GB/T 29842-2013 卫星导航定位系统的时间系统

　　ICS 33.200 M 50

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 29842—2013

　　卫星导航定位系统的时间系统

　　Temporalsystemsforsatellitenavigation andpositioning

　　2013-11-12发布 2014-05-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 29842—2013

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 术语和定义 1

　　3 缩略语 5

　　4 时间系统 6

　　4. 1 卫星导航定位系统的时间系统 6

　　4. 2 主要的国际通用时间尺度 6

　　4. 3 卫星导航系统中的时间尺度 8

　　5 不同时间源时间差的测量和换算 8

　　5. 1 时间源 8

　　5. 2 时间计数 9

　　5. 3 时间差 9

　　5. 4 时间差测量 9

　　6 主要的时间尺度和不同的卫星导航系统时间之间的换算 9

　　6. 1 主要的时间尺度之间的换算 9

　　6. 2 TAI、UTC与不同卫星导航系统的系统时间之间的换算 10

　　7 定时应用中的主要修正 11

　　7. 1 基本修正 11

　　7. 2 精细修正 11

　　7. 3 对精度有特别要求的用户的事后修正 11

　　附录 A (规范性附录) 相对论框架下的时间计量 12

　　附录 B (规范性附录) 各地时间实验室的守时系统 14

　　附录 C (资料性附录) GPS定时原理和误差分析 16

　　附录 D (资料性附录) GLONASS定时原理 19

　　附录 E (资料性附录) 北斗卫星导航试验系统时间系统和定时方法 20

　　附录 F (资料性附录) 高精度时间传递方法 22

　　附录 G (资料性附录) 标准时间应用方法 27

　　参考文献 29

　　Ⅰ

　　GB/T 29842—2013

　　前 言

　　本标准依据 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任 。本标准由中华人民共和国工业和信息化部提出 。

　　本标准由中国电子技术标准化研究所归 口 。

　　本标准起草单位 : 中国科学院国家授时中心 。

　　本标准主要起草人 :王正明 、吴海涛 。

　　Ⅲ

　　GB/T 29842—2013

　　卫星导航定位系统的时间系统

　　1 范围

　　本标准规定了与卫星导航定位应用有关的时间系统的术语和定义 、标记方法 , 以及时间系统的建立 、系统时间换算方法和应用中的主要技术方法 。

　　本标准适用于利用卫星导航定位系统进行与时间相关的导航 、定位 、定时 、时间同步等领域的科研 、教学及应用 。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　2. 1 评价时间尺度或时间比对技术性能的表征量

　　2. 1. 1

　　准确度 accuracy

　　测量值与其真值的符合程度 。准确度一般用测量值的总的不确定度来表征 。

　　[ITU-R TF. 862建议] 2. 1.2

　　阿伦方差 Allan variance

　　AVAR

　　阿伦偏差 Allan deviation

　　ADEV

　　在时域上用来表征振荡器或时间尺度的短期和长期频率稳定度的规范方法 ,AVAR 又称 “双取样方差 ”。AVAR是 ADEV 的平方 。

　　[ITU-R TF. 862建议] 2. 1.3

　　修正阿伦方差 modifiedAllan variance

　　MVAR

　　与阿伦方差基本相同 ,但是它能明显区分振荡器的相位调制白噪声和相位调制闪烁噪声 。

　　[ITU关于精密频率和时间系统应用选文手册 ,1997] 。

　　2. 1.4

　　相位 phase

　　对一个重复现象的周期的小数部分的测量值 ,该测量是相对于现象本身的某个可识别的特征而进行的 。

　　注 : 在标准时间和频率信号服务领域中主要考虑的是相位时间差 ,例如同一现象的两个可识别的相位或者两个不同现象的相位之间的时间差 。

　　2. 1.5

　　相位偏差 phasedeviation

　　相对于一个参考时间信号的相位差 。

　　1

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　　2. 1.6

　　相位跳变 phasejump

　　相位时间信号中突然的相位变化 。

　　2. 1.7

　　精度 precision

　　一系列单个测量值之间的相互符合程度 ,常用标准偏差来表示 。

　　2. 1. 8

　　分辨力 resolution

　　某个给定的仪器所能测量和(或)显示的最小差异 。

　　2. 1.9

　　时间间隔误差 time intervalerror

　　TIE

　　测量到的一个被测时间信号与一个参考钟之间的相位时间差 。 习惯上把测量的总的时间段开始时的 TIE 定为零 ,TIE表示的是从测量开始以来的相位时间的变化 。

　　注 : 单位为纳秒(ns) 。

　　2. 1. 10

　　时间方差 timevariance

　　TVAR

　　反映时间短周期波动幅度的统计特征 ,它是频率变化的函数 ,或者是 TIE采样间隔的函数 。

　　注 : 单位为二次方纳秒(ns2 ) 。

　　2. 1. 11

　　不确定度 uncertainty

　　表征一个量值相对其真值(或标称值)的离散程度 。不确定度一般含两类分量 :一类是测量常数随机分量(称 A类不确定度) ,另一类是由系统效应产生的分量(称 B类不确定度) ; 它们分别用偏差的评估值或测量值的标准偏差(1σ)表征 ,用一般方差合成方法合成 。 当量值通过与基准或可溯源装置的比对直接标定时 ,其不确定度用测量值的标准偏差(σ)的倍数表示 ,一般用( ±1σ)表示 。

　　[ITU-R TF. 538建议]

　　2.2 钟、相位时间和时间尺度

　　2.2. 1

　　钟组 clock ensemble

　　若干个钟的集合体 ,单个钟并不需要处于同一地点 ,这些钟通过某种协调方式运行 , 以便使由它们共同产生的时间尺度的性能(时间准确度和频率稳定度)最佳化 。

　　2.2.2

　　钟的时间差 clock timedifference

　　在同一瞬间两个钟的读数之差 。

　　注 : 为了避免符号的混淆 ,用惯常的数学 量 来 表 示 两 个 钟 的 读 数 差 。在 一 个 参 考 时 间 尺 度 所 给 出 的 时 刻 T,令 a

　　定的符号的含义 ,然而 ,如果 A-B是用 电 子 技 术 测 定 的 , A- B 为 正 , 表 示 A 钟 的 滴 答 声 比 B 钟 的 滴 答 声 早

　　表示钟 A 的读数 、b表示钟 B 的读数 ,这两个钟在瞬间 T 的时间差用 A-B=a-b表 示 。尽 管 并 没 有 统 一 约

　　到 ,如果 A 和 B是从两个钟读出的 日历日期 ,这种符号的表示也同 样 适 用 。另 外 ,在 某 些 情 况 下 ,相 对 论 效 应

　　会起作用 ,应计及 。

　　2.2.3

　　原时 propertime

　　由一个理想的钟所显示的地方时间 。如果一个时间尺度是根据原时的概念实现的 ,它就称之为原

　　2

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　　时时间尺度 。

　　2.2.4

　　坐标时 coordinate time

　　在给定四维空间坐标框架中的第 4个坐标参量 t(时间) ,在某个引力势变化的空间范围有效 。 2.2.5

　　地心坐标时 geocentriccoordinate time

　　TCG

　　地心坐标时是在地球中心对原时的测量 ,它和地固时(TT)(见 4. 2. 3)的差是 TCG 和 TT所位于的两个地点的引力势不同而产生的一个不变的尺度因子 。

　　2.2.6

　　格林尼治平时 Greenwich mean time

　　GMT

　　在格林尼治皇家天文台测量的平太阳时 。

　　注 : GMT在 1884年被用作为世界上第一个全球性的时间尺度 。然而 ,尽管该术语为公众所用 ,GMT 已经不被保留 ,为了时间的精确应用 ,替代它的是世界时(UT)和协调世界时(UTC) 。

　　2.2.7

　　闰秒 leap second

　　跳秒

　　1个整秒的国际时间阶跃 ,用于调整协调世界时(UTC)以便确保它和 UT1近似一致 。

　　注 : 插入 1 s称为正跳秒 ,去掉 1 s则为负跳秒 。根据国际协议 ,跳秒可以在任何一个月的月末引进 ,但是在需要时优先选择 6 月末或 12月末 。在应保持 UTC和 UT1的差异不大于 0. 9 s时引进跳秒 。

