GPS授時裝置授時原理和授時精度分析

  隨著科學技術的發展，人們在不同領域對時間的精度要求越來越高。GPS單向動態授時精度高， 所有授時由接收機自主完成，靈活方便，已在通信、 電力、交通、金融、石油勘探、地震監測等多個方面獲 得了廣泛地應用。在石油勘探中，GPS授時是節點儀器能夠廣泛應用的關鍵技術⑴⑵。但在一些山 區、樹林等地區，由于接收到的GPS衛星數量少，定 位和授時比較困難⑶。為了使相關讀者進一步了解 授時相關原理、影響GPS授時裝置授時的因素以及GPS授時裝置的授時精度，特作本文闡述。

1 GPS授時裝置衛星導航系統

  GPS授時裝置（Global Navigation Satellite System）是 全球衛星導航系統的總稱，現有的GPS授時裝置導航系統 包括 GPS、GLONASS、BDS 二代（以下簡稱 BDS）、 Galileo, QZSS、SBAS 等，其中 GPS、GLONASS、 BDS,Galileo為全球衛星導航系統，其他為區域增 強系統。GPS系統共有32顆衛星，GLONASS共 24顆衛星。BDS衛星導航系統是我國自主研發的

  全球衛星導航系統，于2012年底具備區域導航能 力。截止2016年6月，BDS共發射23顆衛星，除失 效和未開放衛星外，能觀測到的衛星有14顆。Gali- leo是歐空局的全球導航系統，截止2016年12月，共 發射18顆衛星，在我國武漢可以接收到14顆衛星。 以我國武漢JFNG站為例，圖1統計了 JFNG站2017 年4月24日24h觀測到的各系統衛星數量。表1統 計了 JFNG站接收到的各衛星系統數量平均值。

2 GPS授時裝置授時原理

  GPS授時裝置授時包括單向授時和雙向授時兩種，雙 向授時為授權服務本文所述GPS授時裝置均為單向 授時，即由接收機自主計算完成授時，其原理如下：衛星坐標和衛星鐘差可根據廣播星歷 計算得出（計算方法請參閱文獻［10］）,電離層延遲 可通過雙頻削弱至厘米級G〕，對流層延遲也可改正 精確至厘米級，地球自轉和相對論效應可精確地根據 公式計算。如果接收點坐標已知，未知數只有接收 機鐘差，只需一個衛星即可計算出接收機鐘差；如果 接收機坐標未知，則需至少4顆衛星，然后釆用最小 二乘法計算出接收機坐標和鐘差。接收機根據計算 出的接收機鐘差，修正其時間至精確的UTC時⑴， 并準確地輸出1PPS脈沖信號，供用戶使用。

3 GPS授時裝置授時精度分析

  從上述授時原理可知，授時精度是衛星的軌道 （即衛星坐標）、衛星鐘差、偽距、電離層延遲、對流層 延遲等這些主要影響因素精度的綜合。分析GPS授時裝置授時精度，首先需要分析各衛星導航系統的綜合因 素分別對時間精度的影響。

