车辆或船只跟踪管理，控制中心能通过北斗导航系统的短消息通信功能和定位功能，适时地跟踪移动的车辆和船舶应用在船只遇险报警，能在短稍息电文中报出船名、遇险类型和遇险位置；还可应用在海岛上的气象数据、航标遥测遥控的数据传输。尽管现在交通运输普通而有效地使用GPS，作为导航的技术政策应充分发展我国自主的北斗导航系统，正如欧盟提出和实施全球卫星导航系统(GNSS)和伽利赂(NiL9)计划，打破卫星导航的垄断才能最终实现应用卫星导航。交通部通信中心合作开拓北斗导航系统民用的建设和营运，将大力推进我国卫星导航在交通运输事业的应用。北斗导航系统适应各行各业、各个领域广泛的需求，随着我国经济建设和航天事业的迅猛发展，北斗导航系统将拥有广阔的发展前景，对我国的社会生产和人民生活的现代化也将起到积极的推动作用。电力系统授时-北斗一号授时技术及在电力系统中的应用一、电力系统授时引言对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要的，而且也是最关键的国家基础设施之一。精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量。它为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。精密授时在以通信、电力、控制等工业领域和国防领域有着广泛和重要的应用。现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础。它对整体社会的支撑几乎是全方位的，星基导航和授时是未来发展的必然趋势。目前的卫星授时同步技术主要有美国的全球卫星导航系统GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS、中国的北斗一号导航定位系统和欧盟的伽利略全球导航定位系统Galileo,基于授时的安全考虑，现阶段国内电力企业主要依赖全球卫星定位系统GPS时间同步技术，但GPS受美国限制，且GPS是免费使用，因此可靠性低，自主性差。为了满足电力生产业务及管理业务等方面对时间的需求和安全需要，有必要对北斗一号授时时间同步技术进行研究和推广应用。在本文中只介绍北斗授时技术及在电力系统的应用。本文所指的时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）同步。二．北斗授时原理及特点1．北斗一号授时原理授时是指接收机通过某种方式获得本地时间与北斗标准时间的钟差，然后调整本地时钟使时差控制在一定的精度范围内。卫星导航系统通常由三部分组成：导航授时卫星、地面检测校正维护系统和用户接收机。对于北斗一号局域卫星系统，地面检测中心要帮助用户一起完成定位授时同步。北斗授时系统图示1.在北斗导航系统中，授时用户根据卫星的广播或定位信息不断的核准其时钟钟差，可以得到很高的时钟精度；根据通播或导航电文的时序特征，通过计数器，可以得到高精度的同步秒脉冲1pps信号，用于同/异地多通道数据采集与控制的同步操作。“北斗一号”为用户机提供两种授时方式：单向授时和双向授时。单向授时的精度为100ns，双向授时的精度为20ns。在单向授时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互信息，只需接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步；双向授时模式下，用户机与中心站进行交互信息，向中心站发射授时申请信号，由中心站来计算用户机的时差，再通过出站信号经卫星转发给用户，用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐。1.1单向授时北斗时间为中心控制站精确保持的标准北斗时间，用户钟时间为用户钟的钟面时间，若两者不同步存在钟差，则北斗时间和用户钟时间虽然读数相同其出现时刻却是不同的。地面中心站在出站广播信号的每一超帧单向授时就是用户机通过接收北斗通播电文信息，由用户机自主计算出钟差并修正本地时间，使本地时间和北斗时间同步。周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间（天、时、分信号与时间修正数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息通过一种特殊的方式调制在出站信号中，经过中心站到卫星的传输延迟、卫星到用户机的延迟以及其它各种延迟（如对流层、电离层、sagnac效应等）之后传送到用户机，也就是说用户机在本地钟面时间为观测到卫星的时间，由用户机测量接收信号和本地信号的时标之间的时延获得，后则根据导航电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先获取的自身位置信息计算。一般来说，对已知精密坐标的固定用户，观测1颗卫星，就可以实现精密的时间测量或者同步。若观测2颗卫星或者更多卫星，则提供了更多的观测量，提高了定时的稳健性。1.2双向授时双向授时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即可。为了说明方便，给出简化模型：中心站系统在T0时刻发送时标信号ST0，该时标信号经过延迟后到达卫星，经卫星转发器转发后经到达授时用户机，用户机对接收到的信号进行的处理也可看做信号转发，经过空间的传播时延到达卫星，卫星把接收的信号转发，经过空间的传播时延传送回中心站系统。也即表示时间T0的时标信号ST0，最终在T0++++时刻重新回到中心站系统。中心站系统把接收时标信号的时间与发射时刻相差，得