　　2.2. 8

　　儒略日 Julian date

　　JD

　　从公元前 4713年 1 月 1 日世界时 12 h 00 min(儒略日数为零)起算连续计数到某一天的 日数称为儒略日数 ,儒略日数加上从前一个正午(12h 00 UT)起算以来的 日 的小数部分为儒略 日 。

　　2.2.9

　　约化儒略日 ModifiedJulian date

　　MJD

　　儒略日减去 2 400 000. 5 d为约化儒略 日 ,其起点为 1858年 11月 17 日世界时 0 点(00:00 UT) 。 [ITU-R TF. 457建议]

　　2.2. 10

　　模 1s modulo 1s

　　对时间差去掉整秒以后的小数部分 。

　　2.2. 11

　　基准钟 primary clock

　　直接给出原子秒定义复现值 ,并对复现值的不确定度具有独立评估能力 、准连续运行的装置 。

　　注 : 依照 1967年以来采用的原子秒定义 ,一直使用实验室型铯原子钟构成基准钟 。

　　2.2. 12

　　秒 second

　　时间间隔的基本单位 。 国际单位制(SI)秒长定义为 :铯 133原子(133Cs) 基态的两个超精细能级之间跃迁辐射震荡 9 192 631 770周期所持续的时间 。

　　注 : SI秒是 SI的 7个基本单位之 一 。现在采用的秒长是由 1967年第 13届国际计量大会定义的 。

　　3

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　　2.2. 13

　　恒星时 siderealtime

　　以春分点的周 日视运动定义的时间测量 ,它是以恒星作为参照而不是以太阳作为参照的地球自转测量 。

　　注 : 天文学中用两种恒星时 :视恒星时和平恒星时 ,后者计及了地球的章动 , 因而给出了一种更加均匀的时间尺度 。

　　一个平恒星 日等于一个平太阳 日 的 23 h 56 min4 s,或者说 366. 2422个平恒星 日等于 365. 2422个平太阳 日 。

　　2.2. 14

　　时间同步 timesynchronization

　　为了消除两个或多个时间源之间的时间差而对它们进行相对调整 。

　　2.2. 15

　　时间比对 timecomparison

　　在某个给定历元上两个时间尺度之间的差异的确定 。

　　2.2. 16

　　秒脉冲 1 pulsepersecond

　　1 pps

　　每秒一个脉冲 。

　　2.2. 17

　　时间尺度 time-scale

　　一个表明事件发生的明确顺序的系统 ,含时刻原点 、时间间隔和可能引入的修正等 。

　　[ITU-R TF. 536建议]

　　2.2. 18

　　时间阶跃 timestep

　　在某个瞬间时间尺度中的不连续 。

　　2.2. 19

　　本初子午线 primary meridian circle

　　零子午线

　　英国伦敦格林尼治 天 文 台(旧 址) 埃 里 中 星 仪 所 在 的 子 午 线 作 为 时 间 和 经 度 计 量 的 标 准 参 考 子午线 。

　　注 : 为了协调时间的计量和确定地理经度 ,1884年在华盛顿举行的国际子午线会议做出上述决 定 。 1957年 后 ,格林威治天文台迁移台址,国际上改用由若干天文测时结果长期稳定性较好的天文台组成的平均天文台作为参考 。 由这些天文台原来的经度采用值 ,利 用 天 文 测 时 资 料 反 求 各 自 的 经 度 原 点 ,再 对 这 些 经 度 原 点 进 行 统 一处理 ,最后求得平均天文台经度原点 。1968年国际上 以 国 际 习 用 原 点 作 为 地 极 原 点 ,并 把 通 过 国 际 习 用 原 点和平均天文台经度原点的子午线称为本初子午线 。

　　2.3 频率标准与频率信号

　　2.3. 1

　　频率漂移 frequencydrift

　　由于内部元器件的老化以及影响频率变化的各种因素的规则变化 ,造成频率源在连续运行过程中其相对频率值随时间单调增加或减少的变化 。

　　2.3.2

　　频率偏差 frequency offset

　　频率的实际值和参考频率值之间的差异 。

　　注 : 参考频率可以是也可以不是标称频率值 。

　　4

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　　2.3.3

　　频率稳定度 frequency stability

　　一个信号在一个给定的时间间隔内 , 由于自身的和(或)环境的因素引起的频率变化的程度 。

　　注 : 一般频率的系统性变化(例如频率漂移)和随机频率波动是有区别的 ,用特别的方差来表征这种波动 。 系统性的不稳定可能是由于电子辐射 、气压 、温 度 、湿 度 变 化 引 起 的 。 随 机 的 不 稳 定 一 般 在 时 域 或 者 在 频 域 上 表 征 ,一般与测量系统的带宽 、采样时间或积分时间有关 。

　　2.3.4

　　频(率)标(准) frequency standard

　　频率源

　　频率发生器 ,其输出用作为频率参考 。

　　注 : 频标分成两大类 :“基准频标 ”和 “二级频标 ”。“基准频标 ”的频率与所采用的秒定义(目前国际承认的秒定义见2. 2. 12)相对应 ,其标定的频率准确度的获得是不经过校准的 ;“二级频标 ”的频率应相对于基准频标做校准 。

　　2.3.5

　　标准频率 standard frequency

　　国际电联 (ITU-R) 规 定 的 、供 无 线 电 授 时 所 使 用 一 组 频 率 值 (如 : 2. 5 MHz、5 MHz、10 MHz、 15 MHz等) 。

　　[ITU-R TF. 862建议]

　　3 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　AT (TA) 原子时 (Atomic Time)

　　BDT 北斗时间(Beidou Time)

　　BST 北京标准时间(Beijing Standard Time)

　　BIPM 国际权度局(Bureau International des Poids etMesures)

　　CCTF 时间频率咨询委员会(Consultative Committee for Time and Frequency)

　　CIPM 国际计量委员会(ComitéInternational des Poids etMesures, International Committer of Weightand Measures)

　　ET 历书时(Ephemeris Time)

　　GMT 格林尼治平太阳时(Greenwich Mean Time)

　　IERS 国 际 地 球 自 转 与 参 考 系 统 服 务 组 织(International Earth Rotation and Reference System

　　Service)

　　ITU 国际电信联盟(InternationalTelecommunication Union)

　　IAU 国际天文学联合会(InternationalAstronomical Union)

　　ITU-R 国际电信联盟无线电通信局(InternationalTelecommunications Union-Radiocommunica- tions)

　　NTSC 中国科学院国家授时中心 (National Time Service Center, the Chinese Academy of Sci- ences)

　　OP 巴黎天文台(Paris Observatory,France)

　　PTB 德国技术物理研究所 (Physikalisch-Technische Bundesanatalt,Germany)

　　SI 国际单位制系统 (InternationalSystem of unit)

　　TAI 国际原子时 (InternationalAtomic Time)

　　TT 地固时 (TerrestrialTime)

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　　TWSTFT 卫星双向时间频率传递(Two Way Satellite Time and Frequency Transfer)

　　UT 世界时 (UniversalTime)

　　UTC 协调世界时 (Coordinated UniversalTime)

　　USNO 美国海军天文台 (the United States Naval Observatory)

　　4 时间系统

　　4. 1 卫星导航定位系统的时间系统

　　卫星导航定位系统以高精度的统一时间和时间测量为基础 ,设有高精度原子钟组 ,在原子钟组内部通过高精度时间比对获得原子钟的时间比对结果 ,采用最佳时间尺度算法 ,并溯源到某个标准时间尺度 ,计算出一个较为稳定而又准确的时间尺度 ,作为该导航定位系统控制整个卫星和地面系统运作的标准时间 。原子钟组应包括卫星导航定位系统的地面控制中心和监控站的原子钟 ,也可包含卫星上的星载钟 。

　　4.2 主要的国际通用时间尺度

　　4.2. 1 世界时 (UT)

