（通信与信息系统专业论文）基于ntp协议的网络授时研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学士论文摘要随着信息技术和网络技术的发展，人们对时间同步的精度要求越来越高。在煤矿微震监测定位系统中，主控站和各监测站之间时间同步的精度直接影响定位的精度。因此，如何在该系统中精确地同步系统网络中所有主机的时间是一个非常关键的问题。本文所做的主要工作是对分布式系统内时钟同步技术进行研究，设计并实现了煤矿微震监测定位系统中的时钟同步系统。该系统结构灵活，精度高，具有一定的先进性和创造性。在比较了现存几种网络校时协议的基础上，本文选取了n t p 协议为本设计所采用的网络校时协议，针对矿震监测定位系统的网络拓扑结构和部分监测站位于地下的特点，本文将g p s 技术与n t p 时间协议相结合，不仅可以使局域网中各监测站微机与主控端微机时间同步，并且使其与世界协调时u t c 同步。论文回顾了传统煤矿微震髓测定位系统中时钟同步方式及不足之处，进一步阐述了高精度的g p s 授时原理，并从体系结构、同步算法等角度分析了网络时间协议实现网络中主机时钟同步的原理。软件设计上采用了数据滤波算法、ir l t e r s e c t i o r l 及c o m b i n g 等算法。论文最后在北京矿务局微震监测定位系统上进行n t p 时钟同步实验，实验数据表明，本文所设计的网络时钟同步系统比传统的时钟同步具有更高的时钟同步精度。关键词：g p s ；n t p ；时钟同步；网络时间协议鋈! 三塑堇查盔堂堡主堂主鲨奎a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e e b n l o g y ，p e o p l eh a v ea ne x t r e m e l ys t r i c tr e q u i r e m e n tf o rc o n s is t e n c yo fc l o c k s t h ep r e c is i o no fc l o c ks y n c h r e n iz a t i o nb e t w e e nm a s t e ra n ds u p e r v is o rh a v ea ni m m e d i a t e l ye f f e c to nt h ep r e c i s i o no fs u p e r v is i o no r ie n t a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n es l i g h tq u a k e t h e r e f o r e ，h o wt os y n c h r o n i z ea 1 1c l o c k so ft h iss y s t e mp r e c is e l yisaq u i t ek e yis s u e t h ep a p e rf o c u sm a i n l yo nr e s e a r c ho fc l o c ks y n c h r o n iz a t i o ni nd is t r i b u t e ds y s t e m ，d e s i g na n di m p l e m e n tt h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mo fs u p e r v is i o no r i e n t a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n es l i g h tq u a k e o u re x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h iss y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r so ff l e x i b i l i t ya n dh i g h tp r e c is i o n t h r o u g ht h ea n a l y s isf o rs e v e r a le x is t e n tp r o t o c 0 1si ni n t e r n e t ，t h ep a p e ra d o p t st h en e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ( n t p )a st h en e t w o r ks y n c h r o n iz a t i o np r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h en e t w o r kt o p 0 1 0 9 yo fs u p e r v is i o no r i e n t a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n es l i g h tq u a k ea n dt h eu n d e r g r o u n dc h a r a c t e r is t ico fs o m es u p e r v is o r ，t h ep a p e rd e