GPS授時工作原理

2020-11-25 電子產品世界

1.1、GPS授時工作原理

　　首先通過GPS衛星坐標與接收機的坐標計算出星機「真實距離」。GPS衛星的空間坐標可通過GPS衛星導航電文中的廣播星曆獲知，接收機的坐標則可通過大地測量獲得。

　　假定接收機與GPS衛星時間同步，利用GPS「測距碼」信號測算出信號的傳輸時延，再根據傳輸時延和信號傳播速度(取真空光速值)計算出星機「偽距離」。

　　偽距離的失真主要由以下2個因素造成：1)接收機與GPS衛星的不同步造成了傳輸時延的測算誤差;2)GPS信號在穿越電離層和大氣對流層時，傳播速度會發生變化，不再等於真空光速，從而造成傳播速度的誤差。

　　信號傳送速度引起的測量誤差可按統計模型，用GPS導航電文中的修正參數推算出來。高級的雙頻GPS接收機還可通過雙頻段測量的方式更為精確地修正電離層誤差。

　　因此，用式(1)、(2)可推算出接收機時鐘與GPS時鐘的鐘差，通過調整鐘差實現與GPS衛星鐘的同步，即

　　

　　式中P實為通過坐標計算得出的星機真實距離;p偽為通過測量時延和光速計算出的偽距離;c為真空光速; 為接收機時鐘與衛星鐘的鐘差;△為因電離層和對流層速度變化引起的距離測量誤差。接收機對GPS衛星的跟蹤實現的是接收機時鐘與衛星鐘的同步，而衛星鐘與「真實時間」(或者說GPS地面基準時間)的偏差是無法直接測量的。衛星鐘相對於「真實時間」的誤差可通過導航電文中的時間參數修正。

　　綜上所述，接收機t時刻的鐘差可按式(3)計算

　　

　　式中 (t)為t時刻接收機與GPS地面基準時間(GPST)的鐘差;P(t)為測量偽距離;p(t)為通過坐標計算出的真實距離; (t)為衛星鐘與GPST的鐘差，可通過導航電文獲知;a， (t)和△ (t)是電離層和對流層修正參數，可通過導航電文中的參數推算出來。

　　GPS時間的精度高，守時能力強，長期穩定性好，但由於GPS信號以電磁波方式傳送，易受外界幹擾，短期穩定性較差。將GPS的長期穩定性和物理時鐘的短期穩定性相結合是提高時間精度較為有效的方法。此外，GPS共視比對也是提高外圍站點時間精度較為有效的辦法，通過共視比對可將站問誤差控制在15 ns以內 。

　　1.2、同步傳送鏈路和同步接口

　　常規情況下，單站GPS時間同步可滿足各種應用需要，但考慮到非常時期、信號劣化、接收機故障等因素，建設優良的地面時間鏈路是非常必要的。

　　為提高時間同步信號的傳遞精度，應儘量克服同步傳送鏈路的抖動、擁塞和不對稱性。時延抖動、信道擁塞和時延的不對稱性信號將影響DCLS、網絡時間協議(NTP，Network Time Protoco1)的時延補償精度。

　　因此，DCLS信道宜採用SDH系統的64 kbit/s帶外開銷數據信道，NTP信道宜採用專用數據通道或低荷載數據通道。地面時間傳送鏈路的建設意義重大，不僅可提高時間同步的可靠性，而且還為時間同步設備狀態監測提供信道支持。

　　目前主流的時間同步信號接口有1 PPS、IRIG—B和NTP等。1PPS秒脈衝精度最高，可達1 pus;IRIG—B(AC)精度可達30 pus;NTP一般情況下精度可達1 ms，通過修改實時作業系統的中斷機制和採用低時延交換機，精度可達25 pus[3]，能滿足絕大部分應用需要。在電力時間同步網中，站間同步宜採用IRIG—B的直流方式，即DCLS;站內對時可採用1PPS接El、IRIG—B的交流接El或NTP接El。1PPS和IRIG—B(AC)都需要專用接口和線纜，而NTP方式則可採用站內區域網，方便、經濟。隨著變電站數位化程度的逐步提高，應進一步推廣NTP對時方式。

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  • 除了定位導航，北鬥還能授時？
    美國曾在1920年嘗試短波授時試驗，並於1923年開始實施短波授時。低頻時碼授時：低頻時碼授時系統通常是指工作頻率在30千赫茲-300千赫茲的一類特殊的長波授時系統，利用微電子技術，具有傳輸穩定、覆蓋範圍廣泛的特性。日常的電波掛鍾、電波手錶就是採用該授時方式。