北斗授时介绍.doc

1、卫星授时介绍 1 概述1.1 北斗系统介绍“BD 一号”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位通信系统，又称：“双星定位”系统或“BD 一号”系统。主要是利用两颗地球同步卫星来测量地球表面和空中的各种用户的位置，并同时兼有双向报文通信和定时授时的功能。该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频技术为一体，是一种全天候的覆盖我国及周边国家和地区的区域性卫星导航、定位、通信系统。随着 2003 年 5 月 25 日“BD一号”系统的第 3 颗卫星成功发射升空，将进一步完善“BD 一号”系统工作的稳定性和可靠性。“BD 一号”系统主要由一个地面中心站、两颗地球同步卫星（目前 3 颗）、若干个

2、专用测轨站和标校站，以及成千上万个各类用户机等部分组成。用户机是“BD 一号”卫星导航定位通信系统的应用终端，可以应用于各种不同的载体之中。按应用的载体不同，用户机可以分为：手持（单兵携带）型、车载型、舰载型、机载型和弹载型等；按用途不同又分为指挥型、定位型、授时型、信息接收型和组合功能型等。与 GPS、GLONASS 卫星导航定位系统相比，具有我国自主知识产权的“BD 一号”系统在国防军事领域的部队作战、训练、科研、武器装备等方面，在公安、武警和民用交通运输、地质、科考、探险、地形测绘等领域中将具有更加广泛和深入的应用前景，该系统的建立和应用不仅会对我国国防现代化建设和国民经济建设作出重大的

3、贡献，而且对国民经济的发展也会带来巨大的社会经济效益。1.2 工作原理概述“BD 一号”系统的工作原理是“三球交会测量原理”，即: 以位置已知的两颗地球同步卫星为两个球心，以它们分别到用户的距离（要完成的测量量）为半径可以作两个球面；以地球的球心为中心，以地球的半径加上用户的高程为半径作出第三个球面，三个球面的交会点排除其镜象点即为用户的位置。“BD 一号”系统的定位工作过程是: 首先由地面中心站向两颗地球同步卫星发送确定格式的询问信号，两颗地球同步卫星将询问信号广播转发给服务区域内的各种用户机。当用户机接收到一颗地球同步卫星转发的信号以后，自动搜索、捕获和稳定跟踪该卫星信号。经过一定的信息处

4、理和时延后，再按确定的格式同时向两颗地球同步卫星播发自己的应答信号。两颗地球同步卫星将其应答信号转发到地面中心站。地面中心站接收到该应答信号以后，测量整个应答信号的往返总时延，并根据地面中心站至两颗同步卫星的距离、用户机的高度等数据信息，解算出该用户机（即载体）在地球表面或空中的当前位置。再由地面中心站经过地球同步卫星把该位置信息传送给用户机，在用户机的显示器上显示其当前地理坐标位置，完成了用户机的单收双发定位工作模式。如果用户机同时接收到两颗地球同步卫星的信号，并测量出两个询问信号的时差后，将该时差通过一颗地球同步卫星转发给地面中心站，地面中心站的计算机根据该时差值就可以解算出用户机（即载体

5、）在地球表面或空中的当前位置，并发送给用户机，完成了双收单发的定位工作模式。地面中心站发送广播询问信号的同时也可以传送通信电文。用户机可以通过自己的应答信号向地面中心站传送需要发送的通信信息，因而该系统具备双向通信功能。地面中心站所发送的广播询问信号中还可以发播标准时间信号，用户机应用这些信号可以进行校时，所以该系统还具有授时的功能。1.3 卫星授时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

6、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伽利略（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

7、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（

8、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统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”。为了发展我国自主的导航卫星技术，我国从 80 年代即开始研究研制定位技术，随着 2003 年 5 月 25 日“BD 一号”系统的第 3 颗卫星成功发射升空，标志着我国独立

9、自主的卫星定位技术以及逐步完善。“北斗”无源授时型接收机仅接收“北斗”卫星信号，在注入用户当前的地理位置后便可以实现精确的授时和守时。该产品已经过信息产业部通信计量中心的鉴定测试，鉴定测试时应用铯钟作为时间基准，鉴定测试结果表明“其北斗无源授时型接收机在天线位置精度为 10m 的条件下，经过 23 个小时的连续测试，输出的秒脉冲定时偏差小于 22.54ns。同时，该无源授时型接收机已应用于几个单位的产品中，另外，无源授时型接收机也可以广泛的应用于如：通信、电力、交通运输、港口管理、水力监控、海洋作业，海上缉私和抢险救灾等民用部门和行业中。2 主要使用性能2.1 授时设备组成和功能2.1.1 授

10、时设备的组成授时接收机系统由接收天线、射频处理单元、BD 信息处理单元、授时信息融合处理单元、I/O 接口单元、显示控制单元、电源模块等组成天线接收 BD 系统的卫星信号，并将射频信号前置放大后传送给射频处理单元。射频处理单元将该信号进行放大、下变频、滤波等处理，送到 BD 信息处理单元。BD 信息处理单元完成 BD 系统时间信息的提取。授时信息融合处理单元进行信息融合处理，并产生统一的时间信息。由 I/O 接口单元输出 1pps 和 RS-232 信号，显示控制单元完成必要的信息显示和键盘输入及其它人机界面功能。2.1.2 授时设备的功能授时接收机由接受北斗卫星信号，输出满足“NMEA 01

11、83，V2.0”接口要求的信号。系统应具有的功能如下：a. 独立接收 BD 卫星信号并依据输入的位置信息完成授时功能；b. 系统留有与的接口，当无法得到预置的地理位置数据的时候，可以通过定位，利用定位信息完成北斗的授时功能；c. 系统能够按照“NMEA 0183，V2.0”的接口格式输出时间等信息；d. 根据发展需要，可适当更改设计以便和其它系统配套。2.2 授时设备主要使用性能2.2.1 BD 接收系统授时精度a. 注入 WGS-84 坐标系精确位置数据（各坐标分量精度优于 100m）：优于 100ns；b. 采用全国分区位置数据（分区数少于 10 个）：优于 2ms。2.2.2 电源a.

12、DC: 27V10%b. AC: 220V10%/50Hz、220V10%/400Hz2.2.3 结构尺寸 不大于 172130100mm2.2.4 重量a.主机： 不大于 4.0kgb.天线： 不大于 1.0kg2.2.5 工作温度-40-+602.2.6 储存温度 -55-+702.2.7 数据接口 a.提供 RS-232、RS-485 接口，通信协议采用“NMEA 0813，V2.0”接口标准语句。b.系统具有 1PPS 信号输出接口,RS_232 输出信号的第一个脉冲前沿相对于 1PPS 脉冲前沿误差不大于 0.2ms2.2.8 功能特点a. 具有电源控制和保护功能；b. 具有告警输出功能；c. 提供 LED 显示功能；d. IF 天线支持多至 300 米的连接，无需放大器；e. 具有位置输入操作选项（位置或分区位置），位置分区键小于 10 个键；f. 具有 BD 系统接收信号状态指示；g. BD 开机授时信号输出时间小于 3 min；h. BD 重捕获时间小于 3 s