全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的授時原理及實現(xiàn)

本科畢業(yè)設計題目全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的授時原理與實現(xiàn)學生：保全專業(yè)：電子信息工程〔本一〕指導教師：袁紅林完成日期：2015年5月29日原創(chuàng)性聲明本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進展的研究成果。除了文中特別加以標注和致的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何奉獻均已在論文中作了明確的說明并表示了意。簽名：日期：本論文使用授權說明本人完全了解大學有關保存、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保存論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕蚓植咳??！驳恼撐脑诮饷芎髴袷卮艘?guī)定〕學生簽名：指導教師簽名：日期：摘要時間是個根本物理量，是四維時空中的第四維。隨著電子信息時代的到來，各行各業(yè)都依賴高精度標準時間，因此獲得高精度的時間就顯得極為重要。授時是指確定、保持*種時間尺度，并通過有線或者無線的方式將代表這種尺度的標準時間信息發(fā)送或者轉發(fā)給用戶的一系列過程。授時的方法有很多，但是在各種授時方法中，衛(wèi)星授時由于覆蓋圍廣、精度高、全天候和通用性強等諸多優(yōu)點而得到廣泛應用。本文對導航衛(wèi)星授時的原理與實現(xiàn)進展研究。首先簡要介紹了國外導航衛(wèi)星系統(tǒng)的開展狀況和時間參考標準，然后在此根底上研究了導航衛(wèi)星系統(tǒng)的定位與授時原理，接著分析了授時過程中的主要誤差來源，最后采用TD3020T模塊等軟硬件實現(xiàn)了基于北斗二代衛(wèi)星的微秒級授時系統(tǒng)。關鍵詞：衛(wèi)星授時；導航衛(wèi)星系統(tǒng)；TD3020TABSTRACTTimeisabasicphysicalquantity,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目錄摘要IABSTRACTII第一章緒論11.1課題背景及研究意義11.2授時技術的開展現(xiàn)狀11.3論文構造與容3第二章導航衛(wèi)星系統(tǒng)與時間標準42.1全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)概述42.1.1全球定位系統(tǒng)GPS42.1.2北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)52.1.3其它導航衛(wèi)星系統(tǒng)62.2時間標準與時間參考系72.2.1時間與頻率72.2.2時間參考系82.2.3時間同步技術9第三章衛(wèi)星授時原理113.1衛(wèi)星授時簡介113.2偽距測量定位與授時113.3直發(fā)式授時133.4轉發(fā)式授時133.5衛(wèi)星授時的誤差分析153.5.1衛(wèi)星相關誤差153.5.2信號傳播延遲153.5.3接收機部誤差16第四章衛(wèi)星授時系統(tǒng)的實現(xiàn)174.1TD3020T模塊簡介174.2基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)實現(xiàn)19第五章總結與展望245.1論文總結245.2課題展望24參考文獻25致26第一章緒論1.1課題背景及研究意義時間作為根本物理量，其標準和計量精度在全部物理量中是要求最高的。在人們日常生活、科學實驗、工程技術、國防平安、金融證券等領域都有著關鍵性的作用。時間是四維時空(*,y,z,t)中的第四維(t)，衛(wèi)星定位是獲取空間坐標(*,y,z)信息。而授時是獲取時間坐標(t)信息，將時間信息以有線或者無線方式從時間源轉發(fā)給用戶的過程。合格的導航衛(wèi)星系統(tǒng)應當是個高精度星基四維(*,y,z,t)信息源，必須要既能提供定位效勞，又能提供授時效勞，才能滿足人類對其的需要。授時在通信、航天、導航、金融等方便發(fā)揮著非常重要的作用[1]。時間不僅與人們日常生活密切相關，而且還是科學研究和工程技術中極其重要的根本物理量，為系統(tǒng)定性定量研究提供了不可或缺的基于時間的坐標。當今信息時代，對標準時間的準確度要非常之高的。人們把利用無線電波發(fā)播標準時間信號的工作稱為授時，其目的就是為別的設備或系統(tǒng)提供標準時間信息[2]。從古至今人們在不斷地探索獲取時間的新方法，隨著各國對授時技術的不斷研究，授時精度也越來越高，衛(wèi)星授時技術由于其眾多的優(yōu)點成為研究的熱點。信息社會對高精度標準時間的要求十分迫切，時間精度要求到達納秒級甚至更小，隨著信息技術的快速開展，時間計量的精度也不斷提高。而準確定時技術的實現(xiàn)需要授時原理來支撐，所以研究授時技術是刻不容緩的大事。授時技術是科學研究和工程實踐中開展起來的新技術，在各領域中的應用越來越廣泛。衛(wèi)星授時技術的出現(xiàn)，使大面積的用戶獲得高精度標準時間信息成為現(xiàn)實。衛(wèi)星授時具有覆蓋圍廣、開放性強還可為移動用戶效勞等特點[3]，正是由于這些優(yōu)點，衛(wèi)星授時成為目前最常用的授時方式之一。本論文主要對全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)授時原理進展了研究，并以仿真實驗來實現(xiàn)。1.2授時技術的開展現(xiàn)狀時間一直是個神秘的概念，隨著歷史的開展和科學技術的進步，人類對時間的認識逐步深入，計時的手段越來越多樣，對時間精度的要求越來越苛刻。在歷史各個時期，人們利用當時所能到達的最高技術進展授時。古時候的人們“日出而作日落而息〞，時間精度只到達“日〞這個級別，后來創(chuàng)造了日晷、沙漏等計時設備，使得時間測量精度有所提高。圖1.1粗略給出不同歷史時期的授時方法及授時精度。圖1.1授時方法的開展21世紀是信息時代，人們對時間的精度和實時性要求非常之高。