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1、本科毕业设计题目全球导航卫星系统的授时原理与实现原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）学生签名：指导教师签名：日期： 摘要时间是个基本物理量，是四维时空中的第四维。随着电子信息时代的到来，各
2、行各业 都依赖高精度标准时间，因此获得高精度的时间就显得极为重要。授时是指确定、保持某 种时间尺度，并通过有线或者无线的方式将代表这种尺度的标准时间信息发送或者转发给 用户的一系列过程。授时的方法有很多，但是在各种授时方法中，卫星授时由于覆盖范围 广、精度高、全天候和通用性强等诸多优点而得到广泛应用。本文对导航卫星授时的原理与实现进行研究。首先简要介绍了国内外导航卫星系统的 发展状况和时间参考标准，然后在此基础上研究了导航卫星系统的定位与授时原理，接着 分析了授时过程中的主要误差来源，最后采用TD3020T模块等软硬件实现了基于北斗二代 卫星的微秒级授时系统。关键词：卫星授时；导航卫星系统；T
3、D3020TABSTRACTTime is a basic physical quantity, and it is the fourth dimension in four-dimensional space-time. With the arrival of the age of electronic information, all industries dependent on high accuracy standard time, so obtaining high accuracy time is very important. Timing is the process of
4、determining and maintaining a certain time standard, and sending or forwarding it to the user through wired or wireless means which represent the standard time information. There are many ways to timing, but satellite timing is widely used because of having wide coverage, high precision, all-weather
5、 versatility and many other advantages in all kinds of timing methods.The principle of satellite timing and implementation are researched in this paper. Firstly, this paper briefly introduces the current development status of domestic and foreign navigation satellite systems and time reference stand
6、ard; secondly, with the above base, the principles of positioning and timing of navigation satellite system are researched; thirdly, we analyze the main error sources in the process of satellite timing; finally, a microsecond grade satellite timing system based on Baidou second-generation using TD30
7、20T module and other software and hardware was achieved.Keywords:Satellite timing, Navigation satellite system, TD3020T目录摘 要 IABSTRACT II第一章 绪 论 11.1 课题背景及研究意义 11.2 授时技术的发展现状 11.3 论文结构与内容 3第二章 导航卫星系统与时间标准 42.1 全球导航卫星系统概述 42.1.1 全球定位系统 GPS42.1.2 北斗导航卫星系统 52.1.3 其它导航卫星系统 62.2 时间标准与时间参考系 72.2.1 时间与频率 7
8、2.2.2 时间参考系 82.2.3 时间同步技术 9第三章 卫星授时原理113.1 卫星授时简介 113.2 伪距测量定位与授时 113.3 直发式授时133.4 转发式授时133.5 卫星授时的误差分析 153.5.1 卫星相关误差 153.5.2 信号传播延迟 153.5.3 接收机内部误差 16第四章 卫星授时系统的实现 174.1 TD3020T 模块简介174.2 基于北斗二代的卫星授时系统实现19第五章 总结与展望245.1论文总结 245.2课题展望 24参考文献25致 谢 26第一章 绪 论1.1 课题背景及研究意义时间作为基本物理量，其标准和计量精度在全部物理量中是要求最高
