用于GNSS的SpT星载原子钟及时间系统介绍
30.精品—国家综合定位导航授时体系PNT之全球导航卫星系统(GNSS)
Tu Tu+tu
（接收机所测伪距的时间等效量）
Ts表示信号离开卫星时的系统时 Tu表示信号到达用户时的系统时 δt表示卫星时钟与系统时之间的误差，超前为正，滞后为负 tu表示用户时钟与系统时之间的误差 Ts+ δt表示信号离开卫星时的卫星时钟读数 Tu+tu表示信号到达用户时的用户接收机时钟读数 c表示光速
空间基准参考系 WGS 84 PZ-90 CGCS2000 GTRF
时间基准参考系 GPST
GLONASST BDT GST
5
全球卫星导航系统——信号体制
国际电信联盟ITU分配给卫星导航业务的 无线电频段： 1）L波段：
1164-1300MHz、1559-1610MHz； 2）ITU－C（Cn）波段：
卫星的位置(Xi ,Yi ,Zi)可在导航电文卫星星历中获得（时空基准参考源的时空信息）。 用户未知位置(Xu,Yu,Zu)，加上卫星时钟与接收机时钟之差δt，4个未知量。因而至少需要引 入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解。
4
全球卫星导航系统——时空基准参考系
GNSS GPS GLONASS BDS GALILEO
卫星n导航信号产生载荷
TSat_n_Nav_Mesg_1pps TSat_n_Carri_1pps TSat_n_PN_Code_1pps
16
全球卫星导航系统——导航信号产生
时钟同步
卫星间系统时钟同步，即卫星系统时间的一致性
Δt1_1pps=TSat_m_1pps-TSat_n_1pps
时钟同步
本地时钟与系统时钟间的溯源/同步关系
5010－5030MHz。
6
全球卫星导航系统——信号体制(GPS)
信号 L1C/A L1P(Y)
gnss主要知识概括
GNSS是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）的缩写，是一种利用卫星进行定位、导航和时间同步的技术系统。
主要的GNSS系统包括以下几个：
1. GPS（全球定位系统）：美国建立的第一代GNSS系统，由一组运行在轨道上的卫星组成。
利用GPS接收器接收卫星发射的信号，并通过计算信号传播时间差来进行定位。
2. GLONASS（格洛纳斯）：俄罗斯建立的GNSS系统，类似于GPS。
它由一组运行在轨道上的卫星组成，也可用于定位和导航。
3. Galileo（伽利略）：欧洲空间局（ESA）和欧盟共同建立的GNSS系统。
它是第一个完全由民用组织运营的GNSS系统，并将提供更为精确的定位和导航服务。
4. BDS（北斗导航卫星系统）：中国建立的GNSS系统，类似于GPS和GLONASS。
它旨在提供全球覆盖的定位、导航和时序服务，并在民用和军事领域有广泛的应用。
GNSS系统的工作原理是将多个卫星分布在地球轨道上，通过接收全球各地的卫星信号，利用三角定位原理计算接收器所在的位置。
接收器通过测量接收到信号的时间差，并将其与卫星的位置信息进行比较，确定自己的位置。
通过同时接收多个卫星信号，可以更准确地确定位置，并提供导航和定位服务。
GNSS技术在各个领域有广泛的应用，包括车辆导航、船舶和航空导航、移动设备定位、精密农业、应急救援等。
它不仅提供准确的位置信息，还可以对时间进行同步，为社会和经济活动带来便利和效益。
GNSS专业名词释义
Navigation Lectures导航讲座DCW绝对定位（Absolute positioning）：用一台 GNSS信号接收机直接测定一个测站在给定全球大地坐标系（例如 WGS-84世界大地坐标系）内的点位三维坐标；后者是相对于坐标原点的绝对坐标，故称之为“绝对定位”。
近年来，人们常将它称为“单点定位”（single point positioning）。
精度（Accuracy）：它表示一个量的观测值与其真值接近或一致的程度，常以其相应值——误差（Error）予以表述。
对 GNSS卫星导航而言，精度直观地概括为用GNSS信号所测定的载体在航点位与载体实际点位之差；对于 GNSS卫星测地而言，精度是用 GNSS信号所测定的地面点位与其实地点位之差。
捕获（Acquisition）：它是 GNSS信号接收机能够接收和锁定 GNSS信号的能力，这是获取 GNSS观测值的关键一步。
历书（Almanac）：它是一组由卫星导航电文提供的描述所有在轨 GNSS卫星概略位置及其钟差的参数。
每颗 GNSS卫星向用户发送历书数据，用户利用它们不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，以致它们能够构成较理想的空间几何图形，而且依据已知的码分地址能够较快地捕获到所选择的待测卫星。
模糊度（Ambiguity）：例如，当用 GPS第一载波测量时，其载频 fL1=1575.42 MHz，它的相应波长λ=19 cm，用该 19 cm电尺量测从 GPS信号接收机到 GPS卫星的二万余千米距离，其整尺段数（波数）约为1E+8。
如此巨大的波数是无法直接精确测定的，而需用一定的方法求解这个未知数，该未知数称为载波相位测量的模糊度，因为它是从接收机到卫星的载波相位测量的整周期数，在笔者所著的《GPS卫星导航定位原理与方法》和《全球导航卫星系统及其应用》两部著作中将它称为整周模糊度，它的解算是载波相位测量数据处理的一个特殊而又极重要的问题。
GNSS系统概述
——四大全球卫星导航系统概述一、GPS系统二、GLONASS系统三、伽利略系统四、北斗系统俄罗斯GLONASS中国北斗美国GPS欧盟伽利略一、全球定位系统（GPS）1、GPS的演进与发展2、系统组成3、信号结构4、导航电文5、美国的GPS政策世界上第一个成功运行卫星导航系统：美国海军导航卫星系统(NNSS)，亦称子午仪(Transit)系统。