無線電技術的出現(xiàn)，為授時方法的開展帶來了劃時代的變化，許多信息傳播手段都可以用來進展授時?，F(xiàn)今授時方式多種多樣，授時精度上下不一，總的說來可大致分為陸基和星基兩大類，陸基授時系統(tǒng)的發(fā)射站位于地面，一般覆蓋圍小，精度在1ms～1μs，比方網絡授時。星基授時主要是基于導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星授時，這種授時方法覆蓋圍廣，實現(xiàn)精度較高。目前，主要有這幾種授時方法：一是傳統(tǒng)授時方式，現(xiàn)在已經很少用了，比方打更報時；二是利用通信通道，比方用于互聯(lián)網時間同步的網絡時間協(xié)議(NTP,NetworkTimeProtocol)；三是利用衛(wèi)星授時，這是一種很優(yōu)秀的被廣泛使用的授時方式，不僅精度高而且可以實現(xiàn)全球圍的準確授時[4]。目前世界上有幾套導航衛(wèi)星系統(tǒng)可供選擇，如美國的全球定位系統(tǒng)GPS，俄羅斯的全球導航系統(tǒng)GLONASS，歐盟的伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)Galileo，以及我國自行研制的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)[5]。自1957年首顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射以來，人類便想用衛(wèi)星來授時。20世紀末，隨著GPS、“北斗〞、GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)的建成，這些衛(wèi)星系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了導航定位功能，而且迎來了衛(wèi)星授時的新時代[6]。衛(wèi)星授時技術是新型的授時技術，信號能夠全方位大面積的覆蓋，準確度比其它授時方法高，導航電文信息豐富，經過多年的開展市場應用已經成熟，再加上我國北斗導航系統(tǒng)的參加，應用前景一片明朗。因此，衛(wèi)星授時技術成為最受歡送的時間同步手段。1.3論文構造與容本篇論文對衛(wèi)星授時進展了初步的研究和實驗。課題的設計要：研究衛(wèi)星授時原理，最終通過TD3020T模塊等軟硬件實現(xiàn)基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)。本文正文局部分為五章，各章的主要容如下：第一章為緒論，首先介紹了論文的課題背景及其研究意義，接著概述了授時技術的開展現(xiàn)狀，最后介紹了本文的容構造安排。第二章對目前比擬常用的導航衛(wèi)星系統(tǒng)做了簡要的介紹，然后對時間參考標準進展了概述。第三章對衛(wèi)星授時的原理進展了比擬根底的闡述。第四章采用TD3020T模塊等軟硬件實現(xiàn)了基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)。第五章為總結與展望。對所做的研究工作進展了總結，并且對衛(wèi)星授時的未來開展前景進展了展望。第二章導航衛(wèi)星系統(tǒng)與時間標準2.1全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)概述導航衛(wèi)星系統(tǒng)作為拓展人類實踐、促進社會開展的空間根底設施之一，根本作用是向各類用戶和平臺提供實時、準確、連續(xù)的位置、速度和時間信息[7]。衛(wèi)星導航正在使世界各國政治、經濟、軍事、科技、文化發(fā)生劃時代的變革[8]。當今世界，全球性導航衛(wèi)星系統(tǒng)主要有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)等。其中GPS最為成熟并得到廣泛應用，“北斗〞則具有中國自主知識產權。2.1.1全球定位系統(tǒng)GPSGPS是英文GlobalPositioningSystem〔全球定位系統(tǒng)〕的簡稱。GPS是美國建成的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以向全球圍的海、路、空用戶全方位、全時段提供高精度的導航、定位和授時效勞。GPS就像Internet一樣，都最初源自于美國軍方工程，起初完全軍用，后來在這根底上建立開展為軍民兩用。1994年，全球普遍覆蓋的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)竣工，是世界上第一個全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)。GPS導航衛(wèi)星系統(tǒng)主要由空間局部、地面控制系統(tǒng)和用戶設備共三局部組成?！窨臻g局部空間局部由24顆在軌衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星，都已布設完成，這24顆衛(wèi)星分6條軌道圍繞在地球上空，每條軌道上有4顆衛(wèi)星[9]。衛(wèi)星這樣分布的目的是使得在全球圍，無論何時何地都能觀測到4顆及以上的衛(wèi)星，收到這些衛(wèi)星的導航電文。GPS是軍民兩用系統(tǒng)，提供兩個等級的效勞，即為軍事用戶提供L1、L2雙頻P碼測距的授時精度的精細定位效勞，也為其他用戶提供L1單頻C/A碼測距定位效勞?！竦孛婵刂葡到y(tǒng)地面控制系統(tǒng)是整個導航系統(tǒng)的控制中心，可以根據實際需要控制系統(tǒng)中所有衛(wèi)星，由主控制站、監(jiān)測站和地面控制站所組成。監(jiān)測站獲取視野的全部衛(wèi)星的相關數(shù)據，計算整理后送至主控站處理。位于美國的主控制站將各監(jiān)測站收集到的數(shù)據計算處理后把結果送到地面控制站。地面控制站收集衛(wèi)星傳回的信息，可以計算出衛(wèi)星的天文歷、時鐘漂移和傳播時延，最后經過衛(wèi)星以導航電文的形式發(fā)送給終端用戶?！裼脩粼O備局部用戶設備局部也就是GPS信號接收機，用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的導航電文。