授时系统

授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统。每当整点钟时，正在收听广播的收音机便会播出“嘟、嘟......”的响声．人们便以此校对自己的钟表的 快慢。广播电台里的正确时间是由天文台精密的钟去控制的。

那么天文台又是怎样知道这些精确的时间：

我们知道，地球每天均匀转动一次，因此，天上的星星每天东升西落一次。如果把地球当作一个大钟．天空的星星就好比钟面上表示钟点的数字。星星的位置天文学家已经很好测定过，也就是说这只天然钟面上的钟点数是很精确知道的。

天文学家的望远镜就好比钟面上的指针。在我们日常用的钟上，是指针转而钟面不动，在这里看上去则是指针“不动”，“钟面”在转动。当星星对准望远镜时，天文学家就知道正确的时间， 用这个时间去校正天文台的钟。 这样天文学家就可随时从天文台的钟面知道正确的时间．然后在每天一定时间，例如，整点时，通过电台广播出去，我们就可以去校对自己的钟表，或供其他工作的需要。

天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间（世界时）精度只能达到10-9，无法满足二十世纪中叶社会经济各方面的需求。一种更为精确和稳定的时间标准应运而生，这就是“原子钟”。

目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种手段和媒介将时间信号送达用户，这些手段包括：短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这一整个工序，就称为“授时系统”。

时区

将地球表面按经线划分的24个区域。当我们在上海看到太阳升起时，居住新加坡的人要再过半小时才能看到太阳升起。而远在英国伦敦的居民则还在睡梦中，要再过8小时才能见到太阳呢。世界各 地的人们，在生活和工作中如果各自采用当地的时间， 对于日常生活、交通等会带来许许多多的不便和困难。为了照顾到各地区的使用方便，又使其他地方的人容易将本地的时间换算到别的地方时间上去。

有关国际会议决定将地球表面按经线从南到北，划成一个个区域，并且规定相邻区域的时间相差1小时。在同一区域内的东端和西端的人看到太阳升起的时间最多相差不过1小时。当人们跨过一个区域，就将自己的时钟校正1小时（向西减1小时，向东加1小时），跨过几个区域就加或减几小时。这样使用起来就很方便。现今全球共分为24个时区。由于实用上常常1个国家，或1个省份同时跨着 2个或更多时区，为了照顾到行政上的方便，常将1个国家或 1个省份划在一起。所以时区并不严格按南北直线来划分， 而是按自然条件来划分。例如，我国幅员宽广，差不多跨5个时区，但实际上在只用东八时区的标准时即北京时间为准。

   一种按全球统一的时区系统计量的时间。 每当太阳当头照的时候，就是中午12点钟。但不同地方看到太阳当头照的时间是不一样的。例如，上海已是中午12点时，莫斯科的居民还要经过5个小时才能看到太阳当头照；而澳大利亚的悉尼人早已是下午2点钟了。所以如果各地方都使用当地的时间标准，将会给行政管理、交通运输、以及日常生活等带来很多不便。为了克服这个困难，天文学家就商量出一个解决的办法：将全世界经度每相隔15度划一个区域，这样一共有24个区域。在每个区域内都采用统一的时间标准，称为“区时”。

而相邻区域的区时则相差1个小时。当人们向东 从一个区域到相邻的区域时，就将自己的钟表拨快1小时．走过几个区域就拨快几个小时。相反当人们向西从一个区域到相邻的区域时，就将自己的钟表拨慢1小时．走过几个区域就拨慢几个小时。在飞机场等交通中心．常将世界各大城市所对应的区时，用图表示出来，以方便旅客。

北京时间

北京时间是我国的标准时间。每当正点时刻，从收音机里就会发出“嘟、嘟———”的 六响，接着是播音员的声音：“刚才最后一响是北京时间xx 点整”。大家就根据收音机里发出的“嘟、嘟”声去校正自己的手表或时钟。我们为什么要用北京时间呢？它真的是北京地方的时间吗？其实北京时间并不是北京地方的时间，而是东经 120度地方，也就是距离北京以东约340公里处的地方时间。大家知道，中午12点时，在太阳光下物体的影子最短。而当收音机里播出“北京时间12点正”时，在北京地方所看到的物体影子还有点偏西， 要再过约16分钟后，才见到最短的 物体影子。

