全球导航卫星系统的授时原理与实现.docx
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全球导航卫星系统的授时原理与实现
本科毕业设计
题
目
全球导航卫星系统的授时原理与实现
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专业：
电子信息工程（本一）
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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：
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；TD3020T
ABSTRACT
Timeisabasicphysicalquantity,anditisthefourthdimensioninfour-dimensionalspace-time.Withthearrivaloftheageofelectronicinformation,allindustriesdependentonhighaccuracystandardtime,soobtaininghighaccuracytimeisveryimportant.Timingistheprocessofdeterminingandmaintainingacertaintimestandard,andsendingorforwardingittotheuserthroughwiredorwirelessmeanswhichrepresentthestandardtimeinformation.Therearemanywaystotiming,butsatellitetimingiswidelyusedbecauseofhavingwidecoverage,highprecision,all-weatherversatilityandmanyotheradvantagesinallkindsoftimingmethods.
Theprincipleofsatellitetimingandimplementationareresearchedinthispaper.Firstly,thispaperbrieflyintroducesthecurrentdevelopmentstatusofdomesticandforeignnavigationsatellitesystemsandtimereferencestandard;secondly,withtheabovebase,theprinciplesofpositioningandtimingofnavigationsatellitesystemareresearched;thirdly,weanalyzethemainerrorsourcesintheprocessofsatellitetiming;finally,amicrosecondgradesatellitetimingsystembasedonBaidousecond-generationusingTD3020Tmoduleandothersoftwareandhardwarewasachieved.
Keywords:
Satellitetiming,Navigationsatellitesystem,TD3020T
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,z,t）中的第四维（t），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（t）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,z,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。
授时在通信、航天、导航、金融等方便发挥着非常重要的作用[1]。
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[2]。
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。
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，一般覆盖范围小，精度在1ms～1μs，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[4]。
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[5]。
自1957年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[6]。
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。
1.3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[7]。
卫星导航正在使世界各国政治、经济、军事、科技、文化发生划时代的变革[8]。
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GPS
GPS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GPS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——司南的国家，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。
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贡献。
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，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高的。
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，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
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。
2.2.2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UT2[12]。
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，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，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。
2.2.3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
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