GPS时间系统工作原理及厂家

GPS卫星导航系统的基本观测量是时间差，整个导航系统的观测精度很大程度上取决于GPS系统的时间精度和同步性。GPS时间系统采用原子时秒长作为时间基准，从本质来说是一种原子时，作为GPS时间系统的资深工程师，有必要给大家普及一下GPS时间系统的时间同步工作原理及厂家。

1、GPS时间系统

GPS系统采用GPS时间GPST，GPST的时间基准来自于一系列原子钟的频率测量.GPST的定义与实现GPS时间系统采用原子时秒长作为时间基准，时间起算原点定义在1980年1月6日UTC零时。GPS时间系统内包括三种时钟钟：铯原子钟、铷原子钟、石英晶体钟。

系统守时选用的是高精度的铯原子钟组，数台钟同时运行，选择优良钟作为主钟，主钟发布的时间即为GPST，其余为备份钟。GPS导航卫星上采用的是铷原子钟，因为铷钟抗干扰能力强，寿命长，能够适应空间飞行的恶劣环境。而地面接收机内部只备有石英钟计时。在GPS解算时，用户机钟差作为未知量求解。

GPS时间系统原理图

下面介绍GPS如何实现星地的时间同步。GPS主控站将5个监测站的数据进行统一处理，利用kalman滤波程序估计出每颗卫星的钟差参数，这些参数被及时上传到卫星以广播星历的形式发播给用户。这一过程可以保证卫星星座的时间同步水平维持在几个纳秒的量级。

GPST从本质来说是一种原子时（IAT），其秒长和原子时定义相同，当GPST的原点和国际原子时的原点不同时，GPST是个连续的时间系统，不存在闰秒，但是它的时间度量基准UTC（USNO）不是连续的，需要进行跳秒改正，其跳秒数和国际时间局BIPM维护的UTC（BIPM）相对原子时的跳秒一致，UTC（USNO）和UTC（BIPM）不严格同步，其偏差一般不大于20ns.

GPST时开始于UTC时，即1980年1月6日0时，从那时开始，GPST和UTC的偏差表示为秒的整数倍，最近的一次闰秒发生在2009年1月1日，此时已经为34s；UTC为GPS系统的UTC时间系统，和UTC（BIPM）有微小的差异.

2、TAI时间尺度的实现

1971年第14届国际计量大会给出了TAI的严格定义为：国际原子时是由BIPM建立的时间参考坐标，它的实现基于遵循ISU的秒定义建立的多个时间实验室的原子钟读数。利用GPS共视法和TWSTFT方法对全球50多个时频实验室的300余台原子钟进行时间比对，根据ALGOS(BIPM)算法获得自由原子时尺度：(2)其中wi为原子钟i在t时刻的权重，hi(t)为i的钟面时，hi'(t)则是钟i的预报时差。目前TAI的频率准确度优于3×10-15，频率稳定度为0.6×10-1（520-40d）。

3、UTC的实现

UT是以地球自转周期为基础定义的秒长，这一定义反映了地球在空间与太阳的相对位置。世界时符合人类的生活习惯，同时在大地测量、天文导航等领域也有广泛的应用。而原子时的秒长十分稳定，建立的时间尺度精度明显优于世界时。BIPM综合两种时间的优势，定义了UTC时间。UTC以原子时秒长作为时间单位，而在时刻上靠近世界时。在1958年0时0分0秒，UTC与UT1同步，此后一旦|UTCUT1|≥0.9s，UTC则进行跳秒。根据定义，UTC具有与TAI相同的计量学性质，同时在1s精度内与UT1一致。

4、GPST与UTC、TAI的关系

从1980年开始，美国国防部开始利用GPS系统服务于时间的维持和发布，其系统时间和频率要求同步于美国海军实验室（USNO）主钟发布的UTC(USNOMC)。在当时，TAI-UTC=19s，在此后UTC经历了多次跳秒，而GPS由于没有跳秒，因此直到目前，GPS时间仍然非常接近于TAI减去19s。为了保证GPS时间的准确性，USNO规定GPST与UTC(USNOMC)的非整秒差限制在1s以内。为了实现这一指标，GPS系统主钟一直在进行定期的调整，以便在非整秒的时间尺度上与UTC(USNOMC)保持一致，目前二者的非整秒误差控制在40ns秒以内。从GPS的广播信号中可以获取3种可用的时间信号：GPST、UTC(USNOMC)和卫星原子钟时间。在目前的精度水平下，GPST估计UTC(USNOMC)的精度在10ns，而UTC(USNOMC)与UTC的时差也大约为10ns，因此GPST估计UTC的不确定度为14ns。

