北斗卫星导航系统授时应用

涮量就是由接收设备产生的复现信号与卫星广播信号进 行相关完成的。北斗Ⅲ星共视法时间恃递就是位于不同 地点的两个（或多十）观测站用北斗卫星共视设备异 地同时｛精确到１秒Ｉ观测同一颗北斗卫星的同时标 信号测量本地时钟信号与该时标信号的伪距ｊ时间差
各自获得本地时钟与控制卫星时标信号的北斗时ＣＢＤＴ｝ 之差经观测结果传递交换和再址理实现异地两两之
以曩幕统完好性信息。其性能将与姜国的第ｊ代ＧＰｓ性能 相当
论陆基的萝！导航系统或是天基的ＧＰＳ 北斗Ⅲ星碍肮系统都离不开精确瞬问 范匿为＾众提供高精度授时和时间服务
Ｏ【．ＯＮＡＳＳ
同时旦在广裹
：蜷一塌虢誊
一
北斗／ＣＯＭＲ‘，ＳＳｌ星发射的定位导航援时信号
ｊ
都是由。北斗，ＣＯＭＰＡＳＳⅢ星导航系统时间
到５０ｎｓ。
同时用户终端＆即向中心控制系统
中心控制
目发响应信号ｆ见目６口右边的带箭头虚线）
系统测出第ｎ帧信号的往返时间值ａ ２并算出该信号由
中心发出至用户机收到的正向传播时噩ｔ
再将ｒ发送
万方数据
ＤＩＧＩＴＣ虬㈣
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Ｌｅｅ＜ｕｒｅｇ
导航讲痤
给该用户作为双向定时时≈修正值。由于ＡＴ可以由用
即为 ６”一≮“一△，ｏ—ｔ
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北斗２星口向沽授时是一种建＆在ＲＤＳＳ应答测距
定位业务基础上进行高精度授时的方法．由于北斗ＲＤ￥Ｓ 单向授时精度受卫里星历位置误差接收终端女线位置 定位误差大气层时延改正残余误差北斗援时信号发 射时刻改正残羞等诸多不确定性目摹影响难以准确计 算修正Ⅲ星中心站到用户终端的发一收单向恃撬对间 《迟限制北斗ＲＤＳＳ单向授时精度为］００ｎｓ为满足更 高精度授时用户的需求在北斗ＲＤＳＳ应答测砸定位业 务晏础上开发７高精度ＲＤＳＳ皿向撵对方法和用户磐端 栗用Ａ向比对灏量确定炭－收问的单向传播射间延迟；日 向法授时要求用户终端同时具备接收和应菩发射的能力 北斗双向法授时示意图见田５时间延迅测定修正原理图
所进ＲＤＳＳ的帻脚期为３１．２５ｍｓ即ＡＩ
３１
２５ｍｓ同
辩ｎ６Ｉ也即该帧号对应的北斗时间（小于１整分的豁分）
与此同时用户终端接收到中心站控制系统播发的时间帧
【第ｎ帧）询问信号ｆ见圉６±左边的带箭头虚线）并澜
１：Ⅲｐ、、、ｒ－？。
出收到的第ｎ帧询问信号参考时标与本机钟整秒信号Ｉｐｐｓ
的时间间隔△Ｔ
北斗Ⅲ星Ｐ－．ＮＳＳ单向攫时其终端的接收测量计算 修正过程夫体±与ＲＤＳＳ单向授时相仿只是具体参 数和计算有所不同．北斗卫星ＲＮＳＳ单向授时的精癯选
视法时间传递可达到Ｉ ５ｎｓ或更高的时间同步精度可
互联弼以Ｅ－ＭＡＩＬ的形式逼回给用户。从用户捏变数据 到获得结果通常只需要几分钟，中国科学院国家授时中
用于检测单向援时设备精度或其他需要更高授时精度的
万方数据
场台，它的使用也不受用户数量和日域限制可以与北 斗单向援时设备琏目我国电信产品 电同产品数字
Ｅ～１８０‘Ｅ
