GPS時鐘同步原理

GPS時鐘同步就是利用gps同步衛星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛星上面的時間進行同步的過程，目前比較權威的授時單位就是國家授時中心，國內的生產廠家有西安同步電子，其生產的SYN4505型gps同步時鐘在電力部門得到廣泛套用。互為倒數關係，兩者密不可分，時間標準的基礎是頻率標準，所以有人把晶體振盪器叫‘時基振盪器’。鐘是由頻標加上分頻電路和鐘面顯示裝置構成的。

基本介紹

• 中文名：GPS時鐘同步原理
• GPS定位原理：R=C×Δt 
• GPS定時原理：扣除GPS時間信號傳輸時延（Δt）
• GPS校頻原理：Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) 

有關時間的一些基本概念

時間（周期）與頻率

四種實用的時間頻率標準源（簡稱鐘）

◆ 晶體鐘

◆ 銣原子鐘

◆ 氫原子鐘

◆ 銫原子鐘

常用的時間坐標系

時間的概念包含時刻（點）和時間間隔（段）。時系（時間坐標系）是由時間起點和時間尺度單位--秒定義（又分地球秒與原子秒）所構成。常用的時間坐標系：

◆ 世界時（UT）

◆ 地方時

◆ 原子時（AT）

◆ 協調世界時（UTC）

◆ GPS時

定時、時間同步與守時

◆ 定時：是指根據參考時間標準對本地鐘進行校準的過程）；授時（指採用適當的手段發播標準時間的過程）；

◆ 時間同步：是指在母鐘與子鐘之間時間一致的過程，又稱時間統一或簡稱時統）；

◆ 守時：是指將本地鐘已校準的標準時間保持下去的過程，國內外守時中心一般都採用由多台銫原子鐘和氫原子鐘組成的守時鐘組來進行守時，守時鐘組鐘長期運行性能表現最好的一台被定主鐘（MC）。

GPS時間是怎樣建立的

為了得到精密的GPS時間，使它的準確度達到<100ns（相對於UTC（USNO/MC））：

◆ 每個GPS衛星上都裝有銫子鐘作星載鐘；

◆ GPS全部衛星與地面測控站構成一個閉環的自動修正系統；

◆ 採用UTC（USNO/MC）為參考基準。

GPS定位、定時和校頻的原理

GPS定位原理

是基於精確測定GPS信號的傳輸時延（Δt），以得到GPS衛星到用戶間的距離（R） R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C為光速）同時捕獲4顆GPS衛星，解算4個聯立方程，可給出用戶實時時刻（t）和對應的位置參數（x、y、z）共4個參數。R={（Xs- Xu）2+（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs為衛星的位置參數；Xu、Yu、Zu為用戶的的位置參數） 。

GPS定時原理

基於在用戶端精確測定和扣除GPS時間信號的傳輸時延（Δt），以達到對本地鐘的定時與校準。GPS定時準確度取決於信號發射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差，主要誤差有：

◆ 信號發射端：衛星鐘誤差、衛星星曆（位置）誤差；

◆ 信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、地面反射多路徑誤差；

◆ 接收端：接收機時延誤差、接收機坐標誤差、接收機噪聲誤差。

GPS校頻原理

根據頻率和周期互為倒數的關係，可採用比時法（測時間間隔）的方法（以GPS的秒信號為參考）來測量本地鐘的頻率準確度（Δf/f），以達到校頻的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1) ------------ [3]（式中Δt2、Δt1分別為t2、t1時刻測得的本地鐘與GPS時的時差值）。

進一步提高定時準確度的幾種途徑

◆ 採用GPS雙頻、相位測量技術；

◆ 選用更高精度的GPS時間傳遞接收機；

◆ 採用GPS共視法比對技術與衛星轉發雙向法技術。

GPS時鐘同步在時頻領域的套用

國際時間標準的協調與建立

從二十世紀八十年代末，國際計量局（BIPM）的時間部，就開始正式採用標準化的GPS共視比對方法，把全世界幾十個守時中心的主鐘溝通起來，並建立了準確度最高的國際原子時（TAI）和國際協調世界時（UTC/BIPM）。我國有三個實驗室參加了國際時間標準的協調，它們是：

◆ 中國科學院陝西天文台（CSAO）；

◆ 國家計量研究院（NIM）；

◆ 航天無線電計量測試研究所（BIRM）。

新型時頻計量傳遞系統的建立

（1）、傳統時頻計量傳遞的特點：

◆ 一般是按國家級計量單位、一級計量站、二級計量站和使用單位四級逐級傳遞；

◆ 受檢時頻標準源或儀器設備必須往返搬運，檢定校準後的狀態在搬運中難免受到破壞；

◆ 傳統的時頻計量一般只能按檢定周期（一般為一年）進行，難以進行經常性和實時的計量測試。

（2）、通過採用GPS共視法時間比對和網際網路技術，可以建立不需搬運的、實時的、完全新型的時頻遙遠校準系統。