现代授时技术及其用途

1、现代授时技术及其用途-概述摘要：涵盖的内容1、基本的准备知识：单位制、频率基、标准器、频标比对方 法和测量技术。一些内容在“时间与频率测量”中学习，而针 对性的频标比对和时间测量等内容在本课程中讲。教材，根据情况不断重复和复习。:=处二量 技术（扩展）4、 重要的基础：时间同步、相位同步（同频、同相）相位群 同步。源端和用户端的区别，周期性（1pps）和非周期性的区 别、灵活性；相互间的相关性:关有授授时比对方法:-三重要性旗习的价值翊 定位、时间同步、电力故障检测、国防军工、航空航天等。注 意时-空关系。7、同步技术的扩展：频率准确度、稳定度的传递，例如在原子钟等量子频标中。8、授时、定位、

2、导航系统中的些关键技术：星载钟、时频8、授时、定位、导航系统中的些关键技术：星载钟、时频信号生成和保持、星-地、星间、地-地的同步监测等。9、最新的技术进展10、GPS10、GPS等全球定位系统11、11、方法、实验（理解）、和科研的关系。概述与其他物理量在量值传递等方面很大的不同，时间和频率信号的准确传递可 以借助于电磁波信号以无线的方法进行。这主要是因为光和电磁波信号传递速度 的高精度以及快速的原因。高精度传输的参考时间信号是官方的国际时间，协调世界时UTC ；高精度 传输的参考频率（时间间隔）信号是国际原子时TAI。它们都是由国际度量局BIPM 产生的。授时技术的目的是完成全部（全球）或

3、者局部的时间的一致。授时技术从最初主要是用于时间和频率标准器之间的准确比对及量值传递。 这常常表现为频率信号的校准和时间的同步等。而近年来它也更多地被用于导航 定位、通讯、大系统的管理和协调、电力传输中的故障检测等。另外，授时技术 的用途也更多的表现在导航和长度的精密测量及控制方面。经过了几年对本课程 的讲授，我们感觉到应该在更广义的范畴内把授时问题的内涵、相关知识、可应 用的领域以及针对不同情况时的灵活应用等交待的更明白。这样才能发挥它的功 能。用符号S表示电磁波传播的距离、V表示电磁波传播的速度、d表示传播延 迟，则d=-（1）V对于天波一般取V等于光速c；对于地波，根据大地导电率的不同，

4、V不等于光 速，要作相应的修正。此外，能否准确的计量出电磁波信号传播的实际距离也是 确定各种发播手段准确度高低的关键。从计量学的发展中，可以看到一条规律。也就是因为时间和频率量的高精度 和便于数字化处理等优点，对于其他量值的测量和处理从高精度的考虑就有向频 率或者时间量靠近的趋势。同样，又由于时间和频率量便于高精度传输的优点 其他量值，如电压等就很难通过这样的途径准确的传输），除了利用这种传输单 一地进行时间或者频率量的传递和比对外人们还千方百计地把可能转换或者以 时间量值为代表情）兄下实现其他对象的比对、统一等目的。所以在全球定位星系 统（GPS）发展的初期，就有人预测这个系统能够发挥的作用

5、的广度和深度将取决 于人们的想象力。如果说，在时间和频率领域授时技术主要的功能是完成时间的 同步和频率量值的一致，那末在更广泛的领域它将以时间、相位或者频率为纽带 实现不同的控制对象在大空间的统一。这里，最明显的例子就是电力系统的管理、 控制和故障检测；在通讯方面对于图像和文字资料的传输所需要的系统等。为了学习方便，我们先把本课程中的关键的缩写词汇列表如下：（有印象，不要求记；在许多文献中大量应用）BIPM: Bureau International des Poids et MesuresC/A 码：进入探测粗码（Coarse Acguisition of Clear Access）CRL:

6、 Communications Research Laboratory, TokyoCV: Common ViewDMA:Defense Mapping AgencyGPS: Global Positioning SystemIERS: International Earth Rotation ServiceITRF: IERS Terrestrial Reference FrameMJD: Modified Julian DayNIST: National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO.NBS: National Bur

7、eau of Standards （now NIST）NRC: National Research Council, Ottawa, CanadaNSWC:Naval Surface Warfare CenterOP: Observatorie de ParisP 码：保密精确码（Protested Precise）SA: Selective Availability of GPSTAI: International Atomic TimeTWSTFT:双向卫星时间和频率传输USNO: U.S. Naval Observatory, Washington, DC.UTC: Coordinate