s i g n sap r o j e c tw h i c hi n t e g r a t e st h en t pa n dg p s t h iss y s t e mn o to n l ys y n c h r o n i z ea 1 1s u p e r v i s o ra n dm a s t e ri nl a n ，b u ta l s os y n c h r o n iz et h e mw i t hu t c t h ep a p e rr e v i e w st h et r a d i t i o n a lw a y so fc l o c ks y n c h r o n iz a t i o na n dp o i n tso u tt h e 1 a c ko fi t t h e n ，t h ep a p e re x p o u n d st h et h e o r yo fg e t t i n gt i m ef r o mg p s b yd is c u s s i n gi m p l e m e n tm e d e l a r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h m so ft h ep r o t o c 0 1 ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r ic i p ico fn e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1w o r k i n g t h es o f t w a r ei m p l e m e n t st b ed a t af i l t e ra l g o r i t h m ，i n t e r s e c t i o na l g o r i t h ma n dc o m b i n i n ga l g o r i t h m f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k e se x p e r i m e n t si ns u p e r v i s i o no r i e n t a t i o ns y s t e mf o rc o a lm i n es l i g h tq u a k eo fm i n e r a ld e p a r t m e n ti nb e ij i n g ，t h ed a t am e a s u r e ds h o w st h a tt h i ss y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mh a sh i g h e rp r e c i s i o nc o m p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lc l o c ks y n c h r o n iz a t i o n k e yw o r d s ：g p s ；n t p ；c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ；n e t w o r kt i m ep r o t o c o li i创新点声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中明确说明和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同事对本研究所做的贡献已在论文中明确说明。如有不实，本人愿负全部责任。作者： 逸森日期：。：= ：。辽宁工程技术大学硕士学位论文第一章绪论本章介绍了本篇论文的研究背景、目的和意义，综述了近期国内外g p s 授时能力提高和时间同步等方面的研究进展和动向，最后简要介绍了本论文的内容安排和主要研究成果。1 1研究背景、目的、意义本课题来源于北京矿务局煤矿微震监测定位系统中g p $ 授时系统课题。随着计算机在人们的生活和工作中发挥着越来越重要的作用，信息技术和网络技术也得到越来越广泛的应用，其中许多关系国计民生的重要应用领域需要依靠计算机系统的高可靠性和高效率来精确控制关键性的工作与任务，如卫星发射与测控系统、航空管理系统、社会联动系统以及核能发电系统等等。这类应用对分布式系统内时钟的一致性和精确性要求很高，发生任何错误都可能会导致非常严重甚至是灾难性的后果。然而，在实际中计算机的时钟工作不太稳定，容易受到温度、电源等环境条件影响。这样，以往传统的设计与要求，已不能适应在如此严格的环境下运作。因此，如何在网络系统中精确地同步网络中所有主机的时间是一个相当重要的问题。由于在微震监测定位系统中需要实现各监测站的时钟同步性，所以统一全线的时问是非常重要的。系统的定时、定位精度直接决定于个监测台的时钟同步精度，这就要求整个系统要达到很高的时钟同步性。因此，在这样一个精密的分布式综合监控系统中，如何精确地同步网络中所有的主机和各监测站的时间是一个相当重要的课题。网络时间同步技术因此得到了长足的发展。从七十年代末八十年代初网络同步技术的初步发展，一直到目前网络协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，n t p ) 第4版孕育而生，网络同步技术经历了萌芽一陕速发展一基本成熟一一继续发展等阶段，时钟同步精度从最初的1 秒提高到现在的几十个纳秒，时钟同步的稳定性也越来越高。