北京时间是我国行政管理、生产、交通运输等工作的时间计量标准。假如我们没有统一的时间标准，而是各用各的时间，学校就无法上课，工厂就不能正常生产， 交通运输也不能有条理的进行，这就使整个社会的工作、生产秩序混乱。但是取哪个时间为标准好呢？ 因为北京离120度经线很近，而且北京是我国的首都，所以很自然的以东经120度地方的时间取为我国的标准时间。人们给它取个名字叫“北京时间”。

北斗卫星导航授时系统

北斗授时系统组成

空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。用户终端分为定位通信终端、集团用户管理站终端、差分终端、校时终端等。与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。

北斗卫星导航系统”是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。

空间段由5颗地球静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。地球静止轨道卫星分别位于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道（MEO）卫星和3颗倾斜同步轨道（IGSO）卫星组成。其中，MEO卫星轨道高度21500千米，位于3个轨道面上，轨道倾角55度；IGSO卫星轨道高度36000千米，位于3个轨道面上，轨道倾角55度。卫星均采用长征系列运载火箭发射。

地面段由主控站、注入站和若干监测站组成。主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷的控制管理。监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

用户段由各类北斗用户终端组成。北斗用户机具有兼容GPS、GLONASS、GALILEO的功能。

工作体制

北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定（RDSS）与卫星无线电导航（RNSS）集成体制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告及短报文通信功能。

北斗授时服务类型和性能指标

系统提供开放服务和授权服务，其中，开放服务面向全球范围，定位精度10米、授时精度20纳秒、测速精度0.2米/秒；授权服务包括全球范围更高性能的导航定位服务，以及亚太地区的广域差分服务和短报文通信服务，其中，广域差分服务精度1米，短报文通信服务能力每次120个汉字。

北斗卫星导航和授时信号

系统在B1、B2和B3三个频段上发射三路开放服务导航信号、三路授权服务导航信号。B1是1559.052MHz～1591.788MHz，B2是1166.22MHz～1217.37MHz，B3是1250.618MHz～1286.423MHz。

北斗授时系统与坐标系统

北斗卫星导航系统的系统时间称北斗时（BDT）。北斗时属原子时，起算历元时间是2006年1月1日0时0分0秒（UTC，协调世界时）。BDT溯源到我国协调世界时UTC(NTSC，国家授时中心),与UTC的时差控制准确度小于100ns。

北斗卫星导航授时系统的应用

北斗卫星导航系统采用中国2000大地测量系统（CGS2000）。

北斗卫星导航系统投入使用，结束了长期单一依赖国外系统的历史，确立了我国在卫星导航领域的国际地位。长期以来，我国卫星导航应用基本被国外技术垄断，交通运输、电力调度、通信网络、金融系统等重要基础设施过分依赖GPS，风险巨大，后果严重。北斗卫星导航系统的建成，中国成为继美、俄之后，第三个拥有自主卫星导航系统的国家，打破了国外的封锁与垄断，结束了长期单一依赖国外系统的历史。通过五年的开拓实践，北斗导航已经在国防和经济社会建设中发挥显著效益，卫星导航受制于人的被动局面得到根本扭转。2007年，联合国有关机构正式确认北斗为全球卫星导航四大核心系统之一，“中国北斗”成为一块让世界关注、让中国骄傲的民族品牌。

北斗卫星导航系统开放民用，在国民经济重点领域成功推广，有力保障了经济社会建设发展。国家对北斗应用推广非常重视，国家发改委、科技部、国防科工局、农业部等有关部委给予热情指导，并支持安排了一批应用示范项目。目前，北斗导航已成功应用于水利水电、海洋渔业、交通运输、气象测报、国土测绘、减灾救灾和公共安全等领域，牵引促进了电子、通信、机械制造、地理信息等相关产业和信息服务业的发展，产生了显著的经济效益和社会效益。

