卫星共视法高精度时间频率
比对与传递系统
目 录
1．概述.......................................................................3
2．卫星共视时间比对与传递系统组成及工作原理...................................4
2.1 卫星共视时间比对与传递工作原理........................................4
2.2 时间比对和传递系统设备配置及连接......................................7
3．经费预算...................................................................9
1．概述
时间是物理学的基本参量之一。随着科学技术的发展，高精度的
时间和频率在国民经济发展中的地位日趋重要，诸如通信、电力、交
通、高速数字网同步等高新技术领域有着广泛的应用，特别是我国国
防建设和空间技术领域，如空间目标探测与拦截（类似于美国爱国者
导弹防御系统）、我国第二代战略武器试验、载人航天工程和拟建中的
二代卫星导航系统对时间和频率的精度提出了更高的要求。
二十世纪末，随着空间技术的发展，GPS和北斗卫星导航系统相继
问世，授时具有了全方位性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全
天候、连续性和实时性，并提供了高精度的授时覆盖和服务。“时间统
一系统”为精密时间产生、传递、恢复和保持、科学研究、科学实验
和工程技术及一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必
不可少的时间基准和依据。
就高精度时间传递与比对系统而言，可以应用于工程项目的主要
包括以下几种：
1．RNSS卫星共视时间比对与传递；
2．RNSS卫星载波相位时间同步；
3．卫星双向时间比对与传递；
4．搬运钟时间比对与传递。
在以上几种方法中，卫星共视时间比对与传递是一种较为优秀的
高精度时间比对与传递系统。
2．卫星共视时间比对与传递系统组成及工作原理
2.1 卫星共视时间比对与传递工作原理
所谓“共视”(Common View)就是位于两个不同位置的观测者，在
同一时刻对同一颗卫星进行观测，其原理如下图所示。

图1 GPS共视法高精度时间同步原理图
图1给出了一个单收系统示意图，在每个比对点，本地钟均按自己
的速率运行。根据比对需求，利用卫星所发射的1PPS秒信号、或其它
固定速率发射的时钟脉冲信号。
在每个测站，利用本地钟的1PPS信号打开时间间隔计数器闸门，
再用从共视接收机所输出的1PPS秒信号关闭时间间隔计数器的闸门。
这样，我们可以得到以下的时间关系（图2）：
在钟1处：
接收时间
1



卫
接收

Tt

计数器读数 = (1)
1
dT)(11



卫
TT

钟 1工控计算机工控计算机GPS共视接收机电子计数器钟 2
工控计算机工控计算机

GPS共视
接收机

电子计数器

GPS卫星
在钟2处：
接收时间
2



卫
接收

Tt

计数器读数 = (2)
2
dT)(22



卫
TT

式中，和为路径延迟，它等于卫星发射时间到接收设备时延。
12


解由(1)和(2)联立的方程组可得
(3)
)(
212121dd
TTTT

由此我们可以求得时钟1和时钟2的钟面值之差。
1
Tt

发射

图2 GPS共视时间比对示意图
由此我们可以求得时钟1和时钟2的钟面值之差。
1
Tt

发射

(3)式表示了卫星导航系统时间时刻，时钟1和时钟2的钟面
发射

T

时刻差，利用共视接收机获得的星历表和对流层、对流层等改正模型
参量，求得(此项在共视接收机中已经作了自动改正)。所以
21


和

(4)
212121dd

TTTTRR

由此，要获得两地之间的钟差，只需要知道参加比对双方各自时
间间隔计数器的读数。
与卫星双向时间同步相类似，在两个相距很远的不同观测者在同

钟1
钟2
T
d1

T
d2

收

收
T

T

卫星
T
卫

发发
一时刻观测同一颗GPS卫星，得到两地观测的差值后，利用卫星信道
以数字编码的形式和通过互联网实时相互传递双方各自时间间隔计数
器的读数。对数据进行统计处理，就可以得到这两地之间时钟的差。
根据处理结果对各自的钟差进行改正，即可实现两地之间的时间同步。

