GPS共視時間頻率傳遞應用研究

孫君

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450000）

隨著科學技術的發展，高精度的時間和頻率傳遞在國民經濟建設以及很多的高新企業中都發揮著重要的作用，目前在我國，通信、電力以及交通等行業都廣泛應用高精度的時間和頻率傳遞技術。尤其是近些年國防科技以及空間技術快速發展，其對高精度的時間和頻率傳遞提出了更加嚴格的要求。雖然，在九十年代時我國就已經建立了獨立的長波授時體系，但是其時間傳遞的精度仍然不能滿足科技發展的需要，而且每天覆蓋的時間也只有八個小時。伴隨著我國航天技術的發展，對時間和頻率傳遞的精度要求能夠達到亞微秒量級。而在更高技術例如空中攔截中，時間和頻率的傳遞精度則要達到納秒量級。但是，目前能夠達到這一要求的設備還是需要完全依靠從國外進口。因此，大力研發高精度時間傳遞對于促進我國通信事業以及國防事業的快速發展有著極其重要的作用。筆者從以下幾個方面介紹了我國的GPS共視技術的發展應用以及存在的問題。

1 GPS共視技術應用的發展現狀

在我國的各定時實驗室之間，在很多年前就已經開始使用GPS共視技術來達到和完成高精度的時間和頻率的傳遞。由于這種方法比較適用于進行原子鐘比對，從而可以將世界各定時實驗室的原子鐘聯系在一起來共同參與TAI計算。而且隨著社會科技的不斷進步和其他行業的需要，越來越多的行業都開始使用高精度的時間和頻率同步這一技術，并也開始使用GPS共視技術。但是由于GPS共視接收機相對昂貴，限制了GPS共視技術在各個領域的應用。這樣就需要有高科技企業來研制相對廉價的PGS接收機來滿足不同企業對于該項技術使用的需求。廉價的GPS接收機出現于九十年代中期。但是，無論用戶的原子鐘有多么準確，都會存在著老化的現象。這就需要定期對需要高精度時間頻率同步的用戶的接收機進行校正。但這很難讓遠距離的原子鐘實現同步，而GPS共視技術則可以解決這一問題，除此之外，GPS共視技術可以作為一種媒介，讓用戶與國家級守時實驗室的原子鐘實現同步。隨著科技的不斷進步，GPS共視技術由于其價格適中，精準度高，使用方便等特點，已經開始廣泛應用于各個領域。

2 GPS共視時間傳遞原理以及在實際中的應用

GPS是Global Positioning System的縮寫，GPS是一種全球性、全天候的衛星無線電導航系統。其特點是可以同時精確的、快速的為無限多用戶提供定位需要。GPS主要是由空間部分（GPS衛星）、地面控制部分和用戶設備部分組成。GPS衛星是由距離地面20200km的24顆衛星組成的，這24個衛星平均分布在6個軌道平面內。GPS系統時間利用UTC作為參照。GPS共視是指在兩個觀測站中同時對相同的衛星進行觀測記錄，以實現兩個站之間時間的同步。

我們假設：兩個定時接收機已經分別位于位置A和B（這兩個位置是已知的），如果在相同的時間觀測同樣一顆衛星O則會得到下面的公式：

△tOA=(tO-tA)=鐘A和衛星O的鐘差

△tOB=(tO-tB)=鐘B和衛星O的鐘差

兩式作差可得：

△tOA-△tOB=(tO-tA)-(tO-tB)=tB-tA=tBA；即A、B兩站的鐘差。而在實際的運算過程中，GPS共視對比中，對于參與計算的數據應該用相同的方法處理。

GPS共視技術在實際中的應用可以概括為以下三個主要的方面：可以應用于國內同步網及其業務網的時間頻率溯源問題分析；對于同步性的可靠性進行分析；對數字網以及業務網的時間同步頻率進行分析。

3 GPS共視的優點以及提高共視精度方法

根據在實際的應用以及通過對GPS共視原理的分析，GPS共視存在著以下優點：首先，由于衛星到達兩站的路徑不同，以及在不同的方位上，衛星存在著不同的誤差，而GPS共視可以消除這些誤差；其次，如果能夠保證GPS的嚴格共視，可以完全消除存在的星鐘誤差的影響；再次，使用GPS共視可以消除對流層和電離層產生的誤差；第四，GPS可以有效的避免SA效應的影響。為了進一步提高GPS共視技術的精度，我們可以采取以下三點措施：第一，在條件允許的條件下盡可能使用性能穩定、質量好的GPS信號接收機；第二，使用精密星歷改正；第三，使用雙頻測量的電離層附加時延。除此之外，還要額外考慮其他因素的影響，例如溫度和濕度等。

4 GPS主要的誤差源分析

影響GPS共視法精度的主要因素包括：電離層以及對流層產生的延遲具有不確定性，GPS信號接收機存在的延遲不穩定性以及軌道參數的不準確性。

4.1 電離層附加時延

如果使用雙頻接收機，則可通過使用雙頻測量電離層附加時延來提高其精準度。而對于民用的單頻接收機，我們可以采取以下兩個模型來對誤差進行修正：一是通過導航電文所提供的群時延Tgd，來修正電離層的延遲；二是使用導航電文提供的電離層模型參數。與此同時，由于電離層具有特定的相關性，可以使用共視做差來消除這些誤差。

4.2 對流層附加時延

在40km以下的大氣層稱之為對流層，由于對流層距離地面較近，而導致其大氣的密度很大，而且很容易受到地面氣候變化的影響。所以，當電波通過對流層時，其傳播速度會發生一定的改變，而引起延遲。而且由于對流層時延與頻率無關，只能采用模型法進行修正。 目前，較為常用的模型有“HOPFIELD”模型，利用這種模型可以將對流層延遲的誤差降低到最小。

4.3 周期性相對論改正

無論在何時，只要當信號源和接收機相對于各向同性光速坐標系發生移動時，則需要對其進行適當的狹義修正；但是當信號源和接收機處于不同的重力勢時，則需要廣義相對論修正。因此，GPS衛星在發射前，需要將衛星的時鐘調至到適合的頻率。當衛星時鐘運行變慢（近地點，衛星速度快，重力勢低）和衛星時鐘運行變快（遠地點，速度慢，重力勢大）的情況下需要下面的公式對其進行修正：

△tr=Fe(A)1/2sinEK；其中 e（偏心率），A（長半軸的平方根），EK（偏近點角）是軌道參數。

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