北斗导航全面亮相抗震救灾，发挥了独特优势和不可替代作用，有效提高国家减灾救灾应急能力。在多种重大自然灾害和重大活动中，北斗卫星导航定位保障能力经历了全面检验。

1、监测交通的安全性

随着我国公路建设的飞速发展，高速公路边坡综合防护系统研究日益引起公路部门重视。有效的边坡综合防护系统，对于加固路基，提高使用寿命、降低维护费用都是十分有效的。对于大跨度桥梁，特别是跨海的桥梁，传统变形测量方法受到**的限制，需要新的测试方法。

北斗卫星导航系统技术用于公路边坡(滑坡、崩塌)、桥梁变形监测，由于不受通视条件的限制，因而选点灵活，可以根据监测需要，将监测点布设在对变形体的形变比较敏感的特征点上，而且卫星导航定位系统静态相对定位具有很高的定位精度和较强的作业自动化程度，这些特点和优点使得卫星导航定位系统在公路边坡等地质灾害及桥梁变形监测中有着广阔的应用前景。

基于北斗卫星导航系统的大型桥梁安全监测系统可以监测桥梁锚锭处沉降、桥塔处变位偏移、桥身相对变形；监测桥梁在异常状况下（地震、台风、船只撞击等）的动力响应，并且可以通过实时观测，得出桥梁的固有动态特性的发展状况；通过北斗卫星导航系统测试得到的桥梁变形与动态数据，对桥梁的安全状况进行评估，并实施预报警。

2、中国时间北斗授时保障电力畅通

电网是一个巨大的系统工程，要确保电厂、变电站的设备运转同步进行，必须首先要确保设备内部时钟的一致性。为了统一内部时钟，此前我国电力系统不得不把美国的GPS（全球定位系统）作为主要的授时手段，通过GPS的民用频道向电力系统的电力自动化设备、微机监控系统、安全自动保护设备、故障及事件记录等智能设备提供授时信号，以实现电力系统的“同步”运行。

但是，这一做法也存在着巨大的隐患。电力工业的安全生产关系国家能源安全和国民经济命脉，一旦发生紧急事态，GPS信号关闭或调整，将引发我国电网系统的重大安全事故。目前，我国电网每年都有因GPS卫星授时不准而发生的事故，给国家带来了巨大的经济损失。

基于我国北斗导航系统研制成功并投入使用的“北斗电力全网时间同步管理系统”，结束了我国电力运行时间完全倚赖美国GPS全球定位系统的历史，解决了电力系统时间同步应用中的三个难题：可靠的时钟源，全网时间同步管理，远程集中实时监测维护。有效保障了我国电力安全和国家安全。

这套系统的单向授时精度100纳秒，双向授时达到20纳秒，指标均优于国外同类系统。目前，华东电网公司所辖的富春江水电站、新安江水电站、南京东善桥变电站、上海南汇变电站已经安装了北斗授时监控装置，挂网运行一年多时间，运行稳定、安全可靠。

3、灾害救援显身手

“北斗”卫星导航定位系统在近年来多次成功运用于灾害监测与救援行动。如在2008年的汶川地震救灾中发挥了突出作用。

汶川大地震发生后，国家有关部门迅速将“北斗一号”终端机配备给一线救援部队。该终端不但可接收北斗卫星的导航信号，还可以用短报文的形式与指挥中心取得联系。指挥人员在监控中心可随时通过监控屏幕关注每个救援小组的位置信息，必要时也可以短报文形式发出监控指令。

救援队伍在赶往灾区的过程中，通过卫星定位可得知自己所处的位置，并判断离救援目的地的距离，选择最佳路线，保证以最快的速度到达灾区开展救援工作。在行进过程中，如果发现沿途道路塌方堵塞，可以迅速进行定位，把位置信息及时通知后续部队，让其绕行，并报告指挥部，使指挥部能在第一时间内派出工程部队对损毁道路进行抢修。到达灾区获得位置信息后，及时通知指挥部、后援部队、其他合作部门，让他们明确目的地的精确位置。

