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GPS在天体测量中的应用1/6GPS在天体测量学中的应用摘要传统的天文测量中,测时一直是一项繁琐的工作,大大影响了天文测量的效率。而应用GPS将能使这一现象得到改观。本文研究了GPS定时型接收机(或具定时功能的OEM板)输出的时间信息的结构、特点及其与天文测量中所用的恒星时的关系;并给出了将GPS用于天文测量的方法。关键词：GPS，天文测量，协调世界时，恒星时，秒脉冲1引言天文学是一门古老的科学。天文大地测量学是测绘科学的一门分支。天文测量的任务是测定地面点的天文纬度、经度和至另一点方向的天文方位角。其目的是为军事工程，一、二等三角和导线测量，以及相关科学研究，提供地面点的天文测量数据。我国的大地天文测量技术也在不断发展。测量中使用的观测仪器基本是光学经纬仪和全站仪。天文测量直接提供的成果有天文经度、纬度和地面目标的天文方位角。天文测量观测硬件设备包括测量经纬仪、守时仪器和计时仪器。同时，为了适应天文观测的特点，天文守时仪器经历了机械天文钟和石英钟守时两个阶段。天文计时仪器从打印计时器发展到电子计数器（如平均时刻计时器、全能计时器）。无线电接收机收录时号是为了进行时刻比对。随着电子科学技术的发展，电子元件由分立式进化到集成电路，加之计算机和卫星定位技术广泛应用，天文守时和计时仪器向集成、高效方向发展。但即使这样，测时仍旧是一项繁琐的工作,大大影响了天文测量的效率。在天文测量中,时间测量是一项不可缺少的工作,占有重要地位。如用常用的无线电法测某地的天文经度,即是测定某地与格林尼治平均天文台在同一瞬间同类正确时刻之差,即包含一个时间测量问题其解算公式可写为：λ=T−𝑇0,其中T为测站本地时,𝑇0为格林尼治时,用多星等高法同时测定天文经纬度,即以时间为观测量,就是利用收时和测定若干个恒星通过同一等高圈的钟面时刻来同时求得测站的经纬度其解算公式为:cosz=sinφsinσ+cosφcosσcostGPS在天体测量中的应用2/6式中t=𝑇观+[𝑆0+𝑇0+𝑇0𝜇+𝜆−𝑇𝑖+𝜔(𝑇观−𝑇𝑖)]−𝛼从上式可知,恒星的赤经𝛼、赤纬σ、时号世界时𝑇0、起点恒星时𝑆0。及钟面时𝑇观为已知,𝜇为常数;而天顶距Z、经度𝜆、纬度φ为未知数,故测三颗等高恒星的钟面时𝑇1、𝑇2、𝑇3,即可求得z、𝜆、φ。由此可见,测时的快慢和精确程度,直接影响着天文测量的速度及精度。目前天文等测量中的授时工作基本还是采取用收讯机加计时器的传统方法进行的。需要精确时刻的用户便可在时号发播的时间内,用收讯机按规定的频率和形式进行无线电时号的收录,再用计时比对器把时号的时刻讯号所对应的钟面时刻记录下来（即对表）。这样,通过收录时号对比,便可求得时号的精确时刻与钟面时刻之差,从而得到相应此瞬间的正确钟面时刻。这种方法所用仪器笨重、不便操作,且受外界干扰较大,已与现代测量不相协调而时间具有全天侯、所受干扰小、高精度、能实时得到精确时刻等其它设备无法比拟的特点,必将代替传统的天文授时方法,成为现代天文授时的手段,大大提高天文测量的效率及精度。2GPS时间系统的特点时间系统作为测时的基准,包括时间尺度（单位）和原点（初始历元）。由于卫星信号的传播速度为2.99792458×108𝑚s，为使星地距离的测定误差小于0.01m,则自卫星信号发射至地面测站接收信号的传播时间（时间间隔）的测定误差应小于3.34×10−11,且卫星信号传播延迟的始末时刻是分别由卫星钟及接收机钟测定的。因此,为了实现GPS精密定时、定位的需要,必须定义和维持一个统一的高精度的时间系统。为此全球定位系统专门建立了GPS时间系统(缩定为GPST)。GPS时属于原子时，其时间单位尺度与原子时相同,但时间起算的原点与国际原子时并不相同,其关系为IAT-GPST=19S。GPS时间系统与协调世界时UTC也不同，UTC可以通过跳秒（一般设置在6月30日或12月31日的最后一秒）来保持与世界时UT相差不大于±0.9秒,而这种时间的跳度将使卫星不能连续导航。