文_ 北斗天匯科技有限公司

科技與授時(shí)的聯(lián)姻：追溯北斗GPS雙模授時(shí)模塊的成功研發(fā)歷程

文_ 北斗天匯科技有限公司

我國從2000年開始，陸續(xù)發(fā)射了4顆 “北斗一號(hào)”01到04號(hào)試驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星，組成了我國第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。十年磨一劍，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，用戶顯著增加。然而，涉及國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全的通信、電力、金融系統(tǒng)等諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的時(shí)間同步大多采用GPS授時(shí)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，北斗天匯（北京）科技有限公司（簡稱：北斗天匯公司）從成立期初，專注北斗應(yīng)用研究，瞄準(zhǔn)授時(shí)應(yīng)用前景廣闊的市場(chǎng)需求，自主研發(fā)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新，成功研制北斗GPS雙模授時(shí)模塊。

1 授時(shí)模塊的研發(fā)歷程

在首先保證滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的同時(shí)，研發(fā)的每一個(gè)階段均貫徹了雙模備份、兼容性、低功耗等方面的設(shè)計(jì)理念，融合了高精度的授時(shí)算法，支持無源定位和氣壓測(cè)高等功能，完善的圖形化軟件平臺(tái)支持。最終實(shí)現(xiàn)的授時(shí)模塊尺寸小、接口兼容，可以方便的替換原有的授時(shí)設(shè)備，也易于在各種裝備中集成。

以研發(fā)歷程的時(shí)間為序，可以劃分為四個(gè)階段：

（1）組合式北斗單模授時(shí)板卡研制；

（2）一體式北斗單模授時(shí)板卡研制；

（3）小型化北斗單模授時(shí)模塊研制；

（4）小型化雙模兼容授時(shí)模塊研制。

整個(gè)研發(fā)歷程是一次產(chǎn)品升級(jí)、功能完善、技術(shù)進(jìn)步的過程，目前產(chǎn)品的最新版本已經(jīng)處于精度高、體積小、功耗低、成本廉的業(yè)界領(lǐng)先地位。下面對(duì)四個(gè)研發(fā)階段進(jìn)行回顧。

圖1 產(chǎn)品升級(jí)歷程

1.1 組合式北斗單模授時(shí)板卡研制

2007年公司成立伊始，就瞄準(zhǔn)北斗產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)布局，開始了北斗單模授時(shí)板卡的研制。本階段采用獨(dú)立射頻模塊組合信號(hào)處理板的方式，實(shí)現(xiàn)了原型北斗單模授時(shí)板卡，當(dāng)時(shí)公司尚不具備獨(dú)立研發(fā)射頻電路的科研能力，因此射頻模塊外購解決。此階段實(shí)現(xiàn)的技術(shù)跨越主要有，完成了基帶信號(hào)處理的板級(jí)集成，原型產(chǎn)品具備了單向授時(shí)、三星無源定位功能。但存在板卡面積大、厚度超限、成本高等缺點(diǎn)。組合式北斗單模授時(shí)板卡如圖1-1所示。

圖1-1

1.2 一體式北斗單模授時(shí)板卡研制

2007年下半年，在組合式原型板卡成功研制的基礎(chǔ)上，為了克服組合式設(shè)計(jì)帶來的缺陷，公司投入人力財(cái)力進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)入一體式板卡的研制。實(shí)現(xiàn)了射頻基帶一體化設(shè)計(jì)，性能不低于組合式產(chǎn)品。完成本次技術(shù)跨越后，可全部獨(dú)立進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)。一體式板卡解決了厚度超限、成本較高的問題，但其面積問題仍然沒有克服。一體式北斗單模授時(shí)板卡如圖1-2所示。

