全球导航卫星系统的授时原理与实现

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1、本科毕业设计题目全球导航卫星系统的授时原理与实现学生姓名：张保全专业：电子信息工程（本一）扌旨导教师:袁红林完成日期：2015年5月29日原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）学生签名：指导教师签名：

2、日期：摘要时间是个基本物理量，是四维时空中的第四维。随着电子信息时代的到来，各行各业都依赖高精度标准时间，因此获得高精度的时间就显得极为重要。授时是指确定、保持某种时间尺度，并通过有线或者无线的方式将代表这种尺度的标准时间信息发送或者转发给用户的一系列过程。授时的方法有很多，但是在各种授时方法中，卫星授时由于覆盖范围广、精度高、全天候和通用性强等诸多优点而得到广泛应用。本文对导航卫星授时的原理与实现进行研究。首先简要介绍了国内外导航卫星系统的发展状况和时间参考标准，然后在此基础上研究了导航卫星系统的定位与授时原理，接着分析了授时过程中的主要误差来源，最后采用TD3020T模块等软硬件实现了基于

3、北斗二代卫星的微秒级授时系统。关键词：卫星授时；导航卫星系统；TD3020TABSTRACTTimeisabasicphysicalquantity,anditisthefourthdimensioninfour-dimensionalspace-time.Withthearrivaloftheageofelectronicinformation,allindustriesdependentonhighaccuracystandardtime,soobtaininghighaccuracytimeisveryimportant.Timingistheprocessofdeterminingan

4、dmaintainingacertaintimestandard,andsendingorforwardingittotheuserthroughwiredorwirelessmeanswhichrepresentthestandardtimeinformation.Therearemanywaystotiming,butsatellitetimingiswidelyusedbecauseofhavingwidecoverage,highprecision,all-weatherversatilityandmanyotheradvantagesinallkindsoftimingmethods

5、.Theprincipleofsatellitetimingandimplementationareresearchedinthispaper.Firstly,thispaperbrieflyintroducesthecurrentdevelopmentstatusofdomesticandforeignnavigationsatellitesystemsandtimereferencestandard;secondly,withtheabovebase,theprinciplesofpositioningandtimingofnavigationsatellitesystemareresea

6、rched;thirdly,weanalyzethemainerrorsourcesintheprocessofsatellitetiming;finally,amicrosecondgradesatellitetimingsystembasedonBaidousecond-generationusingTD3020Tmoduleandothersoftwareandhardwarewasachieved.Keywords：Satellitetiming,Navigationsatellitesystem,TD3020T目录摘要.ABSTRACTII第一章绪论1.1.1课题背景及研究意义1.1

7、.2授时技术的发展现状1.1.3论文结构与内容3.第二章导航卫星系统与时间标准4.2.1全球导航卫星系统概述4.2.1.1全球定位系统GPS4.2.1.2北斗导航卫星系统5.2.1.3其它导航卫星系统6.2.2时间标准与时间参考系7.2.2.1时间与频率7.2.2.2时间参考系8.2.2.3时间同步技术9.第三章卫星授时原理1.13.1卫星授时简介1.13.2伪距测量定位与授时113.3直发式授时.133.4转发式授时.133.5卫星授时的误差分析153.5.1卫星相关误差1.53.5.2信号传播延迟1.53.5.3接收机内部误差16第四章卫星授时系统的实现174.1TD3020T模块简介17

8、4.2基于北斗二代的卫星授时系统实现1.9第五章总结与展望245.1论文总结245.2课题展望24参考文献25致谢26.第一章绪论1.1课题背景及研究意义时间作为基本物理量，其标准和计量精度在全部物理量中是要求最高的。在人们日常生活、科学实验、工程技术、国防安全、金融证券等领域都有着关键性的作用。时间是四维时空（x,y,乙t）中的第四维，卫星定位是获取空间坐标（x,y,z）信息。而授时是获取时间坐标信息，将时间信息以有线或者无线方式从时间源转发给用户的过程。合格的导航卫星系统应当是个高精度星基四维（x,y,乙t）信息源，必须要既能提供定位服务，又能提供授时服务，才能满足人类对其的需要。授时在通

9、信、航天、导航、金融等方便发挥着非常重要的作用。时间不仅与人们日常生活密切相关，而且还是科学研究和工程技术中极其重要的基本物理量，为系统定性定量研究提供了不可或缺的基于时间的坐标。当今信息时代，对标准时间的精确度要求是非常之高的。人们把利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授时，其目的就是为别的设备或系统提供标准时间信息。从古至今人们在不断地探索获取时间的新方法，随着各国对授时技术的不断研究，授时精度也越来越高，卫星授时技术由于其众多的优点成为研究的热点。信息社会对高精度标准时间的要求十分迫切，时间精度要求达到纳秒级甚至更小，随着信息技术的快速发展，时间计量的精度也不断提高。而精确定时技术的实

10、现需要授时原理来支撑，所以研究授时技术是刻不容缓的大事。授时技术是科学研究和工程实践中发展起来的新技术，在各领域中的应用越来越广泛。卫星授时技术的出现，使大面积的用户获得高精度标准时间信息成为现实。卫星授时具有覆盖范围广、开放性强还可为移动用户服务等特点3，正是由于这些优点，卫星授时成为目前最常用的授时方式之一。本论文主要对全球导航卫星系统授时原理进行了研究，并以仿真实验来实现。1.2授时技术的发展现状时间一直是个神秘的概念，随着历史的发展和科学技术的进步，人类对时间的认识逐步深入，计时的手段越来越多样，对时间精度的要求越来越苛刻。在历史各个时期，人们利用当时所能达到的最高技术进行授时。古时候