1964年投入使用。
该系统基于多普勒频移原理实现定位，不能连续定位，且定位时间长，精度低。
70年代，与苏联军备竞赛（冷战）升级，美军需要在全球范围内连续、实时、精确导航。
GPS正是在这种背景下应运而生的。
1973年4月，美国DOD批准研究创建全球定位系统（GPS）。
美国海军是卫星导航试验的先驱◦首先从原理上改进子午仪系统，提出了用伪码测距来代替多普勒测速的构想。
海军在NOVA卫星上试验了伪码测距技术。
◦1967年、1969年和1974年相继发射了3颗中高度蒂麻森(TIMATION)卫星，用铯原子钟代替石英钟获得成功，又于1977年发射了两颗导航技术卫星NTS-2和NTS-3(GPS系统的第一颗卫星)。
◦GPS系统时的标准是美国海军天文台的铯原子频标组。
❝第一阶段：可行性研究（1973-1978）◦利用安装在地面的信号发射器代替卫星，通过大量实验证实GPS接收机能够精确定位；◦并发射GPS试验卫星。
❝第二阶段：系统试验研究，部分可用（1979-1984）◦特许用户获得全球二维定位功能。
❝第三阶段：应用研究，密集发射，全球可用（1985-1995）◦建成完整星座；◦全球民用免费；◦进入全面运行能力（FOC，Full Operational Capability ）状态。
❝BLOCK I ❝BLOCK II ❝BLOCK IIAGPS设计有两种工作能力：◦初始工作能力(IOC, Initial operating capability)和军用完全工作能力(FOC, Final Operating Capability)。
gnss基础知识
gnss基础知识
GNSS（全球导航卫星系统）是依靠卫星发射和地面接收设备，提供全球范围内无线导航、定位、测量和定时的一种现代技术。
目前，全球最完整的GNSS系统是美国的GPS系统，欧盟的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗系统也相继建成和运行。
GNSS系统主要由卫星、地球电离层、地球大气等组成。
其根本原理是通过测量卫星和地面接收设备之间的距离差异，从而确定接收设备相对于卫星的位置。
GNSS接收器通过接收卫星信号的时间差来计算距离，然后利用接收到的卫星数据计算接收器位置。
一颗卫星发射精确的时钟信号，卫星上的原子钟准确性极高，经验表明其误差在一定时间内不会发生超过一微秒的误差，因此测量的距离误差较小，可以达到不到1厘米的精度。
GNSS技术应用领域非常广泛，主要包括汽车导航、航空航天、军事防御、海洋定位、农业测量、地理信息、建筑测量等领域。
任何需要精确定位或导航的行业都可以应用GNSS技术。
GNSS技术的发展历程经历了多年的发展和改进。
早期的导航系统被设计用于军事目的，但随着技术的进步和成本的下降，GNSS逐渐成为公共领域的一项常规技术。
目前，人们越来越依赖GNSS技术来完成日常生活中的导航和定位。
无人驾驶汽车，航空航天，以及精确农业等领域都离不开GNSS技术。
总之，GNSS技术是一个不断发展和创新的领域，随着技术的进步和成本的降低，他将在更广泛的领域应用，从而让大家更方便和安全的掌握位置信息和导航。
全球六大GNSS介绍
北斗卫星导航系统覆盖范围：全球功能：北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种形式。
开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
管理机构：中国卫星导航系统管理办公室。
空间段：北斗卫星导航系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。
空间星座部分由5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星组成。
GEO 卫星分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。
Non-GEO卫星由27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和三颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。
其中，MEO卫星轨道高度21500千米，轨道倾斜角55度，均匀分布在3个轨道面上;IGSO卫星轨道高度36000千米，均匀分布在3个倾斜同步轨道面上，轨道倾斜角55度，3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度，相位差120度。
地面控制部分由若干主控站、注入站和监测站组成。
主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文、广域差分信息和完好信息，完成任务规划与调度，实现系统运行控制与管理等；注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、广域差分信息和完好信息注入，有效载荷的控制管理；监测站对导航卫星进行连续跟踪监测，接收导航信号，发送给主控站，为卫星轨道确定和时间同步提供观测数据。
用户段：有各类北斗用户终端，以及与其卫星导航系统兼容的终端组成，能够满足不同领域和行业的应用需求。
服务区：东经84度到160度，南纬55度到北纬55度之间的大部分区域。
服务方式：包括开放服务和授权服务两种方式。
