北斗授时设备(GPS时钟系统)在通信系统中应用
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发布时间：2024-09-28 20:56
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时间：2024-10-08 16:42
摘要：文章介绍了北斗卫星系统授时原理，分析了北斗/GPS双模授时在CDMA无线通信系统中应用的可行性，并给出了北斗/GPS双模授时系统的组成和在CDMA中的两种应用方式。
1、概述
卫星导航定位与授时系统是现代化大国极为重要的基础设施，卫星导航系统提供的精密授时在一个国家的工业、国防、通信等领域有着广泛和重要的应用。目前的卫星导航系统主要有美国的全球卫星定位系统GPS、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、欧洲的伽利略全球导航定位系统Galileo以及中国的北斗一号导航定位系统。北斗卫星系统是中国自主研发的卫星导航定位系统，可以为中国全境和周边部分邻国提供定位、导航、授时和简易通讯服务，特别是对于确保中国国防与通信安全有着重要意义。
2、北斗卫星系统授时原理
为了满足CDMA通信系统对时间同步北斗一号卫星导航定位系统由空间卫星、地面控制与标校系统、用户设备三部分组成。其中空间卫星部分包括两颗地球静止卫星（赤道面东经80°、140°）、一颗在轨备份卫星（赤道面东经110.5°）；地面控制与标校系统包括一个配有电子高程图的地面中心定位控制站，以及几十个分布于全国的参考标校站。
北斗导航系统提供了单向授时和双向授时两种授时模式，通过北斗卫星的广播或定位信息使得用户不断核准其时钟钟差，获得很高的时钟精度。
在单向授时模式下，用户通过接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。地面中心站在出站广播信号周期内的第一帧数据段发送标准北斗时间（含时间修正数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息调制在出站信号中。卫星信号经中心站到卫星的传输延迟、卫星到用户的传输延迟后传送到用户。用户根据本地信号与接收卫星信号之间时标的差值获得卫星观测时间，然后根据广播电文中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先已知的自身位置信息综合计算。一般来说，如果用户自身坐标已知且足够精密，则观测一颗卫星就可实现精密时间同步；如果可观测多颗卫星，则授时精确度与稳定度更高。
在双向授时模式下，用户需要与地面中心站交互信息，向地面中心站发送授时申请信号，中心站收到授时申请后通过卫星发送时标信号给用户，用户将接收到的时标信号返回给中心站。中心站把接收时标信号的时间与发射时间相减并除以2，即可获得中心站到用户的单向传播时延。中心站将该传播时延值发送给用户，用户便可根据接收到的时标信号及单向传播时延完成用户本地时间与系统标准时间的同步。
单向授时模式与双向授时模式的区别主要在于用户到中心站传输时延的获取方式。单向授时模式要求用户根据卫星及自身位置信息等自主计算传输时延，由于卫星位置误差以及建模误差（电离层模型、对流层模型等）都会影响到传输时延的精度，所以单向授时模式的授时精度较低，一般为100ns，双向授时模式授时精度可达到20ns。单向授时模式的优点在于不占用卫星系统容量，而双向授时模式由于需要用户与中心站交互信息，占用了卫星系统的一定容量。
3、CDMA无线通信系统对时钟同步的要求
CDMA无线通信系统属于基站同步系统，基站间无线信道的帧同步以及基站间切换、漫游等都需要精确的时间控制。原则上，CDMA无线信道导频时间校准误差应控制在CDMA系统时间的±3μs内；当基站同时支持多个CDMA频道时，发射的所有CDMA频道的导频时间容限彼此间应在±1μs内。当基站时钟精度误差超过要求的时间容限时，会导致基站间用户切换失败，出现网络掉话率升高、通话质量下降等现象。当基站时钟精度在规定时间内没有恢复正常时，基站会退出服务，导致基站覆盖区内的用户服务中断。
目前北斗一号系统采取单向授时模式时的授时精度可以达到100ns，能够满足CDMA无线通信系统的精确同步要求。如果采取北斗/GPS双模授时方式，则可实现CDMA时间同步备份，大大提高CDMA通信网络的安全性，并且随着未来北斗二代导航定位系统的投入使用，将会进一步提高系统授时精度并提供精确的定位服务。
4、北斗/GPS双模授时系统的组成与应用
北斗/GPS双模授时系统主要由北斗接收模块、GPS接收模块、数据处理模块和接口模块等组成，以北斗/GPS双系统互为备用设计，一般采用单端双模天线输入方式，同时接收北斗和GPS卫星信号。双模系统根据卫星信号选择最优的卫星系统，输出秒脉冲1PPS时钟信息、TOD时间数据信息等。
1PPS信号提供精确的时钟同步信号，脉冲宽度为200-300ms，采用上升沿为准时点，上升时间△T不超过10ns。TOD时间数据信息包含了当前1PPS上升沿所对应的时刻信息，并可用于传送北斗双模系统相关的状态、配置信息；TOD在1PPS上升沿之后1ms开始传送，并在500ms内传完。
北斗/GPS双模授时系统在CDMA网络中的应用可以有
