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时频科学
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卫星授时与卫星定时

时间是科学研究、科学实验和工程技术等诸方面的基本物理参量,它为一切动力学系统、时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。授时是发播或转播标准时间信号。授时在通信、电力、武器控制等工业领域和国防领域有着广泛的应用。

卫星导航系统首先是高精度时间频率基准的应用者,卫星及其地面监控系统组成一个高精度的时间同步体系,同时卫星导航系统由于其覆盖范围广也成为高精度授时服务的最佳手段。

卫星授时是通过导航卫星来进行发播或转播标准时间信号的授时手段。目前,随着卫星导航系统的迅速发展,卫星授时的可靠性和精度都得到进一步提高。特别是多种导航系统的发展,使得可选择的卫星星座无论是数量还是种类都得到快速增加。而与此同时,广域网络系统如3G移动通信网络、电力系统网对同步精度的需求越来越高,卫星授时由于精度高、成本低,注定该技术具有巨大的发展空间。

卫星授时简介

授时是指发播或转播标准时间信号。授时方法有多种,如我国国家授时中心短波授时台和长波授时台,利用短波或长波发播我国国家标准时间NTSC。中央电视台和中央广播电台也发播国家标准时间。我国北斗导航系统发播军用标准时间。授时方法不仅为无线电授时,还有电话授时、网络授时。国家授时中心网站具有网络授时功能,用户登录该网站,利用其客户端软件即可实现授时。

同步主要指相互之间的时间对准,同步与授时的区别在于同步不一定总是与标准时间对准。同步有广义和狭义之分,狭义的同步指时间对准,广义的同步也包括时间差的测量。如导航卫星与地面主控站的时间同步,并未将卫星时间与地面主控站时间对准,而是精确测得两者的时间差,并将该时间差进行发布。

卫星授时是通过导航卫星来进行发播或转播标准时间信号的授时手段。目前可利用的导航卫星有中国的北斗导航系统、CAPS系统、GPS、GALILEO和GLONASS。卫星授时与定位是结合在一起的,一般用户在获得自身精确定位基础上即可实现精确授时。

卫星在地面上空很高的轨道运行,一颗卫星发射的信号就能覆盖大范围区域,反过来地面上相距遥远的地方能同时观察到同一颗卫星。卫星授时正是利用了卫星这种得天独厚的空间位置优势,让更多的地方可以接收到它发播的标准时间和标准频率信号。

卫星授时优点

卫星授时的主要优点是卫星至用户的无线电波是直达波,虽然它也受大气折射等影响,但比起短波、长波等需要靠电离层的反射实现远距离传播的方法来,它的精度要高得多,更何况无线电波大部分时间是在近似真空的条件下传播的。卫星授时精度高,普通的授时接收机一般都可达到100 ns(1sigma)左右的精度。GPS授时接收机在位置保持模式下可达15 ns(1sigma)的精度。相对于其他的授时手段,卫星授时成本低,实现简单,因此获得广泛的应用。

卫星授时原理

卫星授时的基本原理如图1.1所示,地面主控站和监测站精确测定卫星的时间和位置。卫星发播的无线电信号包含精确的时间频率信息,这些信息可以基于卫星本身时间产生,也可由地面产生后再通过卫星转发,担任转发功能的卫星一般具有稳定时延的信号转发设施。如果卫星自身具有原子钟,如GPS卫星、北斗卫星,则卫星自身产生本地时间,卫星发播的信号与本地时间具有严格同步关系;如果卫星自身无原子钟,则一般具有稳定时延的转发器,卫星接收地面站上传信息,并以另一频率转发给地面,如北斗导航试验卫星、CAPS卫星。卫星授时的主要特点是卫星信号覆盖范围广,用户接收机可以直接接收卫星信号实现自身时间与卫星时间同步,时间传递的环节少,可以实现精确授时。

         图1.1 卫星授时原理示意图

图1.2 卫星接收机定时原理

地面终端通过接收卫星信号实现自身时间与卫星时间同步,这一过程常称为定时。因此卫星授时接收机也常称为卫星定时接收机。

卫星授时终端一般由天线、射频单元、信号处理单元、数据处理单元和输出接口单元组成。卫星信号由天线接收,经过滤波和放大后通过射频单元转换为中频信号,再通过A/D转换进行信号的捕获、跟踪、译码等处理。卫星授时接收机定时原理如图1.2所示,通过信号的捕获跟踪,产生初始的秒脉冲;根据译码得到的导航电文数据,进行信号传输延迟、电离层大气层延迟、钟差校正以及其他延时计算;计算出的总延迟送入延迟补偿环节进行补偿;由于信号捕获接收过程易受干扰,一般而言利用延时补偿后得到的脉冲对本地晶振进行驯服,产生最终的精确秒脉冲。

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