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GPS授时工作原理

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1.1、GPS授时工作原理

  首先通过GPS卫星坐标与接收机的坐标计算出星机“真实距离”。GPS卫星的空间坐标可通过GPS卫星导航电文中的广播星历获知,接收机的坐标则可通过大地测量获得。

  假定接收机与GPS卫星时间同步,利用GPS“测距码”信号测算出信号的传输时延,再根据传输时延和信号传播速度(取真空光速值)计算出星机“伪距离”。

  伪距离的失真主要由以下2个因素造成:1)接收机与GPS卫星的不同步造成了传输时延的测算误差;2)GPS信号在穿越电离层和大气对流层时,传播速度会发生变化,不再等于真空光速,从而造成传播速度的误差。

  信号传送速度引起的测量误差可按统计模型,用GPS导航电文中的修正参数推算出来。高级的双频GPS接收机还可通过双频段测量的方式更为精确地修正电离层误差。

  因此,用式(1)、(2)可推算出接收机时钟与GPS时钟的钟差,通过调整钟差实现与GPS卫星钟的同步,即

  

GPS授时工作原理

  式中P实为通过坐标计算得出的星机真实距离;p伪为通过测量时延和光速计算出的伪距离;c为真空光速; 为接收机时钟与卫星钟的钟差;△为因电离层和对流层速度变化引起的距离测量误差。接收机对GPS卫星的跟踪实现的是接收机时钟与卫星钟的同步,而卫星钟与“真实时间”(或者说GPS地面基准时间)的偏差是无法直接测量的。卫星钟相对于“真实时间”的误差可通过导航电文中的时间参数修正。

  综上所述,接收机t时刻的钟差可按式(3)计算

  

GPS授时工作原理

  式中 (t)为t时刻接收机与GPS地面基准时间(GPST)的钟差;P(t)为测量伪距离;p(t)为通过坐标计算出的真实距离; (t)为卫星钟与GPST的钟差,可通过导航电文获知;a, (t)和△ (t)是电离层和对流层修正参数,可通过导航电文中的参数推算出来。

  GPS时间的精度高,守时能力强,长期稳定性好,但由于GPS信号以电磁波方式传送,易受外界干扰,短期稳定性较差。将GPS的长期稳定性和物理时钟的短期稳定性相结合是提高时间精度较为有效的方法。此外,GPS共视比对也是提高外围站点时间精度较为有效的办法,通过共视比对可将站问误差控制在15 ns以内 。

  1.2、同步传送链路和同步接口

  常规情况下,单站GPS时间同步可满足各种应用需要,但考虑到非常时期、信号劣化、接收机故障等因素,建设优良的地面时间链路是非常必要的。

  为提高时间同步信号的传递精度,应尽量克服同步传送链路的抖动、拥塞和不对称性。时延抖动、信道拥塞和时延的不对称性信号将影响DCLS、网络时间协议(NTP,Network Time Protoco1)的时延补偿精度。

  因此,DCLS信道宜采用SDH系统的64 kbit/s带外开销数据信道,NTP信道宜采用专用数据通道或低荷载数据通道。地面时间传送链路的建设意义重大,不仅可提高时间同步的可靠性,而且还为时间同步设备状态监测提供信道支持。

  目前主流的时间同步信号接口有1 PPS、IRIG—B和NTP等。1PPS秒脉冲精度最高,可达1 pus;IRIG—B(AC)精度可达30 pus;NTP一般情况下精度可达1 ms,通过修改实时操作系统的中断机制和采用低时延交换机,精度可达25 pus[3],能满足绝大部分应用需要。在电力时间同步网中,站间同步宜采用IRIG—B的直流方式,即DCLS;站内对时可采用1PPS接El、IRIG—B的交流接El或NTP接El。1PPS和IRIG—B(AC)都需要专用接口和线缆,而NTP方式则可采用站内局域网,方便、经济。随着变电站数字化程度的逐步提高,应进一步推广NTP对时方式。

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