徐寧波

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北武漢430079;2.遠(yuǎn)東華強(qiáng)導(dǎo)航定位有限公司,河北石家莊050081)

0 引言

時間和頻率與人類的生活越來越息息相關(guān),對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展起著重要作用。隨著北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日趨成熟,基于該系統(tǒng)的授時應(yīng)用也越來越得到人們的關(guān)注。基于衛(wèi)星信號傳遞時間的方法一般有2種:①衛(wèi)星共視法,地面上距離很遠(yuǎn)的2臺或幾臺時鐘進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)同步;②載波相位法,通過計(jì)算2臺接收機(jī)與衛(wèi)星之間的幾何距離得到時間信息。針對簡單便捷應(yīng)用的授時,前2種方法雖然精度更高,但設(shè)計(jì)復(fù)雜需要多臺接收機(jī)同時工作以互相比對提取時間信息,而且地域性受到制約不利于授時接收機(jī)的普遍應(yīng)用。因而提出了應(yīng)用單顆衛(wèi)星采用位置保持模式授時的方法,并在實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

1 授時接收機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 授時接收機(jī)的組成

授時型接收機(jī)是在衛(wèi)星接收機(jī)的基礎(chǔ)上添加了授時模塊。授時模塊主要由本地鐘、時刻比對、鐘差計(jì)算、秒脈沖(1pps)合成和秒脈沖(1pps)合成控制等部分組成,如圖1所示。

從硬件實(shí)現(xiàn)上包括可編程邏輯器件(FPGA)和處理器(DSP)兩部分,通過相互配合來完成授時時標(biāo)的輸出,其中鐘差計(jì)算和1pps合成控制在DSP中實(shí)現(xiàn),其他部分在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

圖1 授時模塊的組成

1.2 授時模塊的功能分析

本地時鐘是一個由溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)驅(qū)動的數(shù)字時鐘,它為整個模塊提供一個本地時刻基準(zhǔn),其實(shí)質(zhì)為一個自由運(yùn)行的計(jì)數(shù)器。

時刻比對單元實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的脈沖信號與本地時鐘的比對。具體工作過程是脈沖信號首先經(jīng)過2級同步化處理,當(dāng)脈沖信號有效時,鎖存當(dāng)前的本地時鐘時刻,然后通知后端DSP讀取,送入鐘差計(jì)算單元。

鐘差計(jì)算單元利用時標(biāo)信號的比對結(jié)果和接收機(jī)的衛(wèi)星星歷、本地坐標(biāo)等數(shù)據(jù),得出本地時鐘與北斗系統(tǒng)時鐘的鐘差。該鐘差送入1pps合成控制單元作為本地鐘調(diào)整和1pps合成的依據(jù)。

1pps合成包括硬件和軟件兩部分。硬件部分FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn),其實(shí)質(zhì)為一累加器,通過控制累加器的溢出時刻來控制1pps脈沖的產(chǎn)生時刻,具體有軟件根據(jù)本地鐘差、合成策略和模式來實(shí)現(xiàn)。

該授時接收機(jī)天線位置坐標(biāo)是已知的,只需要一顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)授時,跟蹤冗余衛(wèi)星以發(fā)現(xiàn)異常。這種方式在授時接收機(jī)中稱為位置保持模式。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 本地時鐘選擇

頻率準(zhǔn)確度是一個靜態(tài)指標(biāo),容易處理,而頻率穩(wěn)定度相對復(fù)雜,授時應(yīng)用對其要求也更高。設(shè)計(jì)中選擇了20 M的TCXO,準(zhǔn)確度優(yōu)于1 ppm,10 s穩(wěn)定度指標(biāo)可達(dá)10-12～10-13,而長期穩(wěn)定度指標(biāo)在10-6～10-7左右,為授時模塊的數(shù)字電路部分提供時鐘驅(qū)動。

利用衛(wèi)星信號恢復(fù)的時標(biāo),受到接收機(jī)噪聲和多普勒影響的因素,在時標(biāo)上疊加有強(qiáng)烈的抖動,其次由于系統(tǒng)殘差,也存在短時的抖動和長期的漂移。其中長期漂移可以通過衛(wèi)星運(yùn)控系統(tǒng)修正,通過修正后的長期穩(wěn)定度是非常高的,可達(dá)10-13～10-14。

因此對于授時應(yīng)用來講,應(yīng)充分利用衛(wèi)星時間信息和本地TCXO,發(fā)揮TCXO的短穩(wěn)特性好及衛(wèi)星信號長穩(wěn)特性好的優(yōu)勢,來恢復(fù)出穩(wěn)定、可靠的授時時標(biāo)信號。