５５’Ｓ一５５’Ｎ定位精度为水平精度２ｍ¨【Ｉ ｎ）单向授 数字地球与＾们生活中的数字世界使地理位置信 息和时间信息成为＾们日常Ｋ可或缺基础信息在此基础 上的应用拓展才使世界丰富多彩．如何有效可靠地提
供ｉ动物体的位置时间信息则是导航必须解决的重点
时枯度为５０ｍⅡ向定时精度为１‰ｓ测速精度为０２ｍ＇ｓ； 它将为中国及其周边地区提供定位导航授时和短报文西 信服务并进行组嗣和试验；根据发展需要将在２０２０年
４ｂｉｔｓ。广播。信息拼接完成，每Ｉ超帧１１分钟｝的第１帧～第
１２９帧就将该分钟的全部单向授时信息播送Ｉ遍ｔ每１分 钟摇送授时信息８遵．授时信息的内容每Ｉ超帧更新】发。
ＲＤＳＳ业务每超帧第ｌ帧一第１２９帧的导航电文与授
对相关的劳数内容有表示本超帧第帧所对应的北斗 时（ＢＤＴ｝时刻｛以年内整分计数表示）表征ＢＤＴ与 ＬｒＴＣ之差｛整秒）的ＵＴＣ闰秒ＢＤＴ与Ｕ］Ｃ之时差ｆ小 于Ｉｓ的部分Ｉ本趣帧接时数据所对应的地面ＲＤＳＳ发射 天线的编号Ⅲ星位置和卫星速度地面站天线至卫星 的传播时ｇ｛含电离雇和对流层时延ｌ电波传播修正模 型参数系统单向设备零值变化量当前渡※Ｉ作状态等。 北斗１星ＲＮＳＳｎ务广播的授时信号包括载
前后建成由５颗ＧＥＯⅢ星和如颞非地球同步轨遘Ⅱ星构 威的北斗／ＣＯＭＰＡＳＳ全球Ⅲ星导航系统该策统将提供开
问题现代无线电ｃ包括卫星）导航系统离不开￡线电 和数宇冀码｛通信）技术＝者都涉爱信号频率及＃准 确度问题时间Ｈ间技术时统设备Ｃ如高精度原子钟１
是这些导航系统的核心。可以说现代无线电导航￡
放服务和授投服务开放服务将在服务区内免费提供定位 （精度为ＩＯｍ】澜速｛精度为ｏａ“ｓ）授肘｛单向精度为 ５０ｍ｝和短电文通信服务授权服务将向授权用户提供更 安全精度更高的定位导航ｆ涮速Ｊ攫时和通信服务
万方数据
Ｎａ、ｉｇａ百０Ｅ ０７吐＇ｄ＇１＂ｅＳ
导航讲座
与目际原子时ｎ＾１）的秒长保持一致连续计数Ｔ闰 系的ＵＴＣ时问参数反眭ＢＤＴ与ＧＰＳＴ关系的ＧＰＳ时
桫它的初始历元为国际通用标准时间——协调世界时
间参数等， 北斗Ⅱ星用户设备通过接收解算±进授时信息 并加以处理修正分剐获得ＢＤＴ’整秒１以上的年月 ；十ｌＰＰＳ。通过相关参数换算可以转换得到ＵＴＣ时间 ＧＰＳ系统叫间以及其他用户选用的参考标准时间。
见图６。
ｒｐ＋ｒ；”一ｒＰ｝ｆ：９ｌ
移榴调整本地；÷输女的１ＰＰＳ使时间差６”为零
调整后的本地Ｉ ＰＰＳ就与ＢＤＴ的ＩＰＰＳ实现时间｛椎位 酚部分）同步。北斗卫星ＲＤＳＳ单向攫对精度将优于 ｌｏｏｎｓ完全可以满足绝太多数时间用户精度需求；需用 ＵＴＣ的用户再进行”ＬＦＦＣ时差修正和１闰秒改正
处理就得到标准的Ｌｎｒ时间；
输出等功能。 北斗卫星共视法时间传递的关键除对设备硬件有
心有ｌＯ多台高精度铯原子钟氨原子钟组成的钟组保持
ＵＴＣ（ＮＴＳＣ）并通过洲际卫星双向时间传递ＧＮＳＳ洲 际共视比对等多种手段与国际拂谓世界时ＵＴＣ进行不间 断的国际时间比对控制ｕＴｃ｛ＮＴＳＣ｝与ＵＴＣ豹偏差 保持在＋３０ｎｓ之内，因此任何使用北斗卫星共视的用户
波测距码数据码三种分量．信号载波频率ＢＩ为
１５６１ ０９８ＭＨｚ
８２为１２０７１４ＭＨｚ。测距码有Ｃ码Ｐ日
两种。数据码ｆＤ码）随卫星娄型有新不同数据码Ｄｌ