开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
GNSS定位原理分析
GNSS定位原理分析一、GNSS定义根据后方交会定位原理，要实现GNSS定位，需要解决两个问题:一是观测瞬间卫星的空间位置；二是观测站点和卫星之间的距离，即卫星在某坐标系中的坐标。
为此首先要建立适当的坐标系来表征卫星的参考位置，而坐标又往往与时间联系在一起，因此，GNSS定位是基于坐标系统和时间系统进行的。
GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS(Global Positioning System)、俄罗斯的Glonass（格洛纳斯）、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。
国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，如下图所示。
二、坐标系统与时间系统卫星导航系统中，坐标系用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地面观测站的位置以及处理定位观测数据。
根据应用场合的不同，选用的坐标系也不相同。
坐标系统大概分为以下几类:地理坐标系、惯性坐标系、地球坐标系、地心坐标系和参心坐标系。
国内常用的坐标系统有:1954年北京54坐标系(Beijing54CoordinateSystem，P54)、1980年国家大地坐标系(NationalGeodeticCoordinateSystem1980，C80)、1984年世界大地坐标系统(WorldGeodeticSystem-1984CoordinateSystem，WGS-84)、2000国家大地坐标系(China GeodeticCoordinateSystem2000 CGCS2000)。
时间系统在卫星导航中是最重要、最基本的物理量之一。
GNSS相关知识介绍全解
GNSS相关知识介绍全解全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是由一组卫星和地面设施组成的系统，用于提供全球定位、导航和时间服务。
GNSS系统包括美国的GPS（全球定位系统），俄罗斯的GLONASS（全球导航卫星系统），欧盟的Galileo（伽利略导航系统），中国的北斗导航系统等。
GNSS系统的工作原理是通过一组卫星发射精确的时钟信号和位置信息，接收器在地面上通过接收这些信号确定自身的位置、速度和时间。
具体来说，GNSS接收器接收到来自多颗卫星的信号后，利用接收到的信号的时间差来计算出接收器与卫星之间的距离。
通过同时接收多颗卫星的信号，可以计算出接收器的三维位置信息。
这种定位方法被称为三角定位。
GNSS系统的应用非常广泛，涵盖了汽车导航、航海、航空、农业、测绘、物流等各个领域。
在汽车导航中，GNSS系统可以帮助车辆确定当前的位置和导航目的地，提供最佳路线和交通信息。
在航空领域，飞机可以利用GNSS系统来实现自动驾驶和自动降落。
在农业领域，农民可以利用GNSS系统来提高农作物的种植效率，合理施肥和灌溉。
GNSS系统也具有一定的精度要求。
通常来说，在有充分可见性的情况下，GNSS系统的位置精度可以在几米到数十米之间。
但在远离卫星可见性的地区，如建筑物密集的城市中，位置精度可能会下降。
为了提高精度，可以利用差分GPS技术。
差分GPS技术通过同时接收接收器和参考站接收器的信号，来纠正信号在大气层中所受到的影响，从而提高定位精度。
此外，GNSS系统还具有一定的安全和安全性。
GNSS系统具有抗干扰能力，可以抵御各种干扰源对信号的影响。
此外，GNSS系统还具有遥测功能，可以接收遥测数据，如气象数据、地震数据等。
总结而言，GNSS是一种通过卫星导航和定位技术提供全球定位、导航和时间服务的系统。
它在各个领域都有广泛的应用，并具有一定的精度、可靠性和安全性。
卫星原子钟的原理和应用
卫星原子钟的原理和应用一、卫星原子钟的原理卫星原子钟是卫星导航系统中的核心部件，它通过精确测量原子的振荡频率来标定时间。
卫星原子钟的原理基于原子的稳定性，主要包括以下几个方面：1.物理原理卫星原子钟一般采用铷原子或氯原子作为基本振荡器。
这些原子通过外部的激光或微波信号进行激发，进而在特定的频率下进行振荡。
利用原子的振荡频率可以准确地计量时间。
2.原子钟的构成卫星原子钟由振荡器、控制电路和反馈电路组成。
振荡器负责产生精确的振荡信号，控制电路用于调节振荡器的频率，而反馈电路则负责监测和修正振荡器的频率稳定性。
3.原子钟的工作原理卫星原子钟通过不断地激发原子，并测量其振荡频率的变化来计算时间。
一般情况下，卫星原子钟的振荡频率非常稳定，可以达到纳秒级的精度。
为了提高精度，卫星原子钟通常采用温度控制系统来保持恒定的工作温度。
二、卫星原子钟的应用卫星原子钟在现代导航系统中发挥着重要的作用，具有以下几个方面的应用：1.导航定位卫星原子钟是全球定位系统（GPS）中的重要组成部分，利用多颗卫星原子钟发射的信号进行三角定位，可以精确地确定接收器的位置和时间。
通过卫星原子钟的高精度时间标定，可以实现亚米级的定位精度。
2.精密测量卫星原子钟的高精度时间标定为精密测量提供了便利。
例如，在地质勘探、测绘制图以及科学实验等领域，卫星原子钟可以提供纳秒级的时间同步，确保测量结果的准确性。
3.时间标准卫星原子钟通过精确测量原子的振荡频率，可以提供高精度的时间标准。
这对于金融交易、科学实验和通信网络等需要时间同步的领域非常重要。
4.天文观测卫星原子钟可以提供极高的时间精度，对于天文学研究有着重要的意义。
