北⽃GPS卫星对时系统（对时装置）应⽤通信系统的介绍
北⽃GPS卫星对时系统（对时装置）应⽤通信系统的介绍
北⽃GPS卫星对时系统（对时装置）应⽤通信系统的介绍
摘要：⽂章介绍了北⽃GPS卫星同步时钟原理，分析了北⽃/GPS卫星时钟在CDMA⽆线通信系统中应⽤的可⾏性，并给出了北⽃/GPS卫星时钟系统的组成和在CDMA中的两种应⽤⽅式。
1、概述
卫星导航定位与授时系统是现代化⼤国极为重要的基础设施，卫星导航系统提供的精密授时在⼀个国家的⼯业、国防、通信等领域有着⼴泛和重要的应⽤。⽬前的卫星导航系统主要有美国的全球卫星定位系统GPS、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、欧洲的伽利略全球导航定位系统Galileo以及中国的北⽃⼀号导航定位系统。北⽃卫星系统是中国⾃主研发的卫星导航定位系统，可以为中国全境和周边部分邻国提供定位、导航、授时和简易通讯服务，特别是对于确保中国国防与通信安全有着重要意义。
CDMA⽆线通信系统属于同步系统，间⽆线信道的帧同步以及间切换、漫游等都需要精确的时间控制，⼀个可靠和⾼精度的时间/时钟源对于移动通信的重要性不⾔⽽喻。⽬前CDMA系统基本采⽤GPS作为同步时钟，但是由于GPS受美国限制，存在⾃主性差、安全性低等问题，同时由于授时系统
没有备份，可能导致GPS⼯作异常时通信质量受到影响。
为了满⾜CDMA通信系统对时间同步的要求与对安全的需要，有必要对北⽃授时技术在CDMA系统中的应⽤进⾏研究，解决GPS不可⽤情况下的CDMA系统授时同步问题。
2、北⽃卫星系统授时原理
为了满⾜CDMA通信系统对时间同步北⽃⼀号卫星导航定位系统由空间卫星、地⾯控制与标校系统、⽤户设备三部分组成。其中空间卫星部分包括两颗地球静⽌卫星（⾚道⾯东经80 °、140 °）、⼀颗在轨备份卫星（⾚道⾯东经110.5 °）；地⾯控制与标校系统包括⼀个配有电⼦⾼程图的地⾯中⼼定位控制站，以及⼏⼗个分布于全国的参考标校站。
北⽃导航系统提供了单向授时和双向授时两种授时模式，通过北⽃卫星的⼴播或定位信息使得⽤户不断核准其时钟钟差，获得很⾼的时钟精度。
在单向授时模式下，⽤户通过接收北⽃⼴播电⽂信号，⾃主获得本地时间与北⽃标准时间的钟差，实现时间同步。地⾯中⼼站在出站⼴播信号周期内的第⼀帧数据段发送标准北⽃时间（含时间修正数据）和卫星的位置信息，同时把时标信息调制在出站信号中。卫星信号经中⼼站到卫星的传输延迟、卫星到⽤户的传输延迟后传送到⽤户。⽤户根据本地信号与接收卫星信号之间时标的差值获得卫星观测时间，然
后根据⼴播电⽂中的卫星位置信息、延迟修正信息以及接收机事先已知的⾃⾝位置信息综合计算。⼀般来说，如果⽤户⾃⾝坐标已知且⾜够精密，则观测⼀颗卫星就可实现精密时间同步；如果可观测多颗卫星，则授时精确度与稳定度更⾼。
在双向授时模式下，⽤户需要与地⾯中⼼站交互信息，向地⾯中⼼站发送授时申请信号，中⼼站收到授时申请后通过卫星发送时标信号给⽤户，⽤户将接收到的时标信号返回给中⼼站。中⼼站把接收时标信号的时间与发射时间相减并除以2，即可获得中⼼站到⽤户的单向传播时延。中⼼站将该传播时延值发送给⽤户，⽤户便可根据接收到的时标信号及单向传播时延完成⽤户本地时间与系统标准时间的同步。
单向授时模式与双向授时模式的区别主要在于⽤户到中⼼站传输时延的获取⽅式。单向授时模式要求⽤户根据卫星及⾃⾝位置信息等⾃主计算传输时延，由于卫星位置误差以及建模误差（电离层模型、对流层模型等）都会影响到传输时延的精度，所以单向授时模式的授时精度较低，⼀般为100ns，双向授时模式授时精度可达到20ns。单向授时模式的优点在于不占⽤卫星系统容量，⽽双向授时模式由于需要⽤户与中⼼站交互信息，占⽤了卫星系统的⼀定容量。
3 、CDMA⽆线通信系统对时钟同步的要求
CDMA⽆线通信系统属于同步系统，间⽆线信道的帧同步以及间切换、漫游等都需要精确的时间控制。原则上，CDMA⽆线信道导频时间校准误差应控制在CDMA系统时间的±3µs内；当同
