一、GPS授时系统概述

授时系统的功能是使钟表或测量仪器的时钟与国际标准时间达到精确同步。GPS时钟采用世界协调时UTC，在GPS卫星上载有与UTC时间同步的铯原子钟，成为一种空间的时间基准，用户可接收GPS卫星的时间服务信号，校正本机时钟，与GPS时钟同步，完成时间传递任务，称为GPS授时。

GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

二、GPS卫星系统构成

2.1、空间部分

GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

2.2、地面控制系统

地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

2.3、用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。

三、GPS授时导航原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。

3.1　相对论为GPS提供了所需的修正

全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精确的距离测量需要精确的时钟。因此精确的GPS接受器就要用到相对论效应。
　　准确度在30米之内的GPS接受器就意味着它已经利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M. Will详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。

而引力对时间施加了更大的相对论效应。大约2万千米的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快45微秒，GPS要计入共38微秒的偏差。Ashby解释说：“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11千米的误差。”(这种效应实事上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。)

3.2 GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度（即光速）。

四个方程式中各个参数意义如下：

x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，

可由卫星导航电文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

GPS接收机在地面上接受位于天上的至少4颗GPS定位卫星的信号（电磁波）。根据定位信号到达GPS接收机的时间差，GPS接收机就可以计算出自己距离卫星的准确距离。又因为GPS定位卫星在天上的位置是已知的，所以可以通过公式，把这个位置和刚刚得到的距离，换算出GPS接收机在地面的位置（经纬度、海拔等等）。

四、GPS卫星授时导航系统特点

4.1、定位精度高

　应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

4.2、观测时间短

　随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟.

4.3 GPS卫星系统功用

全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

4.4 GPS种类

GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

4.5按接收机的用途分类

4.5.1、导航型接收机
　　此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±10m，有SA影响时为±100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：

车载型——用于车辆导航定位；

航海型——用于船舶导航定位；

航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。

星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。

4.5.2. 测地型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。

4.5.3. 授时型接收机

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

时间同步在工业应用中是十分重要的基础工作，特别是对时间要求较高的电力系统。近年来，电力系统大多采用不同厂家的计算机监控系统、谐波分析系统、故障录波装置、微机保护、电能质量计费系统等，时间数据大多是设备提供自己独立的时钟，而时钟因产品质量差异，在对时精度上都会有一定的偏差，从而使整个系统不能在统一的时间基础上进行数据的分析和比较，给事故后采取正确的故障分析判断带来很大的困难。

由于电力系统传统的时间同步方法只能保证全系统时钟误差在毫秒级，很难达到目前要求的精度。GPS同步授时系统具有授时精度高、范围广、可靠性高全天候且又不受各种干扰影响的特点，因此，采用GPS同步授时系统比采用传统的时钟设备有着明显的优势，并且可广泛应用于对时统精度较高的行业中。

五、GPS授时系统原理

全球定位系统（global positioning system,GPS）自从建成以来，得到了广泛的应用，在航天、军事、经济、通信、电力、交通等领域发挥了巨大的作用。授时系统的功能是使钟表或测量仪器的时钟与国际标准时间达到精确同步。通常可用原子钟来保证仪器的时间与国标时间达到精确同步，但是原子钟价格昂贵。GPS时钟采用世界协调时UTC，在GPS卫星上载有与UTC时间同步的铯原子钟，成为一种空间的时间基准，用户可接收GPS卫星的时间服务信号，校正本机时钟，与GPS时钟同步，完成时间传递任务，称为GPS授时。

如下图所示，为GPS授时系统原理图：

GPS授时系统主要应用我公司生产的NTP网络时间服务器为基准，基于NTP/SNTP协议的时间服务器，接收GPS卫星信号，从GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息通过TCP/IP网络传输，为网络设备（用户）提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，同时产生1PPS（秒信号）同步脉冲信号及串口时间信息，前面板显示年月日时分秒等信息，是一款实现时间同步的实用时钟设备。

为了便于客户认知，针对当前市场品类繁多的授时装置，我公司特意将同行的产品与我公司的NTP网络时间服务器的参数及功能用途等等进行一一对比如下：

5.1接收机的对比

我们所使用的是国内最顶尖的接收机，可接收北斗二代卫星，也可接收GPS卫星，即双模接收机，时频市场上部分厂家的接收机只能接收北斗一代（北斗一代为中国最早的自主研发的卫星，现已渐渐不被使用，现使用最多的为北斗二代卫星）

5.2机箱材质对比

我们的机箱为进口铝板铬酸钝化、拉细丝哑银，经过钝化处理的铝板， 铝板铬酸钝化使其表面形成了一层致密的钝化膜可以达到抗腐蚀的目的，时频市场上部分厂家的机箱为一般铝制材料，容易腐蚀。

5.3灯座对比

我们的灯座采购金属灯座封装，金属耐高温，不易熔化，采购市场上普通的塑料灯座，极易容易熔化，造成安全隐患。

5.4机箱结构设备对比

我们的为标准1U上机柜，都留有上机架 的安装孔，机箱前端处不仅设计有耳板，而且耳板处人性化设计，圆滑设计，不容易划伤到人手，市场大多数没有耳板设计，即使有的   也是耳板处没有进行圆润的打磨，不方便提取。