用戶設備能捕獲跟蹤衛(wèi)星信號，獲取必要的導航和定位信息。當接收機捕獲到衛(wèi)星信號時，測量出偽距等數(shù)據，據此進展定位解算，計算出用戶的地理坐標和時間信息，完成定位和授時工作。接收機正朝著小型化、輕量化、便攜化開展，對衛(wèi)星授時的開展有著功不可沒的作用。GPS系統(tǒng)具有以下特點：●全球性、全天候：系統(tǒng)可以為全球圍的用戶提供不連續(xù)的實時的導航定位授時效勞，而且無論天氣情況如何都能照常提供效勞?！穸ㄎ痪雀撸憾ㄎ痪瓤梢缘竭_米，好的情況下甚至可以到達厘米，是目前授時技術中準確度最高的?！窆δ芏?、應用廣：GPS在勘測、導航、定位、授時等領域都有用處，而且還在進一步擴大，譬如車輛道路導航，地殼運動監(jiān)測，海平面升降監(jiān)測等。近年來，美國政府逐步放開了對GPS民用的限制，定位精度和授時精度從而得到提高，增強了GPS在導航衛(wèi)星市場中的競爭力[10]。2.1.2北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)有著五千年文化歷史的中國，是世界上最早使用導航裝置——司南的國家，四大創(chuàng)造之一就是指南針，對人類時代的進步意義重大。而如今，國際上風云變幻，國對“中國的GPS〞呼聲極高。于是，作為一個泱泱大國，中國應該而且必須建立自己的導航衛(wèi)星系統(tǒng)，這對中國的開展和世界的和平至關重要，不僅關系到工程建立、科學研究等領域，還關系到國家平安。所以，必須建立中國自己的導航衛(wèi)星系統(tǒng)，這也是關鍵的國家根底設施之一，科學研究、工程建立、電信、金融和數(shù)字化中國的實現(xiàn)需要它的支持。2000年，中國建成“北斗〞導航衛(wèi)星試驗系統(tǒng)，使中國成為繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后世界上第三個能夠自主研制并布設導航衛(wèi)星系統(tǒng)的國家。2012年，“北斗〞導航衛(wèi)星系統(tǒng)正式向中國及周邊地區(qū)提供效勞。再過不到十年，“北斗〞將向全球圍的用戶提供導航定位授時效勞，屆時“北斗〞導航衛(wèi)星系統(tǒng)將成為中國對世界的又一偉大奉獻。北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)是完全由中國自主研發(fā)與獨立運行的全球性導航衛(wèi)星系統(tǒng)。北斗導航系統(tǒng)作為國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)在涉及到中國的國家平安時，其諸多優(yōu)點可以突顯出來。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可以為中國及周邊國家提供導航定位授時以及短報文通信效勞，滿足一般民用的需求。用戶需要定位時，向衛(wèi)星發(fā)送定位請求，經過一系列復雜過程最終得到用戶的三維坐標。在中國的一些偏遠通信不便的山區(qū)具有明顯的優(yōu)勢。北斗導航系統(tǒng)由同步衛(wèi)星、地面控制中心和用戶終端三大局部組成：地球同步衛(wèi)星負責地面控制中心和用戶終端的中繼效勞；地面控制中心主要負責無線電信號的收發(fā)及整個系統(tǒng)的控制；用戶終端主要是接收機，用于接收地面控制中心經衛(wèi)星轉發(fā)的衛(wèi)星信號。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)主要功能：定位功能，授時功能，短報文通信功能。●定位功能為用戶提供三維坐標信息，確定用戶地理位置。目前定位精度比不上應用成熟的GPS，定位精度大約在15米。但是北斗導航系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)具有兼容性，兩者可以結合使用，這樣可以大幅度提高定位精度?！袷跁r功能除了定位以外，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)還可以提供授時功能，北斗衛(wèi)星授時是一種轉發(fā)式授時，進一步還可分為單向授時和雙向授時，其中雙向授時精度更高?！穸虉笪耐ㄐ殴δ鼙倍穼Ш较到y(tǒng)可以提供用戶之間，用戶和地面控制中心的短報文通信，這一功能是北斗系統(tǒng)獨創(chuàng)的，其他導航系統(tǒng)所不具備的。隨著中國的綜合國力的增強和科學技術的快速開展，有更多的資金和技術建立和開展北斗導航系統(tǒng)，北斗也將滿足科學研究、國民經濟、工程建立等方面的需求，除此之外還可以增強綜合國力，維護國家平安，和其他導航系統(tǒng)一起共同促進全球導航衛(wèi)星事業(yè)的開展，為全球用戶提供高精度、高性能的導航定位授時效勞。2.1.3其它導航衛(wèi)星系統(tǒng)俄羅斯GLONASS導航系統(tǒng)于20世紀90年代中葉完成衛(wèi)星組網，由空間段、控制段和用戶段組成。GLONASS衛(wèi)星軌道離地面的高度與GPS衛(wèi)星不同，防止了兩個星座相互影響。雖然GLONASS導航精度次于GPS，但是沒有SA干擾，故民用精度優(yōu)于GPS。目前，GLONASS正處于現(xiàn)代化改造和恢復階段，不能單獨組網運行，需要與GPS聯(lián)合使用。歐洲的導航系統(tǒng)Galileo是以意大利偉大科學家伽利略命名的導航衛(wèi)星系統(tǒng)，以紀念這位偉大的科學家。上世紀末由歐洲的一些國家出于*種考慮〔主要是政治經濟〕而正式推出的，2008年投入運行。Galileo是一種區(qū)域加強型全球導航系統(tǒng)，首先滿足歐洲需求，定位精度可達幾米。伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)是世界上首個完全出于民用目的建立的全球性導航衛(wèi)星系統(tǒng)，這也是Galileo系統(tǒng)的與眾不同之處。上面介紹的導航衛(wèi)星系統(tǒng)中，GPS建成時間最長，效勞最為成熟，信號比擬穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)全球覆蓋，用戶產品種類豐富，產業(yè)鏈成熟，是用戶數(shù)量最多的。