　　世界时是基于地球的自转运动并以太阳作为参照点来确定的时间尺度 ,非常近似地符合在本初子午线上观测太阳周 日平均运动的一种时间测量 。世界时的单位是平太阳秒 ,它定义为一个平太阳 日 的1/86400,1960年以前曾用它定义 SI秒 。UT通过观测恒星的周 日视运动确定 。直接根据这种观测而确定的时间尺度称为 UT0,UT0是在地球表面上一个给定点处直接观测得到的世界时 。

　　当 UT0加了由于地极移动引起的观测地点经度的改正后 ,得到时间尺度 UT1。

　　根据经验公式 对 UT1 加 地 球 自 转 速 率 的 周 年 和 半 年 变 化 改 正 , 得 到 更 进 一 步 优 化 的 时 间 尺度 UT2。

　　4.2.2 历书时 (ET)

　　以地球绕太阳的公转轨道运动为基础而导出的天文时间尺度 ,在 1960年至 1967年期间 ,用于定义SI秒 。它的起算点接近世界时 1 900. 0,在此时刻太阳几何平黄经等于 279°41′48″04,是世界时 1900年1 月 0 日 12h。它在天文应用中一直沿用到 1977年 ,被地球力学时(TDT) 替代 。TDT 在 1991年又被地固时(TT)替代 。

　　4.2.3 地固时 (TT)

　　TT是在地球质心坐标系中定义的坐标时 ,其尺度单位(TT秒)与旋转大地水准面上的 SI秒一致 。 1977年 IAU用地球力学 时(TDT) 替 代 了 历 书 时(ET) , 1991年 TDT 又 被 重 新 命 名 为 地 固 时(TT) 。 2000年 IAU重新定义了 TT,使得它的尺度单位与地心坐标时(TCG)有一个固定的关系 。这个新的定义确保了 TT 的连续性 ,其两种定义在 10-17量级上是等效的 。TT 和 TAI相差 32. 184 s。

　　4.2.4 国际原子时(TAI)

　　由 BIPM 以分布于全世界的大量运转中的原子钟的数据为基础而建立和保持的一种时间尺度 。它的初始历元设定在 1958年 1 月 1 日 ,在这个时刻 TAI与 UT1之差近似为零 。TAI的速率(尺度单位)定义为 ,在地球质心参考框架下旋转大地水准面上实现的 SI秒 , 即铯原子 133基态的两个超精细能级间跃迁辐射 9 192 631 770个周期所持续的时间 。

　　TAI是由全球 60多个时间实验室合作产生的纸面时间(计算后以文件形式发表) 。 每个月月初参

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　　加合作的各时间实验室向 BIPM发送上个月的 UTC(k) -GPS time[或由 TWSTFT得到的 UTC(j) -

　　n) 。BIPM按照式(1)归算 ,获得 UTC(PTB) 与各时间实验室 UTC(k) 之间的时间差 ,进而得到 UTC

　　UTC(k)]和 UTC(k) -Clock(k,i)的数据 (k为实验室代码 ,i为实验室 k 的原子钟的序号 ,i= 1,2, … ,

　　(PTB) -Clock (k, i) 。

　　[UTC(PTB) -TGPS] -[UTC(k) -TGPS] +[UTC(k) -Clock(k, i)] … … … … ( 1 )

　　UTC (PTB) -Clock (k, i)=

　　式中 :

　　TGPS= GPS time。

　　BIPM按照确定 的 原 子 时 算 法(ALGOS) 对 UTC(PTB) -Clock(k,i) 进 行 加 权 平 均 处 理 , 得 到UTC(PTB) -EAL。EAL是全球参加 TAI合作的 300台左右原子钟加权平均得到的自由原子时 。

　　BIPM再通过时间传递手段得到几个时间实验室的基准频标的频率[进行广义相对论(见附录 A)和黑体辐射改正后]的加权平均 ,用于与 EAL 的频率进行比对 ,用分析函数来对 EAL 的频率进行驾驭而得到 TAI。

　　BIPM在每月计算 TAI的同时得到参加 TAI合作的每一台钟相对于 TAI的速率差 , 以钟速率公报的形式(r× × . × × ,前一个 ××表示年份 ,后一个 ××表示月份)在 BIPM 网站上发表 。

　　4.2.5 协调世界时 (UTC)

　　UTC是由 BIPM 和 IERS保持的时间尺度 ,是世界各国时间服务的基础 。 UTC在 1972年正式定义 ,它代表 了 TAI和 UT1 的 结 合 。 UTC 具 有 与 TAI完 全 相 同 的 计 量 性 质 , 是 原 子 时 , 它 的 速 率 与TAI速率完全一致 ,但在时刻上与 TAI相差若干整秒 。UTC尺度是通过闰秒来调整的 , 以确保它和世界时 UT1近似相同 ,差异不大于 0. 9 s,它形成了标准时间信号和标准频率的协调发播基础 。

　　闰秒发生的 日期由 IERS决定和通知 。BIPM在计算得到 TAI时 ,根据 IERS提供的 UT1与 UTC之差确定闰秒时刻 。

　　[ITU-R TF. 535-2建议]

　　4.2.6 地方时

　　4.2.6. 1 地方平太阳时和地方恒星时

　　以格林尼治的本初子午线为基准测量的平太阳时和恒星时称作为格林尼治平太阳时(世界时)和格林尼治恒星时 。 以各个地方子午线为基准测量的时间称为地方平太阳时和地方恒星时 ,它们与格林尼治平太阳时和格林尼治恒星时之差是地方子午线与本初子午线的经度差(单位为小时) 。

　　区时也是一种地方时 ,它是以时区的中央子午线与本初子午线的经度差(单位为小时) 来表示的时间 。例如北京时间是东经 120°(第 8 时区)的区时 ,与经度为 0 h 的时间相差 8 h。

　　4.2.6.2 UTC 的地方代表 UTC(k) 和地方原子时 TA(k)

　　作为时间服务的各地时间实验室 自行产生和保持一个 UTC在本实验室的物理实现 , 为用户提供接近于 UTC 的标准时间信号 ,这个标准时间尺度就是 UTC(k) 。UTC(k)是以高精度原子钟作为频率源 ,经过人为的频率驾驭而得到的 ,UTC(k)与 UTC有一定的差异 ,不同实验室保持的 UTC(k)也不相同 。有无线电时间服务的实验室保持的 UTC(k)应做到 :

　　|UTC-UTC(k) |≤100 ns。

　　UTC 的地方代表 UTC(k) 由各地的时间实验室中的一套硬件和软件系统产生 ,该系统通常称为“守时系统 ”或 “时间基准系统 ”。常用的 “守时系统 ”分成 5个子系统 (见附录 B) 。

　　TA(k)是用实验室 k 的原子钟的比对数据按预定的原子时算法计算得到的地方原子时 。原则上 ,

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　　TA(k)的频率稳定度优于钟组中任一原子钟的频率稳定度 。

　　参加 TAI合作的实验室 k,每月月初把上月 UTC(k) -TA(k) 的数据 、UTC(k) -GPS time的数据和(或)[UTC(k) -UTC(j)] 的 TWSTFT 数 据 提 供 给 BIPM , BIPM 归 算 TAI之 后 在 每 月出 版 的Circular T 中公布 TAI-TA(k)和 UTC-UTC(k)的值 。

　　[QUESTION ITU-R 224/7]

　　4.3 卫星导航系统中的时间尺度

　　4.3. 1 GPS时 (GPS time)

　　GPS时间系统的钟组包括主控站 、监控站和卫星上所有的原子钟 。通过主控站内部的时间比对和远程时间比对得到这些钟的比对数据 ,用适当的原子时算法得到一个纸面时间尺度 。 以 UTC(USNO)作为参考基准 ,对该纸面时间尺度作频率驾驭 ,得到 GPS时 。

　　整 ,在(G)任何(PS)时(时)候都 在 整 数 秒 上 与(的起始历元为 1980)年TAI(1月)相(6)差(日)1(0)9s(h)(,,I(此)-G(时)PS(T)ATime(I-U)1(C)s(1)。与GUT(PS)C(时)的(不)差(作)为(闰)G(秒)PS(调)

