基于UTC（NTSC）的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量

1、基于UTC（NTSC）的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量總第32卷第1期2009年6月時(shí)間頻率JournalofTimeandFrequencyJune,2009基于UTC(NTSC)的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量李孝輝,劉陽(yáng),張慧君,施韶華(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,西安710600;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要:GPS提供了一種精密定時(shí)的方法,-+-,t-收機(jī)絕對(duì)時(shí)延的測(cè)量是一個(gè)難題,現(xiàn)有的測(cè)量方家授時(shí)中心保持的時(shí)間尺度UTC(NTSC)與GPS定時(shí)接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)(1PPS)的比對(duì)結(jié)果,利用UTC(NTSC)的國(guó)際比對(duì)數(shù)據(jù)以及UTC與GPST的時(shí)差數(shù)據(jù),可以測(cè)量GPS定時(shí)接

2、收機(jī)時(shí)延,該方法簡(jiǎn)單易行.最后,對(duì)這種方法的測(cè)量誤差進(jìn)行了分析.關(guān)鍵詞:GPS;定時(shí)接收機(jī);時(shí)延文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16740637(2009)01001804高精度的遠(yuǎn)距離時(shí)間頻率傳遞技術(shù),是形成世界各國(guó)共同參考的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC),保持各國(guó)或各實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(K)準(zhǔn)確度的重要保證【卜.隨著高精度原子頻標(biāo)性能的不斷提高,有關(guān)工作迫精度非常高的時(shí)間傳遞方式,基于GPS的單向法,共視法和全視法是高精度時(shí)間傳遞的重要手段,但這些方法都需要精密測(cè)量GPS定時(shí)接收機(jī)的時(shí)延.目前定時(shí)接收機(jī)時(shí)延貝0量能力已經(jīng)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,例如測(cè)地型載波相位接收機(jī)在頻率傳遞方面顯示了卓越的能力,但由于

3、受接收機(jī)時(shí)延測(cè)量能力的限制,其時(shí)間傳遞的精度遠(yuǎn)低于頻率傳遞的能力p卅.在有關(guān)GPS的時(shí)間傳遞應(yīng)用中,往往需要定時(shí)接收機(jī)的絕對(duì)測(cè)量,這是難度很大的工作,現(xiàn)有的測(cè)量方法大多復(fù)雜并且成本昂貴.我們研究了GPS定時(shí)接收機(jī)測(cè)量方法,提出一種基于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心(NTSC)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量方法,這種方法簡(jiǎn)單易行,且能節(jié)省成本.1GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量的一般方法GPs定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量有兩種類型:絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量.相對(duì)測(cè)量主要應(yīng)用于時(shí)間比對(duì)實(shí)驗(yàn)中,量接收機(jī)的絕對(duì)時(shí)延,絕對(duì)時(shí)延指從接收機(jī)天線接收信號(hào)到接收機(jī)輸出秒脈沖信號(hào)(1PPS)之間的電收稿日期:200804-17

4、基金項(xiàng)目:國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA12Z335)作者簡(jiǎn)介:李孝輝,男,研究員,主要從事時(shí)問(wèn)頻率測(cè)量與控制方法研究.第1期李孝輝等:基于UTC(NTSC)的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量19信號(hào)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間信號(hào)(1PPS),接收機(jī)天線接收信號(hào)模擬器輸出的L波段信號(hào),并將信號(hào)送到接收機(jī)信號(hào)和信號(hào)模擬器輸出的1PPS信號(hào)之間的時(shí)差,這就是接收機(jī)的絕對(duì)時(shí)延.圖1GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延絕對(duì)測(cè)量的一般方法GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延的絕對(duì)測(cè)量中最難以實(shí)現(xiàn)的是信號(hào)模擬器的校準(zhǔn),即校準(zhǔn)信號(hào)模擬器輸出的L波段信號(hào)和1PPS之間的同步.另外,由于測(cè)量在室內(nèi)進(jìn)行,信號(hào)的多徑干擾是影響測(cè)量的主要因素,一般將接收機(jī)天線放在

5、特別設(shè)計(jì)的暗室中,暗室內(nèi)布置吸波材料來(lái)減少信號(hào)的反射.成本,提高測(cè)量精度,降低測(cè)量的復(fù)雜度,我們提出了一種基于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心產(chǎn)生和保持的UTC(NTSC)的時(shí)延測(cè)量方法.2基于冊(cè)(NTSC)的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量方法中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心保持著時(shí)間尺度UTC(NTSC),其時(shí)間信號(hào)定期參與國(guó)際比對(duì),這是一個(gè)可以充分利用的資源,我們提出的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量方法正是基于這個(gè)條件提出的.該測(cè)量方法的概況如圖2所示.GPS的系統(tǒng)時(shí)間(GPST)通過(guò)GPS星座廣播,定時(shí)接收機(jī)接收衛(wèi)輸出的lPPS與UTC(NTSC)的1PPS之間的時(shí)差A(yù)t,Az-,可以表達(dá)為:=UTC(NTSC)一(G