目前，网络时间协议已成为了i n t e r n e t 标准协议之一，并在i n t e r n e t上得到了相当广泛的应用。1 2国内外研究现状及研究动向矿震监测定位系统时钟同步技术的发展是随着通信技术、计算机网络技术的辽宁工程技术大学硕士学位论文发展而不断发展。早期矿震监测定位系统的被控端及各子台与主控端的通信大多采用串行总线。因此采用的时钟同步方法是全部采用基于串行通信协议的软件对时，而后又发展到在主控端采用g p s 对时，主控与被控站点采用基于串行通信协议的软件对时。随着通信技术及网络的发展，主控端与被控端采用了光纤以太网作为通信介质，在被控端也局部采用了光纤以太网( 网络层) 。但目前采用的时钟同步方法是在主控端设置母钟( 时间服务器) ，通过专设的串行总线网用传统的规约方式完成系统的时钟同步，这样既没有保证时钟同步的精度，又没有合理的利用硬件资源，造成浪费。如果采用统一的时钟同步标准，利用现有的以太网进行通信，使整个系统的时钟获得比较高的同步精度，这样的同步方式是比较理想的。网络时间协议的首次实现记载在i n t e r n e te n g i n e e r i n gn o t e 之中，其精确度为数百毫秒。稍后出现了首个时间协议的规范，即r f c 一7 7 8 ，它被命名为d c n e t互联网时间服务，而它提供这种服务还是借助于i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ( i c m p ) ，即互联网控制消息协议中的时间戳和时间戳应答消息。作为n t p名称的首次出现是在r f c 一9 5 8 之中，该版本也被称为n t pv o ，其目的是为a r p a网提供时间同步。它已完全脱离i c m p ，是作为独立的协议以完成更高要求的时间同步。它对于如本地时钟的误差估算和精密度等基本运算、参考时钟的特性、网络上的分组数据包及其消息格式进行了描述。但是不对任何频率误差进行补偿，也没有规定滤波和同步的算法。美国特拉华大学( u n i v e t s i t yo fd e l a w a r e ) 的b a y i dl m i l l s 主持了由美国国防部高级研究计划局d a r p a 、美国国家科学基金n s f 和美国海军水面武器中心n s w c 资助的网络时间同步项目，成功的开发出了n t p 协议的第1 、2 、3 版。n t pv l 出现于1 9 8 8 年6 月，在r f c 一1 0 5 9 中描述了首个完整的n t p 的规范和相关算法。这个版本己经采用了c l i e n t s e r v e r 模式以及对称操作，但是它不支持授权鉴别和n t p 的控制消息。1 9 8 9 年9 月推出了取代r f c 一9 5 8 和r f c 1 0 5 9的n t pv 2 版本即r f c 1 1 1 9 。几乎同时，d e c 公司也推出了一个时问同步协议，数字时间同步服务d t s s ( d i g i t a lt i m es y n c h r o n i z a t i o ns e r r i c e ) 。在1 9 9 2 年3 月，n t pv 3 版本r f c 1 3 0 5 问世，该版本总结和综合了n t p 先前版本和d t s s ，正式引入了校正原则，并改进了时钟选择和时钟滤波的算法，而且还引入了时间消息发送的广播模式，这个版本取代了n t p 的先前版本。n t pv 3 发布后，一直在不断地进行改进，n t p 实现的一个重要功能是对计算机操作系统的时钟调整。在n t p v 3 研究和推出的同时，有关在操作系统核心中改进时间保持功能的研究也在并行地进行。1 9 9 4 年推出了r f c 一1 5 5 9 ，名为ak e r n e lm o d e lf o rp r e c is i o n t i m ek e e p i n g ，即精密时间保持的核心模式，这个实现可辽宁工程技术大学硕士学位论文以把计算机操作系统的时问精确度保持在微秒数量级。几乎同时，又提出了n t pv 4改进建议。对本地时钟调整算法，通信模式，新的时钟驱动器，适配规则等方面的改进描述了具体方向。现在n t p 的第4 版正在研究和测试中，网络时间同步技术也将向更高精度、更强的兼容性和多平台的适应性方向发展。网络时间协议n t p 是用于互联网中时间同步的标准之一，它的用途是把计算机的时钟同步到世界协调时u t c ，其精度在局域网内可达o 1 m s ，在i n t e r n e t 上绝大多数的地方其精度可以达到1 5 0 m s 。因此，将基于n t p 的网络校时方案应用于煤矿微震监测定位系统中时钟同步是完全必要及可行的。1 3研究内容及成果本课题具体研究内容包括：如何在微震监测定位系统中实现系统内各监测台主机时钟的协调一致。而问题的关键是如何最精确的估计监测台主机和服务器之间的网络传输时延和时钟偏移量。通过分析微震监测定位系统的特点，针对微震监测定位系统的网络拓扑结构和部分监测台位于井下无法接受g p s 卫星信号的特点提出了采用网络时间协议n t p 和g p s 相结合的时钟同步设计方案，并介绍了相关技术原理。在设计中，课题采用客户n 务同步应用模型，树状层次结构为网络拓扑结构，遵循网络时间协议规范，设计实现了微震监测定位系统时钟同步系统。