2.2 本地鐘差的處理

本地時鐘是指相對于北斗系統(tǒng)時鐘的鐘差,這部分可以根據(jù)北斗衛(wèi)星播發(fā)信號的整秒間隔作為參照進(jìn)行消除,通常本地鐘差在較短的一段時間內(nèi),如600 s,可以認(rèn)為具有二次曲線特性。由于噪聲的存在,實(shí)際的鐘差測量信號應(yīng)為在該二次曲線上疊加了擾動,這里采用了基于LSM的數(shù)據(jù)處理(最小二乘法)。采用最小二乘法計(jì)算,有5方面優(yōu)點(diǎn):①運(yùn)算簡單,便于嵌入式實(shí)現(xiàn);②具有較高的運(yùn)算精度和較長的時間常數(shù);③一致性好,通用性強(qiáng),可采用不同參數(shù)配置;④算法穩(wěn)定,易于收斂;⑤可實(shí)現(xiàn)濾波、查值和預(yù)估。

2.3 衛(wèi)星位置偏差處理

由于衛(wèi)星位置不是實(shí)時廣播,而且實(shí)際的衛(wèi)星位置與導(dǎo)航測控預(yù)估的位置,也即是廣播中攜帶的位置是有一定偏差的,所以要對這些偏差做一定的處理。這里仿真采用了最小二乘的處理方法。圖2是仿真預(yù)估的衛(wèi)星位置的 x軸坐標(biāo),圖3是預(yù)估衛(wèi)星位置與實(shí)際衛(wèi)星位置x軸坐標(biāo)之間的偏差。圖2和圖3中橫軸樣點(diǎn)的間隔均為min,其他兩軸坐標(biāo)處理方法與x軸相同。

圖2 仿真預(yù)估衛(wèi)星位置圖

圖3 預(yù)估衛(wèi)星位置與實(shí)際位置之間偏差

2.4 授時時標(biāo)合成策略

授時時標(biāo)信號一般設(shè)為正脈沖信號,其上升沿時刻為該衛(wèi)星信號的參考時標(biāo)時刻。不要求時標(biāo)脈沖與接收機(jī)工作時鐘同步,但其上升沿寬度應(yīng)大于工作時鐘頻率所對應(yīng)的周期,以保證時標(biāo)被可靠地采樣。通常時標(biāo)信號由前端接收機(jī)的NCO產(chǎn)生,不必因?yàn)榻邮諜C(jī)失鎖或工作異常而切斷該信號,應(yīng)保持持續(xù)輸出,但當(dāng)衛(wèi)星星歷信息異常時應(yīng)指示時標(biāo)不可用。這樣設(shè)計(jì)的原因在于當(dāng)接收機(jī)由于干擾短暫失鎖或異常時,后端軟件處理時序可保持與前端接收機(jī)一致,異常解除后可充分利用之前的已有數(shù)據(jù),快速進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。1 pps時標(biāo)信號是通過對本地鐘調(diào)節(jié)后的最后輸出,用戶可以對該時標(biāo)信號設(shè)置,以實(shí)現(xiàn)一些特殊功能:①設(shè)置北斗時或北京時;②設(shè)置1 pps自監(jiān)測閾值,當(dāng)由于干擾等原因時,關(guān)閉1pps輸出或指示不可用,一般為300ns;③設(shè)置跟蹤方式,可為單顆衛(wèi)星跟蹤或多顆衛(wèi)星跟蹤;④1 pps脈寬度設(shè)置;⑤1 pps相位調(diào)節(jié)。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

將接收機(jī)輸出調(diào)整后的1 pps與MOTOROLA的GPS授時模塊M12t輸出的1 pps分別接入安捷倫時間間隔計(jì)數(shù)器53132A的通道1和通道2,記錄2個輸出脈沖之間的時間間隔。為了更方便測量,將接收機(jī)的輸出秒脈沖提前了1.25 μ s。然后將測試結(jié)果在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行記錄,圖4即是72小時的測試數(shù)據(jù)。

圖4 北斗授時時標(biāo)實(shí)際監(jiān)測圖

對圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得,標(biāo)準(zhǔn)差為34.7 ns(1σ),符合北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)已經(jīng)在ALTERA EP3C80加DSP6713平臺上成功實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明直接從衛(wèi)星信號提取時間的方法是切實(shí)可行的、實(shí)現(xiàn)簡單,且能夠很好地確定電波傳播折射誤差,校正本地采樣時鐘的鐘差,得到精度高的授時時標(biāo)。北斗衛(wèi)星授時技術(shù)正在成熟,逐步深入日常生產(chǎn)和生活的各個方面。授時產(chǎn)品穩(wěn)定可靠、成本低、精度高,今后將逐步在電力、電信和交通等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

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