在观测恒星、行星运动以及黑洞等天文现象时，卫星原子钟可以提供准确的时间标定和测量结果。
三、总结卫星原子钟通过精确测量原子的振荡频率来标定时间，具有高精度和稳定性的特点。
它在导航定位、精密测量、时间标准和天文观测等领域发挥着重要作用。
CPT原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究
CPT原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究CPT原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究引言随着科技的不断发展，时间和频率的精确测量在现代社会中扮演着越来越重要的角色。
时间作为一种基本的物理量，对于许多领域的研究和应用至关重要。
而原子钟和星载钟作为目前最精确的时间和频率测量设备，正成为科研、导航、通信等领域中不可或缺的技术工具。
本文将探讨CPT原子钟以及星载钟，在时频测控领域中的新技术研究。
一、CPT原子钟的新技术研究1. CPT原子钟简介CPT原子钟是一种基于共振线宽测量的原子钟技术。
该技术利用冷却的原子团簇，通过调整磁场和激光频率来实现高精度的时间测量。
与传统的光学原子钟相比，CPT原子钟具有更高的精度和稳定性，并且更适用于卫星导航和通信领域。
2. CPT原子钟的研究进展近年来，CPT原子钟在时频测控领域中的研究取得了许多重要的进展。
首先，研究人员成功改进了CPT原子钟的冷却技术，使得原子团簇的运动更加稳定，从而提高了钟的精度和长期稳定性。
其次，研究人员还开发了更高效的激光系统，可以实现更精确的频率控制，进一步提高了原子钟的测量精度。
此外，还有一些关于噪声抑制和环境干扰的研究，为CPT原子钟的应用提供了更好的保障。
3. CPT原子钟的应用前景由于其高精度和稳定性，CPT原子钟在卫星导航和通信领域有着广阔的应用前景。
例如，在卫星导航系统中，CPT原子钟可以提供高精度的时间参考，为卫星导航的定位和定时提供准确的数据支持。
在通信系统中，CPT原子钟可以用于精确的时间同步，提高通信系统的容量和可靠性。
二、星载钟的新技术研究1. 星载钟简介星载钟是指通过将原子钟装载到卫星中，利用卫星的运动提供一个高精度的时间参考。
与地面原子钟相比，星载钟可以避免地球引力和大气等因素对时间的影响，提供更加稳定和准确的时间信号。
2. 星载钟的研究进展星载钟是多个领域合作和研究的结果。
研究人员通过不断改进星载钟的冷却技术和激光控制系统，进一步提高了其精度和稳定性。
GNSS卫星导航系统概述
图5 北斗一号系统示意图 至少可以观测到4颗俯仰角15°以上的卫星。
GP S的空间信号分为3个层 次，即载波、测距码和导 航电文。G P S卫 星初始使 用的载 波 频率 有两个：L1和 L 2， 在2010 年时美国发射了第一颗三频GP S卫星，首次播发 了G P S 的 第三个 载 波 频率 L 5。G P S 信号上存 在 着 C /A码和 P( Y )两种测距码，民用C/A码的码速率为1.023Mcps，码 长为10 2 3。G P S系统的导 航电文 速 率为5 0 b p s。在调 制 方 式上，GP S系统L1、L 2卫星信号均采用二 进制相移键 控 (BPSK)，L 5新信号采用正交调制(QPSK)。图4为GPS L1 BPSK信号调制的示意图。
图3 GPS系统星座示意图
载波：1575.42MHz
C/A码：1.023MHz
导航电文：50Hz
BPSK调制信号
图4 GPS L1 BPSK信号调制示意图 目前，GNSS主要包括美国的全球定位系统(GPS)、俄罗 斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统 (BeiDou)，欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo)。其中美国 的GPS系统发展最早，技术成熟，性能优秀，应用广泛。随 着空间技术的发展和卫星应用的不断增加，太空资源日益 紧张，每个拥有卫星导航系统的国家都在积极抢占卫星频 率和轨道资源，鉴于军用信号的机密性，图2只列举了目前 常用的GNSS民用信号的工作频段。
目前卫星系统进行定位的原理，普遍基于“四星定位” 的原则，即至少通过4颗当前可见卫星与本地接收机的距 离 公 式 来 求 得 本 地 接 收 机 的 位 置 坐标。定位功 能的实 现 需 要解 决以下 两 个 问题：(1)当前各 颗 可见 卫 星的空间坐 标；( 2 )当前各 颗 可见 卫 星 到 本地 接 收 机 的距 离 [1]。问题1 的解 决 方 法 是 对 接收 到的卫 星信号 进 行 解调获得星 历参 数，根 据星 历参 数 计 算得到每 颗 卫 星的空间坐标，问题 2 的 解 决 方 法 是 利用卫 星信号在 空间中的 传 播 时间差 乘以 光 速得 到 卫 星与 本 地 接 收 机 的 距 离。如图1所 示，本 地 接 收机的位置坐标(x，y，z)的求取方法见公式(1)，(xi，yi，zi)为 卫星i的空间三维坐标，ti为卫星i信号的发射时间(i=1，2， 3，4 )，这 些 参 数由于可以从 星 历参 数中 得到，可视为已知 量，tu为卫星信号的接收时间，为未知量，因此在公式(1)中 有4个未知量x，y，z，tu，这也是至少需要4颗卫星才能达到 定位目的的原因。
GNSS技术介绍
GNSS技术介绍GNSS（全球导航卫星系统）是一种使用空中卫星定位技术的全球导航系统。
它使用一组位于地球轨道上的卫星来提供全球性的导航服务。
目前最著名的GNSS系统是美国的GPS（全球定位系统），其他系统包括俄罗斯的GLONASS、中国的北斗导航系统和欧洲的伽利略导航系统。
