北斗授时原理及应用

北斗授时是指北斗卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的信号，供北斗地面接收机接收. 北斗授时接收机经过各种算法处理，在本地恢复精确的二次变化边缘和各种时间定位信息，从而完成从卫星时间到地面时间的传输过程

对于一个进入信息社会的现代化国家来说，导航定位与授时系统是国家最重要、最关键的基础设施之一. 现代武器试验和战争需要它的支持. 智能交通系统的建立和数字地球的实现需要它的支持. 现代通信网络和电力网络的建设也增加了对精确时间和频率的依赖

北斗卫星携带原子钟，然后通过Beidou基站的连续校正，北斗卫星将在其自己的消息中广播原子时间. 这次广播的帧的第一位的边缘与这个时间值严格对应. 该边与传输时间同步，需要定时服务时，接收机需要获取准确的本地时间，其余的是计算信号从天线传播到接收机的时间

通过设置本地和卫星原子钟差的未知值Δt. 这一步是和定位一起完成的，也就是说，定位精度越高，理论上的定时精度就应该越高. 基本定位方法是通过观测卫星信号中广播的C/a码，计算出与至少4颗卫星之间的距离，然后根据卫星广播的信息中的轨道参数，计算出每颗卫星可以看到的具体位置. 然后建立了接收坐标XYZ的三个未知数，建立了三维空间距离的四个方程，计算出时间差，通过加减运算得到精确的原子时，然后根据原子时与UTC时间的转换关系，得到准确的UTC时间. 因为伪距观测会有误差，所以定位和授时也会有误差，所以北斗的授时精度也有一定误差，目前基本在50ns到20ns之间

从全面建设现代化国家大型系统工程的总体考虑出发，导航定位和计时系统是基础. 它对全社会的支持几乎是全方位的，卫星导航和授时是必然趋势. 美国在全球定位系统（GPS）的建设上投入巨资，也投入了自己的全球导航卫星系统（GLONASS）. 一些欧盟国家也在联合开发伽利略卫星导航系统. 当然，我国北斗二代卫星导航系统已全面覆盖亚太地区，授时定位精度也已达到GPS精度. 为了提高民用定位和授时的性能、可靠性和安全性，美国、日本、欧洲和也计划或开发利用这些卫星系统建立广域增强系统（WAAS）

这些系统导航和定位的基本概念是基于精确的时间测量. 正如有人指出的那样，我们人类生活在一个四维世界（x，y，Z，t）中. 一个维度是时间，另一个是确定三维精度的. 今天，没有准确的时间是很难实现的

不难理解，对系统广播时间的精确控制是必不可少的. 对于导航定位，系统内部时钟（卫星时钟和地面监控站时钟）的同步非常重要. 没有原子钟和时钟同步保持技术的支持，就不可能实现卫星导航定位. 在精确时间的传输过程中，需要对传播时延进行精确的校正，进而需要知道用户的准确地理位置

从以上分析可以看出，无论在系统概念、技术、设备还是管理上，与其他通信卫星系统相比，导航定位卫星系统和高精度卫星授时系统都具有很好的兼容性和互补性，是相辅相成的. 先进的卫星系统应从资源共享和合理利用出发北斗接收机原理，成为集导航和授时服务于一体的高精度星基四维（x、y、Z、t）信息源. 与目前已投入使用的GPS、GLONASS、Galileo和各种WAAS系统一样，其时间服务功能仅次于导航定位. 以满足各行业对精密时间和频率的日益增长的需求

在现代卫星导航系统中，为了保证系统中所有时钟的精确同步北斗接收机原理，需要一个准确、稳定、可靠的时间基准，通常是基于系统中的某一分钟或全部时钟. 采用统计平均法建立系统时间实现. 原子钟通常用作恒星上的参考时钟

目前，国内的北斗定时产品，北斗定时系统、北斗定时系统、北斗网络时间服务器，质量参差不齐，各项指标也没有保证. 目前比较好的产品有西安同步技术、北斗星通、天奥电子等，其中同步技术产品在广播、金融、移动通信、石油、电力、交通、工业、国防等领域有大量的例子. 详见同步技术官网成功案例

北斗授时系统1

北斗/GPS时间同步系统在某电厂的应用

北斗卫星导航授时系统采用独立的北斗和GPS双星系统作为备用授时机构，接收北斗和GPS卫星发送的时间同步信号，获取外部时间参考信号. 它利用本地恒温晶体钟的短稳定特性和卫星定时信号的长稳定特性，输出高精度的时间同步信号，脉冲信号在100ns时具有良好的定时精度. 时间同步系统主要由卫星接收天线、北斗高精度定时接收板、GPS接收模块、时频标准数据处理单元、各应用处理单元及接口模块、系统应用软件等组成，北斗定时系统的主要原理如图1所示

北斗接收单元主要由北斗天线、高频、中频数据处理、多普勒校正、二次脉冲合成等模块组成. 它主要完成卫星信号接收放大、滤波、信号下变频、解扩解调、时间信息综合输出等功能. 采用集成天线设计、高精度时频时间合成技术和北斗卫星轨道预测技术

GPS接收单元接收GPS卫星信号，产生时间信息和时频标准信号. 它与北斗接收单元一起备用

恒温高稳定时钟提供高精度频率信号

时间处理单元是设备的重要组成部分

卫星信号正常时，根据卫星接收模块提供的定时信息，保持高精度的时间信息，输出到应用接口单元产生时间同步信号等

卫星信号异常时，利用恒温晶体钟提供的频率信号，在一定时间内保持高精度的时间信号输出. 该机组采用高精度的时间维护技术

为了满足不同设备对各种时间同步信号的需要，IRIG_ub码生成单元综合直流码和交流码的IRIG_B时间同步信号；脉冲生成单元生成不同接口类型的1PPS、1ppm和1pph的时间同步信号；NTP网络定时单元通过网络端口采用NTP协议进行外部定时，实现计算机网络的高精度定时；人机交互单元观察设备的工作状态，设置设备的工作模式、外部时间参考信号、输出接口类型等. ；通知报警检测单元对系统的异常情况进行报警提示，并监控时间同步信号的接口

网络计时软件支持windows、Linux和UNIX操作系统. 它基于SNTP和TCP/IP协议，安装在需要定时的计算机终端上，使计算机时钟与时间服务器保持同步. 适用于局域网/广域网的时间同步

该软件具有较强的定制性和用户友好的界面，可以为用户提供服务器列表维护、时段定制、报警定制等功能

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