時間作為測量精度最高的基本物理單位,在社會經(jīng)濟(jì)、國防安全和科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著日益重要的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時具備范圍廣、成本低、精度高等特點,得到了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)的時間同步對于涉及國家經(jīng)濟(jì)社會安全的諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要,通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、金融系統(tǒng)的有效運行都依賴于高精度時間同步。在移動通信中需要精密授時以確?;镜耐竭\行,電力網(wǎng)為有效傳輸和分配電力,對時間和頻率提出了嚴(yán)格的要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時服務(wù)可有效應(yīng)用于通信、電力和金融系統(tǒng),確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
北斗標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)可實現(xiàn)10-20納秒的授時精度,但新一代移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、分布式觀測、計量檢測等領(lǐng)域?qū)r間提出了納秒甚至亞納秒級精度需求。北斗三號(bds-3)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),除提供基本導(dǎo)航定位授時服務(wù)外,還集成了星基增強(qiáng)、ppp-b2b精密單點定位功能,實現(xiàn)了短報文通信及國際搜救等服務(wù)。其中,ppp-b2b服務(wù)信息通過三顆GEO衛(wèi)星的ppp-b2b信號向中國及周邊地區(qū)播發(fā)。用戶站通過接收相對于廣播星歷的軌道、鐘差、碼間偏差等改正數(shù)信息,恢復(fù)出高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品,可實現(xiàn)實時高精度導(dǎo)航定位。
截止到2020年,北斗衛(wèi)星三代系統(tǒng)已經(jīng)建成,北斗授時精度和GPS授時精度相當(dāng),在很多國家重要行業(yè)都開始選擇用自己的北斗衛(wèi)星授時或者是GPS北斗雙模授時方案,這樣不僅保證了授時的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,還保證了在特殊時期,衛(wèi)星授時不被別人停用干擾。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時裝置授時原理
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時裝置授時包括單向授時和雙向授時兩種,雙向授時為授權(quán)服務(wù)裝置均為單向授時,即由接收機(jī)自主計算完成授時,其原理如下:衛(wèi)星坐標(biāo)和衛(wèi)星鐘差可根據(jù)廣播星歷 計算得出,電離層延遲 可通過雙頻削弱至厘米級,對流層延遲也可改正精確至厘米級,地球自轉(zhuǎn)和相對論效應(yīng)可精確地根據(jù)公式計算。如果接收點坐標(biāo)已知,未知數(shù)只有接收機(jī)鐘差,只需一個衛(wèi)星即可計算出接收機(jī)鐘差;如果 接收機(jī)坐標(biāo)未知,則需至少4顆衛(wèi)星,然后釆用最小二乘法計算出接收機(jī)坐標(biāo)和鐘差。接收機(jī)根據(jù)計算出的接收機(jī)鐘差,修正其時間至精確的UTC時, 并準(zhǔn)確地輸出1PPS脈沖信號,供用戶使用。
從上述授時原理可知,授時精度是衛(wèi)星的軌道 (即衛(wèi)星坐標(biāo))、衛(wèi)星鐘差、偽距、電離層延遲、對流層延遲等這些主要影響因素精度的綜合。分析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時裝置授時精度,首先需要分析各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合因素分別對時間精度的影響。
1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時裝置的授時精度受廣播星歷和衛(wèi)星鐘差精度影響
利用原子不受壓力和溫度影響的固定頻率振蕩的原理制成的原子鐘具有很高的精度,如石英鐘、 銣原子鐘、氫原子鐘等。導(dǎo)航衛(wèi)星一般搭載的是高精度的錨原子鐘和氫 原子鐘,非常穩(wěn)定。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時裝置授時接收的是廣播星歷, 通過廣播星歷提供的GPS衛(wèi)星鐘差精度在5ns左右。
2.電離層、對流層等對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時裝置的授時精度影響
電離層與對流層影響與衛(wèi)星高度角有關(guān),對流層影響在高度角10度以上可達(dá)到20多米,電離層在高度角10度以上可超過50米。對于雙頻接收機(jī),可釆用雙頻消電離層組合消除電離層影響,消除后的電離層參差僅為厘米級;對流層可采用模型精確改正至厘米級;地球自傳改正后的殘差也僅為厘米級;相對論效應(yīng)可通過公式改正至忽略不計。 故通過雙頻消電離層、改正對流層、地球自傳、相對論效應(yīng)后的的距離殘差應(yīng)為0.1m左右,換算至?xí)r間約為0.333ns,可忽略不計。對于單頻接收機(jī),由于不能消除電層,通過模型改正可以改正到60%。如果以電離層延遲40m算,改正后的電離層殘差為16m,化歸至?xí)r間則為53.370ns。對于亞微秒級別授時精度的用戶可采用單頻BDS授時裝置接收機(jī)。
3.BDS授時裝置的授時精度受偽距精度影響
由授時原理可知,影響授時精度的還有偽距F。偽距是通過C/A碼或P碼產(chǎn)生,以GPS為例,C/A碼 元寬度對應(yīng)的距離293.052m,倘若接收機(jī)測距精度為一個碼元的1/100,則測距精度為2.930m,P碼 的精度可達(dá)0.290mMo在實際測量中,偽距會受到噪聲的影響。通過上述分析,可以得出以下結(jié)論:第一, 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時的前提首先是定位,只有準(zhǔn)確地知道接收機(jī)的坐標(biāo),才能完成授時。第二,對于雙頻GNSS 接收機(jī),授時裝置的授時精度主要受衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、偽距測量精度的影響。對于山溝、有遮擋的一些地方,由于單系統(tǒng)授時可見衛(wèi)星少,不能計算接收機(jī)坐標(biāo),可采用GNSS多系統(tǒng)授時,增加可視衛(wèi)星數(shù)量,以加快授時速度。
產(chǎn)品特點:
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