11、的人们“日出而作日落而息”，时间精度只达到“日”这个级别，后来发明了日晷、沙漏等计时设备，使得时间测量精度有所提高。图1.1粗略给出不同历史时期的授时方法及授时精度。小时秒睫秒百纳秒十纳仔納稅谁报时TWU液技时十七世纪十八世纪十九世纪二十世圮低频时码昭时|电话、专馬网络授时nternetiS授片栓波授时卫星授时二十一世靶图1.1授时方法的发展21世纪是信息时代，人们对时间的精度和实时性要求非常之高。无线电技术的出现，为授时方法的发展带来了划时代的变化，许多信息传播手段都可以用来进行授时。现今授时方式多种多样，授时精度高低不一，总的说来可大致分为陆基和星基两大类，陆基授时系统的发射站位于地面，一

12、般覆盖范围小，精度在1ms1血，比如网络授时。星基授时主要是基于导航卫星系统的卫星授时，这种授时方法覆盖范围广，实现精度较高。目前，主要有这几种授时方法：一是传统授时方式，现在已经很少用了，比如打更报时；二是利用通信通道，比如用于互联网时间同步的网络时间协议(NTP,NetworkTimeProtocol);三是利用卫星授时，这是一种很优秀的被广泛使用的授时方式，不仅精度高而且可以实现全球范围内的精确授时。目前世界上有几套导航卫星系统可供选择，如美国的全球定位系统GPS，俄罗斯的全球导航系统GLONASS，欧盟的伽利略导航卫星系统Galileo，以及我国自行研制的北斗导航卫星系统。自1957年

13、首颗人造卫星成功发射以来，人类便想用卫星来授时。20世纪末，随着GPS、“北斗”、GLONASS卫星系统的建成，这些卫星系统不仅实现了导航定位功能，而且迎来了卫星授时的新时代。卫星授时技术是新型的授时技术，信号能够全方位大面积的覆盖，精确度比其它授时方法高，导航电文信息丰富，经过多年的发展市场应用已经成熟，再加上我国北斗导航系统的加入，应用前景一片明朗。因此，卫星授时技术成为最受欢迎的时间同步手段。13论文结构与内容本篇论文对卫星授时进行了初步的研究和实验。课题的设计要求是：研究卫星授时原理，最终通过TD3020T模块等软硬件实现基于北斗二代的卫星授时系统。本文正文部分分为五章，各章的主要内容

14、如下：第一章为绪论，首先介绍了论文的课题背景及其研究意义，接着概述了授时技术的发展现状，最后介绍了本文的内容结构安排。第二章对目前比较常用的导航卫星系统做了简要的介绍，然后对时间参考标准进行了概述。第三章对卫星授时的原理进行了比较基础的阐述。第四章采用TD3020T模块等软硬件实现了基于北斗二代的卫星授时系统。第五章为总结与展望。对所做的研究工作进行了总结，并且对卫星授时的未来发展前景进行了展望。第二章导航卫星系统与时间标准2.1全球导航卫星系统概述导航卫星系统作为拓展人类实践、促进社会发展的空间基础设施之一，基本作用是向各类用户和平台提供实时、准确、连续的位置、速度和时间信息。卫星导航正在使

15、世界各国政治、经济、军事、科技、文化发生划时代的变革。当今世界，全球性导航卫星系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国自主研发的北斗导航系统等。其中GPS最为成熟并得到广泛应用，“北斗”则具有中国自主知识产权。2.1.1全球定位系统GPSGPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称。GPS是美国建成的卫星定位系统，可以向全球范围内的海、路、空用户全方位、全时段提供高精度的导航、定位和授时服务。GPS就像Internet一样，都最初源自于美国军方项目，起初完全军用，后来在这基础上建设发展为军民两用。1994年，全球普遍覆盖的G

16、PS卫星系统竣工，是世界上第一个全球导航卫星系统。GPS导航卫星系统主要由空间部分、地面控制系统和用户设备共三部分组成。空间部分空间部分由24颗在轨卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，都已布设完成，这24颗卫星分6条轨道围绕在地球上空，每条轨道上有4颗卫星9。卫星这样分布的目的是使得在全球范围内，无论何时何地都能观测到4颗及以上的卫星，收到这些卫星的导航电文。GPS是军民两用系统，提供两个等级的服务，即为军事用户提供L1、L2双频P码测距的授时精度的精密定位服务，也为其他用户提供L1单频C/A码测距定位服务。地面控制系统地面控制系统是整个导航系统的控制中心，可以根据实际需要控制系统

17、中所有卫星，由主控制站、监测站和地面控制站所组成。监测站获取视野内的全部卫星的相关数据，计算整理后送至主控站处理。位于美国的主控制站将各监测站收集到的数据计算处理后把结果送到地面控制站。地面控制站收集卫星传回的信息，可以计算出卫星的天文历、时钟漂移和传播时延，最后经过卫星以导航电文的形式发送给终端用户。用户设备部分用户设备部分也就是GPS信号接收机，用于接收GPS卫星发射的导航电文。用户设备能捕获跟踪卫星信号，获取必要的导航和定位信息。当接收机捕获到卫星信号时，测量出伪距等数据，据此进行定位解算，计算出用户的地理坐标和时间信息，完成定位和授时工作。接收机正朝着小型化、轻量化、便携化发展，对卫星

18、授时的发展有着功不可没的作用。GPS系统具有以下特点：全球性、全天候：系统可以为全球范围内的用户提供不间断的实时的导航定位授时服务，而且无论天气情况如何都能照常提供服务。定位精度高：定位精度可以达到米，好的情况下甚至可以达到厘米，是目前授时技术中精确度最高的。功能多、应用广：GPS在勘测、导航、定位、授时等领域都有用处，而且还在进一步扩大，譬如车辆道路导航，地壳运动监测，海平面升降监测等。近年来，美国政府逐步放开了对GPS民用的限制，定位精度和授时精度从而得到提高，增强了GPS在导航卫星市场中的竞争力10。2.1.2北斗导航卫星系统有着五千年文化历史的中国，是世界上最早使用导航装置一一司南的国

