GPS精密授时系统的研制

　　精确、统一的时间系统已成为现代科学的一个重要组成部分,在天文学和空间科学技术中,时间系统是精确描述天体和航天器运行位置及其相互关系的重要基准,也是观测系统各关设备同步的基准.

　　全球定位系统GPS(Global Positioning System)不仅具有全球、全天候、连续实时的精密三维导航与定位能力,而且具有世界上认可的时间系统,因而有着广泛的应用价值和发展潜力.特别是近10年来,GPS定位技术得到迅速发展,应用领域日益广泛.GPS不仅可用于航天定位,而且可以应用于高精度定位、高精度时间传递、外弹道与卫星轨道测量、武器制导和民用航空导航等方面.民航、空军等地空指挥调度系统相关模拟、数字设备较多,各设备之间需要精确同步;某些设备(如多通道记录仪)还需要精确的且国际上认可的具有法律依据的时间系统的特点.我们设计了一套GPS精密授时系统,采用GPS时间作为本机使用时间和与其它设备同步,较好地解决了这一难题.

　　1　GPS授时和定位原理

　　GPS基于伪随机码电磁波测距实现异地目标定位,因此使用了稳定度极高的时钟系统,其星载铷原子钟和铯原子钟具有10-12～10-13的频率稳定度.GPS实测距离为电磁波从卫星到接收机的传播时间τ′与光速c的乘积,它由卫星时钟与地面接收机时钟联合测得的,也就包含了两种时钟的钟差.

　　卫星钟差的校正可在GPS广播的电文中求出,而GPS接收机的钟差则只能在定位解算过程中作为未知量求解得到,加上接收机在GPS定位坐标系中的三维坐标,解算过程中共涉及到4个未知数,因此,单接收机的绝对定位至少要同时进行4颗卫星的4个伪距测量才能完成定位解码.这种解算方式带来的附加好处在于,使接收机得到了具有与GPS时钟精度相当的就地时钟比对.由于GPS的伪距绝对定位解算方法,才使得GPS精密时钟得到了广泛应用.

　　GPS伪距绝对定位解算方法,实质上是通过接收机的本地码与卫星信号的伪随机码进行相关处理,测定信号从卫星至接收机的传播时间τ′.T表示GPS标准时;ts表示卫星s时钟的表面时;tk表示接收机k时钟的表面时.设卫星时钟与接收机时钟相对于标准时的钟差分别为δts和δtk,则卫星s的标准时Ts和接收机k的标准时Tk定义为

(1)

　　设卫星s与卫星时钟ts时刻发射信号(相应于GPS时Ts),于接收机钟tk时刻(相应于Tk时刻)到达接收机,通过伪随机码测定基本观测量τ′,则

(2)

　　将(2)式两端同乘光速c,得

式(3)即为伪距测量定位基本模型,ρ为实测的伪距,R为ts时刻的卫星位置至tk时刻接收机之间的几何距离;接收机钟差等效距离bk=cδtk;δts为卫星钟差校正.