GPS共视比对的优点是能将可能出现的某些误差减到最小。卫星时
钟误差会被全部消除，原因是两地接收机的这一误差是共同的。
早在1984年，东京天文观测站（TAO）和美国海军天文台(USNO)
之间进行了一次共视比对试验。在这个研究试验中，华盛顿与东京之
间约有两个小时的同视时间。观测是在两地的晨昏线时进行的。图3
给出了1984年2月15日在两地获得的数据。横轴以小时为单位表示
时间，纵轴则以纳秒为单位表示东京天文观测站（现在是日本国家光

学观测站）
图3 东京天文观测站（TAO）和美国海军天文台(USNO)之间
共视比对试验结果

与美国海军天文台之间的时间差，两地的时钟用作当地GPS时间变换
单位的基准。当两地都在晚上以及一地是晚上另一地是白天时，两个
台站之间的数据没有发现有不连续的现象。
卫星数量的增多，能在一天里得到足够的数据。通过平滑两天的
间隔，GPS数据中的许多波动可降到最低。鉴于目前铷原子钟和铯原子
钟所能达到的性能，要将当地时标的精度保持在是完全可以的。
13
101




到目前为止，国际权度局(BIPM)下属各时频基准实验室之间的全球高
精度时间比对主要采用GPS共视比对。
2.2 时间比对和传递系统设备配置及连接
根据《电网时间统一系统方案》要求和《电网时间统一系统框架》，
电力系统时间统一系统时间比对和传递系统连接原理框图如图4所示。

卫星授时网络:
发送时间信号

授时中心层网络：
连接各个时间中心的通
信网络，传递比对数据

有线授时网络：
连接区域时间中心和时
间接收点的通信网络；
授时，传递时间数据。

授时中心层：
一级中心和多个
区域中心组成。

授时网络层：
区域时间中心和
直接授时的时间
节点

各种卫星系统：
共视比对卫星、双向法
通讯卫星、授时卫星

时间接收点
卫星接收机：
接收时间信号

卫星接受：
用于间接授时

光通信系统
时间传递

电网时间一级中心：
独立时间频率基准
统一全电网范围的时间

电网时间区域中心：
高精度守时
统一区域电网范围的
时间

时间接收点
时间接收点

同步通讯卫星
中国时间频率基准
UTC(NTSC)

卫星共视
比对系统

双向法卫
星系统

光通信系统：
比对数据传递网络

共视卫星

授时卫星
基准传递系统：
卫星共视系统
双向法卫星系统
光通信时间比对系统

光通信时间
比对系统

图3 电力系统时间统一系统组成框图
由图可见，应用于电力系统时间统一系统的时间比对和传递系统
主要包括一级中心和区域中心等若干个主要节点。图中连线为通信链
路，它除了担负电力网的通信调度任务外，还担负着时频信号和时频
信息传输和卫星共视比对数据的传输任务。时间比对和传递系统设备
连接原理方框图如图4所示。

图4 时间比对和传递系统设备连接原理方框图
应用于电网一级中心/区域中心的GPS/北斗共视时间比对和传递系
统主要设备配置如表1所示。
表1：时间比对和传递系统主要设备

UTC(NTSC)时间系统Internet或电信通信网Internet或电信通信网UTC(k)
时间系统

计算机电子计数器电子计数器计算机

10MHz10MHz

1PPS1PPS

共视接收机接收机共视接收机
接收机

卫星
序号名称单位数量备注
1GPS共视接收机台1
2北斗共视接收机台1
3
原子钟

4
本地分频钟
5转换开关台1
6工控机台1
7ns量级计数器台1
8数据传输设备套1
9设备连接电缆套1
10GPS扼流圈天线台1
11频标分配放大器台1
12脉冲分配放大器台1