这些系统共同构成了全球导航卫星网络，为人类提供了精准的导航和定位服务。
GNSS技术的工作原理和应用非常广泛。
该系统利用一组高度精确的卫星来测量地球上的接收器的位置和速度。
卫星以地球自转为基础，通过精确的时间测量和距离计算确定接收器的位置。
通过接收多个卫星的信号，GNSS系统可以提供高精度的位置测量服务。
GNSS技术的主要应用领域包括：航空航天、海洋、交通运输、农业、地质、测绘、气象、通信、消防、救援等。
在航空航天领域中，GNSS系统被广泛应用于飞行导航、飞机地面控制和空中流量管理。
在交通运输领域，GNSS系统被应用于车辆导航、交通管理和自动驾驶等方面。
在农业领域中，GNSS系统可以帮助农民进行土地勘测和植物生长监测，提高农作物的生产效率。
在救援领域中，GNSS系统可以提供准确的人员定位信息，帮助救援队伍迅速找到受困人员。
GNSS系统的运行原理非常复杂，涉及到多个技术和组件。
主要的技术包括卫星定位技术、无线电通信技术和信号处理技术。
GNSS系统由地面控制站、卫星组成，其中地面控制站负责监控和控制卫星的运行，接收和处理卫星发送的信号。
用户接收器通常是安装在移动设备上，通过接收和处理卫星信号来确定自身的位置和速度。
GNSS技术的发展受到许多因素的限制，例如地球表面的建筑物和地理环境会对信号的传输造成干扰，信号被障碍物阻挡时会减弱或丧失可用性。
为了克服这些问题，GNSS系统采用了一些技术手段，例如增强系统容量和准确性的增强技术，以及减少信号干扰和误差的抗干扰技术。
值得一提的是，GNSS技术的精确度和可用性经过多年的发展和改善，已经达到了非常高的水平。
GNSS技术介绍
第一部分、GNSS导航系统1.1 GPS系统（美国的全球卫星定位系统）1、GPS系统的组成①空间部分——GPS卫星星座GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，运行周期11小时58分钟（对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星），轨道面数6个，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗（接收机看到超过11颗的有可能是接受到日本的SBAS卫星）②地面控制部分——地面监控系统GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注人站和五个监测站。
主控站设在美国本上科罗拉多，三个注人站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰，五个监测站除了位于主控站和三个注人站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。
（都由美国政府和军方控制，主要是为了控制卫星和给卫星提供播发星历等）。
③用户设备部分——GPS信号接收机接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。
GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
2、GPS信号的组成（码分多址技术）GPS卫星发送的导航定位信号一般包括载波、测距码和数据码（或称D码）三类信号。
GPS卫星广播L1和L2两种频率的信号，其中L1信号载波频率为1575.42MHz，并调制了P/Y 码、C/A码和数据码（或称D码）；L2信号载波频率为1227.60 MHz，测距码仅调制了P/Y 码，其中P/Y码为军用码，C/A码为民用码。
GPS导航电文（D码）是包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航数据码。
导航电文是利用GPS进行定位的基础。
GPS信号现代化：系统计划新增4个信号，L2和L5新增2个民用信号（就是某些接收机上标注的L2C和L5），在L1和L2上新增2个军用信号。
3、坐标系统与时间系统时间体统采用的是UTC时间，整个地球分为二十四时区，每个时区都有自己的本地时间。
01. GPS定位原理基础知识
主控站
作用：
• GPS系统的大脑， 收集各监测站的数据，编制导航电文， 送往注入站将 卫星星历注入卫星
• 监控卫星状态， 向卫星发送控制指令； • 卫星维护与异常情况的处理。 • 编制广播星历
地点：
美国科罗拉多州法尔孔空军基地
注入站
• 作用： • 将导航电文注入GPS卫星。 • 地点：阿松森群岛（大西洋），迪戈加西亚（印度洋），卡瓦加
• GPST原子时系统与协调世界时的最大的区别是没有跳秒
卫星运动及GPS卫星星历
• 轨道参数：描述卫星位置及状态的参数； 轨道参数 • 卫星的受力： 地心引力以及摄动力 • 卫星的运动： 无摄运动
• 受摄运动
• 卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数值，是计算卫星瞬时 位置的依据
• GPS卫星星历分为
基础知识整理
-Cannie Zhao
目录
• GNSS/GPS/GIS • 各定位系统频率 • 卫星定位原理 • GPS坐标系统和时间系统
定义
GNSS和卫星导航增强系统： GNSS (Global Navigation Satellite System）是新一代星基无线电卫星导航系统，可实现高精 度定位。GNSS 包含GPS， GLONASS，Galileo（美国）， 北斗（中国） 在GNSS之前还有子午卫星导航系统（美国，1958年）、CICADA（前苏联，1965年）两个 系统
接收机分类