圖1-2

1.3 小型化北斗單模授時(shí)模塊研制

2008年初，以市場(chǎng)需求為牽引，基于前期的技術(shù)積累，進(jìn)入產(chǎn)品小型化研發(fā)階段。公司機(jī)智攻關(guān)，采用業(yè)界先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和工程方法，對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多種優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化。此時(shí)的產(chǎn)品體積小、尺寸接口實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)對(duì)授時(shí)算法進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了守時(shí)功能，能保證在衛(wèi)星信號(hào)中斷的情況下繼續(xù)提供較高質(zhì)量的時(shí)間輸出。此時(shí)的產(chǎn)品進(jìn)行了多種指標(biāo)測(cè)試，性能完全達(dá)到相關(guān)要求。小型化北斗單模授時(shí)模塊如圖1-3所示。

圖1-3

1.4 小型化雙模兼容授時(shí)模塊研制

2008年中期，瞄準(zhǔn)中國移動(dòng)有關(guān)技術(shù)要求，為了在規(guī)定面積下實(shí)現(xiàn)北斗/GPS雙模，公司又一次完成技術(shù)飛躍，在有限面積下實(shí)現(xiàn)了雙模兼容，2009年初成功完成了小型化雙模授時(shí)模塊的研制。模塊采用先進(jìn)的雙模兼容技術(shù)，確保多種備份切換方式。同時(shí)引入了完善的狀態(tài)檢測(cè)功能，包括天線開短路、信號(hào)完好性等，為用戶提供可靠的時(shí)間輸出。同時(shí)完善了多種協(xié)議，除了支持北斗天匯專有協(xié)議外，還兼容了NMEA0183、TSIP、UBX、BD4.0等多種協(xié)議，用戶使用中可以靈活選擇。加入了板載溫度氣壓期間，通過帶標(biāo)校的高程氣壓算法，實(shí)現(xiàn)了高程輔助的自主定位。完成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程，具備大規(guī)模生產(chǎn)能力。為方便用戶適應(yīng)不同環(huán)境授時(shí)應(yīng)用，開發(fā)了控制軟件與北斗-GPS雙模授時(shí)模塊配合使用。其具有圖形顯示直觀方便；多手段控制，參數(shù)配置靈活；綠色免安裝，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。其顯示如圖2所示。小型化雙模兼容授時(shí)模塊如圖1-4所示。

圖1-4

圖2 軟件平臺(tái)部分界面

根據(jù)上述回顧，現(xiàn)將每一階段產(chǎn)品完成的技術(shù)革新與進(jìn)步以列表的形式展現(xiàn)，如表1所示。

2 研發(fā)歷程中的技術(shù)升華

2.1 雙模備份設(shè)計(jì)

GPS系統(tǒng)作為穩(wěn)定運(yùn)行的成熟系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在北斗授時(shí)模塊中集成GPS模塊，用于系統(tǒng)備份，可明顯提高整機(jī)的可靠性。同時(shí)具備應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)景的雙模切換比對(duì)算法，保證故障識(shí)別的準(zhǔn)確、可靠、迅速。

2.2 兼容設(shè)計(jì)

目前，鑒于非北斗授時(shí)的設(shè)備已大量應(yīng)用于軍民領(lǐng)域，但北斗授時(shí)將逐步占據(jù)主導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡與替換，必須與廣泛使用的安裝尺寸、硬件接口及數(shù)據(jù)協(xié)議等方面盡可能的兼容。本文介紹的產(chǎn)品采用與Trimble resolutionT一致的安裝尺寸和硬件接口，同時(shí)也完全符合中國移動(dòng)北斗授時(shí)規(guī)范中提出的接口要求，其具體尺寸如圖3所示。

表1 研發(fā)歷程對(duì)照表

圖3 授時(shí)模塊結(jié)構(gòu)尺寸

2.3 低功耗設(shè)計(jì)