另外，论文还分别在广域网和局域网上进行n t p 时钟同步实验，通过实验数据的分析，比较了n t p 时钟同步与传统的同步方法。目前该系统已在北京矿务局投入使用，主要用于同步和校准矿震监测定位系统局域网的时间，实际使用和测试结果表明，各项性能指标均满足要求，使用效果良好。该系统的研制成功，除应用于矿震预测，对煤矿安全起到保证作用外，还能广泛应用于现代通信网和电力网等部门，该系统还将在阜新矿务局投入使用，具有极大的市场潜力。t 4 论文的组织构。论文共分五章。第一章为绪论部分。主要介绍论文的研究背景、主要内容以及论文的组织结第二章为全球定位系统授时技术。主要介绍了全球定位系统定位和授时原一坚室三堡垫查查堂堡主芏垡堕壅以把计算机操作系统的时间精确度保持在微秒数量级。几乎同时，又提出了n t pv 4改进建议。对本地时钟调整算法，通信模式，新的时钟驱动器，适配规则等方面的改进描述了具体方向。现在n t p 的第4 版正在研究和测试中，网络时问同步技术也将向更高精度、更强的兼容性和多平台的适应性方向发展。网络时问协议n t p 是用于互联网中时间同步的标准之一，它的用途足把计算机的时钟同步到廿t 界协调时u t c ，其精度在局域网内可达o 1 m s ，在i n t e r n e t 上绝大多数的地方其精度可以达到1 5 0 m s 。因此，将基于n t p 的网络校时方案应用于煤矿微震监测定位系统中时钟同步是完全必要及可行的。1 3研究内容及成果本课题具体研究内容包括：如何在微震监测定位系统中实现系统内各监测台主机时钟的协调一致。而问题的关键是如何最精确的估计监测台主机和服务器之间的网络传输时延和时钟偏移量。通过分析微震监测定位系统的特点，针对微震监测定位系统的网络拓扑结构和部分监测台位于井下无法接受g p s 卫星信号的特点提出了采用网络时问卧议n t p 和g p s 相结合的时钟同步设计方案，并介绍了相关技术原理。在设计中，课题采用客户n 务同步应用模型，树状层次结构为网络拓扑结构，遵循网络时间协议规范，设计实现了微震监测定位系统时钟同步系统。另外，论文还分别在广域网和局域网上进行n t p 时钟同步实验，通过实验数据的分析，比较了n t p 时钟同步与传统的同步方法。目前该系统已在北京矿务局投入使用，主要用于同步和校准矿震监测定位系统局域网的时间，实际使用和测试结果表明，各项性能指标均满足要求，使用效果良好。该系统的研制成功，除应用于矿震预测，对煤矿安全起到保证作用外，还能广泛应用于现代通信网和电力网等部门，该系统还将在阜新矿务局投入使用，具有极大的市场潜力。1 4 论文的组织构。论文共分五章。第一章为绪论部分。主要介绍论文的研究背景、主要内容以及论文的组织结第二章为全球定位系统授时技术。第_ 章为全球定位系统授时技术。主要介绍了全球定位系统定位和授时原主要介绍了全球定位系统定位和授时原辽宁工程技术大学硕士学位论文理，重点讨论了g p s 授时技术在微震监测定位系统时钟同步中的应用。第三章为网络时间协议研究。主要介绍了网络时间协议( n t p ) 的体系结构、协议规范和同步算法。第四章为授时系统的设计与实现。提出了将网络时间协议n t p 和g p s 技术相结合的方案，同时介绍了各个技术的相关原理。第五章为误差分析。重点分析系统的各种误差产生原因及减小或消除这些误差的算法。最后为结论。此小节为本论文的结束语，对本论文做一个总结。1 5本文完成的主要工作本文所作的主要工作是对分布式系统内时钟同步技术进行研究，设计并实现了煤矿微震监测定位系统中的时钟同步系统，包括此系统的硬件设计和软件设计。为了使得煤矿微震监测定位系统具有一个统一的时间基准，设计实现了基于n t p 协议的网络授时系统来同步系统内的时钟，并设计了算法缩小授时误差。该授时系统，授时精度小于l m s ，使得煤矿微震监测定位系统的定时误差小于5 m s ，定位误差小于3 0 m ，达到矿震定时定位精度要求，可以及时对大震与环境异常做出警报，起到预警作用。考虑到煤矿微震监测定位系统各监测台时间的同步性，必须有统一的同步参考基准，本文通过对各种网络校时协议进行了比较，综合考虑到各种协议的优缺点，最后选择n t p 时间协议，同时考虑到煤矿微震监测定位系统部分监测台位于地下数千米，根本无法接收到g p s 卫星信号的实际情况，我们将g p s 技术与n t p时间协议相结合，并采用n t p 的客户服务模式作为同步模式，不仅可以使局域网中各监测台微机时间同步，并且使其与世界协调时u t c 同步。辽宁工程技术大学硕士学位论文第二章g p s 技术分析g p s 是美国研制的第二代卫星导航系统，最初的目的是为美国军方提供军事服务。随着应用研究的发展，它逐步应用于民用导航、测量和勘探领域。2 1g p s 系统简介美国于1 9 6 7 年就着手研制g p s 卫星导航系统，经过试验研究，于1 9 7 3 年1 2月，美国国防部正式批准陆海空三军共同研制导航星全球定位系统，全称为“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a y i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mn a v s t a r g p s ) ，简称为“全球定位系统( g p s ) ”。