因此,GPS时是连续的,其与UTC在1980年1月6日0时相一致,以后随着年月的积累而在整秒差异上不断变化,其关系式为:GPST=UTC+1s×n−19𝑠。GPST与由时间部门所发播的相比较,不仅相差秒的整数倍,在微秒上也略有差异。GPS的时间是由每颗卫星上所装的4台高精度原子钟(两台铆钟和两台銫钟)提供的。虽然銣钟和銫钟精度很高,但仍有频率漂移,将存在钟差、钟速及钟速变化率另外由于相对论效应,卫星钟比地面钟走得快,也将产生时间偏移。GPS要提供高精度的时间,必须对卫星GPS在天体测量中的应用3/6钟进行改正。因此,用GPS主控站的原子钟对GPS时间系统进行控制。亦即地面控制站和GPS卫星钟的原子钟均应与主控站的原子钟同步,并需测出卫星钟的钟差,将钟差信息编人导航电文由上行注人站注人卫星。卫星通过导航电文将卫星的位置参数和时间参数等诸多信息发送给用户,供用户进行精密定时、定位时作用。与GPS时间有关的参数位于导航电文的第一帧,其中包括GPS星期数,卫星钟参数(钟差、钟速及钟速变化率),钟参数对应的参考时刻,钟参数的期令号等,供用户接收机精确定时使用。3GPS时与天文测量中所用时间系统的转换在天文测量中,为了方便控制和计算,一般采用恒星时系统。恒星时系统是以春分点γ作为参考点，用它的周日视运动周期所确定的时间计量系统,常用s表示。因此,恒星时是以地球自转周期为基准所建立的一种时间系统,是地球自转的一种反映。而我们通常所用的为协调世界时UTC系统,UTC是介于原子时与世界时之间的一种均匀时,它以原子时为基准,采用原子时的秒长为计量时间的基本单位,在时刻上进行调整使其与世界时UT1时刻之差不超过±0.9秒。是目前世界上发播标准时间和标准频率的基本形式。目前的定时型GPS接收机(或OEM板)在接收到两颗以上的卫星信号,取得正确导航解后,即能根据卫星发播的测量信号和导航电文中的时间参数来改正传播延迟及接收机钟差等,计算出准确GPS时间与主控站时相差在50ns以内）,并将时刻化为世界上常用的时刻。其输出的UTC时刻与世界标准时刻相差在1us以内,已能为很多部门提供精密的时间基准,但还不能直接用于天文测量。因为无论是GPS时间系统还是UTC时间系统与恒星时系统相比都为两个不同的时间计量系统,其间存在一定的差别。如用GPS进行天文测时,则需进行以下时间转换:(1)GPS时刻化为UTC时刻（此项在定时型GPS接收机（或OEM）内完成）(2)UTC时刻化为UT1时刻，此项改正数在《时间频率公报》中给出。(3)UT1时刻化为恒星时时刻。划算公式如下：1UT1时间单位=（1+u）恒星时单位测站恒星时时刻s=𝑆0+𝑇0+𝑇0𝜇+𝜆𝐸只有进行上述转换后,GPS时才可用于天文测量。GPS在天体测量中的应用4/64获取GPS精确时间的原理及方法4.1GPS精确定时原理全球定位系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量。在伪距导航中的观测量为接收机钟面时与卫星钟面时之差𝜏‘。其定位、定时公式为：𝐶𝜏′+𝐶∆𝑡𝑗=((𝑥−𝑥𝑗)2+(𝑦−𝑦𝑗)2+(𝑧−𝑧𝑗)2)12+𝐶∆𝑡𝑅式中x、y、z表示接收机的三维坐标值,𝑥𝑗,𝑦𝑗、𝑧𝑗为j卫星在同一坐标系中的坐标,其可由卫星发播的导航电文中卫星位置信息经归算得到。这样,式中只有四个待定参数,分别是接收机位置x、y、z和接收机钟差∆𝑡𝑅。只需对四颗卫星进行观测,即可解出接收机位置与钟差,也即实现定位与定时。因此,只有在定时型接收机取得正确导航解的情况下,其定时结果才是精确可靠的。否则共输出的为接收机内部未改正钟差的非准确时间。但如果有一定精度的站址坐标供使用,则只需测钟差一个参数,即只要接收到一颗卫星的信号即可进行精确定时。钟差与位置的精度关系为:1米=3.3纳秒。