GPS卫星同步时钟的发展现状及其应用

GPS卫星同步时钟的发展现状及其应用－－四分天下，“北斗”誓言超欧、越俄、赶美

 

目前，全球的 GPS卫星同步系统处于“四分天下”状态，以美俄两国的系统处于领导地位，其次为欧洲及中国。2006年中国航天部门正式宣布了开始建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统，这被视为中国卫星导航系统工程的一个分水岭，在此之前，“北斗”GPS卫星导航系统只是一种区域卫星导航系统，升级后整个系统将涉及30颗卫星。

 

美国的GPS卫星同步导航系统由24颗卫星组成，定位精确度约为误差少于10米，是全球卫星导航市场的垄断者。据悉，为保持在战略和经济领域的优势，美国还正在实验第二代卫星同步系统，计划再发射20颗卫星，总数达到44颗，届时精确度将高达误差少于1米。

俄罗斯GLONASS卫星导航系统由24 颗卫星组成，定位精确度约为10米左右。但由于俄罗斯长期受资金短缺困扰，GLONASS系统发展一直陷于停滞甚至倒退状态，目前在轨运行卫星只有17颗，俄罗斯正拉拢印度参与，俄政府期望于2008年可以令GLONASS卫星全部部署到位。

从规划而言，欧洲的“伽利略”卫星同步导航系统其规模极大，最初规划时的目标就是要取代美国的GPS系统成为全球第一，卫星数量为30颗，27颗为工作卫星，3颗为候补卫星，最高精确度为误差少于1米。欧盟诸国2002年签署合建“伽利略”系统协议时，预计到2008年即可投入运作，但与其它欧盟多国计划一样，“伽利略”也因合作国之间无法处理利益问题而一再拖延，目前最乐观的估计是2011年可以开始投入运作，而整个计划可于何时完成则无法估计。

中国在2000年开始建设属于自己的“北斗”卫星同步导航定位系统，先后于2000年、2003年及今年发射了5颗导航定位卫星。由于受卫星数量和分布范围的限制，从严格意义上来讲，“北斗”卫星导航定位系统在现阶段仍是区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）。虽然是迟来者，而且起步技术据称部分由国外引进，但目前“北斗”系统在中国航天技术大发展的格局下已初具规模，并后来赶上，超越了欧洲在卫星定位方面的成就。“北斗”系统一旦完成30颗卫星的全球导航规模构建，在规模上将超越俄罗斯的GLONASS，并进一步逼近美国的下一代GPS系统。  

“北斗”誓言超欧、越俄、赶美据介绍，正在建设的“北斗”卫星导航系统空间段可提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米／秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。

“北斗”卫星导航系统与其它全球导航与定位系统相比最大的优势，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。

《亚洲时报》指出，宇航及卫星技术是国际社会界定国家实力的标准，中国决定“做强做大”航天工业，展示了其要成为强国的决心，提升“北斗”系统能力，在数年内达到“超欧、越俄、赶美”的目标，这是一个非常大的雄心。

“北斗”系统运作原理与流程　　“北斗”卫星导航定位系统是全天候、全日时提供卫星导航定位信息的区域导航系统，所以用户随时都可以接收到卫星广播的询问信号，服务范围以大陆地区为主。其定位原理系采用3球交会测星原理进行定位，以2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可画出2个球面另一个球面是以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面，3个球面的交会点即为用户的位置。

“北斗”卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2枚地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。

 

简短通信：“北斗”卫星导航定位系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字简讯通信能力。运作流程为地面控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行解读后再传送给收件人客户端。这种简讯通信服务，GPS无法提供。

精密授时：“北斗”导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给客户端，供用户完成与“北斗”卫星导航定位系统间时间差的修正。

 GPS卫星同步的应用—时间同步服务随着计算机网络的迅猛发展，网络应用已经非常普遍，很多领域的网络系统如金融业（证券、银行）、**业（广播、电视）、交通业（火车、飞机）等需要在大范围保持计算机的时间同步和时间准确。为了适应这些领域对于时间越来越精密的要求，可用利用NTP网络时间服务器。

将通信网上各种通信设备或计算机设备的时间信息（年月日时分秒）基于UTC（协调世界时）时间偏差限定在足够小的范围内（如10ms），这种同步过程叫做时间同步。

基于NTP的时间同步系统由NTP网络时间服务器、网络时间服务器软件、时间同步客户端软件组成，如下图所示。采用NTP协议实现整个网络的时间同步，同步精度可达10ms。该方案只需在局域网内选用一台计算机作为服务器，通过串口连接一个GPS时钟，通过软件使系统时钟同步到GPS时间（UTC基准）。并安装一个NTP服务器软件，响应其他客户端的时间同步器请求，就能建立起企业内部自己的时间服务器。

   局域网内的其他计算机安装NTP客户端软件，定期向内部时间服务器主机发送时间同步请求，借助LAN局域网从时间服务器那里获得时间信息，计算并校正本地时间。在同步周期之间，利用计算机内部时钟守时，从而实现整个局域网络的时间同步。