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時鐘同步系統發展及相關技術介紹!
作者:admin    發布日期:2018-2-24     關注次數:     二維碼分享


高精的時鐘同步系統越來越廣泛,不管是電力、通信、學?;蚴轻t院等等場合,時鐘同步至關重要。那么時鐘同步的相關技術發展怎么樣,發展時鐘同步系統的意義有哪些等問題,就是擺在時鐘同步系統生產廠家的問題。西安寶宇科技有限責任公司一家專業生產時鐘同步系統的廠家,公司為了普及時鐘同步系統相關技術問題,特撰寫此文與大家共同學習。有需要相關時鐘同步系統產品的,都可以直接與我們設備專員聯系。

西安塔鐘

1、時間及時間計量

時間是物質存在的基本形式,通過某種運動的物質為參考物,將其運動過程作為計量時間,把其他物質的運動過程與參考物比較,從而判別和排列事件發生的先后順序和運動快慢程度,從而對它們進行觀察、分析和研究。

時間的計量通常包含兩種不同的含義:時刻和時長。時長即為時間間隔,表示物質運行過程中的不同狀態之間的時間歷程。時刻是指物質在某一運動過程中的瞬間狀態與時間原點坐標的時間間隔。

客觀物質世界的運動和發展過程差別較大:天體的年齡上百億年,而人類文明史僅僅幾千年,一些基本粒子壽命還不足納秒。如此廣泛的區間,使用唯一的物質運動過程來計量時間是不可行的,必須根據實際問題,采用不同的時間計量方法。

地球自轉運動成為人類第一個計量時間的標準,單位是平太陽日,即為日常生活中的天,一天有秒。世界時不僅是一種時間計量系統,同時也是對地球自轉的直接描述,通過天文觀測測定,也叫天文測時。受到晴天夜的影響,天文測時需要精密的天文時計將天文測時記錄下來。天文臺通過無線電訊等傳播方法,將該時刻發送出去,為用戶服務,從而進行授時工作。

隨著科技的不斷發展,時間計量單位秒也在改進中,近二十年來主要發生了二次改革。第一次為歷書時的誕生,由于地球自轉不均勻,在二十世紀將世界時進行了調整。根據1958年國際天文學聯合會的決議,1960年使用歷書時替代世界時。歷書時與世界時不同,歷書時以地球公轉為基礎,歷書時起始于年月日時。歷書時通過月球測定,一般只有秒的精度,該精度過低無法滿足高科技領域的工作需要。第二次為原子時代替歷書時,起始于1958年1月1日0時。

雖然時間計量單位進行了二次重大的改革,但世界時在日常生活中仍然被廣泛使用。為了將原子時和世界時進行協調,國際上規定了以協調世界時為標準時間和頻率。協調世界時和原子時在單位記錄上是相等的,兩者在時刻上也十分相近,其差值為在一秒以內。為了保持該差值,可能需要對協調世界時進行相應的調整。

隨著科技的不斷發展,尤其在數字通信、遠距離無線電導航工作領域,人們對時間的精度要求越來越高,時鐘同步技術和授時技術也不斷發展。時間頻率的無線電訊號波段十分廣泛,從高頻、低頻較終演變成無線電頻譜;傳遞訊號的手段也不斷發展,由較早的授時臺不斷演化出了電視臺、導航衛星、直播電視衛星、通訊衛星以及微博中繼通訊站,甚至訊號方式也在不斷的變化,從單一的秒脈沖方式到后來的多脈沖以及中間編碼等。時鐘同步的精度也隨著這些科技的不斷進步不斷的提高,由較初秒級別提高到納秒級乃至皮秒級。

2、時鐘同步系統技術的發展

時間同步就是將不同地方的時鐘對準,以其中一個時間作為標準時間,將另一個時鐘調整成標準時間,從而達到時鐘同步。

時鐘同步的關鍵技術是將標準時間傳送到待校正的目的時鐘,時鐘傳遞技術歷史悠久,在近代發展突飛猛進。在發明無線電之前,直接釆用搬鐘法,曾經近百臺時鐘搬運到巴黎,與巴黎本地時鐘進行比對。20世紀初期,人們開始使用無線電波廣播時間信號。中國于1926年在上海開始使用無線電廣播信號,在1981年7月份過后,中國開始使用由陜西天文臺廣播的短波無線信號為人民提供標準時間和標準頻率信號。由于使用短波需要經過大氣層,然后經反射時間信號才能傳遞給目的用戶,其時間精度僅為毫秒級。為了獲取更高的精度,改用了頻率相位較穩定的低頻電頻信號,精度可達到微秒級。

