现代授时技术及其用途.docx

现代授时技术及其用途-概述摘要：涵盖的内容1、 基本的准备知识：单位制、频率基、标准器、频标比对方法和测量技术一些内容在“时间与频率测量”中学习，而针对性的频标比对和时间测量等内容在本课程中讲教材，根据 情况不断重复和复习2、 各种可用的传输载体和途径（无线），时间-空间关系3、 时间和频率信号在授时传递中信号的特点及其处理、测量技术（扩展）4、 重要的基础：时间同步、相位同步（同频、同相）、相位群同步源端和用户端的区别，周期性（1pps）和非周期性的区 别、灵活性；相互间的相关性5、 特有的授时比对方法：三种，单、双、共6、 关于授时技术的应用-其重要性反映了学习的价值导航定位、时间同步、电力故障检测、国防军工、航空航天等注 意时-空关系7、 同步技术的扩展：频率准确度、稳定度的传递，例如在原子钟等量子频标中10、GPS 等全球定位系统8、 授时、定位、导航系统中的一些关键技术：星载钟、时频信号生成和保持、星-地、星间、地-地的同步监测等9、最新的技术进展概述与其他物理量在量值传递等方面很大的不同，时间和频率信号的准确传递可 以借助于电磁波信号以无线的方法进行这主要是因为光和电磁波信号传递速度 的高精度以及快速的原因。

高精度传输的参考时间信号是官方的国际时间，协调世界时UTC；高精度 传输的参考频率（时间间隔）信号是国际原子时TAI它们都是由国际度量局BIPM 产生的授时技术的目的是完成全部（全球）或者局部的时间的一致授时技术从最初主要是用于时间和频率标准器之间的准确比对及量值传递 这常常表现为频率信号的校准和时间的同步等而近年来它也更多地被用于导航 定位、通讯、大系统的管理和协调、电力传输中的故障检测等另外，授时技术 的用途也更多的表现在导航和长度的精密测量及控制方面经过了几年对本课程 的讲授，我们感觉到应该在更广义的范畴内把授时问题的内涵、相关知识、可应 用的领域以及针对不同情况时的灵活应用等交待的更明白这样才能发挥它的功 能用符号S表示电磁波传播的距离、V表示电磁波传播的速度、d表示传播延 迟，则d= - （1）V对于天波一般取V等于光速c；对于地波，根据大地导电率的不同，V不等于光 速，要作相应的修正此外，能否准确的计量出电磁波信号传播的实际距离也是 确定各种发播手段准确度高低的关键从计量学的发展中，可以看到一条规律也就是因为时间和频率量的高精度 和便于数字化处理等优点，对于其他量值的测量和处理从高精度的考虑就有向频 率或者时间量靠近的趋势。

同样，又由于时间和频率量便于高精度传输的优点 （其他量值，如电压等就很难通过这样的途径准确的传输），除了利用这种传输单 一地进行时间或者频率量的传递和比对外人们还千方百计地把可能转换或者以 时间量值为代表情况下实现其他对象的比对、统一等目的所以在全球定位星系 统（GPS）发展的初期，就有人预测这个系统能够发挥的作用的广度和深度将取决 于人们的想象力如果说，在时间和频率领域授时技术主要的功能是完成时间的 同步和频率量值的一致，那末在更广泛的领域它将以时间、相位或者频率为纽带 实现不同的控制对象在大空间的统一这里，最明显的例子就是电力系统的管理、 控制和故障检测；在通讯方面对于图像和文字资料的传输所需要的系统等为了学习方便，我们先把本课程中的关键的缩写词汇列表如下： （有印象，不要求记；在许多文献中大量应用） BIPM: Bureau International des Poids et MesuresC/A 码：进入探测粗码（Coarse Acguisition of Clear Access）CRL: Communications Research Laboratory, TokyoCV: Common ViewDMA: Defense Mapping AgencyGPS: Global Positioning SystemIERS: International Earth Rotation ServiceITRF: IERS Terrestrial Reference FrameMJD: Modified Julian DayNIST: National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO.NBS: National Bureau of Standards （now NIST）NRC: National Research Council, Ottawa, CanadaNSWC: Naval Surface Warfare CenterOP: Observatorie de ParisP 码：保密精确码 （Protested Precise）SA: Selective Availability of GPSTAI: International Atomic TimeTWSTFT: 双向卫星时间和频率传输USNO: U.S. Naval Observatory, Washington, DC.UTC: Coordinated Universal TimeUTC（i）: Coordinated Universal Time as realized by laboratory i.VLBI: Very Long Base InterferometryWGS: World Geodetic System从原理上来看 任何能够传播信息的通讯手段和信号载体等都能够被用来进 行授时工作。