　　Time-UTC≈DTAI-19 s(DTAI见 6. 1. 1) 。

　　USNO拥有 近 百 台 高 精 度 原 子 钟 , 它 保 持 的 地 方 时 UTC(USNO) 与 UTC 的 差 异 小 于 15 ns。 USNO用高精度时间传递技术进行 GPS时与 UTC(USNO)的时间比对 ,并把比对结果传送到 GPS地面主控站 ,在那里通过计算确定预报 GPS时与 UTC(USNO)之差的计算公式中的 2 个系数 ,并把这些系数上传给卫星 ,通过卫星导航电文发送给用户 。用户接收机可以根据接收到的卫星钟时间信号和导航电文中的这些系数 、卫星钟差以及各项时延改正参数而估计接收机的钟与 UTC(USNO) 之差 ,从而以优于 ±1 μs(模 1 s)的准确度将接收机钟同步到 UTC。

　　用户用定时接收机接收 GPS信号来校正用户时间的方法参见附录 C、附录 G。

　　4.3.2 GLONASS时 (GLONASS time)

　　GLONASS时溯源到俄罗斯时间计量与空间研究所(IMVP) 所保持的地方时 UTC(SU) 。 IMVP用 10台高性能氢钟和一台实验室铯钟建立并保持俄罗斯国家标准时间 UTC(SU) 。 GLONASS时与UTC(SU)一 样 有 闰 秒 , 即 GLONASS time- UTC≈0。 GLONASS系 统 要 求 GLONASS时 与 UTC (SU)同步到 ±1 μs 。

　　GLONASS定时方法参见附录 D、附录 G。

　　4.3.3 北斗卫星导航系统时间(BDT)

　　北斗导航卫星系统与 GPS或 GLONASS 的主要不同点在于北斗卫星导航试验系统上 没 有 星 载钟 ,卫星主要起转发中心站和用户信号的作用 。北斗卫星导航试验系统的地面系统包括中心站和监测站 。BDT 的时间系统与 GPS时一样无闰秒 , 其起始历元为 2001年 1 月 1 日 0 h (UTC) , 即 BDT- UTC≈(TAI-UTC) -32 s。北斗卫星导航试验系统通过设在中国科学院国家授时中心(NTSC) 的标校站作 BDT 与 UTC(NTSC)的时间比对 ,从而将 BDT溯源到 UTC(NTSC) 。

　　北斗卫星导航试验系统定时方法参见附录 E、附录 G。

　　5 不同时间源时间差的测量和换算

　　5. 1 时间源

　　不同的时间尺度 、不同的原子钟或其他钟 、不同的授时系统 、不同的定时接收机以及各种不同的被测事件所提供的标志性或代表性的信号 ,均可以认为是一种时间信号源 ,或称为时间源 。

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　　5.2 时间计数

　　时间的计数一般含有时 、分 、秒等时间信息 ,或兼有年 、月 、日等日历信息 。某些特殊应用也有采用年积日或周积秒等计数方法 。

　　精密计时的量纲 ,秒 的 小 数 部 分 分 别 用 毫 秒(ms) 、微 秒(μs) 、纳 秒(ns) 、皮 秒(ps) 及 飞 秒(fs) 来表示 。

　　注 : 1 ms= 10- 3 s、1 μs= 10- 6 s、1 ns= 10- 9 s、1 ps= 10- 12 s、1 fs= 10- 15 s。

　　5.3 时间差

　　不同的时间源输出的时间信号互相之间会存在大小不等的时间差 。相对标准时间信号而言 ,有的会超前 ,有的会滞后 。它们都可以直接或间接进行时间差的测量和换算 。

　　5.3. 1 秒数差

　　由于随机启动的原因或由于误差的长期累积 , 以及因定义的不同或保持方法的差异 ,不同时间源相对于标准时间或不同时间源互相之间会存在大于 1 s 的差值 ,秒的整数差称为秒数差或整秒差 。

　　5.3.2 相位时间差

　　不同时间源之间的时间差小于 1 s 的部分 ,在时间专业领域称为相位时间差 。

　　5.4 时间差测量

　　5.4. 1 秒数差测量

　　秒数差测量用比较两个时间源的计数得到 。

　　5.4.2 相位时间差测量

　　两路秒信号(1 pps)的小数部分的差值 , 一般用时间间隔计数器进行测量 。采用 同 一 名 义 秒 两 个1 pps信号 ,分别去开 、关时间间隔计数器的闸门 。选择哪个信号开门或关门 ,要分清两信号的先后顺序 ,一般选用领先信号开门 。测量精度取决于计数器的分辨力 。

　　6 主要的时间尺度和不同的卫星导航系统时间之间的换算

　　6. 1 主要的时间尺度之间的换算

　　6. 1. 1 UTC和 TAI

　　式中 :

　　DTAI—TAI和 UTC之差 , 随时间信号一起发播 , 可以看作为加到 UTC上的一个改正 , 以便得到 TAI。DTAI的值为整数秒 。DTAI的值可以从 IERS网站的 BulletinC得到 。

　　UTC= TAI+DTAI… … … … … … … … … … … … … … … ( 2 )

　　6. 1.2 UT1和 UTC

　　式中 :

　　ΔUTC—UT1和 UTC之差 ,其值由 IERS综合全球的地球自转观测数据计算而得 , 用户可以从IERS的 Bulletin A (每周更新) 和 Bulletin B (每月更新) 得到 。为了向无线电时号用

　　UT1= UTC+ΔUTC … … … … … … … … … … … … … … ( 3 )

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　　GB/T 29842—2013

　　户提供方便 , IERS给出 DUT1,它是 ΔUTC 的预报值 , 随时间信号一起发播 ,它的值是0. 1 s 的整倍数 。

　　6. 1.3 TT和 TAI

　　TT= TAI+32. 184 s … … … … … … … … … … … … … … ( 4 )

　　ΔT= TT-UT1= 32. 184 s+TAI-UT1 … … … … … … … … … … ( 5 )

　　式(4) ~式(6)中 :

　　TT — 地固时 ;

　　ΔT — 地固时与世界时之差 ;

　　ΔTT— 地固时与协调世界时之差 。

　　ΔTT= TT-UTC= 32. 184 s+DTAI … … … … … … … … … … … ( 6 )

　　6.2 TAI、UTC与不同卫星导航系统的系统时间之间的换算

　　6.2. 1 TAI、UTC与 GPS时

　　TAI-GPS time= 19 s+c0 , UTC-GPS time= 19 s-DTAI+c0 … … … … ( 7 )

　　式中 :

　　c0—TAI与 GPS时之差的秒小数部分 ,单位为纳秒(ns) , 随时间而变 ,其不确定度约为 2 ns。

　　BIPM根据 OP观测最高仰角的 GPS卫星而得到的[UTC(OP) -GPS time](采用卫星精密星历

　　和用 IGS公布的全球电子总含量模型后) ,经过平滑和插值处理后得到每天 UTC 0h的[UTC(OP) -

　　GPS time] , 同时通过高精度国际时间比对得到[UTC-UTC(OP)] , 由此得到每天 UTC0h的[UTC-

　　GPS time] ( = 19 s+ c0 ) , 每 月在 BIPM 的 Circular T 上 发 表 。 用 户可 以 从 BIPM 网 站 上 下 载

　　Circular T。

　　6.2.2 TAI、UTC与 GLONASS 时

　　TAI-GLONASS time=DTAI+c1 , UTC-GLONASS time=0 s+c1 … … … ( 8 )

　　式中 :

　　c1—TAI与 GLONASS时之差的秒小数部分 ,单位为纳秒(ns) , 随时间而变 ,其不确定度为十几纳秒 。

　　BIPM根据波兰天文地球动 力 学 观 测 台(AOS) 观 测 最 高 仰 角 的 GLONASS卫 星 而 得 到 的[UTC (AOS) -GLONASS time] ,经 过 平 滑 和 插 值 处 理 后 得 到 每 天 UTC 0h 的[UTC(AOS) -GLONASS time] , 同时通过高精度 国 际 时 间 比 对 得 到[UTC-UTC(AOS)] , 由 此 得 到 每 天 UTC 0h 的[UTC- GLONASS time](=0 s+c1 ) ,与 c0 同一个月的 c1 值在 BIPM 的同一期 Circular T上发表 。