8、d Universal TimeUTC（ i）: Coordinated Universal Time as realized by laboratoryVLBI: Very Long Base InterferometryWGS: World Geodetic System从原理上来看，任何能够传播信息的通讯手段和信号载体等都能够被用来进 行授时工作。只是从精度方面考虑，传输途径的准确和稳定会对于授时的精度起 到决定的作用。现在常用的远距离时间和频率的传输方法是，单向法、共视法和 双向法三种。所采用的服务手段有，英特网、电话线、地面设站的无线电广播（地 基）、以全球定位星系统（GPS）为代表

9、的卫星传输（天基）等。利用电磁波信号来传递标准频率和时间信号是方便、实用和高精度的。标准 时间频率发播信号按载频频率可以分为高频（如2.5MHz、5MHz ,10MHz ,15MHz、 20MHz等短波台），低频（如100kHz数量级的罗兰C导航台），甚低频（10一 20kHz等。导航台）和甚高频（如电视和卫星通讯）。既然是采用电磁波信号来传递标准频率和时间信号，就会存在传输过程中的 各种干扰的影响。这里包括不同的电离层、对流层等。因为不同频段电磁波的传播特性不同，所以能够获得的比对精度也就不同。 而且信号的覆盖范围和可利用的时间也不同。因此要根据需要加以选择。从下面 的表1中，我们可以对于各

10、种传递方法的状况作一个了解。表1各种方法的优、缺点比较传递方法频率达到 的准确度时间达 到的准 确度达到所述准确度的有效距离利用时 间费用同时 服务 用户 数主要优缺点HF/MF （高频/ 中频）（每日）罗 兰一A导航系统1 X 10 -11 1 X 10-75 X10 -111ms2.5 3在各发播 台作用区 内全日低广大受电离层影响大， 准确度低，有时互 相干扰VLF（甚低频）（每 日）奥梅迦导航系 统1 X 10-115 x 10 -11100 Ms 2ms全球全日高广大主要用于频率测 量，准确度不高LF （低频）罗兰 -C导航系统（每 日）1 X 10-111 X 10 -12（地波）

11、天波50 Ms 地波 1 Ms北半球全日高广大需建很多台、链才 能覆盖较大区域， 费用高，受传播条 件影响，准确度很 难进步提高微波1 X 10-13100ns小局部区 域根据需 要中等少只能点对点传递， 短距离使用甚长基波干扰技 术5 X 10-141ns可达全球全日高少费时、费钱、设备 复杂搬运钟10-131ns可达全球根据需 要高少使用不便、费时、 费钱，高准确度时 费用急速增多电视彩色副载波4 X10-12电视网作用范围之 内限于电 视广播 时间低多局限于电视网作用 区，要达到高准确 度只能在同一电视 发射台作用区内无源同步1X10-11110 M s卫星单向法10 50ns全球全日低

12、广大双向法GPS全球定 位系统1 X 10-1410nsLASSO激光 1 X 10-141ns可见卫星 区域Shuttle 航天飞机 1 X 10-141ns近年来，由于各种技术的进步，尤其是利用卫星手段的授时和校频、定位技术的发展，上述状况有了一些变化。入下表2所示。表2时频传递精度等的比较类型时间精度时间稳定度频率精度（24小时）注释英特网50ms -1s20ms210 7方便电话线ACTS5ms -1s2- 200ms610占慢于英特网高频无线电2 -200ms2ms210 8用户少低频无线电WWVB0.5 -20ms1 s110用户产品低频无线电LORAN1 s100ns110 2最

13、好的低频GPS单向（无SA）10 -40ns2 -7ns210 M最简单的GPSGPS CV1 -10ns1 2ns110 14最好的GPSTWSTFT1 -5ns0.1 -2ns0.1-110 M昂贵的GPS载波相位0.1ns110 15不能提供时间ACTS -自动计算机时间服务授时和校频的应用是为了不同地方的时钟或者频率源保持频率或者时间上 的一致。这种保持能力和这些时钟或者频率源本身的指标相关的。时钟本振源的 准确度越高，则它的守时能力越好。不同本振源的守时能力如下表3所示。表3不同本振源的守时能力本振源老化率/最低准确度变化1ms需用时 间频率同步网 PRC/LPR2x10-12（骨干

