北斗卫星导航系统空间信号授时设计分析

北斗卫星导航系统空间信号授时设计分析
摘要
北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

关键词：卫星导航系统；精准授时；卫星定位；北斗系统
目录
摘要 (1)
第1章绪论 (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 理论概述 (1)
第2章北斗系统 (2)
2.1北斗一号 (2)
2.2北斗二号 (2)
第3章授时分析 (3)
3.1基本概念 (3)
3.2授时原理 (3)
3.3北斗授时 (5)
第4章误差分析 (6)
第5章总结 (6)
参考文献 (8)
第1章绪论
1.1 课题研究背景
中国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

卫星导航系统是全球性公共资源，多系统兼容与互操作已成为发展趋势。

中国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作。

与其他卫星导航系统携手，与各个国家、地区和国际组织一起，共同推动全球卫星导航事业发展，让北斗系统更好地服务全球、造福人类。

1.2 理论概述
卫星导航、定位和授时系统中需解决的技术问题有：
（1）系统时间建立的概念及实现方法
在现代卫导系统中，为了保证系统中各个钟的精确同步，需要一个准确、稳定和可靠的时间参考，这通常是以系统中的部分钟或全部的钟为基础。

利用统计平均的方法建立一个系统时间来实现。

其建立的概念和实现方法，直接影响到系统时间的好坏，进而影响到整个卫导系统中各个钟的同步。

这个研究对系统中原子钟的选择与配置也有指导意义。

（2）系统时间与UTC协调方法
系统时间与UTC协调方法是授时所必要的。

这需要研究国际标准时间到系统时间传递的各个环节，是提高授时准确度中的最要一环。

（3）系统钟的同步方法
这主要涉及到系统中各个钟的精确数据的收集方法和控制方法，要研究相对论效应对星载钟同步的影响。

比对测量和钟驾驭方法的研究是它的基础。

（4）系统授时方法
这包括卫星电文中的与时间有关的信息的制定与产生。

（5）用户终端定时技术
主要涉及到接收、比对及控制技术。

第2章北斗系统
2.1北斗一号
（1）基本情况
上世纪90年代，美国GPS在海湾战争中的成功使用，坚定了我国建设自主卫星导航系统的决心。

在项目立项阶段，考虑到当时的国情，我国选择了“863计划”倡导者陈芳允院士提出的双星定位原理系统，也就是我们现在所熟知的“有源定位”，也叫做RDSS卫星无线电测定服务，该系统只需两颗卫星和地面高程数据库就能实现我国和周边地区定位。

（2）组成
北斗一号系统总构成分为三段，分别是空间段、地面段和用户段。

空间段：由3颗地球静止轨道卫星组成，两颗工作卫星分别定位于东经80°和140°赤道上空，另有一颗位于东经110.5°的备份卫星，可在某工作卫星失效时予以接替。

地面段：由中心控制系统和标校系统组成。

中心控制系统主要用于卫星轨道的确定、电离层校正、用户位置确定、用户短报文信息交换等。

标校系统可提供距离观测量和校正参数。

用户段：用户的终端。

（3）基本定位工作原理
第一步，由地面中心站向位于同步轨道的两颗卫星发射测距信号，卫星分别接到信号后进行放大，然后向服务区转播；
第二步，位于服务区的用户机在接收到卫星转发的测距信号后，立即发出应答信号，经过卫星中转，传送到中心站；
第三步，中心站在接收到经卫星中转的应答信号后，根据信号的时间延迟，计算出测距信号经过中心站——卫星——用户机——卫星中心站的传递时间，并由此得出中心站——卫星——用户机的距离，由于中心站——卫星的距离已知，由此可得用户机与卫星的距离；
第四步，根据用上述方法得到的用户机与两颗卫星的距离数据，在中心站储存的数字地图上进行搜索，寻找符合距离条件的点，该点坐标即是所求的坐标；
第五步，中心站将计算出来的坐标数据经过卫星发送往用户机，用户机再经过卫星向中心站发送一个回执，结束一次定位过程。

2.2北斗二号
（1）基本情况
2007年4月14日，我国发射了第一颗北斗二号卫星，这颗卫星采用与GPS相似的体制，即“无源定位”服务，也叫RNSS卫星无线电导航服务，理论上，采用该种体制的卫星导航系统，用户数量是无限制的。