單從準確度考慮，在已經投入的導航衛(wèi)星系統(tǒng)中，GPS無論是在定位還是授時方面準確度都是最高的。只是GPS從設計之初就為美國軍方所用，萬一有一天美國因為軍用目的削弱民用，雖然這只是假設，但在一定程度上說明了GPS在民用領域仍然存在諸多問題。結合現(xiàn)今全球導航系統(tǒng)的開展需求和各國的實際情況，世界上多套全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)將長期共存，既相互補充又相互制約，共同促進導航事業(yè)的開展。我國自主建立的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)也正在逐步開展與成熟，中國也在全球導航系統(tǒng)中有了話語權。2.2時間標準與時間參考系時間是用來描述物質運動過程或事件持續(xù)過程的一個標量，時間是國際標準單位制SI中的7個根本物理量之一，單位為秒(s)，是四維時空坐標的第四維，是物質存在和運動的根本形式之一。通常意義上我們所說的時間有兩種不同的含義：一種是指“時刻〞，表示*個事件于何時發(fā)生，是時間坐標上的一個點；另一種是指“時間間隔〞，表示*個事件持續(xù)的時間長短，是時間坐標上的一條線。2.2.1時間與頻率無論是日出日落、四季更替，還是天體運動或原子躍遷，都有著相對穩(wěn)定的周期，如果我們把一個個周期積累起來，這樣的話就可以得到“時間間隔〞了，假設再規(guī)定好一個時間的起始點這樣就可以得到時刻了。時間標準的前提和根底是頻率標準，頻率標準是時間統(tǒng)一系統(tǒng)的核心，要得到準確的時間標準必須要有穩(wěn)定可靠的高精度頻率標準。頻率是周期的倒數(shù)，定義為在單位時間〔1秒〕周期變化的次數(shù)，它的單位是赫茲(Hz)，國際單位制SI中赫茲是時間單位秒的導出單位，量綱為[T-1]。如果在一段時間T周期性變化了N次，則頻率可以由表達式計算得出。由于周期和頻率是倒數(shù)關系，所以可以對頻率測量然后求出周期，也就是時間間隔，這是最常見的計時方法之一。頻率標準源是指產生高穩(wěn)定度、高精度標準頻率信號的振蕩器及其附屬電路，它們對時間統(tǒng)一系統(tǒng)的性能起決定性的作用，決定著一個時間標準能否滿足要求。制定時間標準和頻率標準的第一步就是尋找頻率極其穩(wěn)定準確的重復的周期現(xiàn)象。時間標準應當具備兩個關鍵因素：一是穩(wěn)定性，即時間標準的頻率和周期要非常穩(wěn)定，始終一樣，很少受到外界條件變化的影響；二是復現(xiàn)性，即時間標準無論何時無論何地都要可以重復觀測和實驗，而且其結果還應該保持一致。從古至今人們一直致力于尋找和建立穩(wěn)定的時間標準，來滿足人類生產、生活對精細時間的需求。隨著人類對時間本質的不斷探索和深入研究，人們建立時間標準的方式在不斷演變，精度也越來越高。目前，銫原子鐘精度最高，數(shù)百萬年誤差不到一秒，人類根本感覺不到。在此根底上開展起來的原子時也可以到達如此高的精度，是目前準確度和穩(wěn)定度最高的時間標準。目前相對實用的時間頻率標準主要有石英晶振和原子頻標兩大類，原子頻標準確度高，但是本錢較高，主要用于科學實驗等對時間和頻率精度要求較高的場合，而石英晶振性價比高，被廣泛使用在一般的要求不高的民用領域。時間和頻率也可共用一個標準源，在頻率標準源根底上加上計數(shù)和讀出裝置等就成為一個時間標準源。2.2.2時間參考系授時技術的開展一方面依賴導航衛(wèi)星系統(tǒng)，另一方面離不開統(tǒng)一的時間參考系。國際上通用的時間參考系主要有：國際原子時(TAI)、世界時(UT)和協(xié)調世界時(UTC)[11]?！袷澜鐣r(UT,UniversalTime)地球自轉，晝夜更替，這是一個相對穩(wěn)定的周期性現(xiàn)象，以此為根底可以建立一個很好的時間參考系。于是，人們以一晝夜為一日，并將其平均分成24小時，86400秒來計時，世界時由此得來。后來發(fā)現(xiàn)，由于地球自轉周期的不均勻性，這導致世界時其實并非固定不變的，準確度不高。盡管如此，世界時是基于地球自轉周期得來的，對應于晝夜更替，是我們最熟悉且與日常生活息息相關的時間，對于日常生活以及有關地球的研究仍是必需的。根據國際相關規(guī)定，不經過修正的不準確測量結果得到的世界時定義為UT0；由于地球自轉運動的不均勻性，對地球自轉軸微小移動效應造成的時間偏差進展修正后得到的世界時定于為UT1；對UT1進展季節(jié)修正后得到UT2[12]。后來又在世界時的根底上引入歷書日，歷書時是以地球圍繞太陽的公轉周期為根底建立的時間標準，由于公轉周期比自轉周期穩(wěn)定，歷書時的穩(wěn)定性優(yōu)于世界時?！駠H原子時(IAT,internationalatomictime)世界時致命缺點是時間不均勻，穩(wěn)定準確度不高，不宜作為時間標準。隨著粒子物理學的研究進展，人們將建立時間標準的目光投向微觀世界。根據量子物理學的根本原理，原子的核外電子從一個軌道躍遷到另一個軌道要吸收或發(fā)射出一定頻率的電磁波，這種電磁波的特征頻率是離散的，即共振頻率。共振頻率的準確性非常高，高精度的原子鐘應運而生，它則恰恰克制了世界時的不均勻性。原子時以原子部電子躍遷作為時間刻度基準，它以微觀原子運動的特征為根底，非常均勻穩(wěn)定。原子時計量的根本單位為原子時秒，1967年的國際計量會議通過了秒長的新定義，原子時秒被定義為海平面的銫原子基態(tài)兩個超精細能級間在零磁場躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間為一個原子時秒。原子時的起始點規(guī)定為1958年1月1日，也就是說在那一剎那，原子時和世界時一致，是同一時刻點。世界各地的時間標準實驗室用精度足夠高的銫原子鐘計量出的原子時稱為地方原子時，不同地的原子時相互之間可能會存在微小差異。國際計量局綜合處理多個國家和地區(qū)標準時間實驗室銫原子鐘的時間數(shù)據，建立了國際原子時?！駞f(xié)調世界時(UTC,UniversalTimeCoordinated)雖然原子時在微觀上秒長和頻率比世界時準確穩(wěn)定，但在宏觀上缺少一個明確的標識尺度。由于地球自轉速率的變慢，日積月累時間一長，原子時與世界時的差距肯定會增大。