14、网工程指 标）约16年G.811规定的1级 时钟1x10-11（最低准确度）约3.2年铷原子钟5x10-11（月）约7.5月高稳晶体振荡器1x10-9（天）约 11.5天温补晶体振荡器1x10-7（天）约2.8小时般晶体振荡器1x10-5（天）约100秒频率源指标和同步处理技术之间的互补等关系。目前，这种不同的本振源可以按照要求用于电力系统的故障点的找寻系统 中。而守时的精度直接关系到对故障点的距离的判断精度。从1毫秒到1微秒的 精度作用和影响。为了完成远距离的授时和校频，除了关注信号的传输途径、设备和方法外（在 通讯课程中），还应该关注时间和频率信号之间的高精度比对方法。所以，各种 时间比对

15、技术，如直接时间间隔测量、模拟方式的时间和频率标准的比对技术、 各种频标和时间标准的比对倍增技术等。在比对包括传输在内的总的误差链中， 时间和频率信号之间的高精度比对方法的误差所占的比重是很大的。作为标准的时间和频率信号的发播源，目前主要分为以地面上的发播基地的 陆基的方法以及以卫星上的发播基地的星基的方法。陆基的方法发播的常常是电 视、短波、长波、超长波（甚低频）信号，他们除了用地面的无线电广播仍然是 时频服务的手段。它们是在单向法的基础上进行工作的。目前常用的高频时码和 语音的频率传递精度可以为1X10-8，在确知位置时的时间服务精度为几ms；用 低频时码的LORAN 100 kHz，经过

16、距离校正可以有1 Rs的准确度和100ns的精 密度，经过24小时的比对频率准确度能够优于1x 10一 12。利用GPS系统进行时间和频率服务是高精度而且很方便的手段。它之所以 能够具有很高的时间服务精度和相当强的定位导航功能，不但是因为卫星上所具 有的高精度的星载原子频标，而且还是由于相当庞大的地面的频率基准、测量比 对、数据采集和处理系统、通讯系统等。除了可以使用单向法和共视法之外，利 用GPS载波相位也能够获得很高的时频传递精度。这种方法目前主要还在实验 阶段，用它也只能进行时间间隔（频率）服务，而不是时间服务。任何一种授时系统都包括了时间和频率基、标准的保持、标准信号搭载在可 传输的信

17、号上的处理、可传输的信号的发播、信号的传输通道、对该信号的接收 和处理部分、本地信号和接收到的信号的比对和控制。GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三大部分组成，如图所示。 空间部分为GPS卫星星座，由24颗GPS导航星组成，均匀配置在6个轨道平面 上（图10-17所示）这些卫星发播的信号能覆盖全球各个角落。GPS卫星采用 的是高度为20183km的圆形高轨动地卫星体制，其轨道周期为11h58min,即一昼 夜绕地球两圈。这样的设计目的在于保证全球任何地方的用户能在任何时刻观测 到58颗GPS卫星，从而保证全球任何地方任何时刻都能利用GPS卫星实现三 维导航定位与精密的时间测量。地面测

18、控部分由五个地面监测站、数据注入站和 一个主控站组成。主控站昼夜不停地自动分析处理来自个监测站地数据，并导 出各项修正数据，然后把这些修正数据传送到数 据注入站，由注入站再把修正数据分别发送递给相应的卫星。用户设备主要是各 类GPS接收机及其他必要的辅助设备（如GPS信号模拟器）。GPS信号具有全球 覆盖、全天候工作、昼夜连续而实时地为无限多的用户提供高精度七维信息（三 维位置、三位速度、和精密时间）的能力。一般说来，GPS的实时导航定位精度 颗优于10m ；大地测量事后处理地定位精度可达毫米量级；测速精度可优于 0.01m/s;时间传递或时间同步精度可达1ns（1*10-s）。GPS技术极其

19、复杂，它是在当代许多高技术成熟应用地基础上发展起来的， 其中包括可靠的长寿命空间技术、高性能星载原子钟技术、精密星历位置跟踪、 测定和预报技术、扩频码（伪随机噪声码）以及大规模集成微电子技术等。图GPS系统的组成作为例子解释：各部分的关系和作用；钟在各部分的广泛存在和作用；时 间和空间的关系和表现。授时技术的应用近年来越来越广泛。这往往取决于人们的想象力以及把不同 的对象和时间关系的联系。从原理上来分析，脱离传播手段依靠各地的频率源自身的高稳定性也能够在 一定的时间内保证它们之间在时间上的同步关系。作为这部分内容的基础，我们在“时间与频率测量”部分已经先后介绍了时 间单位制、标准频率源（原子频标以及晶体振荡器）、频率标准的技术指标表征、 频率与时间测量、频标比对技术、频标比对与时频测量设备中的一些典型电路等 一系列