GPS、北斗卫星时钟同步技术——GPS卫星参考源

全球定位系统（GPS）Global Positioning System

美国国防部建立的高精度全球卫星无线电导航系统。至少有24颗卫星分布在6个固定平面上围绕地球旋转，卫星高度20200km,旋转周期为11小时58分。地球上的用户在任一时刻都可同时收到4颗以上卫星，确定自己的位置。星上备有铯原子钟和铷原子钟。钟的时间每天由地面监测，并给出相对标准时间UTC(或GPS时间)的偏差。偏差值保持小于30ns，用户可以从收到的导航电文中得到标准时间信息校准本地时钟。

GPS、北斗卫星时钟同步技术——全球导航卫星系统(GLONASS) GLObal NAvigation Satellite System 

俄罗斯建立的全球卫星导航系统。与GPS类似，区别是GLONASS采用频分多址，而GPS是码分多址，星上都配有铯原子钟。用户可以从接收到的信息中得到标准时间信息。

GPS、北斗卫星时钟同步技术——北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System

  北斗卫星导航系列产品

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。在建系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

GPS、北斗卫星时钟同步技术——伽利略卫星导航系统(GALILEO) Galileo satellite navigation system 

建设中的伽利略系统能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求，伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能够在几秒钟内通知用户，对安全性有特殊要求的情况如：运行的火车、导航汽车、飞机着路等，伽利略系统的应用就特别适合。

频标

石英晶体振荡器Crystal Oscillators  

GPS北斗低相噪超高稳时钟  

利用晶体的压电效应与振荡电路产生谐振现象，从而经过放大驱动和输出电路输出标准频率信号。石英晶体振荡器也常简称为“晶振”

按对温度变化的反应特性将晶振分为3类：

XO--------晶体振荡器：温度变化不对频率作出调整

TCXO----温补晶振：根据温度传感器调整晶振输出频率，性能比普通XO改进20倍以上

OCXO----恒温晶体振荡器：晶体外部增加恒温箱体，保证近似恒温环境，性能比普通XO改进1000倍以上

部分TCXO/VCXO同时具有外部电压控制频率的功能

原子频标  atomic frequency standard

时间频率参考源  

以原子在两能级间跃迁时发射或吸收振荡信号的频率为参考，通过锁相环路锁定一个给出实用频率的晶体振荡器，晶振频率与原子跃迁频率具有同样的准确度。原子频标具有很高的频率准确度、长期稳定度、频率复制性和重现性。

铯束原子频标  cesium beam frequency standard

简称铯频标或铯原子钟。利用铯-133原子在其基态的两个超精细能级间的跃迁信号控制一台晶体振荡器，跃迁频率为9192631770Hz，是一种被动型原子频标。晶振的频率，一般为5MHz和10MHz,综合成微波激励信号，其频率接近原子跃迁频率，使铯原子在激励信号的感应下发生跃迁。当激励信号频率偏离原子跃迁频率时，产生一信号去调整晶振频率，使偏差为零，稳定控制后，晶振的输出频率与实际发生的跃迁频率具有同样的准确度。目前商品型铯频标的准确度已达到5×10-13 。

氢原子频标 hydrogen maser

简称氢频标或氢原子钟。分被动型和主动型两种，所用的原子跃迁频率为1420405752Hz，被动型的工作过程类似铯频标，见“铯原子频标”。主动型的又称为氢脉泽。与被动型不同，它不是在外界激励信号的感应下发生跃迁，而是满足一定条件时跃迁自动发生。相当一台自激振荡器。以自激振荡信号为参考锁定一台使用方便的5MHz或10MHz晶体振荡器。与铯频标相比，频率短期（τ≤1d）稳定度比较好，但长期略差，且有频率漂移。

铷原子频率 rubidium frequency standard

  铷原子频率标准

简称铷频标。目前商品的铷频标都是被动的，所用的 跃迁频率6834682608Hz。工作过程类似铯频标。见“铯原子频标”。铷频标的频率准确度较低，一般为10-10～10-11。需用铯或氢频标校准得到。与铯和氢频标相比，具有较大的频率漂移，大约1×10-11 /月量级。但铷频标体积很小、成本低，故应用非常广泛。

振荡器性能对比

相关术语

原子秒 atomic second

目前国际单位制中时间的基本单位，1967年第十三届国际计量大会通过采用。定义为：“秒是铯-133原子在其基态的两个超精细能级间跃迁辐射9192631770个周期所持续的时间。”

一类世界时（UT1）universal time   

   以平太阳秒为单位累积建立的时标，平太阳从观测者所在子午面的下方穿过的时刻为一天的起点，称为观测者所在地的地方平太阳时。本初子午面的平太阳时称为世界时。对地球自转轴的变化引起的观测误差（称为极移）修正后称为一类世界时，代号为UT1，它能准确反映地球在空间的角位置，是天文界使用的时标。UT1日长的不确定度为3ms(r=2)。