因此，需要建立一種時間標準既可以滿足對秒長和頻率準確穩(wěn)定的要求，又要使時刻盡可能的接近于世界時，協(xié)調世界時正是為兼顧這兩種需要而引入的。本質上說，協(xié)調世界時與世界時、歷書時、原子時不同，不是一種獨立自主的時間標準，而是一種折衷的時間尺度，是世界時和原子時兩種不同時間標準協(xié)調后得出的新的時間標準。協(xié)調世界時秒長定義與原子時秒長保持一致，起點定義為世界時的起點。在原子時與世界時相差接近一秒時釆取“閏秒〞的人為干預來消除誤差[13]，從而保證UTC的時刻與UT1相差不超過1秒。協(xié)調世界時綜合了世界時與地球自轉密切相關的自然規(guī)律和原子時時間刻度的高度準確性?，F(xiàn)在衛(wèi)星授時技術所采用的時間標準是協(xié)調世界時，UTC采用的是位于英國的格林尼治時間，記為零時區(qū)[14]。我國東西跨度大，途徑五個時區(qū)，新中國成立以后，全國都統(tǒng)一采用首都所在的東八時區(qū)的區(qū)時作為標準時間，稱為時間。中國使用的時間〔東八區(qū)〕比格林尼治時間〔零時區(qū)〕早8個小時整，即：時間=格林尼治時間+8小時。2.2.3時間同步技術實際生活中，人類利用時間來表征和計量的時候，首先要找到適合的時間標準和頻率標準，建立相應的參考系，并和此標準在時間上保持著*種嚴格意義的對應關系，即時間同步。時鐘同步也叫“對鐘〞，顧名思義，就是把分布在不同地方的時鐘同步起來，使處于不同地的時鐘在一樣的時刻下具有一致的時間表征。最明了的解決方案就是“搬鐘〞，就是用一個標準時鐘充當搬鐘，校正各地的時鐘確保均與搬鐘時間對齊。時間同步包括相對時間同步和絕對時間同步，相對時間同步是指系統(tǒng)各子系統(tǒng)或各局部時間的相對統(tǒng)一，沒有要求各時鐘與國家或者國際統(tǒng)一標準時鐘同步；絕對時間同步是指系統(tǒng)的所有時鐘在保證自己系統(tǒng)部同步的根底上還需要與國家時間標準或國際時間標準保持一致，就像在中國圍各個地方都是以時間作為唯一計時標準，各個地方時鐘的時間都以時間為標準對齊。絕對時間同步技術的適應性更強，使用上更加方便，特別是在構造復雜、分布式系統(tǒng)等應用上就顯得尤為重要。信息時代的快速開展使得時間同步技術廣泛用于各行各業(yè)。在導航系統(tǒng)用戶設備中，時間同步的常見方式就是利用電磁波傳播時間標準信號，然后由用戶接收機恢復時鐘信息后與本地鐘時鐘比照，并考慮時延以及其它因素的影響，最終實現(xiàn)時間的同步?？偟膩碚f，衛(wèi)星授時是實現(xiàn)全球圍時間準確同步的最正確選擇，唯獨利用衛(wèi)星，才可在全球圍實現(xiàn)各地區(qū)的時間準確同步，衛(wèi)星授時也當之無愧成為當今最主要的授時方式。第三章衛(wèi)星授時原理3.1衛(wèi)星授時簡介授時是指確定、保持*種時間尺度，并通過有線或者無線的方式將代表這種尺度的標準時間信息發(fā)送或者轉發(fā)給用戶的一系列過程。授時技術主要完成兩方面的任務：一是準確測定用戶時間與標準時間之間的偏差，二是完成多個地點的時間同步。協(xié)調世界時UTC為時間提供了一個統(tǒng)一的標準，事實上，衛(wèi)星已經成為UTC時間傳播的主要途徑。一般來說，要成為一個授時系統(tǒng)必須同時具備兩個條件：(1)授時系統(tǒng)的時間要與國家標準時間保持一致，這是國際電信聯(lián)盟ITU對授時系統(tǒng)的要求；(2)要求授時系統(tǒng)采用播送的方式發(fā)播授時系統(tǒng)的時間，不限量地供有需要的用戶接收使用。終端用戶一般使用接收機獲取授時臺發(fā)送的授時信號，接收機根據授時信號準確確定用戶時間相對于標準時間的偏差，利用該偏差對用戶本地時間進展調整，實現(xiàn)不同用戶時間與授時中心標準時間的同步。授時精度可以用用戶獲得時間與協(xié)調世界時UTC之間的偏差來衡量。衛(wèi)星授時就是利用衛(wèi)星作為時間基準源或者轉發(fā)中介，通過接收衛(wèi)星信號和進展時延補償?shù)姆椒ǎ诒镜鼗謴统鲈紩r間的這一過程。衛(wèi)星假設載有高精度時間源，用戶通過接收多顆衛(wèi)星信號實現(xiàn)偽距測量及定位解算，從而實現(xiàn)時間同步，這種定位授時方法稱為直發(fā)式授時(RNSS)。如衛(wèi)星本身沒有高精度時間源，通過接收地面站的信號再進展延時確定的轉發(fā)，該授時方式稱為轉發(fā)式授時(RDSS)。RDSS授時又可以分成兩種：單向授時和雙向授時。雙向授時中用戶需要向衛(wèi)星發(fā)送請求，再接收衛(wèi)星應答信息。而單向授時中用戶僅接收衛(wèi)星下行信號，并不向衛(wèi)星發(fā)送授時請求。實際證明，衛(wèi)星授時是一種新型高效的授時技術，它全覆蓋、全天候、高精度、易于實現(xiàn)，在授時準確度、信號覆蓋圍、應用場景等諸多方面均優(yōu)于其它形式的授時技術，已廣泛應用在科學研究、工程技術、國家平安和社會開展等諸多領域。隨著電子信息時代的高速開展，衛(wèi)星授時的規(guī)模和性能也越來越高。3.2偽距測量定位與授時在介紹衛(wèi)星的授時原理之前，首先得了解衛(wèi)星的定位原理，這是導航系統(tǒng)能夠準確授時的前提。衛(wèi)星定位的根本原理是根據衛(wèi)星的位置和衛(wèi)星接收機兩者之間的距離作為數(shù)據，采用空間距離前方交會的方法，接收機解算出用戶坐標，從而確定待測點的位置[15]。具體確實定方法如圖3.1所示。圖3.1GPS衛(wèi)星定位原理圖用戶要實現(xiàn)定位和授時功能，也就是得到4個目標數(shù)據：用戶的空間三維坐標(*,y,z)和用戶時間與衛(wèi)星標準時間兩者的時刻誤差Δt。所以需要測量至少4顆衛(wèi)星的偽距，解算以下定位方程組即可實現(xiàn)定位授時的目的。(3.1)(3.2)(3.3)(3.3)上面方程組中，(*i,yi,zi)(i=1,2,3,4)分別為4顆衛(wèi)星的三維坐標值，(*0,y0,z0)為用戶接收機的三維坐標值，R為偽距，c為光速，Δt為傳播時延。衛(wèi)星的坐標值可以通過星歷數(shù)據計算得到，衛(wèi)星和接收機之間的幾何距離稱為偽距，偽距的計算可以利用信號從衛(wèi)星到用戶的傳播時間來間接算出，傳播時間等于用戶接收到信號的時刻減去衛(wèi)星發(fā)送信號的時刻。