只是从精度方面考虑，传输途径的准确和稳定会对于授时的精度起 到决定的作用现在常用的远距离时间和频率的传输方法是，单向法、共视法和 双向法三种所采用的服务手段有，英特网、线、地面设站的无线电广播（地 基）、以全球定位星系统（GPS）为代表的卫星传输（天基）等利用电磁波信号来传递标准频率和时间信号是方便、实用和高精度的标准 时间频率发播信号按载频频率可以分为高频（如2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、 20MHz等短波台），低频（如100kHz数量级的罗兰C导航台），甚低频（10〜 20kHz等Q导航台）和甚高频（如电视和卫星通讯）既然是采用电磁波信号来传递标准频率和时间信号，就会存在传输过程中的 各种干扰的影响这里包括不同的电离层、对流层等因为不同频段电磁波的传播特性不同，所以能够获得的比对精度也就不同 而且信号的覆盖范围和可利用的时间也不同因此要根据需要加以选择从下面 的表 1 中，我们可以对于各种传递方法的状况作一个了解表1各种方法的优、缺点比较传递方法频率达到 的准确度时间达 到的准 确度达到所述 准确度的 有效距离利用时 间费 用同时 服务 用户 数主要优缺点HF/MF （高频/ 中频）（每日）罗 兰一A导航系统1 X 10-11 〜1 X 10-75 x 10 -111ms2.5 Ms在各发播 台作用区内全日低广大受电离层影响大， 准确度低，有时互 相干扰VLF（甚低频）（每 日）奥梅迦导航系 统1 X 10-115 x 10 -11100 Ms< 2ms全球全日高广大主要用于频率测 量，准确度不咼LF （低频）罗兰 一C导航系统（每 日）1 X 10-111 X 10 -12（地波）天波50 Ms地波1 Ms北半球全日高广大需建很多台、链才 能覆盖较大区域， 费用高，受传播条 件影响，准确度很 难进步提高微波1 X 10-13<100ns小局部区 域根据需 要中 等少只能点对点传递，短距离使用甚长基波干扰技 术5 X 10-141ns可达全球全日高少费时、费钱、设备复杂搬运钟10-131ns可达全球根据需 要高少使用不便、费时、 费钱，高准确度时 费用急速增多电 视彩色副载波4 X 10-12电视网作 用范围之内限于电 视广播 时间低多局限于电视网作用 区，要达到高准确 度只能在同电视 发射台作用区内无源同步1X10-111〜10 M s卫 星单向法10〜50ns全球全日低广大双向法GPS全球定位系统1 X 10-1410nsLASSO激光<1 X 10-141ns可见卫星 区域Shuttle 航天飞机< 1 X 10-141ns近年来，由于各种技术的进步，尤其是利用卫星手段的授时和校频、定位技术的发展，上述状况有了一些变化。

入下表 2 所示表2 时频传递精度等的比较类型时间精度时间稳定度频率精度 （24小时）注释英特网50ms - 1s20ms2 x 10 一？方便线ACTS5ms - 1s2- 200ms6 x 10 兰慢于英特网高频无线电2 - 200ms2ms2 x 10 去用户少低频无线电WWVB0.5 - 20ms1卩s1x10-1用户产品低频无线电LORAN1卩s100ns1x10-2最好的低频GPS单向（无SA）10 - 40ns2 - 7ns2 x 10」最简单的GPSGPS CV1 一 10ns1 -2ns1x10-W最好的GPSTWSTFT1 - 5ns0.1 一 2ns0.1 - 1 x 10-M昂贵的GPS载波相位—0.1ns1 x 10」不能提供时间ACTS -自动计算机时间服务授时和校频的应用是为了不同地方的时钟或者频率源保持频率或者时间上 的一致这种保持能力和这些时钟或者频率源本身的指标相关的时钟本振源的 准确度越高，则它的守时能力越好不同本振源的守时能力如下表 3所示表 3 不同本振源的守时能力本振源老化率/最低准确度变化±1ms需用时 间频率同步网PRC/LPR±2x10-12（骨干网工程指 标）约16年G.811规定的1级 时钟±1x10-11（最低准确度）约3.2年铷原子钟±5x10-11（月）约7.5月高稳晶体振荡器±1x10-9（天）约11.5天温补晶体振荡器±1x10% 天）约2.8小时一般晶体振荡器±1x10-5（天）约100秒频率源指标和同步处理技术之间的互补等关系。

目前，这种不同的本振源可以按照要求用于电力系统的故障点的找寻系统 中而守时的精度直接关系到对故障点的距离的判断精度从 1毫秒到 1微秒的 精度作用和影响为了完成远距离的授时和校频，除了关注信号的传输途径、设备和方法外（在 通讯课程中），还应该关注时间和频率信号之间的高精度比对方法所以，各种时间比对技术，如直接时间间隔测量、模拟方式的时间和频率标准的比对技术、 各种频标和时间标准的比对倍增技术等在比对包括传输在内的总的误差链中， 时间和频率信号之间的高精度比对方法的误差所占的比重是很大的作为标准的时间和频率信号的发播源，目前主要分为以地面上的发播基地的 陆基的方法以及以卫星上的发播基地的星基的方法陆基的方法发播的常常是电 视、短波、长波、超长波（甚低频）信号，他们除了用地面的无线电广播仍然是 时频服务的手段。