远程时间频率校准技术

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1、远程时间频率校准技术如何利用GNSS卫星信号进行远程时间频率校准?目前，全球导航卫星系统在国际守时合作中起到了核心作用。各国守时实验室间的时频比对几乎全部通过卫星信号完成。卫星信号并不是发播时间和频率的唯一手段，但它们在实际应用中有明显的优势。一是卫星信号覆盖范围广；二是卫星发播器和地面接收机间的传播延迟值相对于地面发播站更稳定、也更容易准确的评估，这一点很重要，因为传播延迟是各种不同发播手段不确定度的主要来源。一GPS技术及有关背景知识美国的GPS系统不仅在军用和民用定位上用途广泛，在时频计量领域也起到重要作用。GPS全称为“授

2、时与测距导航系统／全球定位系统”(NavigationSysternTimingandRanging／GlobalPositioningSystem——NAVSTAR／GPS)，简称为“全球定位系统(GPS)”,是美国国防部为陆海空三军研制的卫星导航定位系统。GPS自1973年12月美国国防部正式批准研制以来，经过三个研制阶段，耗时20年，投资300亿美元，于1993年6月基本建成，是继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空间工程。第一阶段(1973～1978年)进行方案论、理论研究和总体设计。第二阶段(1978～1988年)进行工程

3、研制。主要是发射GPS试验性卫星，检验GPS系统的基本性能。此阶段共发射了11颗试验卫星（第一代GPS卫星，称为BLOCKI）。第三阶段(1989～1993年)进行实用组网。共发射了28颗工作卫星（第二代GPS卫星，称为BLOCKⅡ和BLOCKⅡA），构成了24颗星的GPS星座。第三代GPS卫星（称为BLOCKⅡR）于20世纪90年代末期开始陆续发射，预计数量为20颗，以取代第二代GPS卫星，用于改善全球定位系统。一、伪距测量原理简述本节将具体讲述卫星信号是如何发播的。卫星发播的所有信号，包括载波和调制，全部源自一个星载频率源—

4、—通常是一个铯钟或铷钟。尽管GPS卫星上通常会有几台原子钟，但只有一台在连续工作，其他作为备份保留。从功能上讲，卫星通过星载频率源产生一个星上时标，并将这个时标调制发播出去。此外，卫星发播的信号中还包括有各种信息，比如卫星轨道信息，信号发播的准确时刻（这个时刻取决于星载频率源），星上时标与GPS时标的偏差（下面会讨论到）。GPS接收机基于内部频率源也会产生一个接收机时标，接收机会测量卫星发播的星上时标与内部时标间的时差，∆T。这个时差来源有以下几项：信号从卫星位置（xs，ys，zs）到达接收机位置（xr，yr，zr）的直线传播时延

5、，接收机处理信号需要的时延，δr，星上时标与接收机内部时标之间的时差，δrs：()2()2()2x−x+y−y+z−zrsrsrs∆T=+δ+δ。（1）rrsc尽管公式（1）的量纲为时间，但我们将它称为伪距，我们可以这么理解，如果信号在真空中传播并且接收机内部时标与星上时标的时差为0，那么这个时差对应的就是一段几何传输距离。（对信号传播时延有显著影响的电离层折射和对流层折射会在后面讨论。）公式（1）中的时差是以星上时标为参考测得的。GPS接收机中的原始测量数据有时候是很有用的。比如说，GPS共视法就需要原始数据。事实上，在GPS

6、共视法中，如果我们不知道星上时标的参数也是可以的，因为星上时标作为参考会被减掉。（后面会详细介绍GPS共视法。）大多数GPS接收机会输出内部时标与GPS时标间的时差值，ΔTs，这个时差值已经包含了星上时标与GPS时标间的差值，δs，它是从卫星信号发播的消息中计算得到的。ΔTs=ΔT+δs（2）那么，GPS卫星是如何知道本星时标与GPS时标间的差值呢？这是由GPS地面控制站完成的。地面控制站会将星上和地面站中的所有原子钟作加权平均，计算得到平均时间，权重由这些钟的运行状态确定，这个平均时间就是GPS时标。地面控制站还会估计出每颗星上

7、的时钟与GPS时标间的时差值，这个估计值是通过一个函数计算得到的，地面控制站会每隔一段时间将最新的函数参数上传到卫星，再由卫星通过导航电文转发给用户使用的GPS接收机。GPS接收机通过导航电文得到函数参数后计算出星上时标与GPS时标的差值。这个计算得到的差值是一个估计值，估计的依据是星上运行原子钟的状态。估计值的准确度取决于最近一次参数上传的时间和星上时钟的稳定性。卫星发播信号时的位置坐标也是用导航电文中的参数计算确定的。假设已知GPS接收机的位置坐标，并通过其他辅助手段测得它的内部时延δ，那么，通r过方程（1）和（2）可以分别

8、算出GPS接收机的与星上时标的时差和GPS接收机与GPS时标的时差。假设GPS接收机的位置坐标是未知的，那么，同时跟踪4颗卫星就能确定接收机的三维坐标和时间差值。这是因为4个测量方程可以解算出4个未知量：接收机的三维坐标（xr，yr，zr）和接收机