g p s系统自1 9 7 3 年以来，经过三个研制阶段，耗时2 0 年，投资3 0 0 亿美元，于1 9 9 3年6 月基本建成，这是美国继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空间工程。g p s采用“多星、高轨、高频、测时一测距”体制，实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时导航定位。g p s 主要由三大部分组成：空间星座部分、地面监测部分和用户设备部分。图2 - ig p s 系统组成框图1 空间卫星星座：g p s 卫星星座由2 4 颗卫星组成，其中包括3 颗备用卫星。工作卫星分布在6 个等间隔的轨道面内，轨道高度约为2 0 1 8 3 公里，每个轨道面分布4 颗卫星，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。这样的布局，使同一观测站上空每天出现的卫星分布相同，只是每天提前约4 分钟，每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数最少为4 颗，最多可达1 1 颗，因此，保证了在地球上和近地空间的任一点，在任何时刻均可以同时观察到至少4蠹辽宁工程技术大学硕士学位论文颗卫星，以便于进行实时定位。由于g p s 系统是单向“测时一测距”体制，它的测距是通过测量卫星信号传播到地面站的单向时间延迟( g p s 时间) 来得到的，因此，g p s 必须配备有高精度的时间标准，每颗g p s 卫星上都有四个高精度的原子钟以保证g p s 时间系统的精密度，这表明g p s 系统不仅是高精度的定位系统，同时也是高精度的时间系统，这为我们用g p s 进行时间传递提供了依据。2 地面监测部分：g p s 地面监测系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。它们的任务是实时监测卫星的运行状况，编制卫星星历、卫星钟钟差改正参数、电离层和对流层延迟改正参数等，并由注入站发送给每颗卫星，再由卫星通过导航电文发送给用户，g p s 系统的高精度就是由地面监测系统来保证的。3 用户设备部分：用户设备主要包括主机、天线、数据处理部分等，用户设备接收卫星信号，从导航电文中提取卫星星历、卫星时钟改正等参数，完成实时定位或授时任务，由于本地接收机时钟相对于g p s 标准时的偏差可以通过观测卫星而解算得到，因此，对本地时钟的精密度要求大大的降低了，这就使我们可以以较低的费用而获得较高的时间传递精密度。g p s 卫星向地面发送两种载波信号厶( 频率为1 5 7 5 4 2 m h z ) 和厶( 频率为1 2 2 7 6 0 m h z ) ，在厶上调制有c a 码、p 码和导航电文，在l 上调制有p 码和导航电文，c a 码和p 码均是伪随机噪声码，它们具有良好的相关特性，正是利用这种特性，g p s 接收机可以测量出卫星信号到地面站的传播延迟，实现单向测距，这是g p s 实现精确定位和授时的基础；导航电文中包含有卫星星历( 卫星轨道参数) ，卫星时钟钟差改正参数，电离层和对流层延迟改正参数以及卫星的健康状况等信息，接收机解调出这些信息以确定选用哪颗卫星并修正伪距观测值，实现精确定位和授时。2 2g p $ 系统定位、授时基本原理g p s 可以同时提供定位和传递时间两项服务，实现精确定位和授时是g p s 系统的主要功能。2 2 1g p s 定位原理测量学中有距离交会确定点位的方法，与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位ag p s 的基本定位原理是：卫星不断地发送自己的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。下面作具体说明：辽宁工程技术大学硕士学位论文如图2 2 所示，每一颗卫星连续不断地向g p s 接收机发送可跟踪的唯编码序列，g p s 接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。其中伪距法是g p s 系统实时导航定位的基本方法，应用数学公式表示为：p = p + c ( d t d t ) + z 。+ 吐。( 2 一1 )式中：p 一接收机到卫星间的测量距批离；p 一接收机到卫星间的几何距离；c 一光速；西一卫星时钟与g p s 标准时间差；d t 一接收机时钟与g p s 标准时间差；d i o 一电离层时延而产生的距离偏差；一对流层时延而产生的距离偏差。因此，测出每颗可视g p s 卫星的导航信号从卫星到用户接收设各天线的传播时间，乘上电波传播速度，即可计算出卫星到用户天线之间的距离。测量传播时间要用到两个不同的时钟。第一个时钟在卫星上，记录信号发射时间；第二个时钟在接收机上，记录信号接收时间。这两个时钟彼此不同步，因而在时间的测量上存在着偏差，假定卫星都与g p s 标准时间同步，则时间偏差只决定于接收时钟。g p s 接收机就是根据这些信息去计算它与上空卫星的距离。卫星2卫星3b 卫星1、( x l ，y l ，z 1 )2 曼卫星4，d ( x 4 ，y 。，z 。)图2 2g p s 定位原理图一般情况下，g p s 接收机接收到一颗卫星的信号，便能确定出时间；若接收到三颗卫星的信号，便能确定出准确的二维信息( 经度和纬度) ；而接收到四颗g p s卫星的信号，便可实现三维定位( 经度、纬度和高度) 。因此，联立四个方程便可辽宁工程技术大学硕士学位论文求出结果，每个方程都可在三维空间内确定某颗卫星到用户的距离。