9、的。在人们日常 生活、科学实验、工程技术、国防安全、金融证券等领域都有着关键性的作用。时间是四维时空(X, y, z, t)中的第四维(t),卫星定位是获取空间坐标(x, y, z)信息。而授 时是获取时间坐标(t)信息，将时间信息以有线或者无线方式从时间源转发给用户的过程。 合格的导航卫星系统应当是个高精度星基四维(x, y, z, t)信息源，必须要既能提供定位服务， 又能提供授时服务，才能满足人类对其的需要。授时在通信、航天、导航、金融等方便发 挥着非常重要的作用1。时间不仅与人们日常生活密切相关，而且还是科学研究和工程技术中极其重要的基本 物理量，为系统定性定量研究提供了不可或缺的基于
10、时间的坐标。当今信息时代，对标准 时间的精确度要求是非常之高的。人们把利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授 时，其目的就是为别的设备或系统提供标准时间信息2。从古至今人们在不断地探索获取 时间的新方法，随着各国对授时技术的不断研究，授时精度也越来越高，卫星授时技术由 于其众多的优点成为研究的热点。信息社会对高精度标准时间的要求十分迫切，时间精度要求达到纳秒级甚至更小，随 着信息技术的快速发展，时间计量的精度也不断提高。而精确定时技术的实现需要授时原 理来支撑，所以研究授时技术是刻不容缓的大事。授时技术是科学研究和工程实践中发展 起来的新技术，在各领域中的应用越来越广泛。卫星授时技术的出现，
11、使大面积的用户获 得高精度标准时间信息成为现实。卫星授时具有覆盖范围广、开放性强还可为移动用户服 务等特点3，正是由于这些优点，卫星授时成为目前最常用的授时方式之一。本论文主要对全球导航卫星系统授时原理进行了研究，并以仿真实验来实现。1.2 授时技术的发展现状时间一直是个神秘的概念，随着历史的发展和科学技术的进步，人类对时间的认识逐 步深入，计时的手段越来越多样，对时间精度的要求越来越苛刻。在历史各个时期，人们 利用当时所能达到的最高技术进行授时。古时候的人们“日出而作日落而息”，时间精度 只达到“日”这个级别，后来发明了日晷、沙漏等计时设备，使得时间测量精度有所提高 图 1.1 粗略给出不同
12、历史时期的授时方法及授时精度。小时徴秒-厂汕出_ ：II煜r 1Intena-tl 络接旺I UU十七世圮十八世圮十九世纪-低板时码授时丑话.专用网貉授ITT丛电视由时Ik共视授对产卫昼黄时TH3U TsBH Ty7tl IT5u 二十世纪二十一世纪图1.1授时方法的发展21世纪是信息时代，人们对时间的精度和实时性要求非常之高。无线电技术的出现， 为授时方法的发展带来了划时代的变化，许多信息传播手段都可以用来进行授时。现今授 时方式多种多样，授时精度高低不一，总的说来可大致分为陆基和星基两大类，陆基授时 系统的发射站位于地面，一般覆盖范围小，精度在1ms1個，比如网络授时。星基授时主 要是基于
13、导航卫星系统的卫星授时，这种授时方法覆盖范围广，实现精度较高。目前，主要有这几种授时方法：一是传统授时方式，现在已经很少用了，比如打更报 时；二是利用通信通道，比如用于互联网时间同步的网络时间协议(NTP, Network Time Protocol)；三是利用卫星授时，这是一种很优秀的被广泛使用的授时方式，不仅精度高而 且可以实现全球范围内的精确授时。目前世界上有几套导航卫星系统可供选择，如美国 的全球定位系统GPS,俄罗斯的全球导航系统GLONASS，欧盟的伽利略导航卫星系统 Galileo，以及我国自行研制的北斗导航卫星系统。自1957年首颗人造卫星成功发射以来，人类便想用卫星来授时。2
14、0世纪末，随着GPS、 “北斗”、GLONASS卫星系统的建成，这些卫星系统不仅实现了导航定位功能，而且迎来 了卫星授时的新时代。卫星授时技术是新型的授时技术，信号能够全方位大面积的覆盖，精确度比其它授时 方法高，导航电文信息丰富，经过多年的发展市场应用已经成熟，再加上我国北斗导航系 统的加入，应用前景一片明朗。因此，卫星授时技术成为最受欢迎的时间同步手段。1.3 论文结构与内容本篇论文对卫星授时进行了初步的研究和实验。课题的设计要求是：研究卫星授时原 理，最终通过 TD3020T 模块等软硬件实现基于北斗二代的卫星授时系统。本文正文部分分为五章，各章的主要内容如下： 第一章为绪论，首先介绍了
15、论文的课题背景及其研究意义，接着概述了授时技术的发 展现状，最后介绍了本文的内容结构安排。第二章对目前比较常用的导航卫星系统做了简要的介绍，然后对时间参考标准进行了 概述。第三章对卫星授时的原理进行了比较基础的阐述。第四章采用 TD3020T 模块等软硬件实现了基于北斗二代的卫星授时系统。 第五章为总结与展望。对所做的研究工作进行了总结，并且对卫星授时的未来发展前 景进行了展望。第二章 导航卫星系统与时间标准2.1 全球导航卫星系统概述导航卫星系统作为拓展人类实践、促进社会发展的空间基础设施之一，基本作用是向 各类用户和平台提供实时、准确、连续的位置、速度和时间信息7。卫星导航正在使世界 各国政治、经济、军事、科技、文化发生划时代的变革8。当今世界，全球性导航卫星系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的 Galileo和中国自主研发的北斗导航系统等。其中GPS最为成熟并得到广泛应用，“北斗” 则具有中国自主知识产权。2.1.1 全球定位系统 GPSGPS是英文Global Pos
