NTP校時(shí)服務(wù)器（衛(wèi)星時(shí)鐘）

NTP校時(shí)服務(wù)器（衛(wèi)星時(shí)鐘）

NTP校時(shí)服務(wù)器（衛(wèi)星時(shí)鐘）

GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)在時(shí)頻領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展

一、GPS信息與信息時(shí)代


  信息時(shí)代的特點(diǎn)：一是信息量急劇增加（如需海量存儲(chǔ)器）；二是信息傳輸?shù)臄?shù)字化（如數(shù)字通信的發(fā)展）；三是信息享用的全球化（如互聯(lián)網(wǎng)的普及）；四是信息技術(shù)應(yīng)用的集成化（如ITS---智能交通系統(tǒng)）。


  信息的主要來(lái)源:


  除互聯(lián)網(wǎng)、電視網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)外，還有很重要的衛(wèi)星信息源（如導(dǎo)航衛(wèi)星能給出*重要的位置和時(shí)間信息；遙感衛(wèi)星能給出各類(lèi)地球表面的遙感數(shù)據(jù)）。


  GPS信息的特點(diǎn)：


  （1）全球覆蓋、全天侯、晝夜全連續(xù)地工作；（2）單向廣播體制，GPS接收機(jī)不發(fā)射信號(hào)，電磁兼容性能好，可有無(wú)限多的用戶。但無(wú)通信功能；（3）可實(shí)時(shí)地為地面、海上和高空的各種動(dòng)態(tài)和靜態(tài)用戶提供高精度的七維信息（三維位置、三維速度、和精密時(shí)間）。


  GPS信息的應(yīng)用領(lǐng)域:


  大致可分為三類(lèi)：（1）動(dòng)態(tài)的導(dǎo)航定位，包括陸上各類(lèi)車(chē)輛、水上各種艦船以及空中各類(lèi)飛機(jī)和的導(dǎo)航定位；（2）靜態(tài)的測(cè)繪定位，廣泛用於地圖的測(cè)繪、礦藏的勘探、鐵路、公路、隧道的建設(shè)等；（3）精密的定時(shí)和時(shí)間同步，在國(guó)際時(shí)間協(xié)調(diào)、時(shí)頻計(jì)量傳遞、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域十分有用。


二、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：


◆ 世界時(shí)（UT）


◆ 地方時(shí)


◆ 原子時(shí)（AT）


◆ 協(xié)調(diào)世界時(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，又稱時(shí)間統(tǒng)一或簡(jiǎn)稱時(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，國(guó)內(nèi)外守時(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)*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為用戶的的位置參數(shù)）


  （2）、GPS定時(shí)原理：


  基于在用戶端測(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、國(guó)際時(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，國(guó)際（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，把全世界幾十個(gè)守時(shí)中心的主鐘溝通起來(lái)，并建立了準(zhǔn)確度*的國(guó)際原子時(shí)（TAI）和國(guó)際協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC/BIPM）。我國(guó)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加了國(guó)際時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，它們是：


◆ 科學(xué)陜西天文臺(tái)（CSAO）；


◆ *計(jì)量研究（NIM）；


◆ 航天無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所（BIRM）


2、*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)、二級(jí)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)，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、完全*的時(shí)頻遙遠(yuǎn)校準(zhǔn)系統(tǒng)。


3、GPS時(shí)間同步技術(shù)在電信、電力和鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用：


◆ 我國(guó)的通信網(wǎng)已基本上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，為了保證整個(gè)電信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行、提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能，通信網(wǎng)必須采用高精度的時(shí)間同步技術(shù)。目前，我國(guó)的通信網(wǎng)采用的是4級(jí)時(shí)鐘（銫原子鐘、銣原子鐘、高穩(wěn)晶體鐘和普通晶體鐘）分級(jí)時(shí)間同步的方法。隨著電信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)時(shí)間同步精度的要求越來(lái)越高。這種分級(jí)時(shí)間同步的方法已不能滿足要求。因此，我國(guó)的通信網(wǎng)迫切需要采用GPS時(shí)間同步技術(shù)。GPS時(shí)間同步技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：精度高、可靠性好、成本較低。


◆ GPS時(shí)間同步技術(shù)在電力供電系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)也有廣闊的應(yīng)用前景。


四、結(jié)語(yǔ):


  從以上的論述可以看出：GPS衛(wèi)星信號(hào)是一種十分重要的全世界可共享的信息源，GPS信息可以提供的定位、定時(shí)和校頻，GPS時(shí)間同步技術(shù)在國(guó)際時(shí)間頻率的協(xié)調(diào)、*時(shí)頻計(jì)量傳遞系統(tǒng)建立、數(shù)字通信系統(tǒng)、電力和供電系統(tǒng)、鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)以及許多其他領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。