　　6.2.3 TAI、UTC与 BDT

　　TAI-BDT= 32 s+c2 , UTC-BDT= 32 s-DTAI+c2 … … … … … … … ( 9 )

　　式中 :

　　c2—TAI与 BDT之差的秒的小数部分 ,单位为纳秒(ns) 。

　　BDT通过设在 NTSC 的标校站进行 BDT 与 UTC(NTSC) 的 比 对 , 得 到[UTC(NTSC) -BDT] 。从 BIPM 的 Circular T可获得[UTC-UTC(NTSC)]的值 ,从而得到[UTC-BDT] 。

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　　GB/T 29842—2013

　　7 定时应用中的主要修正

　　7. 1 基本修正

　　定时用户要求的定时准确度不高于 100纳秒量级时 ,需要在定时结果中加上的改正项 :

　　a) 用导航电文中的卫星钟参数计算指定时刻卫星钟相对其系统时间的改正 ;

　　b) 用导航电文中的卫星广播星历和接收机天线坐标计算指定时刻卫星信号在空间距离传播的几何时延改正 ;

　　c) 接收机系统(含主机及天线 、馈线)常规时间延迟改正 ;

　　d) 使用区时的用户应考虑时区改正 。

　　7.2 精细修正

　　要求定时准确度为几十纳秒 ,需要加上下列改正项 :

　　a) 用导航电文中的电离层参数作电离层时延改正 ;

　　b) 对流层时延改正 ;

　　c) 星载钟和接收机时钟处于不同的重力位以及卫星与测站之间的相对运动两种因素引起的相对钟差改正(即相对论效应改正) ;

　　d) 接收系统各环节的环境影响(包括接收机天线的精确坐标 、接收机天线周围的多路径效应 、天线/前置放大器的温度效应等) 。

　　7.3 对精度有特别要求的用户的事后修正

　　要求定时准确度达到纳秒量级或由更高要求时 ,应该计及的改正项 :

　　a) 用卫星精密星历修正几何时延误差 ;

　　b) 用星载钟相对其系统时间的精确钟差改正 ;

　　c) 用精确的电离层模型计算电离层时延或采用双频电离层时延实测数据 ;

　　d) 当精度要求涉及相对论效应时 ,应计及相对论时间改正(见附录 A) 。

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　　附 录 A

　　(规范性附录)

　　相对论框架下的时间计量

　　A. 1 广义相对论框架下的时频研究中涉及的一些量的概念和定义

　　A. 1. 1 原量和坐标量的区分

　　原量定义为能以物理基准提供的单位直接测量得到的物理量 ,这意味着能在测量的不确定度范围内无歧义地得到其量值 ;坐标量则取决于时空坐标系的选择 ,一般而言 ,无简单明了的物理意义 。

　　A. 1.2 原时 τ 与度规 ds的关系由式(A. 1)定义

　　dτ=c-1 |- ds2 |1/2 …………………………( A. 1 )

　　原时的单位是 SI秒 。

　　A. 1.3 原时的增量

　　原时的增量为 :

　　Δτ= τ …………………………( A. 2 )

　　式中 :

　　cab— 理想钟从事件 A 到事件 B 的时空轨迹 。

　　A. 1.4 坐标时及坐标时间隔

　　tA 即坐标时间隔(其中 ,tB 和 tA 分别是事件 B及事件 A在时空参考系中的坐标时) 。

　　坐标时 t, 即时空参考系中的四维坐标 xα (ct,xi)(其中 α= 0, 1,2,3; i= 1,2,3)中的参量 t; tB -

　　A. 1.5 时间尺度和尺度单位

　　时间尺度是时空参考系中的时间坐标轴 ,其尺度单位是 SI秒 。

　　A. 1.6 时间比对中的原时之差和坐标时之差

　　在时间比对中应注意原时之差和坐标时之差的区别 :

　　a) 原时之差 τA (t) -τB (t) , 即在同一坐标时时刻的不同的原时之间的差 ;

　　b) 坐标时之差 t(t,x) -t(t,x) ,t和 t代表两种不同的坐标时 。

　　A.2 时空度规

　　在广义相对论中 ,时间由四维时空参考系中的坐标来定义 ,所有的时间现象都与引力场和速度有关 。广义相对论中的坐标系统是由与物质分布及引力场等有关的度规张量来定义的 。 在 广 义 相 对 论

　　规(中)张,量 g(时空)αβ(中)的关系可表(相邻二点 x)α示(c为(t),x:i)(其中 α=0,1,2,3; i= 1,2,3)和 xα +dxα 之间的四维不变弧元 ds 与度

　　dsgαβdxα dxβ …………………………( A. 3 )

　　IAU第 21届大会(1991年)决议 A4推荐采用广义相对论作为时空参考系的理论基础 , 给出了如下形式的时空度规 :

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　　ds2 =-c2 d 式(A. 4)中 τ 是原时 ,U 是质量系综的引力势和系综外部物体的潮汐势之和 ,后者在质心处为零 。

　　实际上与该度规相应的度规张量是 :

　　g00 = - 1+2c-2U(t,x)

　　g0i = 0

　　gij = δij [1+2c-2U(t,x)] (当 i=j 时 ,δij = 1, 当 i≠ j 时 ,δij = 0) ………( A. 5 )

　　该决议存在某些局限性 ,例如 ,度规表达式中仅留至 c-2级的项 ,在此框架下 ,对质心坐标系而言 ,坐标时的实现及时间转换的相应精度水平低于 10- 16 。

　　IAU第 24届大会(2000年)决议的建议中 , 明确定义了质心天球参考系(BCRS)和地心天球参考系(GCRS) 。对 BCRS,度规张量的分量表达如下 :

　　g00 = - 1+ 2c-2ω - 2c-4ω2

　　g0i = -4c-3ωi

　　gij = δij (1+2c-2ω) …………………………( A. 6 )

　　式中 ,ω 及 ωi 分别为一种标量势和一种矢量势 。

　　对 GCRS,度规张量的分量表达如下 :

　　G00 = - 1+ 2c-2W - 2c-4W2

　　G0a =-4c-3Wa

　　Gab = δab (1+2c-2W) …………………………( A. 7 )

　　式中 ,W 和 Wa 分别为标量势和矢量势 。

　　A.3 广义相对论在时频领域中的应用

　　在时间频率领域的实际工作中应从下列几个方面具体涉及广义相对论的应用 :

　　a) 时频计量问题应在广义相对论的框架下进行 ,根据不同的精度要求和使用方便 ,可以采用不同形式的时空度规 。 当准确到后牛顿精度时 ,其精度只能达到 10- 16 ,对于一些精度要求不算很高的时间计量问题已经足够 ,但是对于现代高精度的原子钟的实现以及它们之间的比对问题 ,则还需另行考虑 。

　　b) 原时和坐标时是两个不同的概念 ,原时只在观测者的局域范围内有效 ,而坐标时在定义的大范围时空内均有效 。原时之间的比对应该通过原时与坐标时的关系间接得到 。通常采用的 TAI或 UTC是地球附近地心非旋转参考系坐标时的具体体现 ,这一点在实际应用中应特别注意 。

　　c) 为了保证处于不同地点的原子钟速率与定义在旋转大地水准面上的标准钟速率相同 ,在原子钟(特别是卫星钟)进行工作前 ,应对其频率进行调整 。 当准确到后牛顿精度时 ,对于地面附近的原子钟 ,其频率调整只需要考虑到原子钟海拔高的影响 ; 而对于卫星钟 ,其频率调整则需要根据卫星的轨道高度和卫星相对于地球的运动速度来具体确定 。

　　d) 时间比对问题不涉及时钟的速率调整 ,只涉及两台钟的初始设定 。不同地点的时钟比对 , 除了与同时性的定义有关以外 ,还与信号的传播有关 。 由于光速和同时性的定义对于不同的坐标系是不一样的 ,在比对过程中应严格保证所使用的坐标系的正确性 。对于 TT、TAI和 UTC的时间比对 ,需要采用地心非旋转参考系 。 当采用其他参考系时 ,应注意转换的正确性 。

　　e) 对于地球同步卫星和 GPS类型的导航卫星与地面站的单向时间比对 ,在考虑大气时延 、设备时延 和 坐 标 误 差 的 影 响 之 外 , 当 要 求 到 纳 秒 量 级 的 时 间 比 对 精 度 时 , 相 对 论 效 应 只 需 考 虑Sagnac效应项 ,而当要求到 0. 1 ns量级的时间比对精度时 , 除了 Sagnac效应项以外 ,还需考虑到引力时延的影响 。

　　f) 对于更高精度的星地时间比对技术 ,例如要求的比对精度达 10ps、1 ps或更高 ,则应考虑卫星加速度、卫星速度高次项、地面站速度和卫星速度交叉项以及卫星钟差产生的 Sagnac项的影响 。

