GPS授時(shí)工作原理

1.1、GPS授時(shí)工作原理

　　首先通過GPS衛(wèi)星坐標(biāo)與接收機(jī)的坐標(biāo)計(jì)算出星機(jī)“真實(shí)距離”。GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)可通過GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的廣播星歷獲知，接收機(jī)的坐標(biāo)則可通過大地測量獲得。

　　假定接收機(jī)與GPS衛(wèi)星時(shí)間同步，利用GPS“測距碼”信號測算出信號的傳輸時(shí)延，再根據(jù)傳輸時(shí)延和信號傳播速度(取真空光速值)計(jì)算出星機(jī)“偽距離”。

　　偽距離的失真主要由以下2個(gè)因素造成：1)接收機(jī)與GPS衛(wèi)星的不同步造成了傳輸時(shí)延的測算誤差;2)GPS信號在穿越電離層和大氣對流層時(shí)，傳播速度會發(fā)生變化，不再等于真空光速，從而造成傳播速度的誤差。

　　信號傳送速度引起的測量誤差可按統(tǒng)計(jì)模型，用GPS導(dǎo)航電文中的修正參數(shù)推算出來。高級的雙頻GPS接收機(jī)還可通過雙頻段測量的方式更為精確地修正電離層誤差。

　　因此，用式(1)、(2)可推算出接收機(jī)時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的鐘差，通過調(diào)整鐘差實(shí)現(xiàn)與GPS衛(wèi)星鐘的同步，即

　　式中P實(shí)為通過坐標(biāo)計(jì)算得出的星機(jī)真實(shí)距離;p偽為通過測量時(shí)延和光速計(jì)算出的偽距離;c為真空光速; 為接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘的鐘差;△為因電離層和對流層速度變化引起的距離測量誤差。接收機(jī)對GPS衛(wèi)星的跟蹤實(shí)現(xiàn)的是接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘的同步，而衛(wèi)星鐘與“真實(shí)時(shí)間”(或者說GPS地面基準(zhǔn)時(shí)間)的偏差是無法直接測量的。衛(wèi)星鐘相對于“真實(shí)時(shí)間”的誤差可通過導(dǎo)航電文中的時(shí)間參數(shù)修正。

　　綜上所述，接收機(jī)t時(shí)刻的鐘差可按式(3)計(jì)算

　　式中 (t)為t時(shí)刻接收機(jī)與GPS地面基準(zhǔn)時(shí)間(GPST)的鐘差;P(t)為測量偽距離;p(t)為通過坐標(biāo)計(jì)算出的真實(shí)距離; (t)為衛(wèi)星鐘與GPST的鐘差，可通過導(dǎo)航電文獲知;a， (t)和△ (t)是電離層和對流層修正參數(shù)，可通過導(dǎo)航電文中的參數(shù)推算出來。

　　GPS時(shí)間的精度高，守時(shí)能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好，但由于GPS信號以電磁波方式傳送，易受外界干擾，短期穩(wěn)定性較差。將GPS的長期穩(wěn)定性和物理時(shí)鐘的短期穩(wěn)定性相結(jié)合是提高時(shí)間精度較為有效的方法。此外，GPS共視比對也是提高外圍站點(diǎn)時(shí)間精度較為有效的辦法，通過共視比對可將站問誤差控制在15 ns以內(nèi) 。

　　1.2、同步傳送鏈路和同步接口

　　常規(guī)情況下，單站GPS時(shí)間同步可滿足各種應(yīng)用需要，但考慮到非常時(shí)期、信號劣化、接收機(jī)故障等因素，建設(shè)優(yōu)良的地面時(shí)間鏈路是非常必要的。

　　為提高時(shí)間同步信號的傳遞精度，應(yīng)盡量克服同步傳送鏈路的抖動(dòng)、擁塞和不對稱性。時(shí)延抖動(dòng)、信道擁塞和時(shí)延的不對稱性信號將影響DCLS、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP，Network Time Protoco1)的時(shí)延補(bǔ)償精度。

　　因此，DCLS信道宜采用SDH系統(tǒng)的64 kbit/s帶外開銷數(shù)據(jù)信道，NTP信道宜采用專用數(shù)據(jù)通道或低荷載數(shù)據(jù)通道。地面時(shí)間傳送鏈路的建設(shè)意義重大，不僅可提高時(shí)間同步的可靠性，而且還為時(shí)間同步設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測提供信道支持。

　　目前主流的時(shí)間同步信號接口有1 PPS、IRIG—B和NTP等。1PPS秒脈沖精度最高，可達(dá)1 pus;IRIG—B(AC)精度可達(dá)30 pus;NTP一般情況下精度可達(dá)1 ms，通過修改實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的中斷機(jī)制和采用低時(shí)延交換機(jī)，精度可達(dá)25 pus[3]，能滿足絕大部分應(yīng)用需要。在電力時(shí)間同步網(wǎng)中，站間同步宜采用IRIG—B的直流方式，即DCLS;站內(nèi)對時(shí)可采用1PPS接El、IRIG—B的交流接El或NTP接El。1PPS和IRIG—B(AC)都需要專用接口和線纜，而NTP方式則可采用站內(nèi)局域網(wǎng)，方便、經(jīng)濟(jì)。隨著變電站數(shù)字化程度的逐步提高，應(yīng)進(jìn)一步推廣NTP對時(shí)方式。