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“北斗一号”卫星导航系统授时技术简介

一、概述

随着信息传输和信息安全需求的增加，卫星导航和授时在通信、电力、控制等工业

领域和国防领域有着广泛和重要的应用。GPS导航和授时已经在多个领域得到广泛的

应用，但是由于受美国各种限制，所以在通讯和电力的一些特殊领域，出于对信息安全

性考虑，诸多用户逐渐采用我国自主研发的“北斗一号”系统用于导航和授时。

2007年4月14日，我国成功发射了第一颗“北斗二号”导航卫星。2009年4月15

日零时16分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第二颗北斗

导航卫星送入预定轨道。这次发射的北斗导航卫星（COMPASS－G2），是中国北斗卫

星导航系统（COMPASS，中文音译名称BeiDou）建设计划中的第二颗组网卫星，是

地球同步静止轨道卫星。目前，北斗系统还属于区域性导航系统，其覆盖范围东经约

70°一140°，北纬5°一55°。

北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标

为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这

2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球

心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获

得用户的位置。

由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的

差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。

对于有源定位的北斗系统，其主要功能如下：

1、短报文通信：一次可传送多达120个汉字的信息。

2、精密授时：精度达20纳秒。

3、定位精度：水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。下

行频率：2492MHz，上行频率：1610-1626.5MHz。

4、系统容量：每小时540000户，需要用户申请ID身份识别卡。

二、授时原理

授时即通过某种方式获得本地时间与“北斗一号”系统的标准时间（或UTC时间）

的钟差，然后调整本地时钟，使其精度控制在一定的范围之内。我们首先介绍一下“北

斗一号”卫星系统。

“北斗一号”卫星系统主要有三部分组成：静地导航卫星、地面控制中心和用户部

分，如图（一）所示。

用户接收机通过接收“北斗一号”卫星导航电文，实时测量本地时钟和北斗系统

标准时间（UTC时间）的钟差，从而达到授时的目的。北斗授时具有两种方式：单向

授时和双向授时，两种方式各有优缺点。

三、单双向授时

北斗单向授时（无源定位/授时），如同GPS一样，通过被动接收的方式完成授时。

由于“北斗一号”系统只有三颗卫星，而需要解算四个未知数X、Y、Z、△T(钟差)，

所以需要通过外部输入高度或位置来完成授时。我公司自主研发的BD-6既可以通过外

部输入高度完成授时也可以通过外部输入高度完成授时，接收机在获得高度或位置的情

况下，通过接收卫星的导航电文，解算出本地钟差△T，调整本地时间给出一个脉冲信

号，使其上升沿同步与BD标准时间（UTC时间）的整秒时刻，并通过串口实时输出

脉冲对应的年月日时分秒信息。如图（二）所示。双向授时即采用有源发射的方式授时，

用户机向控制中心发送请求，控制中心经过处理，发送时标信号和传播时延给用户接收

机，通过修正接收机内部的时钟，输出与控制中心同步的1pps信号。如图（三）所示：

图（二）单向授时原理图图（三）双向授时原理图

四、单双向授时的优缺点

单双向授时均存在优缺点，如下表（一）。目前单向授时随着安全性能高、使用方便、

性价比高等优点逐渐在一些领域代替GPS授时，如：电力授时、频率校准、通信同步等。

表（一）

优点