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　　附 录 B

　　(规范性附录)

　　各地时间实验室的守时系统

　　世界各地的时间实验室(以 k表示实验室的代码)通常自行产生和保持一个 UTC在本实验室的物理实现 UTC(k) ,为用户提供接近于 UTC 的标准时间信号 。UTC(k)以实验室内高精度原子钟作为频率源 ,用一组原子钟 形 成 的 综 合 时 间 尺 度 作 为 监 控 参 考 , 经 过 人 为 的 频 率 驾 驭 而 使 UTC(k) 接 近 于UTC。用于时间实验室产生和保持 UTC(k) 的一套硬件和 软 件 系 统 称 为 “守 时 系 统 ”或 “时 间 基 准 系统 ”,如图 B. 1所示 。

　　图 B. 1 产生标准时间标准频率的时频基准系统

　　常用的 “守时系统 ”分成 5个子系统 :

　　a) 守时钟组

　　由至少 3 台原子钟组成钟组 ,钟应自由运转 , 即不允许对钟本身进行人为的调频 。

　　b) 主钟系统

　　由钟组中的一个频率比较稳定的钟作为主钟系统的频率源 ,再加上相位频率微补偿仪及分频钟组成主钟系统 ,分频钟的输出端可以设定为主钟系统输出的标准时间信号的物理端 口 ,送出1 pps标准时间信号 。该标准时间一般就是 UTC在实验室 k 的物理实现 ,所确定的物理端 口的相位时间即 UTC(k)的基准点 。在实验室 k 内 、外的 UTC(k)用户所得到的 UTC(k) 的时间信号应计及该信号与基准点之间的时间延迟 。

　　c) 实验室内部时间比对系统

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　　GB/T 29842—2013

　　由时间信号选择器(转换开关)轮流把各个钟的 1 pps信号送到时间间隔计数器(TIC) 作为关门信号 ,脉冲分配放大器送出的 UTC(k)的 1 pps信号作为 TIC 的开门信号 。TIC送出 UTC (k)与每个钟的比对数据 UTC(k) -Clock(k, i) 。采用比相仪或其他时差测量设备也可以起到与 TIC相同的作用 。

　　d) 远程时间比对系统

　　远程时间传递设备 ,例如高精度 GPS共视(GPSCV)时间比对接收机 ,一般用实验室 UTC(k)的 1 pps及其 5 MHz或 10MHz的频率信号作为接收机的输入信号 。接收机送出 UTC(k)和GPS时之差以 CGGTTS格式的文件存储在接收机所用的计算机硬盘中 。远程时间比对系统也可以是双向卫星时间频率传递(TWSTFT) 系统 。一般在采用 TWSTFT 系统的时间实 验室中还配备 GPS共视时间比对接收机 ,两者同时运作 ,后者作为备用系统 。远程时间比对系统在守时工作中的作用是通过国际时间比对 ,使本实验室的钟资源为国际原子时作贡献 , 同时通过这种合作可以从 BIPM 获得 UTC-UTC(k)的数据 ;远程时间比对的另一个作用是可以利用一个国家或一个地区内不在同一地点的尽可能多的原子钟的资源 ,形成一个数量较大的钟组 ,产生一个具有高稳定度的独立的 自 由原子时系统 ; 远程时间比对还可以将本实验室产生的标准时间溯源到某个远程标准时间 ;或者通过远程时间比对使远处的标准时间信号发播电台的时间溯源到本实验室产生的标准时间 。

　　远程时间比对(传递)技术参见附录 F。

　　e) 系统控制 、数据采集和处理系统

　　由工控机 、PC机及专用的控制软件和数据处理软件组成 。 系统控制计算机及其软件用于控制UTC(k)与每个钟的轮流比对(或者钟与钟之间的轮流比对) 并对 UTC(k) 的频率进行驾驭 。数据采集和处理的专用软件功能包括 :采集数据并存放于专用数据库 、判断每台原子钟的相位时间和频率是 否 异 常 ; 用 预 定 的 最 佳 算 法 计 算 地 方 原 子 时 TA(k) 。 算 法 的 基 本 原 理 是 把UTC(k)与每个钟的比对数据 UTC(k) -Clock(k, i) 加权平均(不同算法实质上的差异在于噪声处理方法和权系统确定方法)计算出 UTC(k) -TA(k) 。其原理公式如下所示 :

　　UTC - TA ………( B.1 )式中 :

　　wi— 给每个钟分配的权重 。

　　实际上 TA(k)即所有参加计算的原子钟的相位时间的加权平均值 。原则上 ,TA(k)的频率稳定度优于钟组中任一原子钟的频率稳定度 。

　　主钟系统中的相位频率微补偿仪(以下简称 “相位微调器 ”)在标准时间 UTC(k)的产生和保持中起着非常重要的作用 。 主钟系统的频率源仅仅是一台原子钟 , 它相对于 UTC或 TAI有频

　　,(,是,信(算),作(y)(k(0)为),,

　　行日常的微小补偿 ; 同时根据 BIPM 每月发表的 Circular T 中 UTC-UTC(k) 和 TAI-TA (k)的数据 ,调整上述软件的工作参数 , 以使 UTC(k)尽可能接近 UTC。有些时间实验室在有基准频标的条件下 ,用基准频标的标准频率作为参考 ,来分析 UTC(k) 的频率偏差及变化 ,并用相位微调器进行频率补偿 ,从而实现完全独立自主产生 UTC(k)的 目的 。

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　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　GPS定时原理和误差分析

　　GPS接收机通过接收卫星信号而得到的观测量是从卫星到测站的伪距 。伪距包含从卫星到测站的几何距离以及各种各样的误差量 。用 GPS接收机进行定时就是测量本地钟与 GPS时之差 ,这是通过测量卫星钟与地面钟之间的时间差而得到的 。

　　C. 1 GPS定时方法

　　GPS定时方法包括测站坐标已知和未知两种情况 :

　　a) 站坐标已知的情况下 , 电波传播时间可根据站坐标和导航电文提供的卫星位置及电离层修正参数进行计算 ,只需接收 1 颗 GPS卫星的信号就可以定时 , 即计算出用户钟相对于 GPS时间之差 。用多通道 GPS定时接收机同时接收多颗卫星的信号进行有冗余度的观测 ,可以提高观测精度 。

　　b) 站坐标未知情况下 , 同时观测 n 颗卫星 (n≥4) ,可以确定站坐标的 3 个未知数及用户钟相对于 GPS时间之差 。这 4个未知数通过求解下面的方程式得到 :

　　Ri* = (X0 - Xi) 2 + (Y0 -Yi) 2 + (Z0 -Zi) 2 + cΔt, (i= 1,2,3,4, … … , n)

　　………………( C. 1 )

　　式中 :

　　Ri* — 接收机天线相位中心至卫星 i 的伪距 ,单位为米(m) ;

　　X0,Y0,Z0— 接收机天线相位中心的坐标 ,单位为米(m) ;

　　Xi ,Yi ,Zi — 卫星 i 的坐标(根据导航电文计算得到) ,单位为米(m) ;

　　Δt — 用户钟相对于 GPS时之差 ,单位为米(m) ;

　　c — 光速 ,单位为米每秒(m/s) 。

　　C.2 GPS定时误差分析

　　式(C. 1)给出的伪距包含许多误差项 ,分为 3类 :与卫星相关的误差 、信号传播引入的时延误差和与接收机有关的误差 。

　　a) 与卫星相关的误差

　　1) 星载钟的误差

　　导航电文给出的星载钟的钟差公式为 :