这四个方程为：( x 1 一矗) + l y 。) + ( z 1 一z 。) = ( r 1 一c 口)式中：( x 2 一吒) + o 吃一儿) + ( z ：一乞) = ( 恐一q )( 恐一屯) + ( y 3 一y o ) + ( z 3 一气) = ( r 3 一c b )( x 4 一屯) + ( y 4 一儿) + ( z 4 一气) = ( r 4 一c j )足一伪距离x 。，y ，z ，一卫星位置( 卜一1 ，2 ，3 ，4 )x 。，y 。，z 。一禺产位置( 2 2 )( 2 - 3 )( 2 4 )( 2 5 )c 。用户时钟差由方程可知，要求出的参量是：伪距离，伪时间和卫星位置坐标。伪距离是接收机测得的到卫星的距离，伪时间是接收机时钟相对于卫星时钟的偏差量，卫星位置坐标则是根据控制部分测出并加在信号中的卫星天文数据推算出来的。接收机确定卫星到用户的距离方法是：调整机内产生的一个伪随机编码序列，使之与卫星发射的一个同样的序列相匹配；根据调整量的大小即可确定卫星的码序列到达接收机所需的时间：再根据此时间量和已知的信号速度即可求出卫星到用户离。伪距离计算公式如下：r 。= c t 。( 2 6 )式中：r ，= 伪距离( z = 1 ，2 ，3 ，4 ) ：c = 光速；t i = 信号从一个卫星到达接收机所需的时间( f = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。根据用户移动时测得的卫星载波频率的多普勒频移可以测出用户的移动速度利用这种方法可消除接收机与卫星时钟不同步所产生的测量误差。公式中的c 。是距离校准量。g p s 具体的定位方法有两种：单点定位和差分定位。差分g p s 定位也有很多种方式，如距离差分、伪距差分、相位载波差分等。其基本原理是两个或多个观测站同步观测相同的卫星，利用这些观测量的不同组合进行相对定位，从而提高定位精度。辽宁工程技术大学硕士学位论文2 2 2g p s 授时原理使用卫星传递标准时间信号为高精密时间同步提供了理想的手段。全球导航定位系统g p s 本身不但是一个精确定位系统，而且也能传递高精密时间信息。其民用c a 码的时间比对精度为0 1 p s ，与u t c ( 世界协调时) 的同步精度优于l p s 。g p s 时属于原予时系统，是g p s 系统建立的专用时间系统，由g p s 主控站的高精度原子钟授时，其秒长与u t c 的秒长相同。g p s 时是一种连续的计时系统，不含闰秒修正。g p s 是按单程测距原理建立起来的，即用户只需通过接收设备来接收卫星发射的信号，并测定信号传播的单程时间延迟或相位延迟，进而确定从观察点到g p s卫星之间的距离。所谓定位，就是在观察点通过接收若干颗卫星的信号，建立相应数量的距离方程，联立解出观察点( 用户) 所在位置对应的地球坐标。g p s 是利用时间来测量距离的，要准确地测定卫星至观察点的距离，就必须使卫星钟和用户接收时钟( 简称用户钟) 保持严格同步，但这通常是难以做到的。由于用户接收机配备的通常是晶体钟，这样卫星钟和用户钟之间存在同步偏差，因此测定的距离不再是实际的几何距离，故而称测量值为伪距。其伪距测量示意图如图2 - 3 所不。毹萨蚶t 潞rl奉g 髂对：。一一一一一麓曩钟瓣阎溺声铮蠢1 弼叫a t l 卜! 一磷：图2 3g p s 伪距测量不恿图图中各个符号意义如下：瓦一。：卫星发射信号时卫星钟的时间；t a e s 一。：卫星发射信号时对应的g p s 时时间；巧一。：用户接收机收到卫星信号的接收机时间；日堑! 三里茎查查堂堡主兰堡笙塞一。：用户接收机收到卫星信号时对应的g p s 时时间：a t , ：卫星钟与g p s 时之间的偏差：疋：用户接收机时钟与g p s 时之间的偏差。根据伪距的定义，可以得出卫星和用户接收机天线之间的伪距r 为：只= c ( 乃一。一t s 一。)( 2 7 )其中c 为光速。而卫星和接收机天线之间的真实距离也可以由以下公式得出：r o = c ( 7 一r z 赢一s ) 一c r ( 2 - 8 )其中n 为大气层引入的附加时延，可由导航电文求出。由于：珏= z 赢一s + a t ,( 2 - 9 )巧一r = 死m r + e( 2 1 0 )将式( 2 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 7 ) ，得到：r = c ( m r 一7 1 6 一s ) + c ( a t 2 一a t , )( 2 - 1 1 )再结合公式( 2 8 ) ，整理得到：r = r o + c r 4 + c ( e 一7 ；)( 2 1 2 )公式( 2 1 2 ) 称为伪距测量方程。假设用户接收机天线的在地球坐标系中的坐标为u ( x ，y , z ) ，卫星处在地球坐标系的坐标为s “，只，互) ，将( 2 一1 2 ) 整理得到：r = ( x x ，) 2 + ( y y ) 2 + ( z z ，) 2 + c r + c ( 瓦一五)( 2 1 3 )公式( 2 1 3 ) 中，卫星的位置坐标、以和正可以由导航电文给出，伪距r 也可以通过公式( 2 7 ) 求出，剩下的四个未知量分别为：接收机天线坐标( x , y ，= ) 和接收机时钟相对于g p s 的偏差l 。这样只要同时观察四颗卫星就可以联立四个方程，也就把用户的位置求解出来了。