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时频科学
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卫星授时原理

 

授时技术在军事、科技和经济生活等领域中都有广泛应用。该技术主要完成两方面的工作:第一,精确确定用户时钟相对于标准时间的偏差;第二,在两个或两个以上的不同地点实现时钟同步(称时钟或时间比对)。

协调世界时UTC为全世界用户提供了一个时间同步基准。卫星导航系统都有自己的系统时间,该时间均与UTC时间进行比对,卫星导航系统的时间与UTC时间的差值一般保持在一定范围内。如北斗时BDT与UTC的钟差保持在100ns以内(模1 s)。导航电文中发布本系统时间与UTC时间的差值,因此用户通过接收导航卫星信号,恢复出导航系统时间,就可以恢复出UTC时间。事实上,卫星导航系统已成为UTC时间的主要传播手段。

卫星授时就是利用卫星作为时间基准源或转发中介,通过接收卫星信号和进行时延补偿的方法,在本地恢复出原始时间的这一过程。根据工作原理,卫星授时分为RNSS授时和RDSS授时两种方式。

 

卫星如载有高精度时间源,其导航信号根据该时间源产生,用户通过接收多颗卫星信号实现伪距测量及定位解算,从而实现自身的时间同步,这种定位或授时方式称为RNSS定位或授时,如GPS、GALILEO和目前正在建设的北斗卫星导航系统;RNSS授时又分为定位定时和位置保持定时两种方式,定位定时是指用户实现定位解算时实现时间同步;位置保持定时是指用户在位置不变情况下,只需接收到1至2颗卫星即可实现维持给定精度的定时。

如卫星本身没有高精度时间源,通过接收地面站的信号再进行延时确定的转发,该过程称为RDSS授时或转发式授时,如CAPS、北斗卫星导航实验系统等。

 

RDSS授时有两种方式:一种为双向授时,在该种方式中,用户需向卫星发送请求,再接收卫星应答信息;另一种为单向授时,用户仅接收卫星下行信号,这种方式适于低动态用户。单向授时模式下,用户需要获得自身的精确位置。目前常用的有两种方法:一种为利用GPS辅助定位,将定位结果进行坐标转换后输入接收机;另一种方法为利用高程辅助定位,由于目前已有三颗RDSS卫星,将高程作为虚拟的第四颗星,则通过解定位方程可实现定位。

在RDSS授时中,由于RDSS导航电文中包含的为一分钟更新一次的卫星位置,因此卫星位置的计算一般通过插补拟合的方式获得。