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导航与时间讲座
(中国科学院国家授时中心研究员:李孝辉)
一、导航与时间息息相关
 
1.宇宙
宇宙是什么?
庄子《南华经·尸子》:“上下四方曰宇,往古来今曰宙”,以时间和空间作为宇宙一?#23454;?#21547;义。
《南华经·庚桑楚》:“有实而无乎处者,宇也;有长而无本剽者,宙也”。说明空间是无边无?#23454;模?#26102;间是无始无终的。
时间空间组成宇宙,时间测量和位置测量是人类活动的基本特征,时间和位置是耦合在一起的。
2.位置对确定时间很重要
·日初出苍苍凉凉,及其日中如探汤
·月上柳梢头,人约黄昏后
·日上三竿
3.导航要解决位置问题
导航是将航行体从起始点导引到目的地的?#38469;?#25110;方法。
4.根据太阳观察方向就可以看出,时间对导航的重要性
 早上六点太阳在正东方:中午12点太阳却在正南?#21644;?#19978;6点太阳又在正西方?#35805;?#22812;12点根本?#20063;?#21040;太阳。
5.时间在对各种导航方法中都很重要
※海边和内陆的标志导航离不开时间
   标志法导航:
   ·我要?#23454;?#22269;家授时中心的路,别人会说:“华清池往东,过了会昌路200米”这就是标志导航。
   ·标志法导航,这是最早出现的导航方式。
   ·标志法导航就是根据各种地物、地?#27493;?#34892;导航的方式,通常各种标志判断我们的位置和千金的方向。
   标志法导航经常被使用:
   ·标志法导航,最多的就是各种标识牌。
   ·在海边、河中,最常用的就是灯塔。
   ·随着科技的发展,人们设计了各式各样的灯塔,形成了使用各种场?#31995;?#33322;标,指引船只的航行。对水手来说,那一闪一闪的灯塔是无比亲切的。
   现代灯塔发展的难题:背景光影响灯塔
   时间解决了这个难题:同步闪,根据时间控制所有的灯塔同步?#20102;浮?/div>
※大航海时代的天文导航也需要时间
 地球上的纬度容易测量:
   ·北极星的位置是固定的,这提供了一个测量纬度的天然方法。
  ·在地球的不同位置观测北极星的仰角,根据仰角确定纬度。
   白天看不?#22870;?#26497;星怎么办?
   ·看不?#22870;?#26497;星就看太阳,观测太阳最高点出现时的仰角。
   ·这样做有巨大的副作用:当时的导航员,90%的?#23478;?#20026;观测太阳而瞎了眼睛。
经度测量的关键是时间:
·地球是自转的圆球,在一个经度出现的北极星、太阳,下一个时刻就会在另一个经度处出现。经度测量是一个困扰了人们上千年的难题。
·这个测量是?#26143;廈诺模?#37027;就是时间。
·每个地方的本地时间都是不同的,太阳处在最高点是本地时间的中午12点。地球自转一周,也就是经度转了360度,时间刚好过了24小时。
     经度差时间差
测量经度就需要测量时间差:
·这项研究有两个?#31181;В?/div>
 --- 天体位置测量:根据天体的相对位置变化确定时间。例如伽利略的木星、卫星法、利用月亮通过某颗星星位置的木星、卫星法
--- 钟表测量:利用人造的钟表计时。哈里森花30年,研制出四代航海钟,最先实现海上经度的测量。
·最后,这两种方法都在海员中推广开。
※ 现代的无线电导航更是需要时间
无线电导航的原理:
无线电导航时代,人工建起无线电发射站,测量导航者与发射站的距离实现定位。
时间在无线电导航中的作用,与时间在天文导航中的作用相同。在无线电导航中,
观测的基本量是时间,根据信号传播时间计算两者之间的距离。
       卫星导航系统中,原子钟分布在各个部分。
一、无线电导航中的四个问题
1.导航的前提
2.导航的基础
3.导航的心脏
4.导航的未来
经度测量?#23548;?#19978;是时间测量:
·地球的旋转的圆球,测量经度?#22836;?#24120;难了,但窍门其实是有的,那就是时间。
·地球每24小时自转一周,也就是360度。于是,每个小时就相当于经度的15度。只要知道两地的时间差异,就可以知道两者之间的经度差了。
