GPS共視時間頻率傳遞應(yīng)用研究

孫君

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度的時間和頻率傳遞在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及很多的高新企業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用，目前在我國，通信、電力以及交通等行業(yè)都廣泛應(yīng)用高精度的時間和頻率傳遞技術(shù)。尤其是近些年國防科技以及空間技術(shù)快速發(fā)展，其對高精度的時間和頻率傳遞提出了更加嚴(yán)格的要求。雖然，在九十年代時我國就已經(jīng)建立了獨(dú)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(fā)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(shù)的發(fā)展，對時間和頻率傳遞的精度要求能夠達(dá)到亞微秒量級。而在更高技術(shù)例如空中攔截中，時間和頻率的傳遞精度則要達(dá)到納秒量級。但是，目前能夠達(dá)到這一要求的設(shè)備還是需要完全依靠從國外進(jìn)口。因此，大力研發(fā)高精度時間傳遞對于促進(jìn)我國通信事業(yè)以及國防事業(yè)的快速發(fā)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(shù)的發(fā)展應(yīng)用以及存在的問題。

1 GPS共視技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國的各定時實(shí)驗(yàn)室之間，在很多年前就已經(jīng)開始使用GPS共視技術(shù)來達(dá)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(jìn)行原子鐘比對，從而可以將世界各定時實(shí)驗(yàn)室的原子鐘聯(lián)系在一起來共同參與TAI計(jì)算。而且隨著社會科技的不斷進(jìn)步和其他行業(yè)的需要，越來越多的行業(yè)都開始使用高精度的時間和頻率同步這一技術(shù)，并也開始使用GPS共視技術(shù)。但是由于GPS共視接收機(jī)相對昂貴，限制了GPS共視技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。這樣就需要有高科技企業(yè)來研制相對廉價的PGS接收機(jī)來滿足不同企業(yè)對于該項(xiàng)技術(shù)使用的需求。廉價的GPS接收機(jī)出現(xiàn)于九十年代中期。但是，無論用戶的原子鐘有多么準(zhǔn)確，都會存在著老化的現(xiàn)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(jī)進(jìn)行校正。但這很難讓遠(yuǎn)距離的原子鐘實(shí)現(xiàn)同步，而GPS共視技術(shù)則可以解決這一問題，除此之外，GPS共視技術(shù)可以作為一種媒介，讓用戶與國家級守時實(shí)驗(yàn)室的原子鐘實(shí)現(xiàn)同步。隨著科技的不斷進(jìn)步，GPS共視技術(shù)由于其價格適中，精準(zhǔn)度高，使用方便等特點(diǎn)，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

2 GPS共視時間傳遞原理以及在實(shí)際中的應(yīng)用

GPS是Global Positioning System的縮寫，GPS是一種全球性、全天候的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。其特點(diǎn)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(wèi)星）、地面控制部分和用戶設(shè)備部分組成。GPS衛(wèi)星是由距離地面20200km的24顆衛(wèi)星組成的，這24個衛(wèi)星平均分布在6個軌道平面內(nèi)。GPS系統(tǒng)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(wèi)星進(jìn)行觀測記錄，以實(shí)現(xiàn)兩個站之間時間的同步。

我們假設(shè)：兩個定時接收機(jī)已經(jīng)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(wèi)星O則會得到下面的公式：

△tOA=(tO-tA)=鐘A和衛(wèi)星O的鐘差

△tOB=(tO-tB)=鐘B和衛(wèi)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(shí)際的運(yùn)算過程中，GPS共視對比中，對于參與計(jì)算的數(shù)據(jù)應(yīng)該用相同的方法處理。

GPS共視技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用可以概括為以下三個主要的方面：可以應(yīng)用于國內(nèi)同步網(wǎng)及其業(yè)務(wù)網(wǎng)的時間頻率溯源問題分析；對于同步性的可靠性進(jìn)行分析；對數(shù)字網(wǎng)以及業(yè)務(wù)網(wǎng)的時間同步頻率進(jìn)行分析。

3 GPS共視的優(yōu)點(diǎn)以及提高共視精度方法

根據(jù)在實(shí)際的應(yīng)用以及通過對GPS共視原理的分析，GPS共視存在著以下優(yōu)點(diǎn)：首先，由于衛(wèi)星到達(dá)兩站的路徑不同，以及在不同的方位上，衛(wèi)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(yán)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(chǎn)生的誤差；第四，GPS可以有效的避免SA效應(yīng)的影響。為了進(jìn)一步提高GPS共視技術(shù)的精度，我們可以采取以下三點(diǎn)措施：第一，在條件允許的條件下盡可能使用性能穩(wěn)定、質(zhì)量好的GPS信號接收機(jī)；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(chǎn)生的延遲具有不確定性，GPS信號接收機(jī)存在的延遲不穩(wěn)定性以及軌道參數(shù)的不準(zhǔn)確性。

4.1 電離層附加時延

如果使用雙頻接收機(jī)，則可通過使用雙頻測量電離層附加時延來提高其精準(zhǔn)度。而對于民用的單頻接收機(jī)，我們可以采取以下兩個模型來對誤差進(jìn)行修正：一是通過導(dǎo)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(dǎo)航電文提供的電離層模型參數(shù)。與此同時，由于電離層具有特定的相關(guān)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(dǎo)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(dāng)電波通過對流層時，其傳播速度會發(fā)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(guān)，只能采用模型法進(jìn)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(dāng)信號源和接收機(jī)相對于各向同性光速坐標(biāo)系發(fā)生移動時，則需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)莫M義修正；但是當(dāng)信號源和接收機(jī)處于不同的重力勢時，則需要廣義相對論修正。因此，GPS衛(wèi)星在發(fā)射前，需要將衛(wèi)星的時鐘調(diào)至到適合的頻率。當(dāng)衛(wèi)星時鐘運(yùn)行變慢（近地點(diǎn)，衛(wèi)星速度快，重力勢低）和衛(wèi)星時鐘運(yùn)行變快（遠(yuǎn)地點(diǎn)，速度慢，重力勢大）的情況下需要下面的公式對其進(jìn)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(diǎn)角）是軌道參數(shù)。

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