GPS时间同步原理及其应用

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1、GPS 时间同步原理及其应用目录一、GPS定位原理1二、什么是原子时和协调时2三、什么是世界时 4四、什么是 IRIG-B 码 5五、为什么用夏令时 5六、NTP 和互联网时间同步 6七、时钟同步14八、时间应用15九、 IEEE1588 精密时钟同步协议测试技术 16十、 GPS 在电力系统中的应用 20十一、网络时间协议（NTP）的特点22一、GPS定位原理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

2、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、

3、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

4、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。面对国际上风云变幻的局势，作为一个独立自主的大国，建立我们自己的星基的导航定 位和授时系无论对于保障国民经济的日常运作或国家安全都至关重要，正如中国科学院院长 路甬祥指出的那样，我们应该有“中国的GPS”。在真正实现“中国的GPS”的战略规划时，系统定时是其中需要解决的最关键技术之 一。系统用原子钟的研制，系统钟时间同步的建立和

5、保持，构成了这一研究的两个核心。就 我们所知，在这些方面，我国目前还缺乏系统的准备。这有必要引起有关领导部门的重视和 加强这一研究工作的指导、组织与支持。卫星导航、定位和授时系统中需解决的技术问题有：1、系统时间建立的概念及实现方法。在现代卫导系统中，为了保证系统中各个钟的精 确同步，需要一个准确、稳定和可靠的时间参考，这通常是以系统中的部分钟或全部的钟为 基础。利用统计平均的方法建立一个系统时间来实现。其建立的概念和实现方法，直接影响 到系统时间的好坏，进而影响到整个卫导系统中各个钟的同步。这个研究对系统中原子钟的 选择与配置也有指导意义。2、系统时间与UTC协调方法。这是授时所需要的。这需

6、要研究国际标准时间到系统时 间传递的各个环节，是提高授时准确度中的最要一环。3、系统钟的同步方法。这主要涉及到系统中各个钟的精确数据的收集方法和控制方法， 要研究相对论效应对星载钟同步的影响。比对测量和钟驾驭方法的研究是它的基础。4、系统授时方法。这包括卫星电文中的与时间有关的信息的制定与产生。5、用户终端定时技术。主要涉及到接收、比对及控制技术。二、什么是原子时和协调时二十世纪三十年代发明了更加精密的石英钟后，人们发现世界时尽管加上偏移改正 （UT1）， 仍然是不均匀的。经研究查明，地球自转存在长期变化、不规则变化和复杂的周期 变化。为了满足更高精度的实际需要，人们开始到物质的微观世界去寻找

7、具有更稳定周期的 物质运动形式用作为新的时间计量标准。于是，以物质内部原子运动的特征为基础的原子时 应运而生。原子时是以秒，而不是以日为基本时间单位的。原子时秒长定义为：铯原子基态 的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。1967 年第 十三届国际计量委员会决定，把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制时间单 位。原子时起点定在1958年1月1日0时（UT）,即规定在这一瞬间，原子时和世界时重 合。根据这一定义，任何铯原子钟在确定起始历元后都可以提供原子时。由世界各地时间实 验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时，不同的地方原子时存在着

8、差异。 世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对，其数据再由专门的国际机构进行处理，求 出全世界统一的原子时，称为国际原子时，简称TAI。相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间 隔非常重要，但世界时时刻反映了地球在空间的位置，这也是需要的。为兼顾这两种需要， 引入了协调世界时（UTC）系统。在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时 秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。协调世界时（UTC）尽量靠近世界时（UT1）的意思是：必要时对协调世界时（UTC）作一 整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和UT1的时刻之差保持在土0.9

9、秒以内。这一 技术措施就称为闰秒（或跳秒），增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或 负跳秒）。是否闰秒，由国际地球自转服务（英文缩写为IERS）决定。闰秒的首选日期是每 年的12月 31日和6月 30日，或者是3月 31日和9月 30日。如果是正闰秒，则在闰秒当 天的23时59分60秒后插入1秒，插入后的时序是：58秒，59秒，60秒，0秒，这 表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天 23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：切秒, 58 秒, 0秒，这一天是86399 秒。三、什么是世界时地球自转运动是个相当不错的天然时钟，

10、以它为基础可以建立一个很好的时间计量系 统。地球自转的角度可用地方子午线相对于天球上的基本参考点的运动来度量。 为了测定 地球自转，人们在天球上选取了两个基本参考点：春分点和平太阳，以此确定的时间分别称 为恒星时和平太阳时。恒星时虽然与地球自转的角度相对应，符合以地球自转运动为基础的 时间计量标准的要求，但不能满足日常生活和应用的需要。人们习惯上是以太阳在天球上的 位置来确定时间的，但因为地球绕太阳公转运动的轨道是椭圆，所以真太阳周日视运动的速 度是不均匀的（即真太阳时是不均匀的）。为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其 不均匀性的时间计量系统，人们引进了一个假想的参考点一平太阳。它在天赤