·举例来说,如果知道某地的正午12点正好是伦敦的上午10点,那么久说明?#35828;?#22312;伦敦东边30度的地方。
·于是,经度的问题就转换成一个等价的问题:如何测量两地的时间差。这就是导航的关键,导航的核心就是时间。
喜帕恰斯给出测量纬度的方法:一起看月食,记下当地的时间就可以了。
但月食很难等到。
1514年,德国天文学家约翰尼斯·沃纳提出“月距法”:
月距法的实现,需要三个支撑条件:星星的位置变化;月亮的运行规?#26705;?#21512;?#23454;?#35266;测方法。
伽利略说,我们不用月距法。木星的卫星一年要发生一千次卫星食,因此每天总有两?#20301;?#19977;次,而且这种“食”极有规律。
1666年,法国出场了:国王王路易十四。
首相柯尔贝尔?#33322;?#36896;巴黎天文台,不惜一切代价购置世界上最好的天文望远镜,聘请?#20998;?#30340;顶级科学家进行联合研究,一定要解决经度问题。
·荷兰的惠更斯:研究的钟表,很有希望解决经度问题。
发明了惠更斯目镜,减小望远?#20302;?#20687;缺陷;
发现了土卫六;
发明了测微计,改进望远镜的观测。
·意大利土木工程师卡西尼:
 测量了火星和木星的自转周期;
编制了确定木星卫星运动的星表;
发明了一种物镜和目镜分开的大型望远镜。
巴黎天文台讲木星卫星法推广应用。
“国王陛下,经过三年的观测,我们认为月亮的运行轨迹太复杂,无法朱雀地预测,因此月距法很难被用来测量经度。我们建议采用推广伽利略提出的‘木星、卫星法’。——卡西尼
利用木星、卫星法,绘制出完整的世界地图,人们终于认识到?#32422;?#23478;园的完整样子。
·由于木星观测难度太大,?#38469;?#19978;不可逾越的障碍,用木星、卫星法在海上定位仍然是失败的。于是,巴黎天文台在解决经度的问题上彻底的失败了。
英国也开始努力了
经?#30830;?#26696;:凡是有办法在地球赤道上将经度确定到半?#30830;?#22260;内的人奖励两万英镑?#33322;?#32463;度确定到2/3?#30830;?#22260;内的人奖励1.5万英镑;将经度确定到一?#30830;?#22260;内的人奖励1万英镑。
·为判定解决经度的方案的有效性,政府设立了一个叫经度委员会的机构,负责管理这笔两万英镑的奖金。
·经度委员会组?#26705;?#30343;家学会会长,皇家天文学家,海军大?#36857;?#28023;军总司令,下议院议长,牛津和剑桥大学的一些教授。
这项研究有两个?#31181;В?#26376;距法和钟表法。
钟表法:简单(解三角形);精度低(16公里);价格高(500英镑)
月距法:计算复杂(高级人?#29275;?#31934;度高(40公里);价格低(20英镑)
斗争的结果
·钟表大发展:厄恩肖的航海时计只要65英镑
·零度经线确定:弗拉姆斯蒂德观测的经线
·精密授时:格林尼治天文台落球报时
发展的结果:一起使用
 
卫星导航中使用伪随机码
·伪随机码,顾名?#23478;澹?#23601;是假的随机码。
·伪随机码具有很强的自相关性,但不同的伪随机噪声码,或者一个码的不同部分,互相关?#38498;?#23567;。
接收机测量的?#26412;?#21253;括距离和时间。
如果每颗卫星的时间相同,定位就很容易。
但遗憾的是,在纳秒量级,星钟时间是不同的:
·?#20934;?#30340;定位,要求纳秒的时间同步
·原子钟的时间会偏离,上面的假设是不成立的。
·需要在导航电文中广播星钟的偏差,统一星钟的时间。
卫星位置的确定与定位原理相同
总结单颗卫星的误差源
·与卫星相关的误差
 -- 星历误差
-- 星钟误差
-- 信号发射通道误差
-- 相?#26376;?#25913;正
·路径传播相关误差
-- 电离层附加时延
-- 对流层折射时延
·接收机相关误差
 -- 伪码测距误差
-- 多径误差
 3.导航的心脏——原子钟协同工作
原子钟协同工作的道理和放羊是一样的
·有一个牧羊人,他有几十只羊,要使羊在他周围10米远的地方,他怎么做?