时⽀持多个CDMA频道时，发射的所有CDMA频道的导频时间容限彼此间应在±1µs内。当时钟精度误差超过要求的时间容限时，会导致间⽤户切换失败，出现⽹络掉话率升⾼、通话质量下降等现象。当时钟精度在规定时间内没有恢复正常时，会退出服务，导致覆盖区内的⽤户服务中断。
接收频道信息失败⽬前北⽃⼀号系统采取单向授时模式时的授时精度可以达到100ns，能够满⾜CDMA⽆线通信系统的精确同步要求。如果采取北⽃/GPS双模授时⽅式，则可实现CDMA时间同步备份，⼤⼤提⾼CDMA通信⽹络的安全性，并且随着未来北⽃⼆代导航定位系统的投⼊使⽤，将会进⼀步提⾼系统授时精度并提供精确的定位服务。
4 、北⽃/GPS双模授时系统的组成与应⽤
北⽃/GPS双模授时系统主要由北⽃接收模块、GPS接收模块、数据处理模块和接⼝模块等组成，以北⽃/ GPS双系统互为备⽤设计，⼀般采⽤单端双模天线输⼊⽅式，同时接收北⽃和GPS卫星信号。双模系统根据卫星信号选择最优的卫星系统，输出秒脉冲1PPS时钟信息、TOD时间数据信息等。
1PPS信号提供精确的时钟同步信号，脉冲宽度为200-300ms，采⽤上升沿为准时点，上升时间△T不超过10ns。TOD时间数据信息包含了当前1PPS上升沿所对应的时刻信息，并可⽤于传送北⽃双模系统相关的状态、配置信息；TOD在1PPS上升沿之后1ms开始传送，并在500ms内传完。
北⽃/GPS双模授时系统在CDMA⽹络中的应⽤可以有两种⽅式，⼀种是作为时钟源直接与互联，另⼀种是作为CDMA地⾯同步⽹的时钟源与地⾯同步⽹相连，通过地⾯同步⽹向提供时间/时钟信息。
北⽃/GPS双模授时系统作为直接时钟源时可采⽤内置或外置两种⽅式。对于采取外置北⽃/GPS双模授时的⽅式，需要注意与双模授时系统间的接⼝问题。由于⽬前CDMA外部时钟接⼝多属于⼚商内部接⼝，各⼚商设备接⼝规格与协议均不⼀样，给外置双模授时系统与的互联带来困难。此外由于原有接⼝主要基于GPS授时应⽤，没有考虑对外置双模授时系统的管理需求，不利于运营商对⽹络的管控。因此需要在采⽤外置北⽃/GPS双模授时前，做好外部时钟接⼝的规范与统⼀，特别是要增加北⽃卫星状态查询、双模系统⼯作模式设置、双模系统⼯作状态查询等⼀系列与北⽃/GPS双模系统特性相关的指令协议。
北⽃/GPS双模授时系统采⽤内置⽅式时，可以将双模系统作为时钟板卡的⼀个附件，简化设备组成复杂度，降低机房设备安装要求，减少因为线缆连接不畅导致的设备故障率。⽽且双模系统采⽤内置⽅式还可以有效利⽤内部指令对双模系统进⾏控制，提⾼设备管控能⼒，是北⽃/GPS双模授时系统作为直接时钟源的应⽤趋势。
北⽃/GPS双模授时系统还可以作为CDMA地⾯同步⽹的时钟源，通过地⾯同步⽹向提供时间/时钟
信息。此时应考虑时钟源在⽹络拓扑结构中所处的层级，以及复杂⽹络环境下时间/时钟信息经由不同介质设备⽽产⽣的精度下降问题。⼀般⽽⾔，1PPS时钟信号经地⾯同步⽹传输后会产⽣200ns左右的偏移，虽然满⾜CDMA导频容限<3µs的要求，但是已经超过国内通信⾏业标准规定的CDMA外部1pps 授时精度<150ns的要求[1]。
因此，在地⾯同步⽹采⽤北⽃授时⽅式时，需要通过开展严格的CDMA业务应⽤性测试来充分验证其可⾏性与可靠性。
5 、结束语
北⽃导航系统作为CDMA系统的时间/时钟同步源，其授时精度可以满⾜CDMA⽆线通信系统运⾏的需要。采⽤北⽃/GPS双模⽅式，可以⼤⼤降低单纯倚赖GPS授时带来的⽹络风险，提⾼⽹络安全性。同时也应看到，时间/时钟的⾼可靠性与⾼精密性是CDMA系统正常运⾏的核⼼和基础。作为⼀项新的⽹络技术，北⽃/GPS双模授时系统在CDMA系统中的应⽤，还应通过实验室与现⽹试验等多种⼿段充分验证其可靠性与精密程度，并⾼度关注其在CDMA系统中的可管可控。
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