从2007年开始，到2012年为止，我国在5年内共发射了16颗北斗二号卫星，实现了对亚太区域的覆盖，并在2012年底正式对外提供服务，完成了北斗三步走战略的第二步。

同时，鉴于北斗一号短报文和位置报告功能的实用性，该项功能在北斗二号中得到了保留。

（2）系统组成
空间段由5颗对地球静止轨道（GEO）卫星和30颗对地球非静止轨道（Non-GEO）卫星组成。

地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。

主控站用于系统运行管理与控制等。

主控站从监测站接收数据并进行处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，而后交由注入站执行信息的发送；注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，在接受主控站的调度后，将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送；监测站用于接收卫星的信号，并发送给主控站，可实现对卫星的监测，以确定卫星轨道，并为时间同步提供观测资料。

用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成。

第3章授时分析
3.1基本概念
“授时”是指利用无线电波发播标准时间信号的工作，英文名为"time service"。

根据授时手段的不同分为短波授时、长波授时、卫星授时、互联网和电话授时等。

其中的卫星授时便是本篇文章的主题。

授时是卫星导航系统一个非常重要的功能,实现授时服务的前提是解决时间的测量与同步问题,这就需要将卫星导航系统各个部分的时钟都统一到一个公共的时间标准上,因此,卫星导航系统对时间的要求可归结为时间的同步比对问题.根据国际电联(ITU)的授时系统发播标准,授时系统时间和标准时间UTC之间的偏差应维持在100ns以内,所以,卫星导航系统的系统时间首先要溯源到标准时间并保持良好性能,才能进一步为用户提供高精度的授时服务。

3.2授时原理
授时系统三大要素为：时钟源、时间传递、校时。

其中，授时所使用的时间参照有：天文时（UTl）、国际原子时（TAl）、协调世界时（UTC）、北京时间等。

时间同步是指设备整体都工作在同一时间下，不能有毫秒甚至是微秒级的差异。

这样便于准确记录每个事件发生的时刻，特别是出问题时可以追根朔源，找到问题的发生时间点。

卫星授时分为三种模式：RDSS单向授时、RDSS双向授时和RNSS授时。

（1）RDSS单向授时：
在单向授时模式下，用户机不需要与地面中心站进行交互，但需已知接收机精密坐标，从而可计算出卫星信号传输时延，经修正得出本地精确的时间。

接收机所进行的矫正运算和授时原理如图1所示。

（2）RDSS双向授时：
双向定时的所有信息处理都在中心控制站进行，用户机只需把接收的时标信号返回即可。

中心站系统在T0时刻发送时标信号ST0, 该时标信号经过延迟Tl后到达卫星，经卫星转发器转发后再经T2到达定时用户机，用户机对接收到的信号进行的处理，也可看做信号转发，经T3的传播时延到达卫星，卫星把接收的信号转发，经T4的传播时延传送回中心站系统。

即表示时间T0的时标信号ST0, 最终在T0+Tl+ T2+T3+T4时刻重新回到中心站系统。

中心站系统把接收时标信号与发射时刻相减，得到双向传播时T1+T2+T3+T4，除以2得到从中心站到用户机的单向传播时延。

中心站把这个单向传播时延发送给用户机，定时用户机接收到的时标信号及单向传播时延计算出本地钟与中心控制系统时间的差值，根据差值修正本地钟，使之与中心控制系统的时问同步，其原理如图2。

图1
图2
（3）RNSS授时：
RNSS授时，用户设备只需接收卫星广播的RNSS导航信号，即可获得北斗系统的时间，然后将本地时间与北斗系统时间进行比较，得到本地时钟与北斗系统时间的偏差。

如果监测站坐标已知，并且精度可靠，那么只要收到一颗卫星的信号即可进行精确授时。

如果监测站坐标未知，RNSS只要能接收到四颗或四颗以上卫星，即可解算出位置和钟差，实现定位与授时。

3.3北斗授时
（1）接收模块
北斗授时接收模块主要包括：接收天线、射频模块、中频数字接收单元、卫星数据处理单元和用户接口单元。

通过设定用户本地位置、北斗卫星信号的接收与卫星定时信号的恢复，生成授时信号，实现单向授时功能。

北斗高精度授时接收模块接收“北斗一号“卫星信号，采用单向授时技术，采用一次下变频射频技术，实现北斗卫星信号的快速捕获、跟踪、解调功能，恢复出卫星数据和同步信号。

结合高精度北斗卫星授时数据处理技术与高精度数字时频标合成技术，完成卫星轨道数据的平滑滤波和最优估值、电波的电离层校正、多普勒校正、电波时延等计算、TOD时间信息输出和时标信号合成控制。