4.2获取GPS精密时间的方法要从GPS定时型接收机(或具有定时功能的OEM板)中获取精确的时刻信息,必须同时使用其秒脉冲(1PPS)输出及RS-232串行接口的数据输出。RS-232中传出的数据信息为二进制格式或NMEA-0182格式,这两种格式都为常用格式,较易接收其经解码可获时间、日期、经纬度等信息。GPS定时型接收机虽精度很高,但价格昂贵,一般用户难以承受,而具有定时功能的板价格低廉,由其组成的定时系统的精度已完全能满足天文等测量的需要。秒脉冲是一电平讯号,一般以方波形式输出,高电平（一般+5V,也有较少数为低电平的）表示有秒脉冲输（出其持续时间很短,一般在毫秒量级上）,低电平（也有较少数为高电平的）表示没有信号输出。高电平上升沿（也有较少数为低电平下降沿）对应着精确的UTC时刻（此时刻在RS-232中输出的数据信息中给出），与标准时刻UTC相差在以1us以内。因此,可用此电平信号的上升沿对其它设备（如单片机、计算机等进行控制或触发,这样,即可记录下秒脉冲上升沿到来的准确时刻,再从RS-232接口传输的数据中获取UTC时刻数据中有定位时的UTC与授时用的UTC两个时间,我们用的是后者,这点应加以注意）,经计算处理即可求得设备精确钟差,从而得到精确的了UTC时刻,实现的精确授时。GPS在天体测量中的应用5/6通过对大量实验的分析,得知秒脉冲其间隔偶尔会有跳化。秒脉冲,即秒向外发送一个脉冲信号。一般情况下,定时型GPS发送的秒脉冲间隔为精确的1秒(精度约为±50ns,)但有时会有一个跳变,也就是说偶尔有两个秒脉冲其间隔不是1秒,而要相差0.1—0.01秒。例如:前10000个秒脉冲对应计时器以下时刻为0.45秒,而从第次10001开始秒脉冲对应计时器秒以下时刻为0.55秒。这点,用户使用时要充分加以考虑。如用计时型单片机与GPSOEM板组合,其守时精度可达10-6秒以上；如用计算机与板组合,其守时精度可达10-4-10-6秒。用单片机的优点是精度高、可靠性高、体积小缺点是功能单一,可编程空间小,无法对天文观测结果进行实时处理。用计算机的优点是可编程空间很大,可对天文观测结果进行实时处理缺点是计时瞬间如遇计算机有其他高强度操作,则计时易受影响,这就对计时软件有较高要求。因天文测量对时间精度的要求不超过毫米级,因此,可考虑单独用具有定时功能的GPSOEM板的RS-232输出数据定时,如能单独用RS-232输出的数据授时,则要方便得多,且体积小巧。于是对RS-232每秒一次输出数据的首字符输出时刻的稳定性进行实验研究,所使用的时间记录器的精度(中误差为±1.5ms)。通过对1000次实验数据进行的分析,得出如下统计结果:RS-232每秒一次输出数据的首字符输出时刻与时刻1pps加一固定时间段(为一小于秒的时间值,依首条接收信息等语句的不同而有不同)。相差小于1×10−3秒的数据占67.7%，相差大于1×10−3秒但小于2×10−3秒的数据占有30.7%,，相差大于2×10−3秒但小于1×10−3秒的数据占1.6%,而无大于3×10−3秒的数据。于是可得出一结论定时型GPS（或GPSOEM芯片）从RS-232口每秒一次的输出为一定时输出,其数据的首字符输出时刻与秒脉冲上升沿时刻相差一定值,其稳定度在秒以2×10−3上。于是,对于RS-232传输的每一语句,只要预先求出其首字符输出时刻与秒脉冲上升沿时刻的差值T，就可在以后的应用中进行毫秒级授时。这样,就大大简化了GPSOEM板的授时过程及授时系统的结构,也使操作变得更为简单。同时,也降低了用GPS进行天文授时的成本,而其精度已经能满足一等天文对时间的要求,因此,这种方法对天文测量有较高的实用价值。5结论GPS（或具有定时功能的GPSOEM板）的定时精度已完全能满足大多数用户的需要,它的最大优点是操作简便,稳定性高,而且随时可以进行这种时间测定。且具有定时功能的GPSOEM板价格低廉，能为广大精度要求在毫秒级的用户所接受。其用于天文测量，将改GPS在天体测量中的应用6/6变传统测时仪器的笨重与操作上的繁琐,将大大提高天文测量的