时标的国际比对

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第452页（2494字）

建立国际原子时的200多台原子钟是分布在世界各地的，要进行加权计算，这些钟必须发生联系。即选择一台时钟或一个地方原子时做为参考，测出所有钟与参考钟的时刻差。目前是选用在巴黎的法国时间频率实验室的主钟做参考。因国际计量局也设在巴黎。时刻差利用GPS系统进行国际间时标比对得到。

GPS是全球定位系统的缩写。是美国国防部建立的卫星导航定位系统。该系统由18颗卫星分布在三个轨道平面上组成。卫星绕地球旋转的周期大约12小时。18颗卫星的分布方法是保证地球上任何一点在任何时候都能同时收到4颗卫星，藉以准确的自动的确定目标的位置。目标的位置用地心坐标内的X，Y，Z值即可确定，由于测定目标到卫星的距离是利用信号的传输时间来计算，而目标上的时钟的时刻是不准的，即与标准参考时间的准确偏差是未知的。这样就有4个未知数，故要接收4颗卫星。

用GPS进行定位的简化原理可用图8．7－4说明。

图8．7－4 GPS定位原理

设某一卫星在空间的坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，定位目标的坐标为(X，Y，Z)，信号由卫星传到目标的时间为τ_i，传播速度为C(光速)。

则有 (8．7－1)

R_i=Cτ_i

传播时间是利用卫星发射信号到达接收机的时刻与接收机内时钟的时刻差来判断。若接收钟与卫星钟完全同步，即两钟读数完全一致，则在接收机内自动测得的时刻差Δt_i即为传播时间τ_i。但这一条件很难满足，卫星上用的全是铯原子钟，其时间能保证较高的准确度，但接收机有成千上万台，内部用的都是小体积、价格便宜的石英钟。让所有的接收机内的钟都保持很高的准确度是办不到的。既使存在1微秒的钟差，距离的测量误差就有300米。解决办法是取一标准的参考时间，称为GPS时间，卫星上的钟相对GPS时间偏差为ΔT_si，接收机时钟的偏差为ΔT_L，则从图中可得：

τ_i=Δt_i+(ΔT_L－ΔT_si) (8．7－2)

ΔT_si能准确的予报，在卫星发送的信号中给出，故在(8．7－2)式中算作已知量，Δt_i为接收时在接收机内自动测得值。卫星的坐标(X_i，Y_i，Z_i)也为已知，由卫星传给接收机，这样(8．7－1)式可以写成：

(X_i－X)²+(Y_i－Y)²+(Z_i－Z)²=C²(Δt_i+ΔT_L－ΔT_si)² (8．7－3)

此式内存在4个未知数，X，Y，Z和ΔT_L令i分别等于1，2，3，4即接收4个卫星信号，则可得4个(8．7－3)式的方程。联立求解后，即可得出目标的位置坐标。此坐标也可换算成经纬度和高度显示出来。同时也能给出接收机内时钟的偏差，完成时钟的校准。

如果只是单一的对本地时钟进行校准，且接收机所在点的坐标是已知的，则由(8．7－3)式可知，只要接收一颗卫星即可。GPS时间与UTC的准确偏差由美国发的时间服务公报中给出，这样，用户通过接收得到本地时标与GPS时间的差，然后再利用公报即可推算出与UTC的偏差。但这种直接比对方法的不确定度比较大。原因是GPS系统主要供美国军方使用。供给民用时，美国人为的加了干扰。使得直接定时的不确定度达到了300ns。

国际原子时计算时，各台原子钟与参考钟(原子时用的参考钟)的偏差通过共视法比对求得，即两地的时钟同时接收同一颗星的信号，测出各自与该星上时钟的偏差，再相减即可得两地时钟的偏差，这样各自测量中的误差大部分可以抵消掉。最后两种偏差的测量不确定度可小于10ns。所有参加国际原子时合作的实验室都要配有GPS定时接收机，并按国际计量局公布的共视法比对时间表进行。每月的比对结果都报给国际计量局，在那里这些结果都被换算成与参考钟的偏差，随后进行加权计算，产生国际原子时。

【参考文献】：

［1］王义遒等，量子频标原理，科学出版社，1986。

［2］吴守贤等，时间与频率，科学出版社，1983。

［3］黄秉英等，时间频率的精确测量，计量出版社，1986。

［4］王江现代测量技术，计量出版社，1987。

［5］P. Kartaschoff ,Frequency and Time,Academic Press ,1978.

［6］J. A. Barnes et al. ,Characterization of frequency stability, IEEE Trans Instrum Meas. IM —20,p.105—120,1971.

［7］Time and frequency:Theory and Fundamentals,NBS Manograph 140,1974.

［8］D. W. Allan ,The measurement of fruquency and frequency stability of precision oscillator,Proc.6th Ann PTTI Planning Meeting.

［9］Annual Report of the BIPM Time Sectina,1974.