接收機對收到的衛(wèi)星信號進展處理和誤差校正，通過解算定位方程組，就可以得到用戶的三維坐標(*0,y0,z0)，從而完成用戶定位工作。設GPS系統(tǒng)時間為t1，用戶時間為tu，則種差為。用戶用計算到的鐘差對本地時鐘修正，即可得到GPS系統(tǒng)時，實現(xiàn)授時的目的。3.3直發(fā)式授時前一節(jié)闡述了衛(wèi)星定位的根本原理，直發(fā)式授時(RNSS)與衛(wèi)星定位有著密切的關聯(lián)。對于RNSS授時法，用戶終端只需要接收衛(wèi)星發(fā)送的RNSS導航電文，獲得衛(wèi)星系統(tǒng)的標準時間信息，然后將本地時間與標準時間比對獲得本地時鐘時間與UTC時間的偏差。在不知道用戶位置的情況下，用戶位置的三維坐標是三個未知數(shù)，時間是第四個未知數(shù)，RNSS接收機需要對4顆或4顆以上衛(wèi)星進展觀測，接收機就能夠解算方程組得出自己的三維坐標以及協(xié)調世界時，也即實現(xiàn)定位與授時。當然，假設用戶自己確實切位置，則就只有鐘差一個未知參數(shù)，則理論上接收機只需要測量1顆導航衛(wèi)星的偽距R就可以解算出鐘差Δt，實現(xiàn)授時。如下方程所示：(3.5)接收機計算處理收到的導航電文，提取時間信息，完成時鐘校正，以UTC時間為基準進展計時，這樣就得到了高精度的時間信息，從而完成授時過程。3.4轉發(fā)式授時為了減少對衛(wèi)星上載有的高精度時鐘源的依賴，開展起來了一種利用導航中心地面站高穩(wěn)定度銫原子鐘作為時間標準，通過導航衛(wèi)星轉發(fā)標準時間信息實現(xiàn)衛(wèi)星播送授時的新方法，這種授時方法稱為轉發(fā)式授時(RDSS)。由于導航中心地面站裝有高精度銫原子鐘，且溯源到協(xié)調世界時UTC，所以其時間信號十分準確穩(wěn)定，只要準確扣除時延誤差，一樣能夠實現(xiàn)高精度授時。轉發(fā)式授時又有單向授時和雙向授時之分。采用單向授時法時，由地面授時臺發(fā)播標準時間頻率信號經過衛(wèi)星轉發(fā)器向覆蓋區(qū)域轉播，需要定時的用戶接收信號，從中提取標準UTC時間，計算出時鐘差，進展本地時鐘的同步，即可獲得高精度的標準時間，如圖3.2所示。圖3.2RDSS單向授時方法采用雙向授時法時，不像單向授時模式，一方面，用戶先要發(fā)出授時請求，并將其位置坐標信息以及請求信息發(fā)給地面測控中心，當中心站收到該請求之后就會把時間標準信號發(fā)送到用戶端，緊接著該信號再由用戶端返回給中心站，進展了信息交互，從而用戶可以獲得相當高的授時精度。具體過程如圖3.3所示。圖3.3RDSS雙向授時方法單向授時和雙向授時的最大區(qū)別在于用戶從中心站獲取傳輸時延的方式不同。單向授時由接收機計算傳輸延遲，不占用導航系統(tǒng)的計算資源，但容易受到各種因素的影響，所以授時精度較低。而雙向授時模式，客戶端要求和中央站信息交互，將占據一定導航系統(tǒng)資源，但是其授時精度優(yōu)于單向授時?？梢?，這兩種授時模式各有利弊，在實際應用中，我們需要結合使用，才能提高效率。3.5衛(wèi)星授時的誤差分析前面對衛(wèi)星授時的原理進展了探討，要實現(xiàn)高精度授時，需要盡可能消除或減小各種誤差的影響。本節(jié)主要對影響衛(wèi)星授時精度的誤差來源進展研究和分析。主要有與衛(wèi)星相關的誤差、與信號傳播相關的誤差和與接收機相關的誤差等。3.5.1衛(wèi)星相關誤差在與衛(wèi)星相關的誤差中，主要有衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差以及相對論效應等?！裥l(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷是導航系統(tǒng)定位和授時過程中的重要起算數(shù)據，由它可以計算出衛(wèi)星位置。衛(wèi)星星歷誤差是指由播送星歷參數(shù)給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實際位置并不一致，兩者之間存在偏差。星歷誤差受到多種因素的影響。另外，用戶端接收到的衛(wèi)星星歷不是實時的，而是接收機推算得來的，由此也會導致計算衛(wèi)星位置時產生誤差。衛(wèi)星星歷誤差會對計算衛(wèi)星與接收機之間幾何距離產生干擾，從而影響授時結果的準確性?！裥l(wèi)星鐘差盡管全球導航系統(tǒng)的衛(wèi)星上配備了準確度很高的原子鐘，但與標準UTC時間之間可能存在微小的偏差，而且隨著時間的逐步積累會導致衛(wèi)星時鐘與標準UTC時間存在著不同步的現(xiàn)象，也就是衛(wèi)星鐘差。由于衛(wèi)星是快速運動著的，不同時間在空中的不同的位置，衛(wèi)星的所有觀測量都以精細測時為根底，衛(wèi)星鐘差會干擾偽距測量，所以必須想方法校正這一鐘差。衛(wèi)星定位系統(tǒng)通過地面的監(jiān)測站一直對衛(wèi)星實時監(jiān)測，對衛(wèi)星鐘差加以校正?！裣鄬φ撔鄬φ撔侵赣捎谛l(wèi)星時鐘和接收機鐘在慣性空間下運動速度不同以及這兩臺鐘所處位置的地球引力位不同而引起的現(xiàn)象[16]。此外，根據授時定位原理，在用戶位置未知的時候，跟蹤衛(wèi)星過少〔少于4顆〕也會引起的誤差，不能準確定位授時。3.5.2信號傳播延遲信號傳播延遲是指在信號傳播過程中所產生的誤差，比方電磁波大氣延遲誤差和多徑效應等，而電磁波大氣延遲又包括電離層延遲，對流層延遲?！耠婋x層延遲誤差當電磁波信號傳播經過電離層時，電離層會對衛(wèi)星電磁波信號產生反射、折射、散射等影響，會改變電磁波的傳播路徑和速度，因而用光在真空中的速度乘以信號傳播時間得出的距離，并不等于導航衛(wèi)星到用戶終端之間的幾何距離。這將直接影響了衛(wèi)星信號到用戶機的傳播時延，我們將其稱為電離層延遲誤差。電離層延遲將直接影響導航衛(wèi)星定位和授時的精度?！駥α鲗友舆t誤差對流層由于其離地面并不是則高，因此大氣密度比擬大，當電磁波傳播經過對流層時，對流層會對電磁波信號折射，其傳播路徑和方向將發(fā)生變化，引起傳播延遲。大氣中的光速沒有真空中的光速快也是造成時延的重要因素之一?！穸鄰叫鄰叫侵附邮諜C除了直接接收由衛(wèi)星本身發(fā)送的信號外，還可能接收到附近物體或是地面反射的衛(wèi)星信號，對直接來自衛(wèi)星的信號產生干預，兩種信號的疊加引起觀測值偏離真實值。