11、道上作匀速 运动，其速度与真太阳的平均速度相一致。平太阳时的基本单位是平太阳日， 1平太阳日等于24平太阳小时， 86400平太阳秒。以 平子夜作为0时开始的格林威治平太阳时，就称为世界时，简称UT。世界时与恒星时有严 格的转换关系，人们是通过观测恒星得到世界时的。后来发现，由于地极移动和地球自转的 不均匀性，最初得到的世界时，记为UT0,也是不均匀的，人们对UT0加上极移改正得到 UT1,如果再加上地球自转速率季节性变化的经验改正就得到UT2。六十年代以前，世界时作为基本时间计量系统被广泛应用，因为它与地球自转的角度有 关，所以即使出现了更为均匀的原子时系统，世界时对于日常生活、大地测量、天

12、文导航及 其它有关地球的科学仍是必需的。四、什么是 IRIG-B 码IRIG-B：当今电子技术日新月异的发展，时间同步得到了越来越重要的应用。时间码 IRIG-B作为一种重要的时间同步传输的方式，以其实际优越性能，成为时统设备首选的标 准码型，广泛的应用到电信、电力、军事等重要行业或部门。IRIG是美国靶场仪器组的简 称，美国靶场仪器组是美国靶场司令部委员会的下属机构。IRIG时间标准有两大类：一类 是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行 格式广泛；另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的主要差别 是时间码的帧速率不同，IRI

13、G-B即为其中的B型码。B型码的时帧速率为1帧/s；可传 递 100位的信息。作为应用广泛的时间码，B型码具用以下主要特点：携带信息量大，经译码 后可获得1、10、100、1000 c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息；高分 辨率；调制后的B码带宽，适用于远距离传输；分直流、交流两种；具有接口标准化，国际 通用 等。五、为什么用夏令时我们知道，春分以后，地球北极渐渐向太阳靠近，北半球的昼夜长短逐渐从等长过渡到 昼长夜短，在秋分那天又回到昼夜等长。从春分到秋分这段时间里，北半球每天照射的时间 一般都在12小时以上。以西安为例，从四月中旬到九月中旬，白天平均为十四个小时左右， 如何

14、利用这大好的自然光源？有人想起能否在春季将时钟拨快，让大家早起早睡，以节约照 明用电，到了秋季再把钟拨回来。日光节约时间，也称为夏令时（Daylight Saving Time），是在1784年由美国发明家兼 政界人士班杰敏法兰克林首先提出来的。他指出，夏天天亮得早，人们却还赖在床上十分 浪费时间，如果把时钟往后调，这将让夜晚迟些才天黑，延长活动的时间。夏令时比标准时 晚一个小时。例如，在夏令时的实施期间，东部标准时间的上午10点就成了东部夏令时的 上午 11 点。1915年，德国成为第一个正式实施夏令时，削减照明和耗电开支的国家。自那以后， 全球以欧洲和北美为主的约70个国家都引用了这个做法

15、。不过至今，夏令时的辩论仍然沸 沸扬扬。我国解放前几年在部分地区也曾实行过夏令时。 1986年4月，中央有关部门发出 “在全国范围内实行夏时制的通知”，具体作法是：每年从四月中旬第一个星期日的凌晨2 时整（北京时间），将时钟拨快一小时，即将表针由2时拨至3时，夏令时开始；到九月中 旬第一个星期日的凌晨2时整（北京夏令时），再将时钟拨回一小时，即将表针由2时拨至 1时，夏令时结束。从1986年到1991年的六个年度，除1986年因是实行夏时制的第一年， 从5月4日开始到9月14日结束外，其它年份均按规定的时段施行。在夏令时开始和结束 前几天，新闻媒体刊登有关部门的通告。 1992年起，夏令时暂停

16、实行。 尽管调整时间的 做法早已被广泛采用，不过至今仍然引起争议。2000 年在墨西哥，夏令时政策引起了政治抗议，人们认为这是中央政府把自己的意愿 强行施加在全国地区。在美国，印第安纳州部分地区不承认夏令时，农民说，太阳升起时他们就起身，调整时 间只是无味的行政麻烦。亚利桑纳州也拒绝推行夏令时。六、NTP和互联网时间同步1引言网络时间协议NTP (Ne twork Time Pro to col)是用于互联网中时间同步的标准互联网 协议。NTP的用途是把计算机的时间同步到某些时间标准。目前采用的时间标准是世界协调 时UTC (Universal Time Coordinated)。NTP的主要开发者是美国特拉华大学的David L. Mills 教授。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性。NTP提供的机制严格、实用、有效， 适应于