2024年10月4日发(作者：僧玟玉)
GPS时钟同步原理
1.有关时间的一些基本概念
时间（周期）与频率
互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，所以有人把晶体振荡器叫
‘时基振荡器’。钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。
四种实用的时间频率标准源（简称钟）
◆ 晶体钟
◆ 铷原子钟
◆ 氢原子钟
◆ 铯原子钟
常用的时间坐标系
时间的概念包含时刻（点）和时间间隔（段）。时系（时间坐标系）是由时间起点和时
间尺度单位--秒定义（又分地球秒与原子秒）所构成。常用的时间坐标系：
◆ 世界时（UT）
◆ 地方时
◆ 原子时（AT）
◆ 协调世界时（UTC）
◆ GPS时
定时、时间同步与守时
◆ 定时：是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程）；授时（指采用适当的手段
发播标准时间的过程）；
◆ 时间同步：是指在母钟与子钟之间时间一致的过程，又称时间统一或简称时统）；
◆ 守时：是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程，国内外守时中心一般都采
用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组钟长期运行性能表现最
好的一台被定主钟（MC）。
时间是怎样建立的
为了得到精密的GPS时间，使它的准确度达到<100ns（相对于UTC（USNO/MC））：
◆ 每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；
◆ GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；
◆ 采用UTC（USNO/MC）为参考基准。
定位、定时和校频的原理
GPS定位原理
是基于精确测定GPS信号的传输时延（Δt），以得到GPS卫星到用户间的距离（R）
R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C为光速）同时捕获4颗GPS卫星，解算4个联立方
程，可给出用户实时时刻（t）和对应的位置参数（x、y、z）共4个参数。R={（Xs- Xu）2+
（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs为卫星的位置参数；Xu、Yu、Zu为
用户的的位置参数） 。
GPS定时原理
基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延（Δt），以达到对本地钟的定
时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，
主要误差有：
◆ 信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；
◆ 信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；
◆ 接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。
GPS校频原理
根据频率和周期互为倒数的关系，可采用比时法（测时间间隔）的方法（以GPS的秒
信号为参考）来测量本地钟的频率准确度（Δf/f），以达到校频的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1)
------------ [3]（式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地钟与GPS时的时差值）。
4.进一步提高定时准确度的几种途径
◆ 采用GPS双频、相位测量技术；
◆ 选用更高精度的GPS时间传递接收机；
◆ 采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。
时钟同步在时频领域的应用
国际时间标准的协调与建立
从二十世纪八十年代末，国际计量局（BIPM）的时间部，就开始正式采用标准化的GPS
共视比对方法，把全世界几十个守时中心的主钟沟通起来，并建立了准确度最高的国际原子
时（TAI）和国际协调世界时（UTC/BIPM）。我国有三个实验室参加了国际时间标准的协调，
它们是：
◆ 中国科学院陕西天文台（CSAO）；
◆ 国家计量研究院（NIM）；
◆ 航天无线电计量测试研究所（BIRM）。
新型时频计量传递系统的建立
（1）、传统时频计量传递的特点：
◆ 一般是按国家级计量单位、一级计量站、二级计量站和使用单位四级逐级传递；
◆ 受检时频标准源或仪器设备必须往返搬运，检定校准后的状态在搬运中难免受到破
坏；
◆ 传统的时频计量一般只能按检定周期（一般为一年）进行，难以进行经常性和实时的
计量测试。
（2）、通过采用GPS共视法时间比对和互联网技术，可以建立不需搬运的、实时的、
完全新型的时频遥远校准系统。
2024年10月4日发(作者：僧玟玉)
GPS时钟同步原理
1.有关时间的一些基本概念
时间（周期）与频率
互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，所以有人把晶体振荡器叫
‘时基振荡器’。钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。
四种实用的时间频率标准源（简称钟）
◆ 晶体钟
◆ 铷原子钟
◆ 氢原子钟
◆ 铯原子钟
常用的时间坐标系
时间的概念包含时刻（点）和时间间隔（段）。时系（时间坐标系）是由时间起点和时
间尺度单位--秒定义（又分地球秒与原子秒）所构成。常用的时间坐标系：
◆ 世界时（UT）
◆ 地方时
◆ 原子时（AT）
◆ 协调世界时（UTC）
◆ GPS时
定时、时间同步与守时
◆ 定时：是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程）；授时（指采用适当的手段
发播标准时间的过程）；
◆ 时间同步：是指在母钟与子钟之间时间一致的过程，又称时间统一或简称时统）；
◆ 守时：是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程，国内外守时中心一般都采
用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组钟长期运行性能表现最
好的一台被定主钟（MC）。
时间是怎样建立的
为了得到精密的GPS时间，使它的准确度达到<100ns（相对于UTC（USNO/MC））：
◆ 每个GPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；
◆ GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统；
◆ 采用UTC（USNO/MC）为参考基准。
定位、定时和校频的原理
GPS定位原理
是基于精确测定GPS信号的传输时延（Δt），以得到GPS卫星到用户间的距离（R）
R=C×Δt ----------------------- [1]（式中C为光速）同时捕获4颗GPS卫星，解算4个联立方
程，可给出用户实时时刻（t）和对应的位置参数（x、y、z）共4个参数。R={（Xs- Xu）2+
（Ys-Yu）2+（Zs-Zu）}1/2 ---- [2]（式中Xs、Ys、Zs为卫星的位置参数；Xu、Yu、Zu为
用户的的位置参数） 。
GPS定时原理
基于在用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延（Δt），以达到对本地钟的定
时与校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，
主要误差有：
◆ 信号发射端：卫星钟误差、卫星星历（位置）误差；
◆ 信号传输过程：电离层误差、对流层误差、地面反射多路径误差；
◆ 接收端：接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差。
GPS校频原理
根据频率和周期互为倒数的关系，可采用比时法（测时间间隔）的方法（以GPS的秒
信号为参考）来测量本地钟的频率准确度（Δf/f），以达到校频的目的。Δf/f=（Δt2-Δt1)/(t2-t1)
------------ [3]（式中Δt2、Δt1分别为t2、t1时刻测得的本地钟与GPS时的时差值）。
4.进一步提高定时准确度的几种途径
◆ 采用GPS双频、相位测量技术；
◆ 选用更高精度的GPS时间传递接收机；
◆ 采用GPS共视法比对技术与卫星转发双向法技术。
时钟同步在时频领域的应用
国际时间标准的协调与建立
从二十世纪八十年代末，国际计量局（BIPM）的时间部，就开始正式采用标准化的GPS
共视比对方法，把全世界几十个守时中心的主钟沟通起来，并建立了准确度最高的国际原子
时（TAI）和国际协调世界时（UTC/BIPM）。我国有三个实验室参加了国际时间标准的协调，
它们是：
◆ 中国科学院陕西天文台（CSAO）；
◆ 国家计量研究院（NIM）；
◆ 航天无线电计量测试研究所（BIRM）。
新型时频计量传递系统的建立
（1）、传统时频计量传递的特点：
◆ 一般是按国家级计量单位、一级计量站、二级计量站和使用单位四级逐级传递；
◆ 受检时频标准源或仪器设备必须往返搬运，检定校准后的状态在搬运中难免受到破
坏；
◆ 传统的时频计量一般只能按检定周期（一般为一年）进行，难以进行经常性和实时的
计量测试。
（2）、通过采用GPS共视法时间比对和互联网技术，可以建立不需搬运的、实时的、
完全新型的时频遥远校准系统。