它是授時過程中一項重要誤差來源，容易引起授時定位結果偏差。這種誤差隨天線周圍反射面的性質而異，無法進展準確預測和建模，只能通過選擇適宜的觀測未知或適當延長觀測時間來削弱其影響[17]。3.5.3接收機部誤差在衛(wèi)星授時過程接收機定時環(huán)節(jié)中，接收機部誤差如下：一種是系統(tǒng)算法誤差，即從天線到秒脈沖生成中間計算鏈路設備時延；另一種是隨機誤差，主要指受接收機噪聲和分辨率以及接收機時鐘偏差引起的授時誤差[18]。算法誤差是指對測距碼信號和載波信號的觀測精度帶來的誤差，屢次觀測，可顯著減弱其影響。觀測誤差同樣反映到距離測量值中，并最終表達在授時定位結果的偏差中。與導航衛(wèi)星裝備多個昂貴的星載原子鐘不同，接收機大多使用比擬廉價的石英晶振頻率源，其準確度和穩(wěn)定性無法到達原子鐘的精度。出于器件本身的局限性，該頻率源與標準頻率存在一定的頻率偏差，本地接收機時鐘誤差是影響授時精度與穩(wěn)定的重要因素。接收機相關誤差還有一個重要來源就是噪聲，接收機噪聲包含的因素很多，我們必須采取適當措施減小噪聲[19]。第四章衛(wèi)星授時系統(tǒng)的實現(xiàn)4.1TD3020T模塊簡介TD3020T模塊是一款支持GPS/北斗的雙模授時定位芯片，其部集成了泰斗微電子公司研發(fā)的GPS/北斗雙?；鶐酒?。它可以在單模和雙模兩種工作模式下無縫切換，支持單北斗、單GPS和GPS/北斗共模三種工作模式。TD3020T模塊部軟件可以升級更新，模塊支持休眠工作模式，此外它支持冷啟動和熱啟動以及溫啟動，可滿足多種使用需求。TD3020T模塊是廣泛應用在電信、電力、金融等領域的精度高、靈敏度高、功耗小、體積小、本錢低、綠色環(huán)保的雙模授時產品。TD3020T規(guī)模為22.4mm*17mm*2.2mm，體積小巧但功能齊全。該模塊與主流GPS模塊硬件接口一樣，可以直接替換使用，非常方便。模塊還置了低噪放大器，使得小信號得以放大增強。在外部接口方面，模塊具有備份電源的輸入接口，外部有復位鍵按鈕，使用非常方便。TD3020T模塊外觀如圖4.1所示。圖4.1TD3020T模塊外觀圖功能原理TD3020T模塊可對外部GPSL1/BD2B1有源天線供電。外部有源天線接收空中衛(wèi)星信號送給射頻芯片，射頻芯片部經LNA放大、混頻處理后送到中頻濾波器，然后通過VGA和AGC，再經過AD轉換成數(shù)字中頻信號送給基帶芯片?；鶐酒邮盏缴漕l芯片送來的數(shù)字中頻信號，經過捕獲和跟蹤、定位解算等一系列算法處理后，通過串口輸出NMEA數(shù)據并給出1PPS授時信號。性能指標模塊的主要性能指標我們在表4.1中詳細地表示出來。表4.1TD3020T模塊主要性能指標參數(shù)描述性能指標備注最小值典型值最大值單位定位精度〔開闊地〕水平<5m高程<10m測速精度<1m/s首次定位時間TTFF冷啟動<35s熱啟動<2s重捕獲<2s靈敏度捕獲-144dBm跟蹤-159dBm串口輸出波特率48009600115200bps默認9600bps數(shù)據更新率12Hz默認1Hz工作電壓VCC3.03.33.6VV_BCKP1.83.33.6V平均功耗正常工作<75mA主電源VCC為3.3V休眠模式<5mA主電源VCC為3.3V備份工作<20μA主電源VCC關閉溫度工作-4085℃存儲-4085℃重量<4g軟件接口協(xié)議想要使用TD3020T模塊并讀懂其輸出語句，則首先應該了解其語句格式，語句格式定義如下：$<語句類型標識>，<數(shù)據字段>，<數(shù)據字段>，……，<數(shù)據字段>*<校驗和><CR><LF>語句類型標識IDsss由ID和sss組成：ID為語句標識符，比方BD意為北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)，GP意為全球定位系統(tǒng)GPS；sss為語句格式符〔GGA：位置信息，GLL：坐標位置信息，GSA：精度因子和有效衛(wèi)星號，GSV：可視的衛(wèi)星狀態(tài)，RMC：最簡導航傳輸數(shù)據，T*T：短文本信息的傳送〕。中間局部為數(shù)據體，數(shù)據體夾在語句類型標識和校驗和之間由假設干個有標準定義的數(shù)據字段組成的。校驗和表示從“$〞到“*〞之間的所有字符ASCII碼異或運算結果，一般用兩位十六進制數(shù)表示，是為了驗證通信過程中接收的數(shù)據是否有誤。<CR><LF>表示回車和換行〔十六進制分別為0*0D和0*0A〕。輸出語句TD3020T模塊默認輸出ZDA、T*T、RMC、GGA、GSA、GSV語句。輸出語句遵循了NMEA-0183協(xié)議，采用衛(wèi)星信號標準協(xié)議，能夠快速地從輸出語句中讀取出需要的數(shù)據。輸入語句TD3020T模塊具有定位模式切換、NMEA串口波特率設置、NMEA輸出語句更新率與開關設置等功能，通過計算機給模塊加載一些輸入語句，啟動相應的功能。指令包含：定位模式切換指令，波特率設置指令，語句輸出更新頻率設置指令，電纜延時修正值設置指令，語句開關指令。4.2基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)實現(xiàn)本節(jié)將準備就緒的硬件局部通過串口連接到電腦上，運行編寫好的衛(wèi)星授時程序，是整個實驗的核心。首先通過記錄下詳細的原始數(shù)據，接著閱讀輸出語句，結合NMEA協(xié)議讀懂這些語句，然后提取出需要的時間信息，再加上通過示波器觀測秒脈沖，最終實現(xiàn)基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)。按照要求，將TD3020T模塊電路板，電源電路板，計算機通信串口，GPS/北斗天線等硬件設備連接起來，如圖4.2所示。并且把天線放置在窗外適宜的觀測地點。圖4.2衛(wèi)星授時硬件設備模塊的硬件局部準備就緒后，接下來我們進展軟件局部的工作。具體步驟如下：①把TD3020T模塊電路板用串口〔9針〕線連接到電腦串口上，翻開編寫好的程序TD3020T授時軟件；②選擇工作模式MCU，根據所接的實際串口號選擇Port端口，這里我選擇了5；③波特率設置為9600；④運行程序，待輸出需要的信息時鎖定數(shù)據，提取并分析數(shù)據。