3.1 GPS授時裝置的授時精度受廣播星歷軌道精度影響

目前 GPS、BDS、GLONASS、Galileo 的衛星軌 道精度見 GPS授時裝置各系統廣播星歷軌道精度

衛星系統 廣播星歷軌道精度（m）

GPS 1.0

BDS 5.0

GLONASS 3.5

Galileo 5.0

以武漢JFNG站為例，以IGS提供的精密星歷 作為標準星歷（星歷內插采用拉格朗日9階內插）， 計算的廣播星歷衛星位置與精密星歷衛星位置差值 見表3。

表3實例計算GPS授時裝置各系統廣播星歷軌道精度

衛星系統 X(m) Y(m) Z(m) 徑向（m） 徑向距離化 為時間（ns）

GPS 0.932 0.846 1.067 0.864 2.882

BDS 8.875 3.849 1.682 0.946 3.156

GLONASS 1.892 2.182 2.293 1.974 6.585

Galileo 2.383 2.948 5.078 0.694 2.315

表3中，x、y、z是廣播星歷減去精密星歷后求 絕對值的平均值。衛星軌道徑向精度是影響測距精 度的主要原因，也是影響授時精度的主要

3.2 GPS授時裝置的授時精度受廣播星歷和衛星鐘差精度影響

利用原子不受壓力和溫度影響的固定頻率振蕩 的原理制成的原子鐘具有很高的精度E ,如石英鐘、 釧原子鐘、飽原子鐘、氫原子鐘等。不同原子鐘精度 見表4。

表4不同原子鐘精度

導航衛星一般搭載的是高精度的錨原子鐘和氫 原子鐘，非常穩定。GPS授時裝置授時接收的是廣播星歷, 通過廣播星歷提供的GPS衛星鐘差精度在5ns左 右⑹。表5列出了武漢JFNG站廣播星歷計算的鐘 差與IGS提供的精密鐘差之間的差值統計。IGS的 SP3提供的精密鐘差精度可達0.1ns⑻，其誤差可忽 略不計。

表5實例計算GPS授時裝置各系統衛星鐘差精度（ns）

從表5可以看出，GPS衛星鐘差最小，達到 0.542ns,最大不超過4ns；Galileo次之，最大衛星鐘 差也不超過4ns；GLONASS最大不超過16ns；BDS 廣播星歷預報的衛星鐘差較大，達到30ns,最小不 超過20ns,最大接近40ns。北斗衛星鐘差與IGS提 供的精密鐘差之間存在系統偏差，導致計算的北斗 衛星鐘差偏大。

3.3電離層、對流層等對GPS授時裝置的授時精度影響

電離層與對流層影響與衛星高度角有關，對流 層影響在高度角10度以上可達到20多米3】，電離 層在高度角10度以上可超過50米。對于雙頻接收 機，可釆用雙頻消電離層組合消除電離層影響，消除 后的電離層參差僅為厘米級；對流層可采用模型精 確改正至厘米級；地球自傳改正后的殘差也僅為厘 米級山；相對論效應可通過公式改正至忽略不計。 故通過雙頻消電離層、改正對流層、地球自傳、相對 論效應后的的距離殘差應為0.1m左右，換算至時 間約為0.333ns,可忽略不計。對于單頻接收機，由 于不能消除電離層，通過模型改正可以改正到 60%。如果以電離層延遲40m算，改正后的電離層 殘差為16m,化歸至時間則為53.370ns。對于亞微 秒級別授時精度的用戶可采用單頻GPS授時裝置接收機。

3.4GPS授時裝置的授時精度受偽距精度影響

由式（1）可知，影響授時精度的還有偽距F。偽 距是通過C/A碼或P碼產生，以GPS為例，C/A碼 元寬度對應的距離為293.052m,倘若接收機測距精 度為一個碼元的1/100,則測距精度為2.930m,P碼 的精度可達0.290m^M_o在實際測量中，偽距會受到 噪聲的影響。

  結論

通過上述分析，可以得出以下結論：第一， GPS授時的前提首先是定位，只有準確地知道接 收機的坐標，才能完成授時。第二，對于雙頻GNSS 接收機，GPS授時裝置的授時精度主要受衛星軌道、衛星鐘差、偽距 測量精度的影響。如果采用BDS的GNSS授時，精 度為30ns左右；如果僅釆用GPS授時，則精度小于 5ns；Galileo授時精度與GPS相當，截止2017年5 月，在我國可視衛星只有4顆，僅能滿足最少授時的 衛星數。第三，如果采用GNSS單頻接收機，則GPS授時裝置的授時精度還全在原來的基礎上降低50ns左右。第四， 對于山溝、有遮擋的一些地方，由于單系統授時可見衛星少，不能計算接收機坐標，可采用GNSS多系統授時，增加可視衛星數量，以加快授時速度。

 目前已經發展到2020年了，我們自己的北斗衛星三代系統已經建成，北斗授時精度和GPS授時精度相當，在很多國家重要行業都開始選擇用自己的北斗衛星授時或者是GPS北斗雙模授時方案，這樣不僅保證了授時的準確度和穩定性，還保證了在特殊時期，衛星授時不被別人停用干擾。