GPS共视时间频率传递应用研究

孙君

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450000）

随着科学技术的发展，高精度的时间和频率传递在国民经济建设以及很多的高新企业中都发挥着重要的作用，目前在我国，通信、电力以及交通等行业都广泛应用高精度的时间和频率传递技术。尤其是近些年国防科技以及空间技术快速发展，其对高精度的时间和频率传递提出了更加严格的要求。虽然，在九十年代时我国就已经建立了独立的长波授时体系，但是其时间传递的精度仍然不能满足科技发展的需要，而且每天覆盖的时间也只有八个小时。伴随着我国航天技术的发展，对时间和频率传递的精度要求能够达到亚微秒量级。而在更高技术例如空中拦截中，时间和频率的传递精度则要达到纳秒量级。但是，目前能够达到这一要求的设备还是需要完全依靠从国外进口。因此，大力研发高精度时间传递对于促进我国通信事业以及国防事业的快速发展有着极其重要的作用。笔者从以下几个方面介绍了我国的GPS共视技术的发展应用以及存在的问题。

1 GPS共视技术应用的发展现状

在我国的各定时实验室之间，在很多年前就已经开始使用GPS共视技术来达到和完成高精度的时间和频率的传递。由于这种方法比较适用于进行原子钟比对，从而可以将世界各定时实验室的原子钟联系在一起来共同参与TAI计算。而且随着社会科技的不断进步和其他行业的需要，越来越多的行业都开始使用高精度的时间和频率同步这一技术，并也开始使用GPS共视技术。但是由于GPS共视接收机相对昂贵，限制了GPS共视技术在各个领域的应用。这样就需要有高科技企业来研制相对廉价的PGS接收机来满足不同企业对于该项技术使用的需求。廉价的GPS接收机出现于九十年代中期。但是，无论用户的原子钟有多么准确，都会存在着老化的现象。这就需要定期对需要高精度时间频率同步的用户的接收机进行校正。但这很难让远距离的原子钟实现同步，而GPS共视技术则可以解决这一问题，除此之外，GPS共视技术可以作为一种媒介，让用户与国家级守时实验室的原子钟实现同步。随着科技的不断进步，GPS共视技术由于其价格适中，精准度高，使用方便等特点，已经开始广泛应用于各个领域。

2 GPS共视时间传递原理以及在实际中的应用

GPS是Global Positioning System的缩写，GPS是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统。其特点是可以同时精确的、快速的为无限多用户提供定位需要。GPS主要是由空间部分（GPS卫星）、地面控制部分和用户设备部分组成。GPS卫星是由距离地面20200km的24颗卫星组成的，这24个卫星平均分布在6个轨道平面内。GPS系统时间利用UTC作为参照。GPS共视是指在两个观测站中同时对相同的卫星进行观测记录，以实现两个站之间时间的同步。

我们假设：两个定时接收机已经分别位于位置A和B（这两个位置是已知的），如果在相同的时间观测同样一颗卫星O则会得到下面的公式：

△tOA=(tO-tA)=钟A和卫星O的钟差

△tOB=(tO-tB)=钟B和卫星O的钟差

两式作差可得：

△tOA-△tOB=(tO-tA)-(tO-tB)=tB-tA=tBA；即A、B两站的钟差。而在实际的运算过程中，GPS共视对比中，对于参与计算的数据应该用相同的方法处理。

GPS共视技术在实际中的应用可以概括为以下三个主要的方面：可以应用于国内同步网及其业务网的时间频率溯源问题分析；对于同步性的可靠性进行分析；对数字网以及业务网的时间同步频率进行分析。

3 GPS共视的优点以及提高共视精度方法

根据在实际的应用以及通过对GPS共视原理的分析，GPS共视存在着以下优点：首先，由于卫星到达两站的路径不同，以及在不同的方位上，卫星存在着不同的误差，而GPS共视可以消除这些误差；其次，如果能够保证GPS的严格共视，可以完全消除存在的星钟误差的影响；再次，使用GPS共视可以消除对流层和电离层产生的误差；第四，GPS可以有效的避免SA效应的影响。为了进一步提高GPS共视技术的精度，我们可以采取以下三点措施：第一，在条件允许的条件下尽可能使用性能稳定、质量好的GPS信号接收机；第二，使用精密星历改正；第三，使用双频测量的电离层附加时延。除此之外，还要额外考虑其他因素的影响，例如温度和湿度等。

4 GPS主要的误差源分析

影响GPS共视法精度的主要因素包括：电离层以及对流层产生的延迟具有不确定性，GPS信号接收机存在的延迟不稳定性以及轨道参数的不准确性。

4.1 电离层附加时延

如果使用双频接收机，则可通过使用双频测量电离层附加时延来提高其精准度。而对于民用的单频接收机，我们可以采取以下两个模型来对误差进行修正：一是通过导航电文所提供的群时延Tgd，来修正电离层的延迟；二是使用导航电文提供的电离层模型参数。与此同时，由于电离层具有特定的相关性，可以使用共视做差来消除这些误差。

4.2 对流层附加时延

在40km以下的大气层称之为对流层，由于对流层距离地面较近，而导致其大气的密度很大，而且很容易受到地面气候变化的影响。所以，当电波通过对流层时，其传播速度会发生一定的改变，而引起延迟。而且由于对流层时延与频率无关，只能采用模型法进行修正。 目前，较为常用的模型有“HOPFIELD”模型，利用这种模型可以将对流层延迟的误差降低到最小。

4.3 周期性相对论改正

无论在何时，只要当信号源和接收机相对于各向同性光速坐标系发生移动时，则需要对其进行适当的狭义修正；但是当信号源和接收机处于不同的重力势时，则需要广义相对论修正。因此，GPS卫星在发射前，需要将卫星的时钟调至到适合的频率。当卫星时钟运行变慢（近地点，卫星速度快，重力势低）和卫星时钟运行变快（远地点，速度慢，重力势大）的情况下需要下面的公式对其进行修正：

△tr=Fe(A)1/2sinEK；其中 e（偏心率），A（长半轴的平方根），EK（偏近点角）是轨道参数。

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