用途 携带 工作原理 载波频率
导航型、测地型和授时型
袖珍型，背负式，车载式， 舰用式、空（飞机）载式、
弹载式和星载式
码接收机和无码接收机
单频接收机和双频接收机
单频只有L1，信息最全； 因为L2缺少P码
GPS系统的特点
GNSS相关知识介绍
定位技术 > 室内定位技术
• 光跟随定位 • 室内定位 • 超声波定位 • 蓝牙定位 • 定位
技术 > 产生背景
当前，基于个人消费者需求的智能化，定位服务 ( )伴随网络技术的发展， 需求呈大幅度增长趋势。随着产品走向消费性，作为一种易于实现的定位服务技 术，经历了从政策驱动到市场驱动的转变。
最早的发展背景是来自于美国联邦电信委员会()所制定的政策，要求美国境 内手机均须具备立即寻址功能，以在紧急时刻发挥定位寻人的用途。
系统组成 > 系统太空部分
• 颗卫星(最多颗) • 个轨道平面 • 距地面高度 • 与赤道面夹角为° • 坐标系统 • 运行周期小时分钟
系统组成 > 系统太空部分 > 卫星有效工作范围
卫星回到地面上方初始位置的运行周期是小时分钟
系统组成 > 系统太空部分 > 卫星分布状态示例
系统组成 > 系统太空部分 > 信号通信链路分析
每帧分为个子帧，每个子帧传输不同的信息 子帧包含每颗卫星的星期时间、时钟修正系数等信息； 子帧、子帧包含了每颗卫星的星历信息； 子帧包含电离层参数、号卫星历书信息； 子帧包含号卫星历书信息、卫星健康状态信息； 每个子帧只能传输一颗卫星历书信息；
卫星信号 > 导航电文 > 遥测字交接字
遥测字() 前固定序列()用于信号同步； 中间用于识别授权用户； 后用于奇偶校验；
技术 > 工作原理
前面章节已经讲过导航电文中子帧和子帧包含广播星历、星期时间和时钟 修正系数等信息。要想完成一次定位，需要合理分布的四颗卫星星历数据，其中 最关键的是必须完整接收到子帧和子帧的信息，完整接收子帧和子帧的信息最快 需要秒时间。如果用户所处的位置信号较差(如在高楼林立的建筑群中)，只要有 一些讯号未被下载，就得再耗时秒重复下载完整的星历信息。
GNSS系统时间及星载钟研究
GNSS系统时间及星载钟研究赵学军【摘要】全球卫星导航系统(GNSS)所产生的标准时间信息,在国民经济各领域广泛使用.本文主要介绍各GNSS的系统时间,利用溯源和星载钟控制校准技术,开展其星载钟性能研究,为卫星导航系统星载钟的最佳配置提供科学方案.【期刊名称】《现代导航》【年(卷),期】2018(009)006【总页数】6页(P399-404)【关键词】GNSS;星载钟;时间系统【作者】赵学军【作者单位】中国人民解放军92678部队,天津 300220【正文语种】中文【中图分类】TN9670 引言全球卫星导航系统（GNSS）所产生的标准时间信息在通信、电力、广播、电视、科研、安防监控、工业控制等领域广泛使用。
卫星导航定位系统可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务。
其授时性能优异，高精度，低成本，安全可靠，全天候，覆盖范围广。
本文主要介绍各GNSS的系统时间和其星载钟性能研究。
1 GPS系统1.1 系统时间GPS时间是一种由 GPS地面测控系统建立的连续运行的时间系统，其时间原点定义在1980年1月6日0时。
它溯源到美国海军天文台所产生和保持的协调时UTC（USNO），溯源链路如图1所示。
GPS时间与国际协调时UTC不同之处在于它不作闰秒修正，因而是一个连续的时间尺度。
它与国际原子时相似，但与国际原子时在任一瞬间都存在一个19s的系统差，即：TAI-TGPS=19s。
1.2 GPS星载钟及卫星时间系统星载原子钟，也称原子频标（AFS）是导航卫星的关键载荷，能够确保卫星导航系统提供精确的授时服务。
GPS系统中星载原子钟受到高度重视，美国曾多次进行星载原子中的性能评估试验，现已纳入BIPM（国际计量局）的监测体系。
目前，GPS空间段的每颗Block II/IIA卫星上均放置了2台铷钟和2台铯钟，每颗Block IIR卫星上放置了3台铷钟，其中1台铷钟作为实践标准，其余备用。
与Block II/IIA卫星相比，Block IIR 卫星所到在的铷原子钟加强了物理封装，提高了稳定性和可靠性。
GNSS系统时间转换总结
GNSS系统时间转换总结所有存在的时间系统全部由两部分组成：⼀部分是时间基准，或者叫时间原点，即起始时间，另⼀部分是时间尺度，即时间单位。
导航系统中主要使⽤到的时间如下：国际原⼦时(ATI)针对某些元素的原⼦能级跃迁频率有极⾼的稳定性，可采⽤基于铯原⼦(Cs 132.9)的能级跃迁原⼦秒作为时标。
国际计量局(BIPM)根据世界20多个国家的实验室的100多台原⼦钟提供的数据进⾏处理，得出“国际时间标准”称为国际原⼦时(TAI)。
原⼦时秒长的定义是：铯133原⼦基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射周期9,192,631,770倍所持续的时间。
1967年第⼗三届国际计量委员会决定，把在海平⾯上实现的上述原⼦时秒，规定为国际单位制时间单位。
从此，时间计量标准便正式由天⽂学的宏观领域过渡到了物理学的微观领域。
因此，ATI可以理解为⼀种标准的时间计量单位。
UTC时因为世界时（即UTC时间），有误差，所以需要通过原⼦时，在误差每相差⼀秒的时候才会进⾏校准，即为跳闰秒，UTC时间+1 或者-1秒。
UTC时间，本⾝是没有时区信息的，通过计算得出的时间是美国的时间，需要再加减时区的差值，才是本地时间。
GMT时间即格林尼治标准时间,格林威治平均时间。
⼀般认为GMT时间等于UTC时间，即0时区的标准时间。