19、家，四大发明之一就是指南针，对人类时代的进步意义重大。而如今，国际上风云变幻，国内对“中国的GPS”呼声极高。于是，作为一个泱泱大国，中国应该而且必须建立自己的导航卫星系统，这对中国的发展和世界的和平至关重要，不仅关系到工程建设、科学研究等领域，还关系到国家安全。所以，必须建立中国自己的导航卫星系统，这也是关键的国家基础设施之一，科学研究、工程建设、电信、金融和数字化中国的实现需要它的支持。2000年，中国建成“北斗”导航卫星试验系统，使中国成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后世界上第三个能够自主研制并布设导航卫星系统的国家。2012年，“北斗”导航卫星系统正式向中国及周边地区提供服务。

20、再过不到十年，“北斗”将向全球范围内的用户提供导航定位授时服务，届时“北斗”导航卫星系统将成为中国对世界的又一伟大北斗导航卫星系统是完全由中国自主研发与独立运行的全球性导航卫星系统。北斗导航系统作为国家战略性新兴产业在涉及到中国的国家安全时，其诸多优点可以突显出来。北斗卫星系统可以为中国及周边国家提供导航定位授时以及短报文通信服务，满足一般民用的需求。用户需要定位时，向卫星发送定位请求，经过一系列复杂过程最终得到用户的三维坐标。在中国的一些偏远通信不便的山区具有明显的优势。北斗导航系统由同步卫星、地面控制中心和用户终端三大部分组成：地球同步卫星负责地面控制中心和用户终端的中继服务；地面控制中心

21、主要负责无线电信号的收发及整个系统的控制；用户终端主要是接收机，用于接收地面控制中心经卫星转发的卫星信号。北斗卫星系统主要功能：定位功能，授时功能，短报文通信功能。定位功能为用户提供三维坐标信息，确定用户地理位置。目前定位精度比不上应用成熟的GPS,定位精度大约在15米。但是北斗导航系统和GPS系统具有兼容性，两者可以结合使用，这样可以大幅度提高定位精度。授时功能除了定位以外，北斗卫星系统还可以提供授时功能，北斗卫星授时是一种转发式授时，进一步还可分为单向授时和双向授时，其中双向授时精度更高。短报文通信功能北斗导航系统可以提供用户之间，用户和地面控制中心的短报文通信，这一功能是北斗系统独创的，

22、其他导航系统所不具备的。随着中国的综合国力的增强和科学技术的快速发展，有更多的资金和技术建设和发展北斗导航系统，北斗也将满足科学研究、国民经济、工程建设等方面的需求，除此之外还可以增强综合国力，维护国家安全，和其他导航系统一起共同促进全球导航卫星事业的发展，为全球用户提供高精度、高性能的导航定位授时服务。2.1.3其它导航卫星系统俄罗斯GLONASS导航系统于20世纪90年代中叶完成卫星组网，由空间段、控制段和用户段组成。GLONASS卫星轨道离地面的高度与GPS卫星不同，避免了两个星座相互影响。虽然GLONASS导航精度次于GPS,但是没有SA干扰，故民用精度优于GPS。目前，GLONASS

23、正处于现代化改造和恢复阶段，不能单独组网运行，需要与GPS联合使用。欧洲的导航系统Galileo是以意大利伟大科学家伽利略命名的导航卫星系统，以纪念这位伟大的科学家。上世纪末由欧洲的一些国家出于某种考虑（主要是政治经济）而正式推出的，2008年投入运行。Galileo是一种区域加强型全球导航系统，首先满足欧洲需求，定位精度可达几米。伽利略卫星系统是世界上首个完全出于民用目的建设的全球性导航卫星系统，这也是Galileo系统的与众不同之处。上面介绍的导航卫星系统中，GPS建成时间最长，服务最为成熟，信号比较稳定，能够实现全球覆盖，用户产品种类丰富，产业链成熟，是用户数量最多的。单从精确度考虑，在

24、已经投入的导航卫星系统中，GPS无论是在定位还是授时方面精确度都是最咼的。只是GPS从设计之初就为美国军方所用，万一有一天美国因为军用目的削弱民用，虽然这只是假设，但在一定程度上说明了GPS在民用领域仍然存在诸多问题。结合现今全球导航系统的发展需求和各国的实际情况，世界上多套全球导航卫星系统将长期共存，既相互补充又相互制约，共同促进导航事业的发展。我国自主建设的北斗导航卫星系统也正在逐步发展与成熟，中国也在全球导航系统中有了话语权。2.2时间标准与时间参考系时间是用来描述物质运动过程或事件持续过程的一个标量，时间是国际标准单位制SI中的7个基本物理量之一，单位为秒（s），是四维时空坐标的第四维

25、，是物质存在和运动的基本形式之一。通常意义上我们所说的时间有两种不同的含义：一种是指“时刻”，表示某个事件于何时发生，是时间坐标上的一个点；另一种是指“时间间隔”，表示某个事件持续的时间长短，是时间坐标上的一条线。2.2.1时间与频率无论是日出日落、四季更替，还是天体运动或原子跃迁，都有着相对稳定的周期，如果我们把一个个周期积累起来，这样的话就可以得到“时间间隔”了，假如再规定好一个时间的起始点这样就可以得到时刻了。时间标准的前提和基础是频率标准，频率标准是时间统一系统的核心，要得到准确的时间标准必须要有稳定可靠的高精度频率标准。频率是周期的倒数，定义为在单位时间（1秒）周期变化的次数，它的单

