GPS授时装置授时原理和授时精度分析

  随着科学技术的发展，人们在不同领域对时间的精度要求越来越高。GPS单向动态授时精度高， 所有授时由接收机自主完成，灵活方便，已在通信、 电力、交通、金融、石油勘探、地震监测等多个方面获 得了广泛地应用。在石油勘探中，GPS授时是节点仪器能够广泛应用的关键技术⑴⑵。但在一些山 区、树林等地区，由于接收到的GPS卫星数量少，定 位和授时比较困难⑶。为了使相关读者进一步了解 授时相关原理、影响GPS授时装置授时的因素以及GPS授时装置的授时精度，特作本文阐述。

1 GPS授时装置卫星导航系统

  GPS授时装置（Global Navigation Satellite System）是 全球卫星导航系统的总称，现有的GPS授时装置导航系统 包括 GPS、GLONASS、BDS 二代（以下简称 BDS）、 Galileo, QZSS、SBAS 等，其中 GPS、GLONASS、 BDS,Galileo为全球卫星导航系统，其他为区域增 强系统。GPS系统共有32颗卫星，GLONASS共 24颗卫星。BDS卫星导航系统是我国自主研发的

  全球卫星导航系统，于2012年底具备区域导航能 力。截止2016年6月，BDS共发射23颗卫星，除失 效和未开放卫星外，能观测到的卫星有14颗。Gali- leo是欧空局的全球导航系统，截止2016年12月，共 发射18颗卫星，在我国武汉可以接收到14颗卫星。 以我国武汉JFNG站为例，图1统计了 JFNG站2017 年4月24日24h观测到的各系统卫星数量。表1统 计了 JFNG站接收到的各卫星系统数量平均值。

2 GPS授时装置授时原理

  GPS授时装置授时包括单向授时和双向授时两种，双 向授时为授权服务本文所述GPS授时装置均为单向 授时，即由接收机自主计算完成授时，其原理如下：卫星坐标和卫星钟差可根据广播星历 计算得出（计算方法请参阅文献［10］）,电离层延迟 可通过双频削弱至厘米级G〕，对流层延迟也可改正 精确至厘米级，地球自转和相对论效应可精确地根据 公式计算。如果接收点坐标已知，未知数只有接收 机钟差，只需一个卫星即可计算出接收机钟差；如果 接收机坐标未知，则需至少4颗卫星，然后釆用最小 二乘法计算出接收机坐标和钟差。接收机根据计算 出的接收机钟差，修正其时间至精确的UTC时⑴， 并准确地输出1PPS脉冲信号，供用户使用。

3 GPS授时装置授时精度分析

  从上述授时原理可知，授时精度是卫星的轨道 （即卫星坐标）、卫星钟差、伪距、电离层延迟、对流层 延迟等这些主要影响因素精度的综合。分析GPS授时装置授时精度，首先需要分析各卫星导航系统的综合因 素分别对时间精度的影响。