国际原子时（TAI）international atomic time  

   以原子秒为单位，从1958年世界时1月1日零时开始累积的时标。由国际计量局利用分布在世界各地的约300台连续工作的原子钟读数加权计算得到自由原子时，再用秒定义的直接复现器进行校准，得到高度稳定和高度准确的国际原子时。

协调世界时（UTC）Coordinated Universal Time

   国际原子时(TAI)与世界时（UT1）协调后产生的时标，所用的时间单位与TAI一样为原子秒，在时刻上与UT1靠近，两者之差小于0.9 s，与TAI相差整数秒。UTC为国际上统一的法定时间，各国家或地区使用标准时间与UTC偏差整小时数，东半球超前，西半球滞后。

频率准确度  frequency accuracy

   频率偏差的最大范围。表明频率实际值靠近标称值的程度。用数值定量表示时，不带正负号。如一个频标频率标称值为5MHz，频率准确度为2×10-10，其含意是频率实际值可能高，但不会高出2×10-10，也可能低，但不会低出2×10-10，即频率实际值f满足下式：5MHz(1－2×10-10)≤f≤5MHz(1＋2×10-10)。

频率稳定度 frequency stability

 描述平均频率随机起伏程度的量，平均时间称为取样时间，为一重要参数。不同的稳定度量值对应不同的取样时间。

相位噪声  phase noise

  频率稳定度的频域表征。定义为单边带偏离信号载频处单位带宽（取1Hz）内功率与载频功率之比。单位为dBc/Hz。偏离载频的偏离值称为傅立叶频率，一般取1Hz～100kHz。

开机特性 warm-up

  一般用于描述石英晶体频标和晶体振荡器在开机初始阶段的频率不稳定情况。目前在计量上规定开机8h内频率的最大变化量，即最大值与最小值之差。

    对于原子频标一般锁定后即能得到所给的频率准确度。但铷频标特殊，锁定后也需较长时间才能得到所给的准确度。故铷频标的开机特性是给出4h和8h后的频率准确度，或指明开机多长时间能达到给定的频率准确度。

频率复现性 frequency repeatability

 频标工作一段时间关机后，下次再开机达到的稳定后，频率值与上次关机时频率值的一致程度。用两次相对频差表示。

锁相环 phase locked loop

  用于控制和调整晶体振荡器频率的闭合环路。相位锁定后，被控晶振与参考信号具有相同的频率并始终保持。锁相环包含有压控晶振、相位比较器和控制电压发生器。

GPS控制的铷频标 GPS controlled rubidium oscillator

  GPS铷原子频率标准

用GPS信号控制一台铷原子频标，使其具有较高的频率准确度，并大大减小铷频标固有的漂移。采用的控制方法是驾驭，测量铷频标分出的秒脉冲与GPS秒脉冲的时差，通过多次测量算出铷频标相对GPS的频差，然后调整铷频标的频率，两次调整的间隔可有1h～2h。

GPS控制的石英频标 GPS controlled quartz oscillator

  GPS北斗同步时钟

利用GPS信号通过相位锁定控制石英晶体振荡器的频率，成为一台高度准确并大大减小老化影响的石英晶体频标，具体方法是令晶振分出的秒信号与GPS秒信号比相，利用锁相环锁定晶振。频率平均准确度可达到10-12量级，但频率短期稳定度会变坏。

NTP网络时间协议简介

  NTP网络时间服务器

NTP（Network Time Protocol）是由美国德拉瓦大学的David L. Mills教授于1985年提出，除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时，它是设计用来在Internet上使不同的机器能维持相同时间的一种通讯协定。时间服务器（time server）是利用NTP的一种服务器，通过它可以使网络中的机器维持时间同步。在大多数的地方，NTP可以提供1-50ms的可信赖性的同步时间源和网络工作路径。

    网络时间协议（NTP）的详细说明在RFC-1305[Mills 1992]中。RFC-1305对 NTP协议自动机在事件、状态、转变功能和行为方面给出了明确的说明。它以合适的算法以增强时钟的准确性，并且减轻多个由于同步源而产生的差错，实现了准确性低于毫秒的时间服务，以满足目前因特网中路径量测的需要。

  NTP是一个跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议，它通常可获得毫秒级的精度。RFC2030[Mills 1996]描述了SNTP（Simple Network Time Protocol），目的是为了那些不需要完整NTP实现复杂性的主机，它是NTP的一个子集。通常让局域网上的若干台主机通过因特网与其他的NTP主机同步时钟，接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务。

PTP网络时间协议简介

IEEE-1588解决方案  

PTP协议 是IEEE1588协议的简称，IEEE1588协议的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准(Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems)”。，IEEE1588协议标准的草案基础来自惠普公司的1990至1998年的有关成果，换句语说，安捷伦科技对IEEE1588协议标准作出重要贡献。安捷伦实验室的资深研究员John Eidson被网络业界视为专家，他的“IEEE1588协议在测试和测量系统的应用”，以及“IEEE1588协议：在测控和通信的应用”两篇论文对IEEE1588协议协议有精辟和全面的介绍。IEEE1588协议协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备(客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE1588协议协议的以太网延迟时间1，000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。