5.4液晶对比

我们的液晶显示内容及其丰富，如：收星状态，年月日时分秒，时间是否有效等等，时频市场上部分厂家的设备有的只是显示时间，没有收星状态。收星状态是对时间信息准确的一种保障。

5.5电源比较

我们的电源采用国际**厂家的电源模块，质量有保证，一般厂家的电源模块，质量没保证，很容易引发安全事故。

5.6网口吞吐量及用户容量对比

我们的设备的吞吐量为2000次/s,同行的吞吐量为1000次/s、我们的设备的用户容量为上万台用户终端，时频市场上部分厂家的用户容量为5000台以内。

5.7性能对比

采用SMT表面贴装技术生产，以高速芯片进行控制，无硬盘和风扇设计，精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单、全自动智能化运行，免操作维护，适合无人值守，时频市场上部分厂家的产品需要每隔一段时间需要手动校准一次时间。

5.8兼容性强，目前我们的设备支持市场上主流的操作系统：如INDOWS9X/NT/2000/XP/2003/vista、LINUX、UNIX、SUNSOLARIS、IBM AIX、HP-UX等操作系统及支持NTP协议的路由器、交换机、智能控制器等网络设备，时频市场上部分厂家的只能支持其中的一种操作系统。

5.9品质保证

高品质的工业级元件，高水准的电气设计，高密度集成的电路结构，使装置拥有优异的电气隔离和电磁屏蔽表现，整机无可调节器件，**提高了装置抗干扰性能与可靠性保障。时频市场上部分厂家设置可调节器大大降低了设备的稳定性及安全性。

5.10模块化结构：

设备采用全模块化结构设计，不仅实现了板卡全兼容，还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台，具备优异的兼容能力，可以满足不同设备的校时接口要求。时频市场上部分厂家把接口方式做成固定的，想增加功能或者拓展接口及其困难。

5.11用户群比较

我们的主要客户为研究所、研究院、高校、军队等等，例如：中国电子10所、20所、22所，西核所（21所），航天13所、503所、513所，中国兵器213所、204所、测试研究院，中船重工717所、760所、哈工大，西交大、西工大、上海大学、解放军6909工厂、1001工厂、63871部队，中航试飞中心等等。

5.12设备的冗余备份功能

我们的时钟服务器任意单台或多台均可实现冗余备份，为客户提供稳定的时间源。时频市场上部分厂家设备如果想实现冗余备份的话得定制，稳定性没有保障。

5.14员工培训

对员工进行不定期培训，提高工作效率,取得较好的工作业绩,起到事半功倍的效果及改善劳动强度，降低职业病病发率。

5.15企业文化的重要性

一个追求利润最大化的企业，想要具有良好的、持续的经济效益，就要不断增加对本企业忠诚的客户群体，提高他们对本企业的信赖度，因此就必须树立良好的企业形象。也就是说，良好的经济效益来源于良好的企业形象，良好的企业形象则是依赖于优秀的企业文化。唯实、守信，求真、创新是我公司的企业文化宗旨

5.16团队组成

我公司由43%的研究生和40%的本科生及大专生组成，是一只充满着活力与朝气的团队，整个团队平均年龄28周岁。整个团队呈三化即：年轻化、专业化、高学历化。

5.17授时天线

授时天线分2大种，1、GPS授时天线，2、GPS北斗双模授时天线，如果是北斗双模设备的话 授时天线可架设GPS北斗双模授时天线，无需架设2条天线，为整个工程省下不少的人力，物力，财力。

六、GPS授时系统厂家简介

我公司坐落在坐落于陕西省西安市高新技术产业开发区，背后依托数百家高校提供强大的技术支持，与多家研究所进行合作与中国电子10所、20所、22所，西核所（21所），航天13所、503所、513所，中国兵器213所合作，与某研究所签订某战略合作协议。标志着我公司具备测试   高稳晶振、铷原子振荡器、原子钟的高低温测试的条件，对后续重要的研发工作的开展具有重要的意义。

6.1公司定位

我公司在本行业中属于顶尖水平。不管是从规模还是人数，或者是研发能力，新研发出的产品将经过第三方测试审核，合格率100%。

6.2产品交货期

对于标准产品的交货期一般是1-3天；对于定制产品，根据客户要求，在双方合同协议规定的时间内完成。完成率99.9%.

6.3产品认证

我们的产品经过中国计量科学研究院、中国测试技术研究院、中国航天科技集团公司第五研究院第五0四研究所航天校准实验室、上海计量科学研究院、陕西省计量科学研究院检定/校准，100%合格率。

6.4售后质保

质量保证期自设备交货验收之日起。在产品质量保证期内，出现因产品自身质量造成的故障情况，采取整机返修、寄送配件、提供备用产品等方式，提供全面免费保修服务。

6.5新品研发能力

新产品的重要性：再美味的菜品，如果长时间吃，人们也会产生厌烦心理，没有新产品的推出，企业最终将会被淘汰。所以，我公司定期将研发出新的GPS授时系统产品以备客户选用。