　　Δt=a0 + a1 (t-toc) + a2 (t-toc) 2 ……………………( C. 2 )

　　式中 :

　　Δt —t时刻星载钟的钟差 ,单位为秒(s) ;

　　toc — 导航电文中的钟差修正的参考时刻 ,单位为秒(s) ;

　　a1 — 频率偏差修正系数 ,单位为秒每秒(s/s) ;

　　a0 —t=toc时刻的初始钟差 ,单位为秒(s) ;

　　a2 — 频率漂移率修正系数 ,单位为秒每秒平方(s/s2 ) 。

　　根据导航电文中的参数 a0 、a1 、a2 计算星载钟的钟差 ,把星载钟时间修正到 GPS时 。 由于这些参数是根据星载钟的历史表现而估计的 ,与钟的实时表现存在一定的差异 。

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　　2) 星历误差

　　导航电文中给出的卫星位置参数是预报值 。 由于卫星的轨道运动受到复杂的摄动影响 ,预报轨道与实际运行轨道的偏差就形成几何时延的误差 。

　　3) 相对论效应修正

　　星载钟和接收机时钟处于不同的重力位以及卫星与测站之间的相对运动两种因素会引起卫星时钟的相对频偏 , 由此产生的相对钟差归入与卫星相关的误差 。 这两项的总的相对论效应频偏修正值对于 GPS卫星时钟为 4. 45× 10- 10 ,在卫星钟制造时已作改正 。

　　由于卫星运行的轨道并非圆轨道而是近似于圆的椭圆 、卫星运动速度随时间而变化 、地面接收机并非总处于海平面 ,这些因素引入的误差无法在卫星钟制造时加以考虑 , 由此引入了相对论效应修正误差 。

　　b) 信号传播引入的误差

　　1) 电离层延迟误差

　　电磁波信号穿过大气层会引起信号到达延迟 , 电离层引起的时延 , 可以用简化的下列公式计算 :

　　Δt= -40. 28×f-2 × TEC/c ……………………( C. 3 )

　　式中 :

　　Δt — 电离层时延 ,单位为秒(s) ;

　　f — 信号的频率 ,单位为赫兹(Hz) 。

　　TEC — 底面积为 1 m2 贯穿整个电离层的柱体所含的电子总含量 ,单位为 1×1016el/m2 。 TEC随地方时而变化 ,昼大夜小 , 随季节变化 , 与太阳活动密切相关 ,不同天顶距方向的TEC值也不同 。 电离层时延修正量的误差显然取决于 TEC 的估算精度 。GPS单站法定时一般根据 GPS导航电文提供的模型参数计算电离层时延改正 。 这种改正模型基本上是一种经验估算公式 ,而且 GPS导航电文中对全球采用统一给出的模型参数 , 与各地实际情况必然有较大差异 。

　　2) 对流层延迟误差

　　GPS卫星发播的信号经过电离层后 ,通过对流层到达接收机 ,传播路径会发生弯曲 ,传播速度也会发生变化 ,需要对对流层时延进行修正 。对流层时延对 GPS信号传播的影响比较复杂 ,与信号频 率 无 关 。 一 般 采 用 霍 普 菲 尔 德(Hopfield) 改 正 模 型 进 行 修 正 , 计 算 公式为 :

　　c … … … …

　　式中 :

　　Δt — 对流层时延 ,单位为秒(s) ;

　　E — 卫星仰角 ;

　　Kd、Kw— 分别为时延的干 、湿气分量 ,可根据接收机处的气压 、温度 、水汽压 、接收机处的高程和对流层顶的高度等参数计算得到 ,单位为米(m) 。

　　实际工作中 Kd、Kw 一般采用接收机处的大气压为 1 100 kPa、温度为 20 ℃及相对湿度为 50% 。根据模型计算的对流层时延与实际值仍然存在一定的误差 。

　　3) 多路径误差

　　GPS接收机天线在接收到直接来自卫星的信号外 ,还可能接收到由其他物体反射过来的信号 。接收机接收到的信号是直射波和反射波产生干涉后的组合信号 。 由于路径 不 同使 GPS信号相位变化而产生的这种多路径效应对测量产生的误差与天线的结构 、天线附近的自然环境以及卫星的方位及仰角等有关 。采用扼流圈 、抑径板等措施能改善多路径

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　　效应的影响 。

　　c) 接收机引入的误差

　　1) 接收机噪声误差

　　影响 GPS接收噪声的因素包括 :输入信噪比 、信号的调制方式 、码特性等 。

　　2) 伪距测量的分辨力

　　单站法接收机是通过伪 距 测 量 来 确 定 接 收 机 的 坐 标 和 用 户 钟 相 对 于 GPS时 间 之 差 的 。伪距测量的分辨力取决于码元宽度 , 一般认为分辨力是码元宽度的 1/100。

　　3) 接收机坐标误差

　　定时接收机的坐标虽然可以从伪码测量得到 ,但其误差较大 。用 GPS测量型接收机对定时接收机的坐标定标 ,可以降低此项误差 。

　　4) 接收机时延误差

　　定时接收机在正式使用前应精确测量从天线到接收机的 1 pps信号输出端的时延并加以扣除 。在使用中应注意不能随意更换天线至接收机 的 电 缆 ,若 应 更 换 , 需 对 接 收 机 重 新标定 。

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　　附 录 D

　　(资料性附录)

　　GLONASS定时原理

　　CLONASS 与 GPS 原 理 相 近 , 因 此 GPS 定 时 方 法 可 以 用 于 GLONASS 定 时 。 但 是 由 于GLONASS在卫星的坐标系统 、时间系统和信号结构等 3 个方面与 GPS 的差异 ,用户采用 GLONASS定时时 ,应该注意区别对待 。

　　a) 在卫星的坐标系统方面 , GPS采用 WGS-84坐标系 , GLONASS采用 PZ-90坐标系 。 用户的GLONASS接收机的天线坐标也应该采用 PZ-90坐标系 。 当用户采用 GPS和 GLONASS双系统接收机时 ,对于不同系统的卫星应采用不同坐标系统的天线坐标值来计算几何时延 。如果对于 GLONASS卫星也采用了 WGS-84坐标系的天线坐标 ,则会降低 GLONASS卫星的定时精度 。

　　b) 在时间系统方面 ,GPS时溯源到 UTC(USNO) , 而 GLONASS时溯源到 UTC(SU)(见 4. 3. 2) 。在 GPS和 GLONASS系统混用时 ,两个时间系统的差异(模 1 s)有时可能达到 1 μs左右的系统差(见 6. 2. 1 和 6. 2. 2 中的 c0 和 c1 之差) ,高精度定时用户应特别注意 。另外 GLONASS时与 UTC(SU)一样有闰秒(见 4. 3. 2) , 而 GPS时则无闰秒(见 4. 3. 1) ,在 闰 秒 时 段 定 时 需 特 别注意 。

　　c) 在信号结构方面 , GPS采用码分多址(CDMA) ,所有卫星发射信号的载波频率相同 ,不同卫星采用不同 PRN码;GLONASS采用频分多址(FDMA) ,所有卫星采用相同 PRN 码 ,但是不同卫星发射的载波频率不同 。

　　不管是 GPS接收机还是 GLONASS接收机 ,都需要在使用前测定接收机的各部分时延(包括天线时延 、接收机内部时延 、电缆时延等) 。采用天线恒温系统(TSA) 对高精度 GPS和 GLONASS定时都很重要 ,它能使天线/前置放大器的时延不受环境温度变化而变化 。但是 TSA对于高精度 GLONASS定时更为重要 。天线对于不同卫星(不同频率)有不同的时延 ,用了 TSA 后 ,GLONASS接收机经过时延的校正测量 ,得到一列恒定温度下的 “频率—时延 ”校正值 ,它将用于处理每个 GLONASS卫星的定时数据 。若用普通天线 ,天线对于不同频率的时延值均会随温度变化而变化 ,校正值就无效了 。

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　　附 录 E

　　(资料性附录)