在求解用户位置的过程中，接收机时钟与g p s 时之间的偏差作为一个附加未知数被解算出来，这就是g p s 授时的基本原理。由于g p s 时与u t c 是一种相关的时间系统，其偏差已包括在导航电文中，因此，用户接收机给出的时间般都是同步到u t c 后的结果。辽宁工程技术大学硕士学位论文2 3g p s 系统卫星信号2 3 1 信号组成g p s 卫星信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，包含有三种信号分量：载波、测距码和数据码。时钟频率选用t 0 2 3 m h z ，利用频率综合器产生所需要的频率。g p s 使用l 波段，配有两种载频：l - 载波：厶= 1 5 4 x 五= 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长 = 1 9 0 3 c mlz 载波：兀2 = 1 2 0 x f 0 = 1 2 2 7 6 m 铉，波长五= 2 4 4 2 c m两载频之间间隔为3 4 7 8 2 m h z ，等于l 的2 8 3 。所以选择这两个载频，目的在于测出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。在厶载频上由数据流和两种伪随机码分别同相和正交方式进行调制，其信号结构：s l 。( f ) = a p 置( f ) d f ( t ) c o s ( c o z t + 1 ) + a c c f ( t ) d j ( f ) s i n ( o j 上| t + 办)( 2 1 4 )在厶载频上，只有p 码进行双相调制，其信号结构为：s 工( f ) = b ，置g ) d l ( t ) c o s ( c o l , t + 妒2 )( 2 一1 5 )式中：4 ，啡，4 分别为p 码和c a 码的振幅；e ( t ) 、c ，( f ) 分别为精码和粗码；d ，( f ) 为数据流；o a l 。、吼：为载波厶和三：的角频率；办、戎为信号的起始相位。大家知道，在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载频携带着有用的信号传送出去，到达用户接收机。g p s 卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，此技术称为p s k 。调制码的幅值只耿0 或1 。如果当码值取0 时，对应码状态取+ 1 ，而码值取1 时，对应的码状态为一1 ，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。当载与码状态+ 1 相乘时，其相位不变，而当与码状态一1 相乘时，其相位改变1 8 0 。所以当码值从0 变到1 或从l 变到0 时，都将使载波相位改变1 8 0 9 。这时载波信辽宁工程技术大学硕士学位论文号实现了调制码的相位调制。根据这一原理，g p s 中的三种信号将按图2 - 4 的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收的g p s 信号。从图上看出，卫星发射的所有信号分量都由同一基本频率五( a 点) 产生的，其中包括：载波厶( b 点) 、厶( c 点) 、粗测距码c a ( d 点) 、精测距码( f 点) 和数据码( g 点) 。经卫星发射天线( h 点) 发射出去，发射的信号分量包括：厶_ c a 码( j 点) 、厶一p 信号( k 点) 、厶一p 信号( l 点) 。以上介绍了g p s 卫星信号的产生和构成。下面几节将叙述其特征和详细结构。囝麓绷翩数瀑稳豢围翩潍纛图2 4g p s 卫星信号构成图2 3 2 扩频技术和相关接收根据国际无线电咨询委员会和国际电信联盟的规定，所有空间上的卫星信号在到达地面时产生的最大通量密度不得超过一1 5 4 d b w ，以适应空中太阳能供电的限制和避免对地面接收的相互干扰。为此g p s 信号的强度为：厶波段，对c a 码为一1 5 5 d b w对p 码为一1 5 8 d b w厶波段对p 码为一1 5 8 d b w这一信号强度是一种什么样的概念呢? 让我们举例说明。经测试，在我们周围环境中充满着各种各样的噪声，它的强度为一13 6 d b w 。这就是说，所有信号均堑室三塑垫查查兰堡圭兰垡望皇淹没在噪声之中。为了获取此微弱信号，所有通信、遥感、气象、海洋、军事、电视等等卫星工作站，均采用大型或超大型抛物面天线，接收其卫星信息并使其聚焦，以提高其信号的强度，使其大大超过环境噪声电平，然后按照通常的方法进行放大、变频、接收和处理。但是，在g p s 导航中，成千上万的用户在全球上任何地方应用着，不可能设想每一个用户都装配大型抛物面接收天线，必须设计出一种新型技术来解决这一问题。此外，在g p s 导航卫星中，所有2 4 颗卫星都使用相同的载频，因此无法像电视、广播电台和无线通信台那样，利用不同的频道接收所需信号。实际上是，同一个频道能同时接收能见到的4 8 颗卫星信号。这就是说，要采取措施区分开同时进入的卫星信号，这又是在g p s 接收机中必须解决的另一问题。这两个问题相互关联的，在g p s 中，采用了扩频调制和相关接收这两项新技术来解决这两个问题。一、扩频技术扩频技术实际上是一种相关接收的宽带技术。发射信号由数据码、伪随机码( 测距码) 调制的载波信号，因此发射信号的带宽远远大于数据码的带宽。