此外，通过对大量相关地物的定位普查并进行统计分析，也可以为开展救灾与灾后重建的指挥、调度、管理、统筹和各项决策提供依据，有利于对灾情信息快速上报和共享。在灾后重建的交通、农业、卫生、房屋重建、灾害预防等各方面的野外工作中，利用“北斗”、GPS的定位功能进行数据采集、计算（如长度、面积计算）和统计，可应用于整体或局部区域的决策、施工、综合治理。

4、水文数据自动报

自2002年底将北斗卫星通信系统在偏远水文站点投入应用以来，因具有体积小、没有雨衰、通信速率高等特点，其性能全面优于通信卫星、海事卫星等通信方式，我国水利、水电领域引入到水文自动测报系统中，使用效果十分理想，基本解决了我国众多高山峡谷、荒漠边陲及国际河流水文信息的采集与传输的需要。该系统目前广泛地应用于国家防汛指挥系统工程124个水情分中心项目以及各流域200余个水电站水情自动测报系统中，全国已完成建设的系统中共使用有超过3000台套北斗卫星终端设备，长江委水文推广应用了近500套。

广西西江中下游洪水预警报系统、四川紫坪铺等水电站、广东三防指挥系统、新疆塔河及国际河流水文自动测报系统等均有北斗系统的应用。

中国电信CDMA北斗授时应用

为使中国电信CDMA网络摆脱对国外卫星导航系统授时的过度依赖，多家单位研制了北斗/GPS双模站间时间同步设备和嵌入式北斗/GPS双模授时模块。

自2006年起，中国电信在东南沿海七省开展了CDMA网络北斗授时试验，已在近200套不同型号基站设备上成功试用，在网设备最长运行时间超过四年，同步精度优于100ns。本试验通过了电信权威部门测试、实验室测试和现网测试，为中国电信大规模推广应用奠定了坚实的技术基础。

中国移动运营的第三代移动通信TD-SCDMA，是我国具有自主知识产权的3G移动通信网络，对时间同步提出了较高要求。

为有效解决依赖单一卫星导航系统授时的安全隐患，确保通信安全，中国移动组织开展了北斗/GPS双模授时研究工作，在突破光纤拉远、抗干扰螺旋天线等一系列关键技术基础上，成功研发了一体化卫星授时系统，时间同步精度优于100ns，抗干扰能力提高约20dB。自2009年底，该系统在江苏南京20个站点进行规模组网测试。目前所有站点运行正常，性能良好。

北斗卫星时钟

北斗卫星时钟是针对计算机、自动化装置等进行校时而研发的高科技产品，北斗卫星时钟从北斗卫星上获取标准的时间信号，将这些信号通过各种接口传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置、故障录波器、安全自动装置)，这样就可以达到整个系统的时间同步。

北斗卫星时钟通过接收北斗卫星、GPS卫星、等外部时间基准信号，输出高精度、可靠的时间信号和时间信息。

　　　　　　　　　　　　　　　　北斗卫星时钟系统图

功能及应用

北斗卫星时钟采用表面贴装技术生产，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。

   可以说，上至航空航天，下至工业、渔业、农业生产和日常生活，全球卫星导航定位技术无所不在。正如人们所说的：“全球卫星导航系统的应用，仅受人类想象力的制约。”中国的北斗卫星导航系统，最早有试验系统，然后有区域系统，最后是全球系统。

　北斗试验系统目前在科学、渔业、救灾、国防等诸多领域得到了广泛的应用，而且用户逐年增加，为国家社会和经济建设作出了很大贡献。

　比如利用北斗试验系统进行时间传递和时间同步的研究，已经在科学、金融、电力及通信中得到广泛应用。因为要保证时间的一致性非常重要，比如金融的贸易都要有时间点，错了时间点，可能原来是赚的，后来就亏了，所以金融的时间必须由我们国家自己掌握的时间系统来保障。

　在渔业方面，利用北斗试验系统的定位来寻找将要到某个点的鱼群，渔船和鱼群交汇就可以捕到大量的鱼。它还可以确保渔船在海上安全作业，因为北斗试验系统既有定位功能，又有通信功能，当有台风或者海况不好的时候，可以及时通报情况，让渔船安全返回。