6、PST-I-優(yōu))(1)圖2基于UTC(NTSC)的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量方法根據(jù)國(guó)家授時(shí)中心的國(guó)際比對(duì)資料可以獲得UTC(NTSC)與UTC的時(shí)間比對(duì)結(jié)果,urc-GPST的時(shí)間比對(duì)結(jié)果也可從有關(guān)資料獲得:=UTCUTC(NTSC)=UTCGPST綜上所述,可得到定時(shí)接收機(jī)時(shí)延為(2)(3)時(shí)間頻率總32卷=一一(4)需要說(shuō)明的是,一般接收機(jī)默認(rèn)的輸出為UTC,因此,采用上述方法時(shí)要將接收機(jī)的輸出設(shè)置為GPST,這在一般接收機(jī)中都能實(shí)現(xiàn).如果接收機(jī)的輸出設(shè)置不能修改為GPST,需要將圖2中的UTC到GPST的鏈路換為UTCUTC(USNO)一GPST的鏈路,如圖3所示.3測(cè)量誤差分析圖3接收

7、機(jī)輸出UTC時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量采用的比對(duì)鏈路衡量測(cè)量方法的一個(gè)重要指標(biāo)是測(cè)量的精度,基于UTC(NTSC)的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量方法的主要誤差來(lái)源分兩類:一類是接收機(jī)復(fù)現(xiàn)GPST(或者UTC)的誤差,一類是測(cè)量與時(shí)間傳遞誤差.接收機(jī)復(fù)現(xiàn)GPST(或者UTC)的誤差隨所使用的接收機(jī)的不同而有所差異,一般包括星歷誤差,GPST(或者UTC)的精度與這些誤差有關(guān),一般在有關(guān)說(shuō)明書上可以找到,本文對(duì)此不作分析.測(cè)量與時(shí)間傳遞誤差涉及3個(gè)量:,和,現(xiàn)分別分析這3個(gè)量的誤差:1)是用計(jì)數(shù)器測(cè)量的量,測(cè)量校準(zhǔn)的不確定度小于0.5rls,測(cè)量隨機(jī)誤差小于0.1ns.2)是UTC(NTSC)與UTC之差,可從

8、BIPMCircleT公報(bào)得到,校準(zhǔn)的不確定度是5.0ns,隨機(jī)誤差是1.5ns.3)是GPST與UTC之差,也可從BIPMCircleT公報(bào)數(shù)據(jù)獲得,時(shí)差的不確定度是10ns,隨機(jī)誤差是2.2ns.,.一綜上所述,測(cè)量與時(shí)間傳遞誤差的不確定度為誤差為qo.1+1.5+2.2=2.7ns.接收機(jī)時(shí)延測(cè)量精度由接收機(jī)復(fù)現(xiàn)GPST(或者UTC)的精度和測(cè)量與時(shí)間傳遞精度兩方面決定,一般情況下,可以通過(guò)長(zhǎng)期平均來(lái)降低接收機(jī)復(fù)現(xiàn)GPST(或者UTC)的誤差,提高總的測(cè)量精度.4結(jié)論通過(guò)UTC(NTSC)與GPS定時(shí)接收機(jī)輸出的秒信號(hào)之間的比對(duì),根據(jù)UTC(NTSC)的國(guó)際比對(duì)數(shù)據(jù),可以測(cè)量GPS定時(shí)接

9、收機(jī)時(shí)延,該方法簡(jiǎn)單易行,性價(jià)比很高.該測(cè)量方法的誤差包含接收機(jī)復(fù)現(xiàn)GPST(或者UTC)的誤差和測(cè)量與時(shí)間傳遞誤差,接收機(jī)復(fù)現(xiàn)GPSr(或者UrC)的誤差隨所使用的接收機(jī)的不同而有所差異,測(cè)量與時(shí)間傳遞的隨機(jī)誤差不超過(guò)2.7ns.第1期李孝輝等:基于UTC(NTSC)的GPS定時(shí)接收機(jī)時(shí)延測(cè)量參考文獻(xiàn):WayTimeTransferC】/36thAnnualPreciseTimeandTimeInterval(唧)Meeting.Washington,DC.2004:310.ofLATEXClassFiles,2002,1(11):1-6.【3DEFRAIGNEP,BRUYNINXC.Tes

10、tingtheCapabilitiesofGPSReceiversforTimeTransferC】/IEEEConference,2005:742744.TransferApplicationsC】/IEEETransactionsonUltrasonic,Ferroelectrics,andFrequencyControl,2000,47(2):484494.5PLUMBJF,LARSONKM,WHITEJ,eta1.AbsoluteCalibrationofaGeodeticTimeTransferSystemC】/IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroe

11、lectricsandFrequencyControl,2005,52(11):1904-191I.6】PLUMBJF,LARSONKM,WHITEJ,eta1.StabilityandErrorAnalysisforAbsolutelyCalibratedGeodeticGPSReceiversC/34thAnnualPreciseTimeandTimeInterval(唧)Meeting.Califomia:LongBeach,2002:309-323.MeasurementofTimeDelayofGPSTimingReceiverBasedonUTC(NTSC)LIXiaohui,LI

12、LYYang1,2ZHANGHui-jun1,2SHIShaohua,(1.NationalTimeServiceCenter,ChineseAcademyofSciences,Xian710600,China;2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:TheGPSprovidesanaccuratetimingmethod;however,theabsolutetimedelayoftimingreceiverisdifficulttomeasure,andfortheexistingmethodthecostishighandtheoperationiscomplicated;therefore,anewandsimplemethodtomeasurethetimedelayofGPStimingreceiverispresentedinthispaper.BasedonthetimedifferencebetweenthetimescaleUTC(NTSC),whichisgeneratedandmaintainedattheNationalTimeServiceCenter,and