IRIG-B格式  时间码简介

PCI B码时钟卡

IRIG是英文Inter-Range Instrumentation Group的缩写。它是美国靶场司令委员会的下属机构。它的执行委员会是由美国各靶场的代表，三军代表、国防部、国家航空航天局和国家标准局的代表组成。它的职责是负责靶场间的信息交换，制定标准、协调设备的研制和协调靶场间的相互配合。它所制定的IRIG标准，已成为国际上通用标准，在西欧、日本、澳大利亚等处得到了广泛的应用。

IRIG串行时间码格式

IRIG时间码标准有二大类。一类是并行时间码格式，这类码由于是并行形式，传输距离较近，且是二进制，因此应用远不如串行格式广泛。另一类是串行时间码，共有六种格式。即IRIG-A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，从最慢的每小时一帧的D格式到最快的每十毫秒一帧的G格式，各种格式的主要参数如下表所述。

六种IRIG串行时间码格式的主要参数:

IRIG-B格式时间码

由于IRIG-B格式时间码（以下简称B码）是每秒一帧的时间码，最适合使用的习惯，而且传输也比较容易。因此，在IRIG六种串行时间码格式中，应用最为广泛的是B码。B码的波形如图1所示。

1码元识别

①码元：时间格式里的每个脉冲称为码元。码元的“准时”（On Time）参考点是其脉冲前沿，码元的重复速率称为码元速率。B码的码元速率为100pps

②索引计数：每个码元对应一个索引计数。两个相邻码元前沿之间的时间间隔为索引计数间隔，B码的索引计数间隔为10ms。索引计数在帧参考点处以“0”开始，以后每隔一个索引计数间隔增加1，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，索引计数数字从0～99。

③位置识别标志：位置识别标志的宽度是对应时码的索引计数间隔0.8，B码为8ms。位置识别标志P0的前沿在帧参考点(即PR)前一个索引计数间隔处，以后每十个码元有一个位置识别标志，分别为P1、P2……，P9位置识别标志的重复速率为码元速率的十分之一。B码为10pps。

④码字：所有的时间格式都是脉宽码。二进制“1”和“0”的脉宽分别为索引计数间隔的0.5和02。B码的二进制“1”和“0”的脉宽分别为5ms和2ms。

⑤参考标志：时帧的参考标志是由一个位置识别标志(P0)和相邻的参考码元（PR）组成。参考码元的宽度为对应时码索引计数间隔的0.8，B码为8ms。时帧的“准时”参考点是参考码元的前沿。

2.时帧

一个时间格式帧参考标志开始。由两个相邻帧参考标志间的所有码元组成。时帧的重复速率为时帧速率，其周期为时帧周期。B码的时帧速率为1个/秒，时帧周期为1秒。

3.时间编码

①年时间的二一十进制码（BCD码）：各个时间格式都含有年时间的二十进制码，时帧周期越短，信息位就越长。B码为30位，其中天10位（从001到365或366），时6位，分7位，秒7位。时序为秒-分-时-天。位置在P0到P5之间。

②天时间的纯二进制秒码（SBS码）：A、B格式时间码除了有年时间的BCD码外，还有天时间的纯二进制秒码共17位，午夜为0秒，最大计数现86399秒时序，低位在前，高位在后。位置在P8—P0之间。

4.控制功能（CF）

所有的时间格式都预留了一组用于控制功能（CF）的码元。是用于各种控制、识别和其它特殊目的功能编码。IRIG文件104—70指出：控制功能目前打算用于靶场内而不用于靶场间，因此现在没有标准编码系统。时间格式是否包含控制功能以及是否使用编码系统。由各靶场选择。B码控制功能的位置在P5—P8之间，有27个码元。

 5.幅度调制

为了便于传递标准时间格式码，可用其对标准正弦波载频进行幅度调制，标准正弦波载频的频率与码元速率严格相关，一般为码元速率的十倍。B码的标准正弦波载频频率为1KHz。同时，其正交过零点与所调制格式码元的前沿相符合，标准的调制比为10：3，如图—所示。调制后的B码叫IRIG-B（AC）码，未经幅度调制的叫IRIG-B（DC）码。

 时统设备产生的B码信息

1．特标控制码元

在索引计数76至78和96至98，安排了特标控制码元。

2.分站时延修正码元

在索引计数的50～52，54～58，60～68，70～75位，安排了分站时延修正码元，供时统主、分站站间时延自动修正使用。其中，50～52位为分站站地址，其余为时延信息位。

B码的特点

1．时帧速率为每秒一帧。

2．信息量大，经译码可以获得1,10,100PPS的脉冲信号和BCD编码的时间信息以及控制功能信息（如特标控制信息）等。

3．分辨率高：10ms（直流码），1ms(交流码)。