牧羊人需要做的只有四件事
 1)合理设置牧羊人的位置
  2)测量羊与牧羊人的距离
 3)把跑到远处的羊拉回来
 4)处理与其他牧羊人的关系
1)合理设置牧羊人的位置
卫星导航系统中有很多原子钟,就像牧羊人的羊一样,需要将这些羊统一到一个时间标准上,这个标准就相当于牧羊人的位置。
建立原子钟时间统一的标准:系统时间
       ·使用系统内尽可能多的原子钟,建立一个稳定可靠的时间标准,称系统时间。系统时间比每一台原子钟都稳定。
        如何定义时间尺度
       ·只需要寻找一个周期现象,从一个起点开始累积这个周期现象即可。
       ·这种物理现象必须有固定的周期,这种现象可观测、可复现。
       ·按照周期现象的不同,时间尺?#30830;?#20026;三种:
         -- 世界时
         -- 历书时
         -- 原子时
         世界时是使用地球自转周期,以日为基础,分出秒的单位。
         世界时是英国格林尼治天文台的本初子午线的时间。
         经过各?#20013;?#27491;后,地球自转有减慢的趋势。世界时只能达到10-7的精度,1秒有0.1微秒的误差。
       人们转而寻找另一种时间:使用公转周期的历书时。
       ·1960年开始采用历书时:“历书时的起始时刻是世界时1900年1月1日0时,在此时刻上严格与世界时衔接起来;历书时的秒是1960年1月1日0时开始的回归年长度的1/31556925.9747。”
       ·历书时的基本单位是年,将年分成秒。
       历书时的难点是观测难?#21364;螅?#31934;度只有10-9
           太阳的视运动速度比月亮约慢13.37倍。历书时是根据对月亮的观测得到的。
           天体运动规律复杂,望远镜看到的月亮是发光体,并且边?#30340;?#31946;。
       更稳定的时间是原子时。
       ·在1967年的第十三届世界度量衡会议上,决定采用原子时。
       ·原子时的秒长是这样定义的“铯133原子在基态的两个超精?#25913;?#32423;结构间零磁场跃迁时,辐射频率的9192631770个周期?#20013;?#30340;时间为1秒”。
       ·选取1958年1月1日世界时的0时为原子时的时间起点,这样不会造成时间的跳变。(铯原子基态的辐射频率9192631770Hz,原子时的时间单位秒)
       原子时的特点就是极其稳定:能达到10-12,比历书时高1000倍。
       原子时受到的最大攻击:
           如果完全使用原子时,由于地球自转变慢,按照现在的速度。,5000年差一个小时!三万年后午夜零点的时候太阳就升起来,这可怎么办?
           科学家想到了一个和稀泥的方法——协调世界时。
       协调世界时产生
            协调世界时用原子时的秒固定地走,但有时会多出来1秒(也可能少(),保证时刻与世界时的差在0.9秒以内。
       闰秒
            多或少的1秒成为闰秒,一般放在5月31号或者12月31?#35834;?#26368;后一分钟的最后一秒。
            正常的时间:………23:59:58 23:59:59 00:00:00 00:00:01………
            闰秒的时间:………23:59:58 23:59:59 23:59:60 00:00:00 00:00:01………
      协调世界时是目前公?#31995;?#22269;际时间标准。
      卫星导航系统的系统时间需要与UT保持一致
      ·GPS时间(GPST)是一个连续的时间尺度,不作闰秒调整。时间起点定义为1980年1月6日0时,到2009年:
        GPST领先UTC(USNO)15秒。GPST溯源到UTC(USNO),导航电文中广播GPST与UTC(USNO)的偏差模型。
      ·Galileo系统时间(GST)和GPS时间类似,将驾驭到国际时间尺度TAI。它和TAI偏差的估计值将在Galileo导航电文中广播。
      ·北斗二?#35834;?#31995;统时间(BDT)溯源到中国科学院国家授时中心保持的协调世界时UTC(USNO)。
      ·与其他卫星导航系统时间不同的是,GLONASS系统时间引入了跳秒(闰秒),GLONASS的系统时间溯源到UTC(SU)。
      系统时间产生的过程
      好的原子钟——产生基本的时间信号;
      好的比对方法——了解不同原子钟的时间差;