3.1 GPS授时装置的授时精度受广播星历轨道精度影响

目前 GPS、BDS、GLONASS、Galileo 的卫星轨 道精度见 GPS授时装置各系统广播星历轨道精度

卫星系统 广播星历轨道精度（m）

GPS 1.0

BDS 5.0

GLONASS 3.5

Galileo 5.0

以武汉JFNG站为例，以IGS提供的精密星历 作为标准星历（星历内插采用拉格朗日9阶内插）， 计算的广播星历卫星位置与精密星历卫星位置差值 见表3。

表3实例计算GPS授时装置各系统广播星历轨道精度

卫星系统 X(m) Y(m) Z(m) 径向（m） 径向距离化 为时间（ns）

GPS 0.932 0.846 1.067 0.864 2.882

BDS 8.875 3.849 1.682 0.946 3.156

GLONASS 1.892 2.182 2.293 1.974 6.585

Galileo 2.383 2.948 5.078 0.694 2.315

表3中，x、y、z是广播星历减去精密星历后求 绝对值的平均值。卫星轨道径向精度是影响测距精 度的主要原因，也是影响授时精度的主要

3.2 GPS授时装置的授时精度受广播星历和卫星钟差精度影响

利用原子不受压力和温度影响的固定频率振荡 的原理制成的原子钟具有很高的精度E ,如石英钟、 钏原子钟、饱原子钟、氢原子钟等。不同原子钟精度 见表4。

表4不同原子钟精度

导航卫星一般搭载的是高精度的锚原子钟和氢 原子钟，非常稳定。GPS授时装置授时接收的是广播星历, 通过广播星历提供的GPS卫星钟差精度在5ns左 右⑹。表5列出了武汉JFNG站广播星历计算的钟 差与IGS提供的精密钟差之间的差值统计。IGS的 SP3提供的精密钟差精度可达0.1ns⑻，其误差可忽 略不计。

表5实例计算GPS授时装置各系统卫星钟差精度（ns）

从表5可以看出，GPS卫星钟差最小，达到 0.542ns,最大不超过4ns；Galileo次之，最大卫星钟 差也不超过4ns；GLONASS最大不超过16ns；BDS 广播星历预报的卫星钟差较大，达到30ns,最小不 超过20ns,最大接近40ns。北斗卫星钟差与IGS提 供的精密钟差之间存在系统偏差，导致计算的北斗 卫星钟差偏大。

3.3电离层、对流层等对GPS授时装置的授时精度影响

电离层与对流层影响与卫星高度角有关，对流 层影响在高度角10度以上可达到20多米3】，电离 层在高度角10度以上可超过50米。对于双频接收 机，可釆用双频消电离层组合消除电离层影响，消除 后的电离层参差仅为厘米级；对流层可采用模型精 确改正至厘米级；地球自传改正后的残差也仅为厘 米级山；相对论效应可通过公式改正至忽略不计。 故通过双频消电离层、改正对流层、地球自传、相对 论效应后的的距离残差应为0.1m左右，换算至时 间约为0.333ns,可忽略不计。对于单频接收机，由 于不能消除电离层，通过模型改正可以改正到 60%。如果以电离层延迟40m算，改正后的电离层 残差为16m,化归至时间则为53.370ns。对于亚微 秒级别授时精度的用户可采用单频GPS授时装置接收机。

3.4GPS授时装置的授时精度受伪距精度影响

由式（1）可知，影响授时精度的还有伪距F。伪 距是通过C/A码或P码产生，以GPS为例，C/A码 元宽度对应的距离为293.052m,倘若接收机测距精 度为一个码元的1/100,则测距精度为2.930m,P码 的精度可达0.290m^M_o在实际测量中，伪距会受到 噪声的影响。

  结论

通过上述分析，可以得出以下结论：第一， GPS授时的前提首先是定位，只有准确地知道接 收机的坐标，才能完成授时。第二，对于双频GNSS 接收机，GPS授时装置的授时精度主要受卫星轨道、卫星钟差、伪距 测量精度的影响。如果采用BDS的GNSS授时，精 度为30ns左右；如果仅釆用GPS授时，则精度小于 5ns；Galileo授时精度与GPS相当，截止2017年5 月，在我国可视卫星只有4颗，仅能满足最少授时的 卫星数。第三，如果采用GNSS单频接收机，则GPS授时装置的授时精度还全在原来的基础上降低50ns左右。第四， 对于山沟、有遮挡的一些地方，由于单系统授时可见卫星少，不能计算接收机坐标，可采用GNSS多系统授时，增加可视卫星数量，以加快授时速度。

 目前已经发展到2020年了，我们自己的北斗卫星三代系统已经建成，北斗授时精度和GPS授时精度相当，在很多国家重要行业都开始选择用自己的北斗卫星授时或者是GPS北斗双模授时方案，这样不仅保证了授时的准确度和稳定性，还保证了在特殊时期，卫星授时不被别人停用干扰。