最終接收到的衛(wèi)星信息如圖4.3所示。圖4.3衛(wèi)星數(shù)目以及接收到的數(shù)據在圖4.3中，右側柱狀圖顯示所觀測到的衛(wèi)星的數(shù)目多少及其各自的信號強度，柱狀越高表示信號越強，柱狀上方的數(shù)據表示信噪比，柱狀下方的數(shù)據表示PRN。實驗中，我們接收到3顆GPS衛(wèi)星信號和6顆北斗衛(wèi)星信號。根據衛(wèi)星定位授時的原理，4顆及以上的衛(wèi)星才能實現(xiàn)定位授時，此處北斗衛(wèi)星數(shù)目滿足要求。我們將圖4.3左側的文本接收框單獨在圖4.4中列出。圖4.4為文本接收框顯示接收到的輸出信息，這局部語句為NMEA-0183協(xié)議定義的語句[20]。每條語句都以“$〞符號開頭，這是一套定義衛(wèi)星信號接收機輸出的標準信息，是GPS接收機最通用的數(shù)據輸出格式，它包含了定位時間、日期、速度、緯經度、高度、定位所用的衛(wèi)星數(shù)目等關鍵信息。圖4.4文本框輸出的衛(wèi)星數(shù)據為了能夠清楚的理解文本接收框的容，我們對圖4.4文本框的一串完整數(shù)據進展解析，接收到的原文如下:$GNLPS,0,********,**,0,********,***46$GNSTA,n*0D$GPGSV,1,1,3,19,34,200,42,31,34,110,24,27,68,187,38*7C$BDGSV,2,1,6,03,52,199,37,05,14,254,30,01,49,145,38,08,55,183,33*59$BDGSV,2,2,6,02,32,238,33,04,34,122,31*54$GNZDA,135818.00,16,05,2015,+8,V*3F輸出語句中，語句類型標識前兩位BD表示北斗導航系統(tǒng)，GP表示GPS系統(tǒng)，GN表示GPS/北斗雙模導航系統(tǒng)；語句類型標識后三位中，STA表示天線狀態(tài)，GSV表示可視的衛(wèi)星狀態(tài)，ZDA表示時間。從中提前我們最終需要的衛(wèi)星授時信息“$GNSTA,n*0D〞，表示天線狀態(tài)良好，能夠正常接收衛(wèi)星信號，“BDGSV〞表示北斗衛(wèi)星狀態(tài)，“GPGSV〞表示GPS衛(wèi)星狀態(tài)，然后是“$GNZDA,135818.00,16,05,2015,+8,V*3F〞，我們根據NMEA協(xié)議語句對其進展解析，可以得到接收到的衛(wèi)星時間是“13時58分18秒00，5月16日，2015年〞，+8表示UTC+8，即時間。按照我們的習慣，最終我們得到的衛(wèi)星授時時間是時間(UTC+8)2015年5月16日13時58分18秒整。TD3020T模塊除了輸出上述NMEA數(shù)據外，還給出了1PPS秒脈沖同步信號，為高電平有效的100ms脈寬信號，1PPS秒脈沖的上升沿對準UTC時間的秒邊界，可用于精度時間同步。我們把接收到的秒脈沖信號用示波器顯示出來，如圖4.5所示。圖4.5接收到的秒脈沖同步信號在圖4.5中，我們得到了假設干個秒脈沖，從一個上升沿到下一個上升沿的時間間隔為一個完整的秒脈沖，秒脈沖高電平有效。將秒脈沖的上升沿放大如圖4.6所示。圖4.6秒脈沖上升沿放大圖從圖4.6我們可以看出，用于準確時間同步的秒脈沖上升沿非常陡峭，時間間隔非常短，約為5μs，秒脈沖的上升沿也就是1秒時間的邊界，與UTC標準時間的秒邊界對齊，它用于同步本地時鐘的秒信息，從而可到達微秒級精度授時。于是，我們通過采用TD302T為核心的軟硬件資源搭建了基于北斗二代的微秒級精度衛(wèi)星授時系統(tǒng)，并成功獲取了當前UTC時間信息以及秒脈沖信息，最終實現(xiàn)了衛(wèi)星授時的目的。第五章總結與展望5.1論文總結本文首先介紹了課題背景、研究意義以及授時技術開展的狀況；然后對導航衛(wèi)星系統(tǒng)作了細致的講述，之后又分析了幾種最為常用的時間參考標準；接著研究了衛(wèi)星授時原理并分析了誤差來源；最后采用TD3020T模塊，接收到了衛(wèi)星信號，對衛(wèi)星信號處理后得到UTC標準時間，通過基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)實現(xiàn)了授時的目的。本論文主要進展了理論研究與實驗，最終實現(xiàn)了衛(wèi)星授時的目的。論文主要完成了以下幾點工作：(1)原理分析研究：對衛(wèi)星授時原理進展了研究，分析了衛(wèi)星授時過程中由衛(wèi)星發(fā)播、信號傳輸和接收機接收等各環(huán)節(jié)產生的誤差。(2)模型測試應用：對建立的TD3020T為核心的模型進展了測試，最終實現(xiàn)了基于北斗二代的衛(wèi)星授時系統(tǒng)。畢業(yè)設計讓我更熟練運用MATLAB軟件，以及TD3020T芯片的應用，為進一步研究打下了良好的根底。但同時還有很多問題有待于進一步深入研究，我在今后的研究生學習階段，要加強學習，探索研究，不斷進取。5.2課題展望科學技術的迅猛開展推動著各行各業(yè)與高精度時間關系越來越密切，授時精度不但關系到工程建立，還關系到國家平安，世界各國都重視研究和探索高精度的授時方法。衛(wèi)星授時是幾十年來不斷探索和完善的一種授時方式，雖然已經取得了一定的成果，但是隨著技術的開展，要求我們進一步提高系統(tǒng)的授時精度，以滿足包括軍事應用在的更高的要求。此外，隨著我國的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步建立，從國家平安角度考慮，我們的授時系統(tǒng)要做到支持單GPS，GPS/北斗，單北斗三種模式，并能按需切換。本文主要完成了衛(wèi)星授時的原理與實現(xiàn)，經過我的鉆研和導師的指導，取得了一定的研究成果。但本設計在許多方面仍有缺乏之處，限于客觀情況，一些指標仍需要進一步提高，在精度和算法方面還需要進一步的完善，比方在實驗中由于器材的精細度不高導致接收到的秒脈沖準確度不夠，最終只到達微秒級精度而達不到納秒級精度的衛(wèi)星授時。展望今后的工作，對衛(wèi)星授時尤其是秒脈沖特征分析還可以繼續(xù)深入研究。參考文獻[1]俊,單慶曉.衛(wèi)星授時原理與應用[M].:國防工業(yè),2013.[2]CaiC,GaoY,PanL,etal.Ananalysison