26、位是赫兹（Hz），国际单位制SI中赫兹是时间单位秒的导出单位，量纲为T-1。如果在一段时间T内周期性变化了N次，则频率可以由表达式f二半计算得出。由于周期和频率是倒数关系，所以可以对频率测量然后求出周期，也就是时间间隔，这是最常见的计时方法之一。频率标准源是指产生高稳定度、高精度标准频率信号的振荡器及其附属电路，它们对时间统一系统的性能起决定性的作用，决定着一个时间标准能否满足要求。制定时间标准和频率标准的第一步就是寻找频率极其稳定精确的重复的周期现象。时间标准应当具备两个关键因素：一是稳定性，即时间标准的频率和周期要非常稳定，始终相同，很少受到外界条件变化的影响；二是复现性，即时间标准无论何

27、时无论何地都要可以重复观测和实验，而且其结果还应该保持一致。从古至今人们一直致力于寻找和建立稳定的时间标准，来满足人类生产、生活对精密时间的需求。随着人类对时间本质的不断探索和深入研究，人们建立时间标准的方式在不断演变，精度也越来越高。目前，铯原子钟精度最高，数百万年误差不到一秒，人类根本感觉不到。在此基础上发展起来的原子时也可以达到如此高的精度，是目前精确度和稳定度最高的时间标准。目前相对实用的时间频率标准主要有石英晶振和原子频标两大类，原子频标精确度高，但是成本较高，主要用于科学实验等对时间和频率精度要求较高的场合，而石英晶振性价比高，被广泛使用在一般的要求不高的民用领域。时间和频率也可共

28、用一个标准源，在频率标准源基础上加上计数和读出装置等就成为一个时间标准源。222时间参考系授时技术的发展一方面依赖导航卫星系统，另一方面离不开统一的时间参考系。国际上通用的时间参考系主要有：国际原子时（TAI）、世界时（UT）和协调世界时（UTC）11。世界时（UT,UniversalTime）地球自转，昼夜更替，这是一个相对稳定的周期性现象，以此为基础可以建立一个很好的时间参考系。于是，人们以一昼夜为一日，并将其平均分成24小时，86400秒来计时，世界时由此得来。后来发现，由于地球自转周期的不均匀性，这导致世界时其实并非固定不变的，精确度不高。尽管如此，世界时是基于地球自转周期得来的，对应

29、于昼夜更替，是我们最熟悉且与日常生活息息相关的时间，对于日常生活以及有关地球的研究仍是必需的。根据国际相关规定，不经过修正的不精确测量结果得到的世界时定义为UT0;由于地球自转运动的不均匀性，对地球自转轴微小移动效应造成的时间偏差进行修正后得到的世界时定于为UT1;对UT1进行季节修正后得到UT212。后来又在世界时的基础上引入历书日，历书时是以地球围绕太阳的公转周期为基础建立的时间标准，由于公转周期比自转周期稳定，历书时的稳定性优于世界时。国际原子时（IAT,internationalatomictime）世界时致命缺点是时间不均匀，稳定精确度不高，不宜作为时间标准。随着粒子物理学的研究进展

30、，人们将建立时间标准的目光投向微观世界。根据量子物理学的基本原理，原子的核外电子从一个轨道跃迁到另一个轨道要吸收或发射出一定频率的电磁波，这种电磁波的特征频率是离散的，即共振频率。共振频率的精确性非常高，高精度的原子钟应运而生，它则恰恰克服了世界时的不均匀性。原子时以原子内部电子跃迁作为时间刻度基准，它以微观原子运动的特征为基础，非常均匀稳定。原子时计量的基本单位为原子时秒，1967年的国际计量会议通过了秒长的新定义，原子时秒被定义为海平面的铯原子基态两个超精细能级间在零磁场跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒。原子时的起始点规定为1958年1月1日，也就是说在那一刹那

31、，原子时和世界时一致，是同一时刻点。世界各地的时间标准实验室用精度足够高的铯原子钟计量出的原子时称为地方原子时，不同地的原子时相互之间可能会存在微小差异。国际计量局综合处理多个国家和地区标准时间实验室铯原子钟的时间数据，建立了国际原子时。协调世界时（UTC,UniversalTimeCoordinated）虽然原子时在微观上秒长和频率比世界时精确稳定，但在宏观上缺少一个明确的标识尺度。由于地球自转速率的变慢，日积月累时间一长，原子时与世界时的差距肯定会增大。因此，需要建立一种时间标准既可以满足对秒长和频率准确稳定的要求，又要使时刻尽可能的接近于世界时，协调世界时正是为兼顾这两种需要而引入的。本

32、质上说，协调世界时与世界时、历书时、原子时不同，不是一种独立自主的时间标准，而是一种折衷的时间尺度，是世界时和原子时两种不同时间标准协调后得出的新的时间标准。协调世界时秒长定义与原子时秒长保持一致，起点定义为世界时的起点。在原子时与世界时相差接近一秒时釆取“闰秒”的人为干预来消除误差13，从而保证UTC的时刻与UT1相差不超过1秒。协调世界时综合了世界时与地球自转密切相关的自然规律和原子时时间刻度的高度精确性。现在卫星授时技术所采用的时间标准是协调世界时，UTC采用的是位于英国的格林尼治时间，记为零时区14。我国东西跨度大，途径五个时区，新中国成立以后，全国都统一采用首都北京所在的东八时区的区

33、时作为标准时间，称为北京时间。中国使用的北京时间（东八区）比格林尼治时间（零时区）早8个小时整，即：北京时间=格林尼治时间+8小时。223时间同步技术实际生活中，人类利用时间来表征和计量的时候，首先要找到适合的时间标准和频率标准，建立相应的参考系，并和此标准在时间上保持着某种严格意义的对应关系，即时间同步。时钟同步也叫“对钟”，顾名思义，就是把分布在不同地方的时钟同步起来，使处于不同地的时钟在相同的时刻下具有一致的时间表征。最明了的解决方案就是“搬钟”，就是用一个标准时钟充当搬钟，校正各地的时钟确保均与搬钟时间对齐。时间同步包括相对时间同步和绝对时间同步，相对时间同步是指系统内各子系统或各部分

