为什么卫星定位系统中必须有一颗卫星来矫正时钟误差

由于不是使用同步卫星，因此卫星相对于地面进行高速移动。所以必须使用相对论进行卫星时间的修正。

参照三球交汇定位的原理，根据3颗卫星到用户终端的距离信息，根据三维的距离公式，就依靠列出3个方程得到用户终端的位置信息，即理论上使用3颗卫星就可达成无源定位，但由于卫星时钟和用户终端使用的时钟间一般会有误差。

而电磁波以光速传播，微小的时间误差将会使得距离信息出现巨大失真，实际上应当认为时钟差距不是0而是一个未知数t，如此方程中就有4个未知数，即客户端的三位坐标（X，Y，Z），以及时钟差距t；

故需要4颗卫星来列出4个关于距离的方程式，最后才能求得答案，即用户端所在的三维位置，根据此三维位置可以进一步换算为经纬度和海拔高度。

若空中有足够的卫星，用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，可以将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，能够提高精度。

电磁波以30万千米/秒的光速传播，在测量卫星距离时，若卫星钟有一纳秒（十亿分之一秒）时间误差，会产生三十厘米距离误差。尽管卫星采用的是非常精确的原子钟，也会累积较大误差，因此地面工作站会监视卫星时钟，并将结果与地面上更大规模的更精确的原子钟比较，得到误差的修正信息。

最终用户通过接收机可以得到经过修正后的更精确的信息。当前有代表性的卫星用原子钟大约有数纳秒的累积误差，产生大约一米的距离误差。

为提高定位精度，还可使用差分技术。在地面上建立基准站，将其已知的精确坐标与通过导航系统给出的坐标相比较，可以得出修正数，对外发布，用户终端依靠此修正数，可以将自己的导航系统计算结果进行再次的修正，从而提高精度。例如，全球定位系统使用差分全球定位系统后，定位精度可达到5米左右。

扩展资料：

空间定位原理

在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置。

原理如下：因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，其定位精度与GPS相当。北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。三颗导航定位卫星的发射时间分别为：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日，第三颗是备用卫星。2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。

北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。 北斗二代卫星定位系统的英文为Compass（即指南针），在ITU登记的无线电频段为L波段。

北斗一号系统的基本功能包括：定位、通信（短消息）和授时。

北斗二代系统的功能与GPS相同，即定位与授时。 “北斗一号”卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：249175MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。 1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

2、卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

3、定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

4、实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

综上所述，北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。但最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导少的初步起步系统。此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在此基础上还将建立中国的GPS广域差分系统。可以使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。

　　GPS授时准确，因为GPS授时是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS卫星信号就能保证时钟的走时准确性。

　　网络授时是指NTP协议全称网络时间协议(Network Time protocol)。它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间。具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度。

　　GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。

北斗导航系统的使用可以为我们提供多数的便利性，功能包括导航，定位，授时等。授时是其中之一，主要是指通过维持一个准确的时间尺度，用有或无线的方式将这一标准尺度的时间信息发送给用户手中的过程，就好比生活中两个人通过各自的手表来进行校准时间一样。网络校准的时间一般都是一种约定时间，准确的时间大多数是由卫星上搭载的原子钟确定，它在地面上已经经过校准，发射后由地面结合多个卫星统一对卫星时间进行校准。

卫星导航系统导航时的定位原理是时间同步，卫星也含有授时功能，使用应用最广的授时系统。相关设备从卫星信号上获取到标准时间信息，再将这些信息用各种不同的接口传送到有时间信息需求的设备，比如计算机，采样设备等。这样多个设备时间就同步了，也可以用来给其中一个设备校准时间，形成卫星授时的具体过程。

导航卫星发送信号里含有发送信号标准时间相关信息及卫星位置信息等。接收目标一共有四个未知数，分别是三维位置和时间，它的原理是使用接收到的其他卫星信号，经过计算卫星间的信号传输距离得出三维位置、时间等未知数，一般卫星信号来源四颗或以上的卫星。

卫星的授时功能是一种贡献大的功能，生活中的方方面面都需要用到它，它和定位、通信等一起组成卫星三个重要的服务。定位功能侧重地理位置，通信侧重发送数字简报，授时可以让用户有效获取时间，它们都是卫星不可缺少的重要功能，有着举足轻重的地位。目前卫星的授时精度已经达到了十纳秒量级。

GPS授时：GPS授时模块在任意时刻能同时接收其视野范围内4~8颗卫星的信号，其内部硬件电路和软件通过对接收到的信息进行编码和处理，能从中提取并输出两种时间信号：一个是间隔为1秒的同步脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与UCT的同步误差不超过1ns，二是包括在串口输出信息中的UCT绝对时间（年、月、日、时、分、秒），它是与1PPS脉冲想对应的。一旦天线位置固定下来，它只需要接收一颗卫星的信号变可维持其精密的时间输出。

北斗授时：北斗授时类似于GPS授时，也是卫星授时的一种，采用中国的北斗导航系统进行高精度授时。北斗授时模块授时原理：北斗卫星系统中的高精度原子钟的准确时间发送给北斗授时模块，通过北斗授时模块的PPS（秒脉冲）输出脚输出给用户使用，目前北斗授时模块的pps精度能达到10ns。

需要注意的是，SKYLAB定位模块定位后输出的时间是UTC时间，但是定位模块获取的时间实际上是GPS时或者北斗时，此时需要从GPS时或者北斗时换算成UTC时再输出，因此定位模块需要知道GPS时或者北斗时和UTC的时间差——我司通常称这个差值为闰秒修正值或者跳秒数。定位模块初始定位后一般不能立即从卫星获取闰秒修正值，需要等待一段时间，因此定位模块刚定位后，输出的时间有可能和UTC时间有偏差，可能不是正确的UTC时间——是否有偏差取决于定位模块内部保存的闰秒修正值，SKYLAB定位模块在每次从卫星更新到闰秒修正值后，保存在芯片内部，下次定位时会使用这一修正值直至被更新的修正值替代（该特性仅限A/AT、D/DT系列）。如果定位模块内部预设或者保存的闰秒修正值与当前的闰秒修正值不一样，此时输出的时间不是UTC时间，此时从不正确的时间调整为UTC时间的过程，会出现定位模块输出的定位信息中，某个时间出现了两次的情况，如出现了两个时间一样的RMC语句。SKYLAB的AT、DT系列授时模块（SKG12AT/SKG12DT/SKG17AT/SKG17DT）可以提供闰秒修正值是否更新的信息。