CST (China Standard Time)时中国标准时间，是使⽤UTC时+8⼩时(时区)。
GPS时GPS时间，也就是GPS原⼦时，它的时间基准是1980年1⽉6⽇0点与世界协调时刻相⼀致，以后按原⼦时秒长累积计时。
由于UTC时会不定期“增加（⽬前没有出现减少的情况）”跳秒（或者说闰秒，leap second）以适应地球⾃转速度变化导致UTC时与天⽂测量的世界时产⽣的偏差，因此GPS时与UTC时会相差n个整秒，截⾄⽬前（2020年9⽉），该偏差已经达到18，即GPS时=UTC时+18（GPS 时要往后拨慢18秒，其时间的显⽰才和UTC时⼀样）。
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第36卷第10期2011年10月武汉大学学报 信息科学版Geo matics and Informat ion Science of W uhan U niver sity Vo l.36N o.10Oct.2011收稿日期:2011-09-12。
文章编号:1671-8860(2011)10-1177-05文献标志码:A用于GNSS 的SpT 星载原子钟及时间系统介绍王庆华1 Droz Fabien 1 Rochat Pascal 1(1 S pectraT ime 公司,Vauseyon 29,瑞士纳沙泰尔,2000,瑞士)摘 要:研究了空间铷钟和被动型氢钟的地面批量和寿命试验测试结果,以及卫星在轨试验所达到的最新性能结果。
基于这些星载钟的试验结果,对全球卫星导航系统的地面时间站的关键设备及其相关算法作了简要描述,并介绍了一种新颖的在轨技术,即从星载原子钟组(ON CLE)直接产生高度稳健的时间频率信号。
关键词:星载原子钟;卫星导航系统;氢钟;铷钟;时间系统中图法分类号:P228.42准确及高稳定度的宇航级原子钟是精密卫星导航系统中的关键设备,现有的美国全球定位系统(GPS )和俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS),以及即将到来的中国北斗卫星导航系统、欧洲伽利略卫星导航系统、印度区域性卫星导航系统(IRNSS )和日本准天顶卫星系统(QZSS)都装载着不同类型的原子钟。
宇航级原子钟必须满足从发射到多年自动运行条件下的严格要求:确保在整个项目寿命期间满意可靠的工作性能,满足对其质量、体积及功耗的限制,经受发射环境(如冲击、加速度、振动)和工作环境(真空、热循环、电磁干扰和电磁兼容、辐射、磁场及其他空间危害)的能力。
不同航天任务对空间原子钟类型的选择是通过对可靠性、质量、性能及价格等诸多因素综合权衡后的结果。
表1列出了各导航系统中应用的不同类型的星载原子钟,其中伽利略星载钟的选择考虑到可靠性(技术多样性)和12a 伽利略任务的寿命要求,采用了 双钟技术 。
表1 不同导航卫星系统中的星载原子钟T ab.1 Onbo ard A tomic Clo cks on DifferentNav igat ion Systems美国GPS 俄罗斯GLONASS 欧洲伽利略中国北斗印度IRNSS 日本QZSS 铷钟铯钟氢钟铷钟铷钟铷钟铯钟铷钟(未用于GPS IIR)SpectraTime 公司(SpT ,原T em ex Neuch -a ^tel Time 公司)为欧洲、中国和印度的多个导航系统以及其他空间项目提供空间铷钟和被动型氢钟[1],并为全球卫星导航系统的地面精密时间主站和未来星载频率系统提供高性能的时频同步设备和解决方案。
SpT (Spectra T ime)公司为多个导航系统(欧洲、中国和印度)及其他空间项目提供空间铷钟和被动型氢钟。
伽利略在轨验证试验卫星(GIOVE)于2005-12和2008-04的两次发射,以及北斗卫星的相继发射,使这两种原子钟技术拥有了若干年的飞行经历。
迄今为止(2011-01)SpT 公司已生产交付了60多台铷钟和15台被动型氢钟的飞行件,并进行了批量钟的特性鉴定。
1 空间铷钟(RAFS)和被动型氢钟(PHM)伽利略在轨验证试验卫星(GIOV E)于2005-12和2008-04的两次发射,以及北斗卫星自2009-04的相继发射,使这两种原子钟技术拥有了若干年的飞行经历。
迄今为止SpT 公司已生产交付了60多台铷钟和15台氢钟的飞行件(正样),并进行了批量钟的特性鉴定。
1.1 铷钟地面性能在于1991年启动的为Radio -Astron 航天任务设计的铷钟基础上,SpT 公司自1996年起开展了铷钟在导航领域的研制工作。
武汉大学学报 信息科学版2011年10月2002年为欧洲空间局成功研制了5台工程鉴定件,其长期寿命试验验证了该铷钟在真空环境下运行12a 无明显性能降低的能力[2]。
在有关伽利略铷钟项目进行的同时,SpT 公司联合另一家瑞士生产厂家对铷钟的电路部分进行了再研制和宇航级质量认证,使100%瑞士制造的铷钟成为中国北斗系统的备份星载钟。
从那时起,铷钟整体性能有一定的提高。
针对不同的航天项目,尤其是多个导航卫星项目,已交付了60多台飞行件,其中20多台铷钟正在预定轨道上飞行工作。
为了保障铷钟的在轨性能,交付前都对其进行了大量的地面测试。
在文献[3]的基础上,笔者对所有从2005年交付给用户方的64台铷钟飞行件,尤其是一些关键性能参数,如短期稳定度、热灵敏度和长期频率漂移率,进行了统计分析。
平均时间为6000s 的短期稳定度是伽利略卫星导航系统的一项重要参数。
图1所示的是64台已交付铷钟按项目时间顺序排列的平均时间为6000s 的短稳。
6a 以来短稳性能有一定的改善。
总数80%的铷钟显示了2.0 10-14至4.4 10-14之间优秀的短稳性能,相当于在调频白噪声作用下阿仑方差1.5~ 3.4 10-12/ ,其大小受铷钟灯泡散弹噪声的限制。