34、时间的相对统一，没有要求各时钟与国家或者国际统一标准时钟同步；绝对时间同步是指系统内的所有时钟在保证自己系统内部同步的基础上还需要与国家时间标准或国际时间标准保持一致，就像在中国范围内各个地方都是以北京时间作为唯一计时标准，各个地方时钟的时间都以北京时间为标准对齐。绝对时间同步技术的适应性更强，使用上更加方便，特别是在结构复杂、分布式系统等应用上就显得尤为重要。信息时代的快速发展使得时间同步技术广泛用于各行各业。在导航系统用户设备中，时间同步的常见方式就是利用电磁波传播时间标准信号，然后由用户接收机恢复时钟信息后与本地钟时钟对比，并考虑时延以及其它因素的影响，最终实现时间的同步。总的来说,卫星

35、授时是实现全球范围内时间精确同步的最佳选择，唯独利用卫星，才可在全球范围内实现各地区的时间精确同步，卫星授时也当之无愧成为当今最主要的授时方式。第三章卫星授时原理3.1卫星授时简介授时是指确定、保持某种时间尺度，并通过有线或者无线的方式将代表这种尺度的标准时间信息发送或者转发给用户的一系列过程。授时技术主要完成两方面的任务：一是精确测定用户时间与标准时间之间的偏差，二是完成多个地点的时间同步。协调世界时UTC为时间提供了一个统一的标准，事实上，卫星已经成为UTC时间传播的主要途径。一般来说，要成为一个授时系统必须同时具备两个条件：（1）授时系统的时间要与国家标准时间保持一致，这是国际电信联盟I

36、TU对授时系统的要求；（2）要求授时系统采用广播的方式发播授时系统的时间，不限量地供有需要的用户接收使用。终端用户一般使用接收机获取授时台发送的授时信号，接收机根据授时信号精确确定用户时间相对于标准时间的偏差，利用该偏差对用户本地时间进行调整，实现不同用户时间与授时中心标准时间的同步。授时精度可以用用户获得时间与协调世界时UTC之间的偏差来衡量。卫星授时就是利用卫星作为时间基准源或者转发中介，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。卫星若载有高精度时间源，用户通过接收多颗卫星信号实现伪距测量及定位解算，从而实现时间同步，这种定位授时方法称为直发式授时（RNSS）。

37、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，该授时方式称为转发式授时（RDSS）。RDSS授时又可以分成两种：单向授时和双向授时。双向授时中用户需要向卫星发送请求，再接收卫星应答信息。而单向授时中用户仅接收卫星下行信号，并不向卫星发送授时请求。实际证明，卫星授时是一种新型高效的授时技术，它全覆盖、全天候、高精度、易于实现，在授时精确度、信号覆盖范围、应用场景等诸多方面均优于其它形式的授时技术，已广泛应用在科学研究、工程技术、国家安全和社会发展等诸多领域。随着电子信息时代的高速发展，卫星授时的规模和性能也越来越高。3.2伪距测量定位与授时在介绍卫星的授时原理之前，首先得

38、了解卫星的定位原理，这是导航系统能够精确授时的前提。卫星定位的基本原理是根据卫星的位置和卫星接收机两者之间的距离作为已知数据，采用空间距离后方交会的方法，接收机解算出用户坐标，从而确定待测点的位置15C具体的确定方法如图3.1所示。上面方程组中，(Xi,yi,Zi)(i=1,2,3,4)分别为4颗卫星的三维坐标值，(xo,yo,zo)为用户接收机的三维坐标值，R为伪距，c为光速，At为传播时延。卫星的坐标值可以通过星历数据计算得到，卫星和接收机之间的几何距离称为伪距，伪距的计算可以利用信号从卫星到用户的传播时间来间接算出，传播时间等于用户接收到信号的时刻减去卫星发送信号的时刻。接收机对收到的卫

39、星信号进行处理和误差校正，通过解算定位方程组，就可以得到用户的三维坐标(xo,yo,zo),从而完成用户定位工作。设GPS系统时间为ti，用户时间为tu，贝U种差为代十-匕。用户用计算到的钟差对本地时钟修正，即可得到GPS系统时，实现授时的目的。3.3直发式授时前一节阐述了卫星定位的基本原理，直发式授时(RNSS)与卫星定位有着密切的关联。对于RNSS授时法，用户终端只需要接收卫星发送的RNSS导航电文，获得卫星系统的标准时间信息，然后将本地时间与标准时间比对获得本地时钟时间与UTC时间的偏差。在不知道用户位置的情况下，用户位置的三维坐标是三个未知数，时间是第四个未知数，RNSS接收机需要对4

40、颗或4颗以上卫星进行观测，接收机就能够解算方程组得出自己的三维坐标以及协调世界时，也即实现定位与授时。当然，若用户已知自己的确切位置，那么就只有钟差一个未知参数，那么理论上接收机只需要测量1颗导航卫星的伪距R就可以解算出钟差At,实现授时。如下方程所示：J(Xi-X。)+(Y1Yo)+(Zi-Z)R-(3.5)c接收机计算处理收到的导航电文，提取时间信息，完成时钟校正，以UTC时间为基准进行计时，这样就得到了高精度的时间信息，从而完成授时过程。3.4转发式授时为了减少对卫星上载有的高精度时钟源的依赖，发展起来了一种利用导航中心地面站高稳定度铯原子钟作为时间标准，通过导航卫星转发标准时间信息实现