的帧结构分为超帧主帧和子帧。】超帧为３６Ｃ００ｂｉｔｓ 超帧周期为Ｉ ２ｍｉｎ
ｌ
Ｉ十超帧包含２４个±帧。１主帧为
５００ｂｉｔｓ主帧周期为３０ｓ．Ｉ十主帧包含５十子帧】于
同步精度优于ｌ ５ｎｓ。为推广北斗卫星共视技术和方便盘 多高精度时间同步用户应用Ｉ特别是需要远距离太范围 检测验证北斗或ＧＰＳⅡ星单向援时网同步精度的场台） 中国科学皖国家授时中心基于互联网新建７北斗／ＧＮＳＳ
共视授时服务系统。北斗共视法用户通过互联厨登陆该网
北斗卫星ＲＮＳＳ单向援时其特点是用户独立完成 用户数量不受限制设备简单使用简便；北斗卫星 ＲＤＳＳ双向援时的精度比单向授时要高可以作为检月Ｉ单 向授时精度设备用但需要发射应菩信号
帧周期为６ｓ包台１ ０十字每个宇又包含导航电文信息
及校验码两部分：ＤＩ数据码与授时相关的电文参数有同 步码子帧计数ＳＯＷ周内秽计数ＶＣＮ星期（整周） 计数卫星钟钟差参数Ⅱ星所书参觳广播星历参数 电离层参数Ⅲ星钟的健康信息反映ＢＤＴ与ＵＴＣ关
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万方数据
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≯！麓ｉ痉Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
Ｌｅｃｔｕｒｅｓ
的关系。在中心站＆站信号菜一“帧时标与其前一十 ＢＤＴ整秒时刻（口ＩＰＰＳ）的时差为Ａ严。帧时标。经 过总延迟ｒ”（包括系统设备单向零值延迟ｒ，＝行 延迟ｒＰ下行延迟｛包括大气层延迟Ｊ－Ｐ用户谩备 单向零值延迟ｔＰ｝之后用户观测，提取＋帻对标。信 号的前沿．用户以车地时钟ＩＰＰＳ作为时间测量计敲嚣的 开门信号‘帧时标。的前沿作为关门信号可测得＝着 的时差￡”。部么用户车地时钟与ＢＤＴ的时间差５”
（ＬＭ｝２００６年１月１日００ｈ００ｍ００ｓ：北斗时与ｕＴｃ的
偏差（模１秒ｌ小于１００ｍ。
北斗Ⅱ星授时是通过发播信号数字编码的’超帧
日时骨秽－－ＴＯＤ｛ＴＩＭＥＯＦ ＤＡＹ】数据信息和静脉
＿三、：毒：斗。阻星啦向接问
北斗卫星单向授时有ＲＤＳＳ单向授时和ＲＮＳＳ单向 攫时两种方式。
。帧。。子帧。。码元’结构在ＢＤＴ时间轴上所对应 位置腻及有关导航电文内窖传送结用户接收设备实现 的。北斗卫星ＲＤＳＳ业务广播授时信号的栽波频率为
占用北斗信
站按规范提交自己的北斗【或ＧＰＳ】卫星共视观测数据 该系统自动将该用户的其视观测数据与国家授时中ｒｕ的
连续观测的北斗ＧＰＳ
ＧＬＯＮＡＳＳ数据进行比对计算处
道资源用户量有限使用区域也受限并且容易暴露
理得出该用户时钟与ＵＴＣ ｆＮＴＳＣ）的相对偏差通过
用户目标与阁围其他电子设备相互干扰。北斗卫星共
为ｌＯＯｎｓⅨ向定时精度为２０ｎｓ，白２００７年４月Ｉ ３日
辫一
鬻鬈
迄夸先后发射７ ７颗北斗／ＣＯＭＰＡＳＳｉ星预ｐ在
２０１２年前后建成由１２颗ＧＥＯ
ＭＥＯ
ＩＧＳＯⅢ星翔成
的北斗Ｉ｜ＣＯＭＰＡＳＳⅢ星扩展日域导航系统，该系统同
时采用ＲＮＳＳ和ＲＤＳＳⅢ星业务体制燕窖北斗２星导
航试验系统的全部功能服务区域为５５