此发射信号到达接收机以后，利用相关检测技术，将有用信号取出。由于在扩频调制时，己将信号和噪声的频谱同时扩宽，所以在接收机内进行相关，即利用窄带滤波器将干扰信号去掉。这一技术己经广泛应用于现代通信中，以完成信噪比远小于l时的微弱信号的接收。根据信息通信的香农公式，信息容量为：c = b l o g ：( 1 + ( 2 - 1 6 )式中，c 为信息容量，相当于信息速率( b i t s ) ，b 为信道带宽，n 为噪声功率，s 为信号功率。从式( 2 1 6 ) 看出，如果信噪比较高时( 大于1 ) ，带宽可以窄一些，仍然可以保持接收到足够的信息量。但是，如果噪声比远小于l 时，只有增加带宽，才能获得足够的信息容量。在g p s 中，扩频码，即由伪随机码构成的测距码，分为c h 码和p 码。这种伪随机码作为扩频信号具有很多的多址工作能力。g p s 利用不同码序的扩频信号实现对2 4 颗卫星的识别和跟踪。尽管2 4 颗卫星发射着同一种载频信号，但可以按不同的伪随机码加以识别。由扩频理论，我们知道，利用扩频技术可以提高系统的抗干扰能力。一般来说，地址码码长m 越长，处理增益，即接收机相关处理前后其信噪比值的改变量也就越大。对c a 码而言，周期为l m s ，码元宽度为l 芦，则处理增益为l x l 0 3 。这里主圭堡垫查奎堂堡主兰壁丝苎样，当接收c a 码信号时，信号强度由一15 5 d b w 增大到一1 2 5 d b w 。这一信号将高于环境噪声电平一个数量级，能保证g p s 信号的可靠接收。对p 码而言，码长为2 6 7 d ，码元宽度为o 1 i s ，其处理增益相当大，绝对保证信号接收的可靠性和精度。二、相关接收用户接收机在接收g p s 卫星扩频信号时，是利用改变本机伪随机码产生器的时序，使其与相应卫星的伪随机码的时序对准，此时即完成了对该卫星信号的跟踪和锁定。这一过程称为相关接收。这样，一方面将所需的信号恢复到原始窄带信号，另一方面将不相关的信号如各种干扰、外界噪声以及其它g p s 卫星信号等仍保持为扩展的宽带信号。此信号经滤波后，使有用信号通过，将无用信号滤去，大大提高了信噪比。为便于说明，现以c a 码调制l 。载波为例，说明其相关接收的数学过程。如上所述，6 p s 卫星信号是由数据码d ( t ) 和c a 码模2 相加，然后对l 。载频进行相移键控( p s k ) 调制的宽带频谱信号。s 1 0 ) = a o c 4 0 ) - d ( t ) s i n ( c o l t + 矿)( 2 1 7 )在接收天线端，除了接收有用的& 。( f ) 信号外，还存在着其它干扰信号，其形式为：踮( r ) = s “+ s 。( r ) 扣( r ) + ，( f )( 2 1 8 )j - 1式中，s 。( r ) 为其它几个暂不跟踪的g p s 信号称为邻站干扰，”0 ) 为噪声干t = l扰，j ( f ) 为其它干扰。在接收机内，本机伪随机码c a ( t ) 与接收到的信号相乘，即完成相关接收，c a ( t 1 c a ( t ) ；1 ，接收到的信号为：厂na o d ( t ) s i n ( w 。h 妒) + h ( f ) + 墨u ) + 拧( f ) + ，。( 讣c a ( t )( 2 1 9 )l1 = 1j从式( 2 1 9 ) 中可以看出，第一项为接收的有用信号，其中已不包括c a ( t )码，只有数据码d ( t ) 对载频的p s k 调制信号。式中后三项：邻站信号干扰、噪声干扰和其它干扰，因为与c a ( t ) 码相乘，仍是一宽带信号。利用带通滤波器可以将其滤掉。这一过程由延迟锁定环( d l l ) 或称码跟踪环完成的( 图2 5 ) ，称之为相关接收。辽宁工程技术大学硕士学位论文图2 5 码跟踪环( d l l ) 原理图由延迟锁定环输出的只是p s k 的调制信号，可利用载波跟踪环( p l l ，又称为c o s t a s 环) ( 图2 - 6 ) ，实现载波相位同步，从而解调出g p s 电文。f i n 枷图2 - 6 载频相位跟踪环( p l l ) 原理图本机振荡信号形成c o s ( o ) 。h - 丸) 和s i n ( c o 。t + # o ) t g 分别送到m 。和m ，。两组信号相乘后，得到：d ( t ) ( c o s o l t + 丸) c o s ( ( 0 1 t + 丸)= 1 d ( ，) c 。s ( 庐一九) + c o s2 ( m 。r + 庐一妒。) ( 2 2 0 )d ( t ) ( c o s ( a l t + 九) s i n ( 0 0 1 t + 九)辽宁工程技术大学硕士学位论文= 亡d ( f ) s i n ( 庐一妒o ) + s i n ( 2 c o l r + 妒一九) ( 2 2 1 )经过低通滤波器，滤去随时间变化项，并假定移= 庐一丸得到：二，d ( t ) c o s 0( 2 2 2 )妄d ( t ) s i n 0( 2 2 3 )将式( 2 - 2 2 ) 与式( 2 - 2 3 ) 在鉴相器上相乘，其输出为：圭d ( r ) c 。s 占三。( r ) s i n 臼= ；。2 ( r ) s i n 2 口( 2 - 2 4 )l1ql11lqqlb0 0 01111010110 010 0 0c111111010l0 0 0 010 0 0d万万玎t t 丌玎o 万0 丌o0 o0 丌00 0e丌丌00 丌07 000 丌0 丌