      好的算法——加权平均,发?#29992;?#19968;个原子钟的?#20040;?/div>
      测量羊与牧羊人的距离
          放好一群羊,需要定期测量羊与牧羊人的距离,同样,卫星导航系统中不但要建立一个公共的时间参?#36857;?#20063;要定期测量各原子钟与系统时间的关系这就是时间同步。
      时间同步可以理解为?#21592;?/div>
      ·两个原子钟时间完全对准
      ·两个原子钟的时间差已知
      卫星导航系统的时间同?#25509;?#22810;种方式
      卫星导航系统的原子钟分布在天上、地上,时间同步方?#25509;?#22235;种:
      ·?#35270;?#20110;地面站间的站间时间同步
        -- 共视时间比对:精度1~5纳秒(与两个站距离有关)
        -- 卫星双向时间比对:精度1纳秒
      ·?#35270;?#20110;实验室内的测量
        -- 频率测量
        -- 周期测量
-- 时间间隔测量
·?#35270;?#20110;星上和地面的星地时间同步
·?#35270;?#20110;星间的星间时间同步
共视时间比对(原理)
·住在小镇?#22870;?#30340;两个人,需要比较他们家里的座钟;
·最直接的方法,钟表搬到一个房间里进行比?#24076;?/div>
·但是,这个过程费时、费力,搬走后就没有钟可用;
·共视可以使他们在不移动钟的情况下实现对钟;
·让第三个人在小镇的中间放焰火,每一个人记下看到火光时钟读数,然后?#25442;?#35760;录的数据。
·若第一个钟读数是12:01:35,第二个钟的读数是12:01:47,通过简单的相减就可以确定第二个钟快12秒。
·火光亮起的时间是无关紧要的,重要的是同时看?#35762;?#19988;同时记录时间。
·这就是共视。
双向时间比对(原理)
    在远距离时间比对中,这是精度最高的方法,很多国家级实验室都在使用这种方法。
    两个人想?#21592;懟?#35760;下?#32422;?#30340;时间后出发(甲——8:00;乙——9:00);
    两人速?#35748;?#31561;,10分钟后看到对方的表(甲——我的表9:00;他的表8:10;乙——我的表8:00,他的表9:10);
    因为路上时间,两个人的结论是不同的(甲——他的表慢50分;乙——他的表快70分);
   但两个人只要把结果平均一下,就能得到正确的结论?#28023;?0+50)/2=60。
   两个表差60分钟,这个结论是正确的。
   这种方法里,路上花费的多少时间是无关紧要的,重要的是两个人在路上花费的时间相同。
卫星和地面时间同步
 ·由于地面站的时间同步到了系统时间,卫星与地面同步,以地面站的时间为媒介,就能过渡到系统时间。
 ·同步的精度约为3纳秒
实验室内的频率测量
 ·单位时间内重复发生的次数
 ·重复一?#32428;中?#30340;时间
 ·两个事件发生的时间间隔
时间间隔测量精度的提高方法:
1.提高计数频率
2.将此段间隔放大
频率测量精度的提高方法
把跑到远处的羊拉回来
    怎么把羊拉回来?一把抓起,丢进羊群是一种办法,但这种?#33268;?#30340;办法会吓着羊的,比较好的方法是慢慢的把羊赶进羊群。
原子钟的时间和频率
·原子钟的频率:正弦波,5MHz/10MHz
·原子钟的时间:每秒一个脉冲,脉冲的上升沿表示时间
·为了实现定位,需要将各原子钟的时间统一到一起,这就是钟驾驭
·如何实现原子钟稳定、可靠、准确的驾驭,是一门学科
驾驭前要考虑哪些因素?
 用户需求
 ·有些用户需要时间连续,或者说相位连续
 ·有一些用户需要频率连续
 ·根据不同的需要,有不同的驾驭方法
调整相位
·如果不加控制,原子钟的时间与标准时间会出现偏差,最简单并且最直接的控?#21697;?#27861;是调整相位
·如果钟差超过预设门限,直接调整到零
·这样做的副作用是带来频率的突变,在调整时刻,频率是无限大的,对使用频率的部门是非常不利的
调整频率
·为了减少直接调整相位的突变,可以调整频率
·如果钟差超过预设门限,改变钟的频率,使他朝另外一个方向走
·这种调整频率仍然是不连续的,有个?#33258;?/div>
调整老化
·钟差超过预设门限值,在老化率上加一个控制量,使钟缓慢的变化
·这种方法减小了钟的频率突变
卫星导航系统的调钟方法
·卫星导航系统中的用户,既要使用时间,又要使用频率。
·因此,卫星导航系统中的用户需要时间和频率都连接,但这很难实现。
·因为所有的调整,都会恶化原子钟的稳定度。
·怎么办?
