现代授时技术及其用途

现代授时技术及其用途–概述

摘要：涵盖的内容

1、基本的准备知识：单位制、频率基、标准器、频标比对方

法和测量技术。一些内容在“时间与频率测量”中学习，而针对性的频标比对和时间测量等内容在本课程中讲。教材，根据情况不断重复和复习。

2、各种可用的传输载体和途径（无线），时间–空间关系

3、时间和频率信号在授时传递中信号的特点及其处理、测量

技术（扩展）

4、重要的基础：时间同步、相位同步（同频、同相）、相位群

同步。源端和用户端的区别, 周期性（1pps）和非周期性的区别、灵活性；相互间的相关性

5、特有的授时比对方法：三种，单、双、共

6、关于授时技术的应用–其重要性反映了学习的价值。导航

定位、时间同步、电力故障检测、国防军工、航空航天等。注意时–空关系。

7、同步技术的扩展：频率准确度、稳定度的传递，例如在原

子钟等量子频标中。

8、授时、定位、导航系统中的一些关键技术：星载钟、时频

信号生成和保持、星–地、星间、地–地的同步监测等。

9、最新的技术进展

10、GPS等全球定位系统

11、

方法、实验（理解）、和科研的关系。

概述

与其他物理量在量值传递等方面很大的不同，时间和频率信号的准确传递可以借助于电磁波信号以无线的方法进行。这主要是因为光和电磁波信号传递速度的高精度以及快速的原因。

高精度传输的参考时间信号是官方的国际时间，协调世界时UTC ；高精度传输的参考频率(时间间隔)信号是国际原子时TAI 。它们都是由国际度量局BIPM 产生的。授时技术的目的是完成全部（全球）或者局部的时间的一致。

授时技术从最初主要是用于时间和频率标准器之间的准确比对及量值传递。这常常表现为频率信号的校准和时间的同步等。而近年来它也更多地被用于导航定位、通讯、大系统的管理和协调、电力传输中的故障检测等。另外，授时技术的用途也更多的表现在导航和长度的精密测量及控制方面。经过了几年对本课程的讲授，我们感觉到应该在更广义的范畴内把授时问题的内涵、相关知识、可应用的领域以及针对不同情况时的灵活应用等交待的更明白。这样才能发挥它的功能。

用符号S 表示电磁波传播的距离、V 表示电磁波传播的速度、d 表示传播延迟，则

d=V

S

(1) 对于天波一般取V 等于光速c ；对于地波，根据大地导电率的不同，V 不等于光速，要作相应的修正。此外，能否准确的计量出电磁波信号传播的实际距离也是确定各种发播手段准确度高低的关键。

从计量学的发展中，可以看到一条规律。也就是因为时间和频率量的高精度和便于数字化处理等优点，对于其他量值的测量和处理从高精度的考虑就有向频率或者时间量靠近的趋势。同样，又由于时间和频率量便于高精度传输的优点 (其他量值，如电压等就很难通过这样的途径准确的传输)，除了利用这种传输单一地进行时间或者频率量的传递和比对外人们还千方百计地把可能转换或者以时间量值为代表情况下实现其他对象的比对、统一等目的。所以在全球定位星系统(GPS)发展的初期，就有人预测这个系统能够发挥的作用的广度和深度将取决于人们的想象力。如果说，在时间和频率领域授时技术主要的功能是完成时间的同步和频率量值的一致，那末在更广泛的领域它将以时间、相位或者频率为纽带实现不同的控制对象在大空间的统一。这里，最明显的例子就是电力系统的管理、控制和故障检测；在通讯方面对于图像和文字资料的传输所需要的系统等。

为了学习方便，我们先把本课程中的关键的缩写词汇列表如下： （有印象，不要求记；在许多文献中大量应用） BIPM: Bureau International des Poids et Mesures

C/A 码：进入探测粗码(Coarse Acguisition of Clear Access) CRL: Communications Research Laboratory, Tokyo CV: Common View

DMA: Defense Mapping Agency

GPS: Global Positioning System

IERS: International Earth Rotation Service

ITRF: IERS Terrestrial Reference Frame

MJD: Modified Julian Day

NIST: National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO.

NBS: National Bureau of Standards (now NIST)

NRC: National Research Council, Ottawa, Canada

NSWC: Naval Surface Warfare Center

OP: Observatorie de Paris

P 码：保密精确码(Protested Precise)

SA: Selective Availability of GPS

TAI: International Atomic Time

TWSTFT: 双向卫星时间和频率传输

USNO: U.S. Naval Observatory, Washington, DC.

UTC: Coordinated Universal Time

UTC(i): Coordinated Universal Time as realized by laboratory i.

VLBI: Very Long Base Interferometry

WGS: World Geodetic System

从原理上来看，任何能够传播信息的通讯手段和信号载体等都能够被用来进行授时工作。只是从精度方面考虑，传输途径的准确和稳定会对于授时的精度起到决定的作用。现在常用的远距离时间和频率的传输方法是，单向法、共视法和双向法三种。所采用的服务手段有，英特网、电话线、地面设站的无线电广播（地基）、以全球定位星系统(GPS)为代表的卫星传输（天基）等。

利用电磁波信号来传递标准频率和时间信号是方便、实用和高精度的。标准时间频率发播信号按载频频率可以分为高频（如2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等短波台），低频（如100kHz数量级的罗兰C导航台），甚低频（10～20kHz等Ω导航台）和甚高频（如电视和卫星通讯）。

既然是采用电磁波信号来传递标准频率和时间信号，就会存在传输过程中的各种干扰的影响。这里包括不同的电离层、对流层等。

因为不同频段电磁波的传播特性不同，所以能够获得的比对精度也就不同。而且信号的覆盖范围和可利用的时间也不同。因此要根据需要加以选择。从下面的表1中，我们可以对于各种传递方法的状况作一个了解。