41、卫星广播授时的新方法，这种授时方法称为转发式授时(RDSS)。由于导航中心地面站装有高精度铯原子钟，且溯源到协调世界时UTC，所以其时间信号十分准确稳定，只要精确扣除时延误差，一样能够实现高精度授时。转发式授时又有单向授时和双向授时之分。采用单向授时法时，由地面授时台发播标准时间频率信号经过卫星转发器向覆盖区域内转播，需要定时的用户接收信号，从中提取标准UTC时间，计算出时钟差，进行本地时钟的同步，即可获得高精度的标准时间，如图3.2所示。授时台接收机图3.2RDSS单向授时方法采用双向授时法时，不像单向授时模式，一方面，用户先要发出授时请求，并将其位置坐标信息以及请求信息发给地面测控中心，当

42、中心站收到该请求之后就会把时间标准信号发送到用户端，紧接着该信号再由用户端返回给中心站，进行了信息交互，从而用户可以获得相当高的授时精度。具体过程如图3.3所示。图3.3RDSS双向授时方法单向授时和双向授时的最大区别在于用户从中心站获取传输时延的方式不同。单向授时由接收机计算传输延迟，不占用导航系统的计算资源，但容易受到各种因素的影响，所以授时精度较低。而双向授时模式，客户端要求和中央站信息交互，将占据一定导航系统资源，但是其授时精度优于单向授时。可见，这两种授时模式各有利弊，在实际应用中，我们需要结合使用，才能提高效率。3.5卫星授时的误差分析前面对卫星授时的原理进行了探讨，要实现高精度授

43、时，需要尽可能消除或减小各种误差的影响。本节主要对影响卫星授时精度的误差来源进行研究和分析。主要有与卫星相关的误差、与信号传播相关的误差和与接收机相关的误差等。3.5.1卫星相关误差在与卫星相关的误差中，主要有卫星星历误差、卫星钟差以及相对论效应等。卫星星历误差卫星星历是导航系统定位和授时过程中的重要起算数据，由它可以计算出卫星位置。卫星星历误差是指由广播星历参数给出的卫星位置与卫星实际位置并不一致，两者之间存在偏差。星历误差受到多种因素的影响。另外，用户端接收到的卫星星历不是实时的，而是接收机推算得来的，由此也会导致计算卫星位置时产生误差。卫星星历误差会对计算卫星与接收机之间几何距离产生干扰

44、，从而影响授时结果的准确性。卫星钟差尽管全球导航系统的卫星上配备了精确度很高的原子钟，但与标准UTC时间之间可能存在微小的偏差，而且随着时间的逐步积累会导致卫星时钟与标准UTC时间存在着不同步的现象，也就是卫星钟差。由于卫星是快速运动着的，不同时间在空中的不同的位置，卫星的所有观测量都以精密测时为基础，卫星钟差会干扰伪距测量，所以必须想办法校正这一钟差。卫星定位系统通过地面的监测站一直对卫星实时监测，对卫星钟差加以校正。相对论效应相对论效应是指由于卫星时钟和接收机钟在惯性空间下运动速度不同以及这两台钟所处位置的地球引力位不同而引起的现象16。此外，根据授时定位原理，在用户位置未知的时候，跟踪卫

45、星过少（少于4颗）也会引起的误差，不能准确定位授时。3.5.2信号传播延迟信号传播延迟是指在信号传播过程中所产生的误差，比如电磁波大气延迟误差和多径效应等，而电磁波大气延迟又包括电离层延迟，对流层延迟。电离层延迟误差当电磁波信号传播经过电离层时，电离层会对卫星电磁波信号产生反射、折射、散射等影响，会改变电磁波的传播路径和速度，因而用光在真空中的速度乘以信号传播时间得出的距离，并不等于导航卫星到用户终端之间的几何距离。这将直接影响了卫星信号到用户机的传播时延，我们将其称为电离层延迟误差。电离层延迟将直接影响导航卫星定位和授时的精度。对流层延迟误差对流层由于其离地面并不是那么高，因此大气密度比较大

46、，当电磁波传播经过对流层时，对流层会对电磁波信号折射，其传播路径和方向将发生变化，引起传播延迟。大气中的光速没有真空中的光速快也是造成时延的重要因素之一。多径效应多径效应是指接收机除了直接接收由卫星本身发送的信号外，还可能接收到附近物体或是地面反射的卫星信号，对直接来自卫星的信号产生干涉，两种信号的叠加引起观测值偏离真实值。它是授时过程中一项重要误差来源，容易引起授时定位结果偏差。这种误差随天线周围反射面的性质而异，无法进行准确预测和建模，只能通过选择合适的观测未知或适当延长观测时间来削弱其影响17。3.5.3接收机内部误差在卫星授时过程接收机定时环节中，接收机内部误差如下：一种是系统算法误差

47、，即从天线到秒脉冲生成中间计算链路设备时延；另一种是随机误差，主要指受接收机噪声和分辨率以及接收机时钟偏差引起的授时误差18。算法误差是指对测距码信号和载波信号的观测精度带来的误差，多次观测，可显著减弱其影响。观测误差同样反映到距离测量值中，并最终体现在授时定位结果的偏差中。与导航卫星装备多个昂贵的星载原子钟不同，接收机大多使用比较便宜的石英晶振频率源，其准确度和稳定性无法达到原子钟的精度。出于器件本身的局限性，该频率源与标准频率存在一定的频率偏差，本地接收机时钟误差是影响授时精度与稳定的重要因素。接收机相关误差还有一个重要来源就是噪声，接收机噪声包含的因素很多，我们必须采取适当措施减小噪声1