模塊功耗小于1.5 W（不含天饋）。為了降低功耗，在算法級(jí)和硬件級(jí)均做了相應(yīng)的考慮。在信號(hào)捕獲跟蹤過程中采用FFT、并行運(yùn)算、運(yùn)算單元復(fù)用等方法，降低運(yùn)算量；采用合理有效的任務(wù)調(diào)度策略，使用流水調(diào)度、采用可剝奪式內(nèi)核管理機(jī)制，降低空閑任務(wù)的執(zhí)行周期，縮短任務(wù)切換時(shí)間開銷。上述處理均有效的降低了處理器運(yùn)算負(fù)擔(dān)，降低了工作頻率，進(jìn)而減小了整機(jī)功耗。硬件設(shè)計(jì)上，首先實(shí)現(xiàn)了高效的供電電路，采用合理的變壓策略，降低了功率額外損失；在器件選型上，兼顧實(shí)現(xiàn)功能和降低功耗兩方面需求，使用低功耗器件，在必要時(shí)刻令部分器件進(jìn)入省電模式。

2.4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在很多應(yīng)用場(chǎng)景下要求授時(shí)設(shè)備長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，穩(wěn)定性比精度更為重要，為了加強(qiáng)模塊的魯棒性，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的抗壓測(cè)試，有效排除可能的程序死鎖環(huán)節(jié)，同時(shí)在程序關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置了看門狗機(jī)制，保證程序自動(dòng)恢復(fù)。同時(shí)在協(xié)議數(shù)據(jù)中包括完整的模塊可用性標(biāo)志信息，可對(duì)信號(hào)失鎖、天線開短路、結(jié)果異常等多種情況進(jìn)行數(shù)據(jù)通知，保證結(jié)果完好性。在硬件設(shè)計(jì)中，合理布局布線，充分考慮EMC設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行有效的屏蔽處理，器件選型過程中對(duì)所有器件進(jìn)行溫濕振動(dòng)等環(huán)境參數(shù)審核，避免個(gè)別器件引起整機(jī)穩(wěn)定性下降。

2.5 高精度授時(shí)算法

授時(shí)模塊精度指標(biāo)為：精確度小于10ns（1σ），準(zhǔn)確度小于100ns（位置精確獲取時(shí)）。為了實(shí)現(xiàn)該精度進(jìn)行了如下處理，結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)和工程實(shí)際，采用多種定時(shí)修正與補(bǔ)償算法，最大限度的縮小大氣層、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)、設(shè)備零值，系統(tǒng)殘差項(xiàng)。使用濾波及毛刺剔除算法，消除定時(shí)結(jié)果的粗差。利用板載高穩(wěn)頻標(biāo)，及授時(shí)結(jié)果的歷史信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)守時(shí)，以應(yīng)對(duì)信號(hào)中斷，由于采取了融合算法，使守時(shí)頻率準(zhǔn)確度比板載頻標(biāo)高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 測(cè)試結(jié)論

2007年底北斗天匯公司成功研制的北斗單向授時(shí)模塊，經(jīng)北斗用戶設(shè)備權(quán)威部門的定標(biāo)測(cè)試，精度優(yōu)于30ns。

2008年7月北斗天匯公司參加中國移動(dòng)組織的北斗接收機(jī)實(shí)驗(yàn)室長期性能測(cè)試驗(yàn)證，以及在多個(gè)省市現(xiàn)網(wǎng)上的不同基站設(shè)備內(nèi)部內(nèi)置北斗授時(shí)模塊的同步性能監(jiān)測(cè)、授時(shí)機(jī)與基站接口對(duì)接的性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明北斗衛(wèi)星可以提供長期的小于100ns的時(shí)間精度，完全可以滿足TD系統(tǒng)亞微秒的精度要求。

2009年8月北斗天匯公司參加總部組織的集中裝備采購招標(biāo)，北斗授時(shí)模塊測(cè)試項(xiàng)目滿分，技術(shù)排名第一。

4 總結(jié)與展望

北斗天匯公司歷時(shí)兩年成功研制的高精度雙模授時(shí)模塊，精度高、體積小、功耗低、成本廉，業(yè)已走過自動(dòng)化貼片生產(chǎn)模塊的工藝流程，一條SMT貼片流水生產(chǎn)線月產(chǎn)能2萬塊，為推進(jìn)北斗授時(shí)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，高精度北斗授時(shí)應(yīng)用將會(huì)更好地服務(wù)于國防科技和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。S