图2对各台铷钟输出频率相对于基板的温度变化灵敏度进行了比较,其中铷钟按项目时间顺序排列。
可以看出自最初的项目至今,铷钟的温度灵敏度至少提高了2倍。
从后续产品批次(自图3第7台铷钟起)以来,57台钟的80%显示了优于4.0 10-14/ 的温度灵敏度。
图3给出了按项目时间顺序排列的铷钟长期频率漂移率。
和前面显示的热灵敏度类似,从最初的项目之后,频率漂移率也显示了改善的趋势。
在后期的铷钟应用项目随着技术要求的提高,频率漂移率的典型值小于5.0 10-13/d 。
以上对空间铷钟性能情况的回顾,说明了随着产品批次的增多,批量生产中引进的工序及调试过程的改进使得铷钟的性能有了逐步提高。
另外,SpT 公司正在开展大泡和Rb85滤光泡的工艺设计研究,有望进一步提高铷钟的性能指标。
图1 铷钟飞行件的阿仑方差F ig.1 A llan Dev iatio n o nRA F S F M s图2 铷钟飞行件的温度灵敏度Fig.2 T emperatur e Sensitiv ity on RA FS FM s图3 铷钟飞行件的频率漂移率F ig.3 F requency D rift o n R AF S FM s1.2 被动型氢钟地面性能欧洲导航卫星载荷采用了具有出色的频率稳定度性能的被动型氢钟作为主钟,从而开创了该类型原子钟的首飞记录。
应用于导航领域的被动型氢钟项目于2000年启动。
在瑞士纳沙泰尔天文台负责设计研制的工程件的基础上,从2003年开始,Selex Galileo (意大利)和SpT 企业联盟,共同开展了旨在对氢钟进行设计整合,从而实现飞行件生产的产业化进程,前者负责整机测试和电路部分,后者负责物理部分的再设计制造[4]。
在伽利略系统试验和在轨验证项目期间共交付了15台飞行件,显示了每月一台氢钟的生产能力及进一步提高的可能性,为伽利略项目后续阶段的大批量生产打下了基础。
图4给出了为伽利略在轨验证项目提供的9台被动型氢钟的频率稳定度性能,并显示了产品性能的可重复性。
图4 被动型氢钟的阿仑方差(含频率漂移率)F ig.4 A llan Deviat ion for PH M M o dels(F requency Dr ift Included)在 氢钟寿命评定 试验项目中,两台氢钟鉴定件在热真空环境下进行了测试,以期找到制约其工作寿命的潜在问题。
经历了预期的18个月试验后,两台钟均显示了在真空环境下运行12a1178第36卷第10期王庆华等:用于G NSS 的SpT 星载原子钟及时间系统介绍无明显性能降低的能力[5]。
频率稳定度和频率漂移率是评估一台原子钟性能的重要参数。
图5报告了一年半期间QM1所有原始频率数据和频率漂移率的变化情况,其中的频率毛刺信号是由于测试参考信号、热真空罐或数据采集系统异常等外部干扰引起的。
在第320d 处,按试验要求,微波腔温度变化了2 ,从而导致氢钟输出频率的跳动,其变化幅度和理论估计值相吻合。
另外,在长期试验期间氢钟开关机3次(图5),频率漂移率稳定在3.3 10-16/d 。
值得注意的是,图中输出频率再现率好于2.0 10-13。
图5 被动型氢钟鉴定件(Q M 1)18个月的频率数据和频率漂移率F ig.5 PH M QM 1F reqeuency Data and Dr iftOver 18M onths该台氢钟最后3个月测试结果得出的频率稳定度如图6所示。
图6 被动型氢钟鉴定件(Q M 1)频率稳定度Fig.6 PH M Q M 1Freqeuncy Stability表2列出了被动型氢钟地面测试达到的典型性能水平。
表2 星载被动型氢钟的典型性能T ab.2 T y pica l Space P HM P erfo rmances性能参数典型测试值频率稳定度<5 10-15@100 000s闪变平底<4 10-15频率漂移率<1 10-15/d 热灵敏度<2 10-14/ 磁灵敏度<3 10-13/G为了在不降低该被动型氢钟性能的前提下进一步将其质量减轻至12kg ,目前正在进行一项氢钟的技术改进项目。
为实现这一目标,SpT 公司已成功将氢钟物理部分减至8kg,经测试其物理部分性能已达到原氢钟同等水平。
1.3 GIOVE 星载钟在轨性能目前,这两种伽利略星载原子钟正在两颗试验卫星(GIOVE)上进行在轨技术验证。
铷钟在GIOVE -A 卫星上已运行了5a,氢钟在GIOVE -B 卫星上也已运行了两年半多[6-7]。
发表了由在此期间积累的钟数据所得到的星载钟的在轨性能分析。
虽然运行时间已经超过了两颗试验卫星当初的设计寿命,这两种原子钟仍然继续正常工作,而且没有显示任何性能降低的迹象。
地面和在轨的观测数据及重要参数变化趋势的一致性,为设备能够满足伽利略任务要求提供了良好的置信度。
GIOVE -A 卫星的数据显示,铷钟的短期稳定度没有受到系统估计噪声的影响,优于510-12/ 。
主要由于该卫星的温度波动,中期稳定度受到卫星轨道周期性变化的影响。
至于长期性能,虽然铷钟的频率变化并不总呈现出单调性,但其频率漂移率达到低于1 10-13/d 的水平。
GIOVE -B 卫星的数据显示,被动型氢钟的稳定度实际值受到GIOVE 系统定轨和时间同步估计噪声的限制。
但是,根据单向载波相位方法得到的氢钟短期稳定度符合指标1 10-12/ 。
在12~24h 的氢钟中期稳定度同样受到卫星轨道周期性变化的影响。
至于长期性能,氢钟表现出了小于1 10-15/d 的频率漂移率。
2 时间系统2.1 地面精密时间系统精密时间系统是伽利略地面站的重要设施之一,其目的是提供准确、稳定和精密的伽利略系统时间主时钟(GST (MC )),即伽利略物理时间尺度[8]。