　北斗试验系统在汶川、舟曲地质灾害的救灾过程中发挥了很大作用。北斗有定位和特有的短报文通信功能，可以及时把位置报给救灾指挥部。在灾害发生的情况下，当地作为生命线的通信设施已经被完全破坏，北斗的短报文通信功能在救灾过程中发挥了特别重要的作用。

　当北斗建成区域系统和全球系统以后，威力将成倍增加，可以和现在的美国GPS系统发挥的作用完全一样。北斗在全球系统布设完毕以后，将和GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略一起形成全球卫星导航系统。

　未来，北斗能作为全球卫星导航系统一员参加地球板块运动监测。地球板块运动监测是发现和预测地震的一个最重要的手段。

　北斗也会在工程技术上有广泛应用。首先在航天工程方面它将作为关键设备为各类遥感卫星提供精密轨道位置，包括姿态的位置。因为遥感卫星要对准地面，还要对准地面的某个地方，这样才能知道我们拍的照片怎么跟地面匹配起来。北斗还将可以对摩天大楼施工过程进行高精度的严密监测，也可以对一些大坝和桥梁的细微变形进行监测。

　交通方面，北斗可以在民航航路管理和导航、飞机着陆等方面起到关键作用。在陆地交通中用途更多，将在智能交通、道路堵塞治理、车辆监控和车辆自主导航方面广泛应用。高铁也可以运用北斗系统进行道路的建设、路基沉降的监测，进行运行管理和运行安全监控。

　北斗的实时精密定位也将应用于土地和农田的整理和管理，将北斗终端装在拖拉机和收割机等农业机械上，能够以0.1米的定位精度实现对农田的精密耕作。

　生活服务方面，手持导航终端、汽车导航等都是很平常的应用。而在校园安全方面，通过利用全球卫星导航系统构筑的安全监控网，能够保护中小学生。一旦学生戴的校徽里面加了北斗芯片，任何时候都知道他在哪里，而且这个信息可以传送给家长。

　可以说，上至航空航天，下至工业、渔业、农业生产和日常生活，全球卫星导航定位技术无所不在。正如人们所说的：“全球卫星导航系统的应用，仅受人类想象力的制约。”

北斗授时的重要性      

“电网是一个巨大的系统工程，要确保电厂、变电站的设备运转同步进行，必须首先要确保设备内部时钟的一致性。”国智恒电力管理科技有限公司执行总裁杜光耀介绍，为了统一内部时钟，此前我国电力系统不得不把美国的GPS(全球卫星定位系统)作为主要的授时手段，通过GPS的民用频道向电力系统的电力自动化设备、微机监控系统、安全自动保护设备、故障及事件记录等智能设备提供授时信号，以实现电力系统的“同步”运行。

但是，这一做法也存在着巨大的隐患。电力工业的安全生产关系国家能源安全和国民经济命脉，一旦发生紧急事态，GPS信号关闭或调整，将引发我国电网系统的重大安全事故。目前，我国电网每年都有因GPS卫星授时不准而发生的事故，给国家带来了巨大的经济损失。

    “研制基于北斗系统的电力授时系统，可以有效保障我国电力安全和国家安全。”SYN4505型标准同步时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款多功能时钟设备，内装高精度恒温晶振0CXO，接收北斗二代/GPS/GLONASS卫星信号和IRIG-B码信号，优先选择卫星信号，使用外部定时信号对本机进行时间同步，产生交直流IRIG-B码信号、时、分、秒脉冲信号、NTP网络授时，串行口时间信息和1PPS（秒信号）同步脉冲信号，是电力系统建立时间尺度、实现时间统一同步的实用电子仪器。

解放军卫星定位总站研究员韩春好认为，北斗卫星系统是我国自主研制的区域性卫星导航定位和通信系统，具有首次定位快、无通讯盲区、保密性强等特点。

北斗卫星导航系统在高精度授时、短报文通信等方面均具有独特的优势。这套系统的单向授时精度100纳秒，双向授时达到20纳秒，指标均优于国外同类系统。目前，华东电网公司所辖的富春江水电站、新安江水电站、南京东善桥变电站、上海南汇变电站已经安装了北斗授时监控装置，挂网运行一年多时间，运行稳定、安全可靠，各项技术指标完全达到设计要求。