·这里就比牧羊复杂了。
·牧羊人只要注意两个人的位置足?#36745;?#23601;可以了,但卫星导航系统不能这样,因为要考虑多系统共用,需要?#23454;贝?#29702;不同导航系统的时间。
GSTO是各卫星导航系统的系统时间之间的偏差
·GSTO:time offset between GNSSs time

 
GPS时间
Galileo系统时间
时间尺度类型
组合钟:GPS系统内原子钟经kalman滤波器平均
主钟:主动型氢脉泽驾驭
产生方式
主控?#23601;?#25104;运算
Galileo的精密时间设施完成
系统接入方式
广播星载钟修正量
通过直接时间传递或广播修正量
驾驭到TAI
通过USNO
通过Galileo时间服务
与TAI的偏差
14ns(2004年rms)
50ns(要求95%)
偏差不确定度
9ns(2004rms)
28ns(要求95%)

GSTO的大小和速率
·GSTO的大小:
 
·GSTO的速率:
GPS时间通过的速率驾驭到UTC(USNO)
Galileo系统时间的频率准确度由于1e-14/s
一般情况下,GSTO的速?#35270;?#20110;1e-14
·?#23548;视?#29992;中,需要考虑最坏的情况:
·GSTO小于100ns,速率小于1e-13/s
多系统导航的用户需要GSTO
·对于卫星导航系统的用户,测量的?#26412;?#26159;每颗卫星的时间与用户时间的?#26412;啵?#38656;要将星钟的时间改正到系统时间,得?#25509;没?#26102;间与系统时间的?#26412;唷?/div>
·如果用户组合使用不同的卫星导航系统,进行多模导航时,由于系统时间的不同,GSTO将引起定位偏差。
·GSTO引起定位偏差的量为:GSTO×DOP
·多模导航的用户需要对GSTO进行改正
目前,有三种处理GSTO的方法
·第一种方法:用户自主结算GSTO值
 -- 使用两个导航系统的用户,接收五颗卫星的信号,解算五个未知数(x,y,z,t,GSTO)
 -- 使用三个导航系统的用户,接收六颗卫星的信号,解算六个未知数(x,y,z,t,GSTO1,GSTO2)
·第二种方法:导航系统广播GSTO值
-- 用户接收并使用,这样,多模导航的用户只需要接收4颗卫星就可以定位,这在多遮?#19981;?#22659;中非常?#27427;?/div>
·第三种方法:第三方广播GSTO的值
 --使用其他系统(如IGS)广播的GSTO的值
·第一种方法是接收机方法,后两种方法基本相同,属系统级方法
导航电文广播的GSTO精度5ns,因此:
    在开阔环?#24120;?#25509;收机自主解算GSTO较好;
    在多遮?#19981;?#22659;中,使用导航电文中的GSTO较好
基于UTC(NTSC),可以确定GSTO
·国家授时中心保持中国的标准时间UTC(NTSC),并监测每个卫星导航系统的系统时间与UTC(NTSC)的差:
      UTC(NTSC)-GPST,UTC(NTSC)-GLONASS Time,UTC(NTSC)-BDT,UTC(NTSC)-Galileo Time
·基于这些数据,?#26786;曰?#24471;GSTO的值
高精度与高完好性
多系统兼容与互操作
    卫星导航系统将要超过六个,需要实现多系统的兼容与互操作?#35834;悖?#25552;高精度
完好?#38498;?#21487;用性,增强抗干扰能力
各种环境下的无缝导航
深空导航:随着人们探险的脚步迈向深空,在深空的导航问题是需要解决的问题。
 
从茹毛饮血时代开始,人类就开始进行探险,对导航的需求就开始了,这促进了整个科技的发展。
人类探险的步伐不会终止,导航的需求就不会终止,随着人类探险的范围扩展和精细度提高,对导航的需求也会永无止境的发展。
结束语
导航与时间——从古至今,时间与导航都很重要
导航的前提——在地球上划出精确的经纬度
导航的基础——伪随机码测距定位
导航的心脏——原子钟协同工作
导航的未来——现代导航仍有很多问题需要解决
 

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