第二十章 授时系统时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展人们对时间精度的要求也越来越高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，“原子钟”精度可达10-12因此“原子钟”广泛运用到精密测量和日常生活、生产领域20.1 基本原理20.1.1 什么是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哪里来的呢？它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呢？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、网、互联网、卫星等这一整个工序，就称为“授时系统”20.1.2.应用最为广泛和可靠的授时手段是哪种？答：参考国际及国内惯例，绝大部分使用卫星授时20.1.3.卫星授时有哪几种？常用的是哪些？答：目前全世界有四个系统可以为全球或者区域用户提供卫星导航授时服务1) GPS系统（美国，目前最完善的导航定位系统，面向全球服务）2) 北斗系统（中国，区域性导航定位系统，2020年以后可以全球范围内使用）3) 伽利略系统（欧盟，正在建设中，建成后可以覆盖全球）4) 格洛纳斯系统（俄罗斯，基本覆盖全球，用户相对较少）20.1.4.为什么可以从导航定位系统中获取到精确的时间？答：对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要、而且也是最关键的国家基础设施之一现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。
现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础它对整体社会的支撑几乎是全方位的星基导航和授时是未发展的必然趋势美国投入巨资建成了全球定位系统（GPS），俄罗斯也使自己的全球导航卫星系统（GLONASS）投入了运行欧盟一些国家也正在联合开展加利略（Galileo）卫星导航系统的研制为了提高民用定位定时的性能和可靠性、安全性，利用这些卫星系统建立广域增强系统（Waas）在美国、日本、欧洲和俄罗斯也在计划或研制之中这些系统导航定位的基本概念都是以精度时间测量为基础的正如有人所指出的那样，我们人类生活在余割四维的世界（x、y、z、t）其中一维就是时间，而另外三维的精度确定，就今天而言，没有精确的定时也是难以实现的单从授时出发，不难理解系统发播时间的精确控制是不可缺少的而对于导航定位，系统内部钟（星载钟和地面监测和控制台站的钟）的同步就极为关键没有原子钟的支持，没有钟同步和保持技术的支持，实现星基导航和定位是不可能的在完成精确时间的传递过程，需要对传播时延作精确修正，而这又需要知道用户的精确地理位置从以上分析可以看出，无论在系统概念、技术、装备或管理上，与其他通讯和卫星系统相比，导航定位卫星系统与高精度卫星授时系统有很好的兼容性和互补性，二者是相辅相成的。
从资源共享和合理利用出发，先进的卫星系统应该成为一个导航授时一体化的高精度星基四维（x、y、z、t）信息源，就像目前已投入工作的GPS、Glonass和正在研制中的Galileo以及各种Waas系统中，无不把其授时功能提到仅次于导航定位的重要地位以便满足个行各业对精度时间和频率日益增长的需求20.1.5. 从导航定位系统中获取时间信息是否需要获得有关部门的授权或者许可？答：GPS卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定位服务P码为军方服务，定位精度达到3米；C/A码对社会开放，定位精度为14米出于自身安全的考虑，美国先后实施了SA和AS政策SA政策在C/A码中人为引入了误差，使定位精度下降到100米；AS政策则对P码实行加密北斗也同样参考了GPS的做法因此，在民用授时或者导航领域，不需要使用者缴纳服务费或者获得使用许可，例如：现在的GPS车载导航仪已经进入千家万户，他们接受的GPS导航服务就是完全免费的20.2 系统组成系统采用中心机房及子区域两级组网方式，由GPS接收天线、中心母钟，子钟、通信控制器、NTP时间服务器构成，时钟系统控制管理计算机，传出通道组成中心机房设备与各区域中心接口、子钟通过通信线缆连接。