本撇开始。帧号‘表明车颧属于所在超帧的第几帧。公
由发射设备从天线发送到北斗Ⅲ
星卫里转发器将授时信号下行传递到用户接收终端 终端解茸输出ＩＰＰＳ和日期ＴＯＤ时间信息完成ＲＤＳＳ ｍ向授埘，ＲＤＳＳ单向攫时ｉ意图见蓦２，匿３描述小 于１秒的小数秒部分的ＢＤＴ由北斗卫星进行时问传递
用“为措薮系统其它信息．。广播１用于广播北爿ＲＤＳＳ 单向投时信息。ＲＤＳＳ业务的全部单向援肘信息由各帧中
‘：．Ｊｉ
：、ｊ∞ｉ？－－１１¨
与北斗ＫＩ）ＳＳ单向攫时肯所不同的是北斗ＩＬＮＳＳ 单向授肘不是由卫星转发器转发北斗授耐信号而是由 星载原子钟直接控制产生１星信号发进蛤用户．其过程
是ＢＤＴ控制中心站主原于钟主钟监控ＲＮＳＳⅢ星±的
星载原予钟定期注八更箭各个卫星星载钟的钟差参教 星载钟控制，产生２星导航信号的频率编码速率相位 导航宅文由卫星天线广署授时信号下传到用户按收 终端：接收终端僻算输出ＩＰＰＳ和ＴＯＤ时间信息完成
单向授时见萄４。
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圈６中中心ＩＰＰＳ代表中心站控制信号发播的 ＢＤＴ时刘Ｉ用户ＩＰＰＳ代表用户终端机内时钟的某Ｉ整 秒Ｔ（Ｏ时刻＝者的钟差为△１。北斗第ｎ啦询问信号参 考时标与北斗时幕ｔＰＰＳ Ｃ例如与整井时刘对应的秒脉冲） 之间的时间间隔为ｎ个帧周期即圈６中的ｎ△【如前
间的离精度时间传递其技术优势在于可以消除或韶分
抵消北斗卫星ｌＲＤＳＳ／ＲＮＳＳ）单向授时过程若干共性偏
差或误差大大提高远距离卫星时间传递的准确度根
据北斗卫星的工作方式技术特征北斗卫星共视主要 有ＲＮＳＳ信号共视和ＲＤＳＳ信号共视两种方法示意框 图分别见图７圈８与其对应剂有ＲＤＳＳ
ＲＮＳＳ月
类北斗共视设备。北斗卫星共视时间传递的设备应有接 收解码测量控制数据处理以及信号，信息输＾
较高的要求外对共视设备软件的处理能力严格的同 时性观测管理和处理共视设备时间Ⅲ迟的比测标定 数据处理方法 也有严格要享 以及结果文件格式合理设计编制等等 才能透过北斗卫星共视达到迸距离时问
不仅两两ｚ问可以获得高精度时间同步而且通过中国 科学院国家授时中心ＧＮＳＳ共视援时服务系统可以得 到国家级国际级。绝对标准时间。
一北斗
北斗Ⅱ星导航试验系统于２００３年就为中国殛其
月边Ｂ域提供定位Baidu Nhomakorabea时和短报文通信服务，采用￡
时ＩＢＤＴ）控制的。北斗时是北斗卫星导航系统建ｉ 保持Ｗ发播的时间参考标准．是由多台高精度原子钟组
线电测定Ⅲ皇业务｛ＲＩ）ＳＳ）的渡系统单向攫对精度
成和保持的原于时，它的摹本时间单位是。秽。其秒长
ＤＩＧＩＴＣＷ．％
２４９１
７５ＭＨｚ为连续帧信息结构在时域上分为超帧和
帧固定帧长１个超帧周期为１分钟含１９２０帧｛帧
号为Ｉ一１９２０Ｉ
１秒包台３２帧帧周期为３１．２５哪
ＲＤＳＳ的超帻与帧结构见图１。圈Ｉ中。帧标志“指示
北斗２星ＲＤＳＳ单向擐时是由卫星转发＊转发地面 中心站ｘ线发送的北斗授时信号鲐用户
即由ＢＤＴ控
制中心站控制系统的主原子钟主钟监控发播工作原 于钟Ｉ作钟控制／产生卫星导航信号的频率编码速 率相位导航电文