　　北斗卫星导航试验系统时间系统和定时方法

　　E. 1 北斗卫星导航试验系统时间系统

　　北斗卫星导航试验系统定位系统卫星上不携带原子钟 ,测距信号和导航电文在地面生成 ,经卫星转播 。北斗卫星导航试验系统定位系统的时间分系统主要由时间间隔计数器 (TIC) 和三套 “氢钟 +相位微调器 +分频钟 ”(简称 “钟系统 ”)组成 ,一套为工作钟 ,两套为备份钟 。 三套钟系统各自产生的 1 pps信号均送入转换开关 ,其中一路由转换开关选择为工作钟信号 。工作钟信号经脉冲分配放大器后 ,输出到 TIC作为开门信号 ,另外两套钟的 1 pps先后由转换开关送出到 TIC作为关门信号 , 由此得到的工作钟 1 pps和备份钟 1 pps的相位时间差经数据采集送入主控计算机 。经分析后 ,主控计算机送出控制信息到两套备份钟的相位微调器 ,经过补偿调整 ,使两套备份钟的相位和频率与工作钟同步 。一旦工作钟出现故障 ,经切换 ,一套备份钟就替代原工作钟成为工作钟 。

　　E.2 北斗卫星导航试验系统定时方法

　　E.2. 1 单向定时法

　　北斗卫星导航试验系统单向定时法的原理如图 E. 1所示 。

　　图 E. 1 北斗卫星导航试验系统单向定时法

　　定时接收机接收北斗卫星导航试验系统中央站发出的询问信号 ,从询问信号中解出调制于伪随机码中的时间信号 、时间信息和北斗卫星导航试验系统卫星的精确坐标参数 。定时接收机根据中央站的坐标 、卫星坐标 、导航电文中的电波传播修正参数及事先测定的接收机坐标 , 即可计算出电波从中央站到接收机的时延 。将接收到的时间信号扣除该时延和接收机时延 , 即可实现接收机定时信号与中央站的时间同步 。

　　单向定时法根据电离层 、对流层模型来计算时延 ,定时误差约为 100 ns。

　　E.2.2 双向定时法

　　北斗卫星导航试验系统双向定时法的原理如图 E. 2所示 。定时接收机接收北斗卫星导航试验系统

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　　GB/T 29842—2013

　　中央站发出的询问信号 ,经固定延迟后 ,仍通过广播导航电文的北斗卫星导航试验系统卫星发回带有用户标志的应答信号 。 中央站收到应答信号后 ,通过计算就可以得知电波往返的时延 。 由于电波往返的路径是一样的 , 同模传播误差就可以抵消 。 可以认为单向时延是双向时延的 1/2。 中央站将此时延值通过导航电文告知该用户 。定时接收机根据此时延和导航电文中的时间信息及解调伪随机码得到的时间信号 ,就可实现接收机定时信号与中央站的时间同步 。双向法定时原理由于采用了相同的路径 ,但方向相反 , 电离层时延误差大大消弱 ,定时误差一般为 20 ns。

　　图 E.2 北斗卫星导航试验系统双向定时法

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　　GB/T 29842—2013

　　附 录 F

　　(资料性附录)

　　高精度时间传递方法

　　F. 1 卫星共视时间传递

　　在时频领域中 ,卫星共视时间传递就是 2个位于不同地点的观测者 ,用时间接收机在同一时刻观测同一颗卫星同一信号中的同一标志 ,实现两地间的时间比对(原理见图 F. 1) 。

　　图 F. 1 卫星共视时间比对示意图

　　以 GPS为例 ,A、B两站接收机分别输出两站各自的钟与 GPS时的比对结果 TA (t) -GPS time和

　　TB (t) -GPS time,通过数据交换 ,可以消除对于两站而言为相同的卫星钟的误差以及可能存在的 SA影响 ;可以部分抵消星历误差 、电离层时延误差 , 以较高精度得到两站钟的时间差 ΔTAB (t) =TA (t) - TB (t) 。

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　　GPS共视时间传递技术在 TAI的国际合作中起了主要作用 。为了改进 TAI,CCTF成立了专门工作组 GGTTS(GPS时间传递规范工作组) ,研究并形成了 GPS共视时间传递接收机的软件技术规范 。要求接收机生产厂家采用该统一的规范开发软件 , 软件包括相同的观测程序和相同的数据处理方法 。在 GLONASS卫星系统投入运行之后 ,GLONASS共视时间传递接收机也采用了这一规范 。对于单通道 GPS和单通道或双通道 GLONASS接收机 ,BIPM 每半年发表一 次 共 视 时 间 表 , 供 世 界 各 国 使 用 。对于多通道 GPS和 GLONASS接收机 ,无需共视时间表 。不管是单通道还是多通道接收机 ,共视跟踪卫星的时间有一个共同的起算历元 1997年 10月 1 日 UTC 0h。从这个历元起 ,每 16 min为一个跟踪时间段 ,其中 13 min为跟踪卫星时间 ,另外 3 min用于数据处理和下一段跟踪的准备 。 每天有 89个16 min段和一个 12 min段 , 以便按 GPS和 GLONASS的恒星日轨道周期观测 。该软件技术规范给出了每个跟踪段 780 s(13 min)的卫星跟踪数据处理方法以及输出数据的文件格式(CGGTTS格式) 。

　　F.2 卫星双向时间频率传递

　　TWSTFT 的原理是由两个参与比对的地面站(一般是时间实验室) 使用扩频技术 ,各自本地钟向同一个卫星发射 1 pps信号 ,在发射的同时用该 1 pps信号打开时间间隔计数器(TIC) 的闸门 , 同时又接收对方站发射通过同一卫星转发的信号 ,用收到的对方站发射的同一秒钟的 1 pps信号关闭 TIC 闸门 。TWSTFT 系统结构如图 F. 2所示 。

　　图 F.2 TWSTFT时间传递原理图

　　TWSTFT硬件系统中的调制解调器执行滤波 、放大 、A/D转换 、扩频/解扩 、调制/解调 、时差测量等操作 。两个站调制解调器中 TIC 的读数分别为 ΔT1 和 ΔT2 ,它们和两个站 1 pps发射时刻 T1 和 T2之间的差(即两个站的钟差)由式(F. 1)表示 :

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　　…………( F. 1 )

　　式中 :

　　τ1(U) 和 τ2(U) — 信号在两个站上行的时延 ,单位为秒(s) ;

　　τ1(D) 和 τ2(D)— 信号在两个站下行的时延 ,单位为秒(s) ;

　　τ12和 τ21— 卫星转发器的时延 ,单位为秒(s) ;

　　ΔτR — 地球自转引起的电波传播路径长度变化(称为 Sagnac效应)引起的时差[见式(F. 2)] ,单位为秒(s) 。

　　ΔτR = 2ωA/c2 …………………………( F. 2 )

　　式中 :

　　c— 光速 ,单位为米每秒(m/s) ;

　　ω— 地球自转角速度 ,单位为弧度每秒 ;

　　A— 由地心和卫星到两个地球站的连线投影到赤道平面的面积 ,单位为平方米(m2 ) 。

　　注 1: 对于固定的一对 TWSTFT链路来说 ,ΔτR 这项时差是个常数 。

　　注 2: τ1(T)r、τ1(R)e、τ2(T)r、τ2(R)e 分别是测站 1 和测站 2 发射和接收时延 ,单位为秒(s) 。这些时延值可以事先测量 。

　　虽然从每个站到卫星的上行和下行的几何时延是相同的 ,但由于信号上下行的频率不同 ,对一给定信号频率 f,电离层时延与 f-2成正比 。但对于 Ku波段 ,这一项引起的时差在 100 ps量级 。对流层引起的路径不对称非常小 ,可忽略不计 。

　　TWSTFT 的优点是发射和接收路径相同 ,方向相反 ,消除了卫星 、测站位置误差的影响 , 最大限度地降低了电离层 、对流层时延误差的影响 , 而且通信卫星较宽的带宽有利于信号设计 ,受温度影响小 , TWSTFT 时间传递的精度比 GPS或 GLONASS卫星(伪随机码)共视法的精度高一个数量级 。

　　F.3 卫星载波相位时间传递

　　实际上卫星载波相位时间频率传递的原理从本质上来说也是一种卫星共视法 ,但是这种方法与前面所说的共视法不同之处在于 ,一个是进行码相