中心母钟接收来GPS标准时间码，在总控机房通过传输线路为其它各需要统一时间的设备提供标准时间信号，使各子系统的设备与时钟系统同步，从而实现统一的时间标准系统采用树形架构，分支均采用上一级的时间为准，如果失去上一级时钟信息则以内部时钟信号继续工作20.3 系统主要设备及功能20.3.1 GPS接收天线GPS接收天线部分位于主控中心的前端，用于为GPS接收机提供信号，从而使一级母钟获得高精度时间参考，为机场时钟系统提供准确的时间信息；GPS接收天线部分包括GPS信号接收天线及其天线馈线、及它们相关的避雷和接地措施；GPS天线主要性能如下：天线 中心频率：1575.42MHz3 MHz 电压驻波比：1.5:1 带宽： 5 MHz 阻抗：50 ohm 最高增益：＞3dBic ，基于77cm 地平面 增益范围：＞-4dBic ，–90＜0＜+90，over 75% Volume 天线极化：RHCP放大器/滤波器 放大器增益 (不含电缆)： 28 dB,45 dB,55 dB 典型 噪声系数：1.5dB 滤波器带外衰减 (f0=1575.42 MHZ)：7dB 最小 f0+/-20MHZ20dB 最小f0+/-50MHZ30dB 最小f0+/-100MHZ 输出电压驻波比：＜2.0 直流电压：3V , 5V, 3V to 5V 直流电流：5mA，10mA， 22mA Max结构 重量：＜140(克)gram 外型尺寸：96126mm； 电缆： RG58 8 to 100 m 连接器型号： SMA/SMB/SMC/BNC/FME/TNC/MCX /MMCX 固定方式：螺纹(M241.5)连接；环境 工作温度：-40℃~+85℃ 振动：1g(0-p)10~50~10Hz 每轴 湿度：95%~100%RH 防水：100%避雷器主要性能如下：技术参数数值或标准频宽(MHz)0-2000阻抗(Ω)50最大放电电流8/20us(KA)20接口标准英制/公制N/L16功率(W)<300动态残压1KV/us(V)<600驻波比SWR≤1.2插入损耗≤-0.5dB20.3.2 GPS高稳石英母钟高稳石英母钟内置高稳OCXO，可接收多种外部参考信号，支持手动/自动的双机热备份功能。
主要功能性能如下：独有特色 支持农历 双机热备份功能 支持远程操作维护 2个外部参考输入：（a）1个RS232/RS422+1PPS输入，用于外部GPS或GPS+GLONASS接收机； (b)1个10MHz或2.048MHz接口(选项)； 1个外部时码接口：RS422/485（可选CANBUS或电力线载波接口），用来接收上级母钟时码信号； 1U 19”标准机箱，年、月、日、星期、农历、时、分、秒显示； 输出标准时间信号包括公历（年、月、日、星期、时、分、秒），农历（月，日）； 时码输出接口： （1） 2个RS-232，可用于计算机校时；（2）2个RS485/422，可用于子钟校时，传输距离不小于1千米；（3）1个CANBUS接口，用于驱动子钟，传输距离不小于10千米，支持双向网管，故障实时报警； 频标输出接口（正弦波10dBm/50Ω 各一路)：（1）10MHz（2）2.048MHz 准确度：<110-12（24小时平均/锁定状态） <110-10 （普通）<510-11 （优选）（关闭GPS，自保持24小时） 稳定度： 取样时间 阿仑方差：（锁定或保持）1ms < 210-10 10ms < 510-11 100ms < 510-12 1S < 3 10-1210s < 310-12 100s < 510-12 1000s < 510-12 相位噪声： 偏离载频 单边带相噪（锁定或保持） 1Hz < -100 dBc 10Hz < -125 dBc 100Hz < -135 dBc 1000Hz < -140 dBc 10KHz < -160 dBc 谐波： <-40dBc 手动时间调整； 1个网管接口，RS232/RS422；可选以太网接口； 支持手动、自动控制双机热备份，前面板主备指示，系统具有更高的可靠性； 基于时码前沿的主动同步技术和数字锁相环技术，使母钟在外部参考的驱动下获得极好的同步精度； 操作环境温度： 0～60摄氏度；湿度：95％不冷凝 MTBF 大于10万小时； 电源：AC220V 10％，20W。
20.3.3 通信控制器通信控制器是母钟系统的通信枢纽，要求很高的可靠性2U19英寸标准机箱，各功能板采用前插板结构，支持热插拔设备采用大容量双冗余电源均流供电，电源模块支持热插板功能前面板LCD320x240显示，可显示每个通道实时通讯信息；小键盘，实现系统配置，也可以通过网管系统进行设置3个槽位，主控板采用1个槽位，其他槽位任意分配给各种接口板主要功能如下： 实现任意接口间的信息直接路由与分配 每个功能板具有独立故障检测功能 声光报警功能 对传输信息进行解析根据配置可以本地显示时钟系统的报警信息，同时可以直接显示在LCD上，实现本地报警主要接口板如下： 主控板：2个CAN 总线接口，4个RS485/RS422/RS232接口；对接口扩展单元进行管理，配置，实现系统网管；实现与母钟、GPS接收机间的接口，传递时码信息与操作维护信息；支持主备热备份功能，自动信息同步技术，保证两块主控板间的状态同步 8路CAN总线接口板：子钟接口，传递时码信息与操作维护信息（接口可根据实际使用要求订做） 8路RS232/422/485总线接口板：子钟接口，传递时码信息与操作维护信息（接口可根据实际使用要求订做） 本扩展单元适合与中型时钟系统要求，如有特殊要求，可以选择具有15个插槽的大型通信控制器。
在本系统中，接口扩展单元配备1块主。