1970年后,以甚低頻作載波的奧米加導航系統幵始使用,其使用范圍覆蓋世界各個角落,尤其是在西太平洋、北大西洋和北美地區。該系統不僅僅可以播報時間,而且可以進行相關導航任務,授時精度為百納秒級。全世界除了奧米加導航系統外,還有20個由10個國家組建的甚低頻發播臺。其中包括由14條臺鏈、44個發播臺站組成的美國羅蘭C長波導航系統,發射頻率100KHZ,其精度比甚低頻導航系統更高,授時精度為1PS,地波覆蓋范圍廣,而且價格低廉、地面結果相對簡單,精度也足夠高,因此一直受大眾的歡迎,成為了國家時間基準和頻率基準比對的主要手段。

陜西天文臺于1979年開始試播長波時號,發射頻率和信號格式等與羅蘭導航系統相同。20世紀60年代后期到70年代,許多國家都試驗了用電視信號傳遞時間的方法,其精度可達微秒級。目前這一方法己得到了許多國家采用。我國于1974年由北京天文臺開始進行無源電視授時方法的試驗,已達到國際水平。

隨著技術的不斷發展,各種頻率和波段的無線電波的各項指標,如覆蓋范圍、傳輸精度、傳輸方法已經發展到了瓶頸,難以進一步提高??臻g技術的不斷發展,打破了傳統無線電波授時的瓶頸,人造衛星解決了傳統授時的許多困難,覆蓋范圍大,傳輸過程中經過的電離層和對流層相對整個傳輸過程距離很短,因此可以精確估算出衛星授時的傳播時延,從而進一步提高授時的精度。

在1962年,英國和美國之間首次利用了低軌道的通信衛星完成了兩個不同國家時間比對,較終衛星鏈比對精度為1PS,衛星鏈包括了地球站的守時實驗室的通信鏈,其精度約為20PS。隨著科技的發展,通信、導航、空間跟蹤、地球物理、大地測量、射電天文等領域對時間的精密越來越高,使用高精度的用戶不斷增加,運用衛星系統進行時間頻率傳遞的技術越來越受人們的重視。目前的子午儀衛星系統的傳遞時間與世界協調時保持在10PS范圍內。

美國國家標準技術局的廣播服務衛星系統由GPS、GLONASS,GOES組成,可以連續的為人們提供標準時間,該系統有兩顆分別位于赤道上空的同步衛星范圍覆蓋了西半球大部分地球和美國全境,衛星播發時間信息,時間信息包含了完整的年時間、和衛星當前位置,通過接收機可以獲取實時精度為100PS精確時間。

1976年,美國利用應用技術衛星進行雙向比對試驗,精度為1NS。后來,美國在年使用了民用通信衛星進行雙向比對試驗,精度高達100PS。在1979年,中國的交響樂通信衛星等上歷書舞臺,被用來首次進行了時間對比試驗,試驗的目標分別為法國和德國。

3、時鐘同步系統的意義

隨著科學技術的發展,高精度的時間被運用在各個領域,尤其在國防和其他高尖端的科技領域中,時間同步要求精度在納秒或者更高。眾所周知,對于國防科研試驗,時鐘同步尤其重要,如火箭的準確的發射時刻關系到整個實驗的成敗,而這個時刻的準確標志是時鐘同步系統確定的,不僅僅是火箭的發射時刻,時鐘同步系統和國防科研試驗的許多重要事件密不可分,如火箭在發射前的點火時刻、發射后的關機時刻、多級火箭級間的分離時間、火箭與航天器的分離時間、航天器入軌時間、航天器回收制動火箭點火時間、常規武器試驗的炮口時間和離梁的時間等都需要時鐘同步系統提供準確的時刻。