48、9。第四章卫星授时系统的实现4.1TD3020T模块简介TD3020T模块是一款支持GPS/北斗的双模授时定位芯片，其内部集成了泰斗微电子公司研发的GPS/北斗双模基带芯片。它可以在单模和双模两种工作模式下无缝切换，支持单北斗、单GPS和GPS北斗共模三种工作模式。TD3020T模块内部软件可以升级更新，模块支持休眠工作模式，此外它支持冷启动和热启动以及温启动，可满足多种使用需求。TD3020T模块是广泛应用在电信、电力、金融等领域的精度高、灵敏度高、功耗小、体积小、成本低、绿色环保的双模授时产品。TD3020T规模为22.4mmx17mmx2.2mm,体积小巧但功能齐全。该模块与主流GPS模

49、块硬件接口相同，可以直接替换使用，非常方便。模块还内置了低噪放大器，使得小信号得以放大增强。在外部接口方面，模块具有备份电源的输入接口，外部有复位键按钮，使用非常方便。TD3020T模块外观如图4.1所示TD3020TCODE:32Q100040302041301000202图4.1TD3020T模块外观图功能原理TD3020T模块可对外部GPSL1/BD2B1有源天线供电。外部有源天线接收空中卫星信号送给射频芯片，射频芯片内部经LNA放大、混频处理后送到中频滤波器，然后通过VGA和AGC，再经过AD转换成数字中频信号送给基带芯片。基带芯片接收到射频芯片送来的数字中频信号，经过捕获和跟踪、定位

50、解算等一系列算法处理后，通过串口输出NMEA数据并给出1PPS授时信号。性能指标模块的主要性能指标我们在表4.1中详细地表示出来。表4.1TD3020T模块主要性能指标参数描述性能指标备注最小值典型值最大值单位定位精度（开阔地）水平5m高程10m测速精度1m/s首次定位时间TTFF冷启动35s热启动2s重捕获2s灵敏度捕获-144dBm跟踪-159dBm串口输出波特率48009600115200bps默认9600bps数据更新率12Hz默认伯z工作电压VCC3.03.33.6VVBCKP1.83.33.6V平均功耗正常工作75mA主电源VCC为3.3V休眠模式5mA主电源VCC为3.3V备份工

51、作20pA主电源VCC关闭温度工作-4085C存储-4085C重量4g软件接口协议想要使用TD3020T模块并读懂其输出语句，那么首先应该了解其语句格式，语句格式定义如下：$,*vLF语句类型标识IDsss由ID和sss组成：ID为语句标识符，比如BD意为北斗二代卫星系统，GP意为全球定位系统GPS;sss为语句格式符（GGA:位置信息，GLL:大地坐标位置信息，GSA:精度因子和有效卫星号，GSV:可视的卫星状态，RMC:最简导航传输数据，TXT:短文本信息的传送）。中间部分为数据体，数据体夹在语句类型标识和校验和之间由若干个有标准定义的数据字段组成的。校验和表示从$”到*”之间的所有字符A

52、SCII码异或运算结果，一般用两位十六进制数表示，是为了验证通信过程中接收的数据是否有误。表示回车和换行（十六进制分别为0x0D和0x0A）。输出语句TD3020T模块默认输出ZDA、TXT、RMC、GGA、GSA、GSV语句。输出语句遵循了NMEA-0183协议，采用卫星信号标准协议，能够快速地从输出语句中读取出需要的数据。输入语句TD3020T模块具有定位模式切换、NMEA串口波特率设置、NMEA输出语句更新率与开关设置等功能，通过计算机给模块加载一些输入语句，启动相应的功能。指令包含：定位模式切换指令，波特率设置指令，语句输出更新频率设置指令，电缆延时修正值设置指令，语句开关指令。4.2

53、基于北斗二代的卫星授时系统实现本节将准备就绪的硬件部分通过串口连接到电脑上，运行编写好的卫星授时程序，是整个实验的核心。首先通过记录下详细的原始数据，接着阅读输出语句，结合NMEA协议读懂这些语句，然后提取出需要的时间信息，再加上通过示波器观测秒脉冲，最终实现基于北斗二代的卫星授时系统。按照要求，将TD3020T模块电路板，电源电路板，计算机通信串口，GPS/北斗天线等硬件设备连接起来，如图4.2所示。并且把天线放置在窗外合适的观测地点。图4.2卫星授时硬件设备模块的硬件部分准备就绪后，接下来我们进行软件部分的工作。具体步骤如下：把TD3020T模块电路板用串口（9针）线连接到电脑串口上，打开

54、编写好的程序TD3020T授时软件； 选择工作模式MCU，根据所接的实际串口号选择Port端口，这里我选择了COM5； 波特率设置为9600； 运行程序，待输出需要的信息时锁定数据，提取并分析数据。最终接收到的卫星信息如图4.3所示。图4.3卫星数目以及接收到的数据在图4.3中，右侧柱状图显示所观测到的卫星的数目多少及其各自的信号强度，柱状越高表示信号越强，柱状上方的数据表示信噪比，柱状下方的数据表示PRN。实验中，我们接收到3颗GPS卫星信号和6颗北斗卫星信号。根据卫星定位授时的原理，4颗及以上的卫星才能实现定位授时，此处北斗卫星数目满足要求。我们将图4.3左侧的文本接收框单独在图4.4中列

55、出。图4.4为文本接收框内显示接收到的输出信息，这部分语句为NMEA-0183协议定义的语句20。每条语句都以“$符号开头，这是一套定义卫星信号接收机输出的标准信息，是GPS接收机最通用的数据输出格式，它包含了定位时间、日期、速度、纬经度、高度、定位所用的卫星数目等关键信息。ReceiveData丸135017.00,16,05,2015,+0,*30JGULPS0,xxx3exxxxjxi,0xxxxxxxx,xx*46$GBST扎n*0BIGPGSV,1,1,3,19,X200,42,31,34,110,24,27,6也187,38*7CJBDGSV,2,1,6,03?52,19937,0