设计输出1PPS性能指标优于100ns。

（2）时钟模块
根据对时间保持能力的要求高低配置不同的晶体钟或原子钟，测量两个脉冲之间的相位差（时间间隔），通常可采用高频脉冲计数法实现。

（3）时频处理模块
时频处理模块是本系统的重要组成部分，主要完成北斗与GPS双卫星系统授时性能监测、判优与智能切换、高精度本地时间维护、高精度时频标合成、内部协议分析及转发、显示与人机交互等功能。

除上述模块外，北斗系统还拥有用户交互模块、应用接口模块、卫星数据处理模块等模块。

第4章误差分析
卫星授时的应用范围及其广泛。

可应用于国防、交通、电力系统、金融系统、公安系统等领域。

不同授时领域对时间同步系统的需求的差异性主要在于以下两点：（1）时间同步精度的高低。

（2）接口类型及电气特性。

而卫星授时精度能否达到100ns，主要决定于卫星钟差标定误差、卫星定轨误差、电离层改正残差、对流层改正残差，接收机综合误差等几个因素影响。

存在的误差有：
（1）伪距测量误差：卫星导航系统工作的基本原理是用户伺时接收不少于4 颗卫星的导航信号，从而测得4个以上伪距观测量，在卫星坐标、卫星钟差和卫星不同频点间相对设备时延偏差已知的情况下，计算自己的三维坐标和钟差。

因此，伪距是卫星导航系统最基本的观测量，伪距的观测精度直接决定了系统的导航定位精度。

高精度伪距测量技术是卫星导航系统的关键技术之一。

高精度伪距测量技术的发展首先需要解决伪距测量不确定度和设备时延的稳定性评估问题。

（2）时延标定误差：精密测距是卫星导航系统核心功能之一，它将为卫星精密定轨，星地时间同步，钟差预报等系统任务提供基础的数据支持。

精密测距是以精确测定信号在所经介质中传播时延为基础的。

时延测量值折算到以距离衡量时常被称作伪距，包括了信号经由空间传播的时延以及经由设备传播的时延、星地钟差、测量误差等。

从伪距构成量可知，信号经由设备传播的时延直接影响精密测距的性能。

为更好地实现精密测距，各导航系统都设计了高精度的设备时延标定设备，将其与伪距测量设备形成工作回路，完成导航设备时延的精确标定。

目前，时延标定设备的标定精度和不确定度可达到亚ns量级。

（3）时钟源误差
（4）时延温漂误差：信号的传递时间延迟，温度的漂移引起的元器件工作参数变化。

（5）其它处理误差：在各处理环节时尽可能减少处理误差，比如提高运算精度，优化算法等。

第5章总结
通过对北斗卫星导航系统的分析可以看出，北斗卫星导航系统日趋完善，功能愈发的强大，对国家而言，建立自己的卫星导航系统，避免在将来的战争中受制于人，具有着及其重要的战略意义，也体现了我国不断强大的科技水平。

对于社会经济而言，北斗星卫星导航系统每年能创造巨大的经济效益，一方面可以省去原来用来引进国外系统的巨额资金，另一方面，我们将自己的系统以低价服务国内用户，可以让更多行业部门应用上这种高科技设备，从而创造更多的社会价值和物质财富。

近年来，北斗卫星导航系统，在起步晚，技术，人才，资本等方面都不具优势的情况下，不断破除困难，开拓创新，迅猛发展，无论从终端的制造能力，服务能力，还是产业的应
用范围，应用深度都有显著的提升。

在这样的背景基础下，我国的卫星技术必将突破重重技术难关，不断降低测量、数据传输等误差的影响，让北斗卫星导航系统更进一步。

参考文献
[1]陈尚松，郭庆，电子测量与仪器（第4版）[M]，中国工信出版社，2018.1
[2]雒明世，冯建立，卫星通信[M],清华大学出版社，2019.12
[3]刘海颖,王惠南，卫星导航原理与应用[M],国防工业出版社，2013.8。