在導航領域中,GPS可以實時的定位目標的確切位置,并反饋給用戶,使其在導航領域廣泛應用。在當今航天航空領域,GPS技術幾乎是不可或缺??臻g固態GPS姿態和軌道確定的GPS接收機,可為航天器制導及控制提供位置、速度、姿態、姿態角速率和時間等多個輸出狀態。這種不需地面觀測值和數據處理的技術,必將取代傳統的測姿和地面軌道位置確定設備,實現航天器自主軌道確定和姿態確定。用于航天器的交會對接過程,就是的定位技術的應用。

航天器在空間完成交會對接是一項龐大的工程。從測量設備講,在交會對接過程中要求有大量準確的測量信息。目前使用的各種空間測量設備、系統的性能各不相同,難以滿足整個交會對接過程中的所有測量要求,使得測量工作變得非常龐大、復雜。如果在目標航天器與追蹤航天器上各安裝一臺接收機,則交會對接的大部分階段的測量任務可由完成。具有測量準確、精度高、不受時間限制、系統價格便宜、設備簡單、可實現航天器交會自主控制等優點。

在Internet網絡中,時鐘同步也有著十分重要的意義。其中的一個領域即為網絡時延的測量,目前中國的網絡高速發展,網絡的暢通對個人和企業都十分重要,觀測某個網段乃至整個網絡的情況十分重要,由于路由算法、網絡擁塞狀況的不同,數據包在傳輸過程中的時長也不同,通過檢測數據包的網絡時延可以推斷網絡的擁塞狀況,而要精確的測量網絡時延,其前提條件就是時鐘同步系統,只有通過時鐘同步系統將各個目標站的時鐘進行同步,才能準確的計算出數據包的準確傳輸時延。

通過研究基于GPS的低成本實時性高精度時間同步系統,并在完成GPS時鐘同步系統的基礎研究上,做了相關的應用。本文利用該GPS時鐘同步系統進行了兩個相關的應用:一個為互聯網相關應用,完成了授時精度測量。另一個為雷達時標評測系統,通過精度的測量,表明授時精度無法滿足雷達時標評測的時間精度要求,需要使用時鐘同步提供時間精度高的系統,在時鐘同步系統的基礎上,雷達時標評測系統設計了一個WEB項目,該項目完成了對雷達時標設備的時間精度評測。

4、國內外時鐘同步系統現狀

第一個解決區域時鐘同步難題的是美國在1905年研發的無線電授時系統,也是現代化授時技術的開始。無線電波使用的短波波段,由于短波的傳輸容易受到傳輸媒介的干擾,加之以無線電波經過大氣層的傳輸,傳播的媒介隨著大氣不斷地變化,導致傳播速度也發生變化,因而傳播時延的不穩定性,因此短波波段授時的精度較低。雖然當時,無線電授時從事工作人員已經確定了短波傳輸的缺點,而長波傳輸可以克服相關的困難,但直到1960年左右,人們才開始普遍使用長波作為時間傳輸的媒介。

第一個長波授時系統是羅蘭C長波系統,長波系統具有長波波段的強干擾等特性,使得其授時系統精度較高。然而長波系統由于能量較低,長波范圍相對較小,對于需要大范圍進行時鐘同步的應用,其還存在自身的缺陷,因此長波系統無法被廣泛使用。

人造衛星的出現,使得大范圍的時鐘同步系統成為可能。顆人造衛星就可覆蓋全球,衛星授時過程中的能量衰減較小,長距離的傳輸使得大氣層的媒介因素導致的傳播速度變化的影響大大減弱,衛星授時成為當前方法使用的授時方法。目前衛星授時系統主要有4個,分別是美國的GPS系統、中國的北斗系統、俄羅斯的GLONASS系統和歐洲旳伽利略系統。

美國的GPS是美國在1920年研發的一套海陸空全方位實時的導航、定位系,通過20年的不斷完善,目前,用戶已經僅僅需要相應的衛星接收終端設備,一般為GPS接收機,就可以享受系統的各類導航功能。隨后,中國成為繼美國、俄羅斯后的又一個擁有自己研發的衛星系統,即北斗衛星導航系統。

中國在2000年10月、2000年12月、2003年和2007年2月先后發射了4顆北斗衛星,目前,已經在上海己經有以北斗衛星導航系統的高精度手機,融合了地面增強系統,在交通工具上均能實現均值導航。北斗導航系統已經獲得國際海事業組織的認可,有望在年左右實現全球導航定位,中國有望成為第三個提供全球導航定位服務的國家。

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