56、5,14,254,3001,49,145,33,08,55,18333*59$BDKZ2、6,02,32,236,33#04,34,122,31*54IGBZDA,135013.00,16,05,2015,+,*3FJGMLPS0,xxwKxxjeXjj,Ikxxjckxxx,xx*46JGHSTA,n*0BJGPGSV,1,1,3,1勺H200,侶31,34J10,25,27,66,16T#38*71)JBDGSV,2,15,g52,199,37,05,14,254,3001,49,145,38,OS,551B3?33*59JBDGSV,Zt2t6f0232,238,33,04,34,122

57、,31*54SQKEDA,135819.00,IB,05,2015,+8V+3EJGHLPSj0,xxxxxxxx,xx,0kxxxkxxx,xx#46JGBSTA,n*0DSGPCSK11,3,10,34,200,42,31,34,110,25,2T,6197,3S*TDJBDGSV,2丄6?03,52,199,37,05,14,254,30,01,g145,33,03,55183,33*59SUDGSV,2f2t6,02,32t238,33,04,34,122,31*54JGNZEA,135820.00,16(OS.2015,+8,*34fGlILfSj0,xsxxicsxXjxx,0xx

58、xxxxxxxx*46$GNST丸n*0D=SGPGSV,L1#3J巴M200,侶3*34,110,25,2T,迪167,38*7DJEDGSV,2,13,D3,52,199,36,05,14.254,3001,49,145,3T3,55,183,32*56SBDGSV,2f2t乞02,32t238,3%04,34,122,31*54SGKEDA,13S821.00,IB,05,2015,+8V*35iCNLPSj0xkxxmsxxxxT0pxxxxxxxxxx*46$GHSTA,n#0DJGPGSKbL3,1935,200,4231,3屯110,26,2T迪L迅37*70JBDGSV,2丄6

59、,03,52,199,36,05,14,254,29,01,49,145,37,03,55?1B3?32+5EIBDGSV,2#巳6,02,32,230,33,04,34,122,30*55图4.4文本框输出的卫星数据为了能够清楚的理解文本接收框的内容，我们对图4.4文本框内的一串完整数据进行解析，接收到的原文如下：$GNLPS,0,xxxxxxxx,xx,0,xxxxxxxx,xx*46$GNSTA,n*0D$GPGSV1,1,3,19,34,200,42,31,34,110,24,27,68,187,38*7C$BDGSV,2,1,6,03,52,199,37,05,14,254,30,0

60、1,49,145,38,08,55,183,33*59$BDGSV,2,2,6,02,32,238,33,04,34,122,31*54$GNZDA,135818.00,16,05,2015,+8,V*3F输出语句中，语句类型标识前两位BD表示北斗导航系统，GP表示GPS系统，GN表示GPS/北斗双模导航系统；语句类型标识后三位中，STA表示天线状态，GSV表示可视的卫星状态，ZDA表示时间。从中提前我们最终需要的卫星授时信息“$GNSTA,n*0D”，表示天线状态良好，能够正常接收卫星信号，“bdgsv表示北斗卫星状态，“gpgsv表示GPS卫星状态，然后是“$GNZDA,135818.00

61、,16,05,2015,+8,V*3F，我们根据NMEA协议语句对其进行解析，可以得到接收到的卫星时间是“13时58分18秒00,5月16日，2015年”，+8表示UTC+8，即北京时间。按照我们的习惯，最终我们得到的卫星授时时间是北京时间（UTC+8）2015年5月16日13时58分18秒整。TD3020T模块除了输出上述NMEA数据外，还给出了1PPS秒脉冲同步信号，为高电平有效的100ms脉宽信号，1PPS秒脉冲的上升沿对准UTC时间的秒边界，可用于精度时间同步。我们把接收到的秒脉冲信号用示波器显示出来，如图4.5所示。图4.5接收到的秒脉冲同步信号在图4.5中，我们得到了若干个秒脉冲，

62、从一个上升沿到下一个上升沿的时间间隔为一个完整的秒脉冲，秒脉冲高电平有效。将秒脉冲的上升沿放大如图4.6所示。-MiZinfiniiViBion盅221发也十350MHjz4聶I益詰图4.6秒脉冲上升沿放大图从图4.6我们可以看出，用于精确时间同步的秒脉冲上升沿非常陡峭，时间间隔非常短，约为5血，秒脉冲的上升沿也就是1秒时间的边界，与UTC标准时间的秒边界对齐,它用于同步本地时钟的秒信息，从而可达到微秒级精度授时。于是，我们通过采用TD302T为核心的软硬件资源搭建了基于北斗二代的微秒级精度卫星授时系统，并成功获取了当前UTC时间信息以及秒脉冲信息，最终实现了卫星授时的目的第五章总结与展望5.

63、1论文总结本文首先介绍了课题背景、研究意义以及授时技术发展的状况；然后对导航卫星系统作了细致的讲述，之后又分析了几种最为常用的时间参考标准；接着研究了卫星授时原理并分析了误差来源；最后采用TD3020T模块，接收到了卫星信号，对卫星信号处理后得到UTC标准时间，通过基于北斗二代的卫星授时系统实现了授时的目的。本论文主要进行了理论研究与实验，最终实现了卫星授时的目的。论文主要完成了以下几点工作：(1) 原理分析研究：对卫星授时原理进行了研究，分析了卫星授时过程中由卫星发播、信号传输和接收机接收等各环节产生的误差。(2) 模型测试应用：对建立的TD3020T为核心的模型进行了测试，最终实现了基于北斗二代的卫星授时系统。毕业设计让我更熟练运用MATLAB软件，以及TD3020T芯片的应用，为进一步研究打下了良好的基础。但