5、GPS在远程时间比对中的应用

远程时间比对方法有多种，其中GPSCV是目前BIPM进行时间比对的主要方式。1999年，Dach提出了利用GPS载波相位进行时间比对的方法，显示了良好的应用前景。

两台与当地原子钟相联系的授时型用户机同时开始跟踪空间的同一颗GPS卫星。接收GPS信号后可以计算出接收机相对于GPST的钟差，进而得到两个接收机的钟差。而两个接收机分别与两台原子钟进行时间比对，除去接收机钟差就得到了两地的两台原子钟钟差。可以消除卫星钟误差带来的时间比对误差，同时对于较短基线的两地观测能够部分消除电离层、对流层带来的信号传播误差。大部分接收机采用了单通道、低精度的C/A码信号，不确定度为10ns，多通道接收机可以将误差不确定度限定在7ns。

6、GPS载波时间比对

由于钟和位置都与载波相位观测量相关，因此载波相位技术也可以应用于精确时间比对。GPS载波时间比对的基本原理与共视相同，但是载波时间比对观测量为相位，因此精度更高。与GPSCV和TWSTFT不同，GPS载波时间比对可以测量整个观测网内的钟差，而不仅仅是基线上的两台原子钟。试验表明，GPS载波进行时间比对的不确定度能够达到100ps。利用GPS进行时间比对，可观测时间长，比对精度较高，同时可以以很高的采样率为全球范围内的原子钟提供时差，长期项和短期项都能进行比较。另外相对其他方式GPS比对是成本较低的。

7、GPS时间系统厂家

我国从事GPS时间系统研发生产的企业发展较晚，技术相比较于国外厂家还有一定的距离，随着我国综合国力的不断壮大，目前对时间系统的需求也逐渐增加，因此在2000年以后出现了一批生产研发gps时间系统的厂家。

西安同步电子科技有限公司作为我国较早从事时间系统研发的企业，经过多年技术积累，目前已经形成了全面的时间系统体系，从授时到授时，从时钟源到时间测量系统，从时钟整机到时钟板卡等等，满足了各种客户需求，更难能可贵的就是，我们掌握了一套柔性生产方法，将客户定制产品由原来的6-8周缩减到2周以内，大大提高了用户的选择性。

8、GPS时间系统介绍

以西安同步电子科技有限公司生产的GPS时间系统为例给大家介绍一下主要功能和用法。

SYN4505A型时钟同步系统就是一台标准的北斗GPS时间系统，接收北斗gps卫星信号，产生标准的时间信息，输出IRIG-B码交直流信号，NTP/SNTP网络授时信号，IEEE1588授时信号，多种脉冲组合输出，多功能干接点报警。另外还可以接收外部IRIG-B码光电信号，可以手动选择工作模式，包括自动模式，手动模式，守时模式等等，满足各种用户的不同需求。

用户拿到设备只需要把天线架设好，输出接口一一对应，至于网络授时信号的设置更简单，只需要输入默认ip登录web页面进行更就可以实现，操作简单，易于实现，是目前电力行业应用最为广泛的GPS时间系统。

9、GPS时间系统发展

GPS不但可以为用户提供导航定位服务，还能够为用户提供高精度的时间信号。GPS时间系统以很高的精度保持内部的时间同步，并与国际官方时间UTC和国际原子时TAI密切关联。在全球的远程高精度时间比对中，GPS也发挥着越来越重要的作用。

目前BIPM进行全球时间比对过程中，70%以上是通过GPS来完成，在高精度的远程时间比对工作中，GPS发挥着越来越重要的作用。当然，GPS时间比对技术也存在着一些问题：对电离层、对流层的改正不够准确，日边界数据间断点也对比对精度带来影响，这些问题有待于进一步研究。

总之，随着GPS时间服务终端的性能不断提升，相关理论和算法的不断完善，以GPSCV和GPS载波为代表的时间比对技术应用前景非常广阔。目前我国最常用的就是北斗GPS时间系统，采用双模授时，可靠性更高，应用更加灵活。