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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
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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词的含义。
《南华经·庚桑楚》:“有实而无乎处者,宇也;有长而无本剽者,宙也”。说明空间是无边无际的;时间是无始无终的。
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技术或方法。
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:晚上6点太阳又在正西方;半夜12点根本找不到太阳。
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:
?? ·我要问到国家授时中心的路,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、地貌进行导航的方式,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,形成了使用各种场合的航标,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闪烁。
※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。
?? 白天看不到北极星怎么办?
?? ·看不到北极星就看太阳,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%的都因为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。
·这个测量是有窍门的,那就是时间。
·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:
·这项研究有两个分支:
?--- 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
经度测量实际上是时间测量:
·地球的旋转的圆球,测量经度就非常难了,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,那么久说明此地在伦敦东边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;月亮的运行规律;合适的观测方法。
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,因此每天总有两次或三次,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:建造巴黎天文台,不惜一切代价购置世界上最好的天文望远镜,聘请欧洲的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,减小望远镜图像缺陷;
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,人们终于认识到自己家园的完整样子。
·由于木星观测难度太大,技术上不可逾越的障碍,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
经度法案:凡是有办法在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人奖励两万英镑:将经度确定到2/3度范围内的人奖励1.5万英镑;将经度确定到一度范围内的人奖励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。
·经度委员会组成:皇家学会会长,皇家天文学家,海军大臣,海军总司令,下议院议长,牛津和剑桥大学的一些教授。
这项研究有两个分支:月距法和钟表法。
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(高级人才);精度高(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
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卫星导航中使用伪随机码
·伪随机码,顾名思义,就是假的随机码。
·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,互相关性很小。
接收机测量的伪距包括距离和时间。
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:
·米级的定位,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
-- 相对论改正
·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,时间尺度分为三种:
???????? -- 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。
???????? 经过各种修正后,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度大,精度只有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,并且边缘模糊。
??? ???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细能级结构间零磁场跃迁时,辐射频率的9192631770个周期持续的时间为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号的最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认的国际时间标准。
????? 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。
????? ·北斗二号的系统时间(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,发挥每一个原子钟的好处
????? 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考,也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对表
????? ·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步有多种方式
????? 卫星导航系统的原子钟分布在天上、地上,时间同步方式有四种:
????? ·适用于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
????? ·适用于实验室内的测量
??????? -- 频率测量
??????? -- 周期测量
-- 时间间隔测量
·适用于星上和地面的星地时间同步
·适用于星间的星间时间同步
共视时间比对(原理)
·住在小镇两边的两个人,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较;
·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,然后交换记录的数据。
·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,重要的是同时看到并且同时记录时间。
·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。
??? 两个人想对表。记下自己的时间后出发(甲——8:00;乙——9:00);
??? 两人速度相等,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:(70+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
?·重复一次持续的时间
?·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,但这种粗鲁的办法会吓着羊的,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制方法是调整相位
·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,有个阶跃
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够远就可以了,但卫星导航系统不能这样,因为要考虑多系统共用,需要适当处理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

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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
主控站完成运算
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:
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·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的速率优于1e-14
·实际应用中,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,测量的伪距是每颗卫星的时间与用户时间的伪距,需要将星钟的时间改正到系统时间,得到用户时间与系统时间的伪距。
·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,这在多遮挡环境中非常有利
·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:
??? 在开阔环境,接收机自主解算GSTO较好;
??? 在多遮挡环境中,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,可以获得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优点:提高精度
完好性和可用性,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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