徐榮，于永，張北江，趙陸文

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雙模緊耦合定時模塊的技術(shù)實現(xiàn)

徐榮，于永，張北江，趙陸文

（理工大學 通信工程學院，南京 210007）

分析了BDS/GPS雙模松耦合定時模塊與緊耦合定時模塊之間在成本、功耗、體積方面的差距，以及松耦合定時在完好性監(jiān)測方面的不足，從而得出緊耦合在定時方面占優(yōu)勢的結(jié)論。詳細闡述了緊耦合定時模塊的硬件設(shè)計、定位原理、定時原理及策略，實驗結(jié)果驗證了緊耦合定時在完好性監(jiān)測等方面的優(yōu)勢。

雙模；緊耦合；定時

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，電力、電信、軍事等領(lǐng)域?qū)r間同步精度的要求越來越高，使用體積小、成本低、精度高、穩(wěn)定性好的衛(wèi)星定時接收機作為時間同步源已成為主流選擇。長期以來，美國的GPS（全球定位系統(tǒng)）定時型接收機壟斷了國內(nèi)的主要市場，隨著我國BDS（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）的不斷發(fā)展完善，BDS定時型接收機市場份額也在逐年遞增。2012年底BDS完成了對亞太大部分地區(qū)的覆蓋并正式提供PNT（位置、導航、時間）及短報文通信服務(wù)，計劃于2020年實現(xiàn)覆蓋全球的衛(wèi)星導航功能。至2012年底，BDS共16顆衛(wèi)星，其中5顆是靜止地球軌道（GEO）衛(wèi)星。GPS、BDS定時型接收機性能都滿足用戶需求，但業(yè)內(nèi)普遍認為依靠一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行授時，在出現(xiàn)外界故意或無意干擾、故意降低服務(wù)精度和衛(wèi)星健康狀況不良等情況時，其可靠性、安全性無法得到保障，而采用雙模定時則可以提高接收機定時服務(wù)的可靠性、完好性和連續(xù)性，保證用戶系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 雙模定時現(xiàn)狀

全球主要的衛(wèi)星導航系統(tǒng)除GPS和BDS之外，還有俄羅斯的GLONASS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、歐盟的GALILEO（伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)）。但GLONASS、GALILEO由于衛(wèi)星數(shù)量、星座布局等原因，其接收機沒有成為我國市場的主流選擇。由于BDS的GEO衛(wèi)星的下行頻率2 491.75 MHz與GPS的1 575.42 MHz頻率間隔較大，兩者同時被干擾的概率低；并且BDS的GEO衛(wèi)星電離層時延比較穩(wěn)定，S波段相對L1波段而言電離層時延較小，因此國內(nèi)很多廠家的定時設(shè)備采用BDS的GEO衛(wèi)星與GPS組合授時，為方便起見這里將其簡稱為BDS/GPS雙模定時。

目前國內(nèi)大多數(shù)廠家的BDS/GPS雙模定時方案采用了國外廠商成熟的GPS模塊與BDS模塊的組合，這種組合稱為松耦合方式。這種松耦合定時模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由圖1可見，其工程實現(xiàn)比較簡單，兩個模塊單獨運行，通過某種方法選擇一個系統(tǒng)的定時信息和1PPS（秒脈沖）信號輸出。

圖1 松耦合定時模塊結(jié)構(gòu)框圖

以前BDS只有3顆GEO衛(wèi)星，因此定位需使用氣壓高度計輔助，存在高程測量誤差大的缺點；如果手動輸入高程，用戶使用時比較麻煩。即便目前BDS有5顆GEO，但由于星座幾何關(guān)系不佳，定位精度仍不高。松耦合模式下不同源的觀測數(shù)據(jù)不能共用，也就不能充分發(fā)揮系統(tǒng)間優(yōu)勢互補的能力。而采用緊耦合方式，在信息處理時，將同一時刻兩個系統(tǒng)的觀測量整合統(tǒng)一解算，就不必擔心BDS的GEO衛(wèi)星定位時高程和星座幾何因子差的問題，還可以提高自主完好性監(jiān)測能力。

2 雙模緊耦合模塊的實現(xiàn)及測試

2.1 雙模緊耦合定時模塊結(jié)構(gòu)及硬件實現(xiàn)

由于兩個導航系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)要共用，因此雙模緊耦合與松耦合結(jié)構(gòu)上有很大不同。緊耦合定時模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，BDS的GEO衛(wèi)星信號與GPS衛(wèi)星信號在變頻和ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）后送入同一信號處理器，在同一時鐘下處理后的觀測量交給信息處理器統(tǒng)一解算。在硬件結(jié)構(gòu)上減少一路信號與信息處理器件還有輸出控制電路，降低了功耗和成本，具體硬件器件實現(xiàn)如圖3所示。

圖2 緊耦合定時模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖3 緊耦合定時模塊硬件框圖

2.2 雙模緊耦合定位原理

緊耦合定時首先將同時刻獲得的兩個導航系統(tǒng)的原始觀測數(shù)據(jù)（星歷、偽距）輸入到信息處理器中求解，由于目前BDS的GEO衛(wèi)星和GPS所采用時間、坐標系統(tǒng)不同，直接使用觀測數(shù)據(jù)組合解算會導致結(jié)果出錯，因此需要將這些數(shù)據(jù)進行時間、坐標統(tǒng)一后進行求解，得出位置、鐘差、系統(tǒng)間鐘差。

GPS系統(tǒng)時為GPS時（GPST），它溯源到UTC（USNO，美國海軍天文臺），是連續(xù)的時間系統(tǒng)，不作閏秒調(diào)整[1]。BDS系統(tǒng)時為BD時（BDT），溯源到UTC（NTSC，中國科學院國家授時中心），且與協(xié)調(diào)世界時UTC同時作閏秒調(diào)整。兩系統(tǒng)的系統(tǒng)時與UTC的偏差在各自導航電文中播發(fā)，因此觀測量的系統(tǒng)時間可統(tǒng)一到UTC[2]。

GPS采用的是WGS-84坐標系，BDS的GEO衛(wèi)星目前已采用CGCS2000坐標系，兩系統(tǒng)的坐標轉(zhuǎn)換誤差只有厘米級。

兩系統(tǒng)觀測量統(tǒng)一后的定位求解方程組如下[3]：

2.3 雙模緊耦合定時原理及策略

通過觀測量解算或外部設(shè)置得出本地位置后，即可進入定時流程：定時模塊配有溫補晶振（TXCO），可分頻產(chǎn)生本地1 PPS信號，作為定時的參考時標，觀測量的獲取均基于該參考時標；根據(jù)已知的本地位置求得本地時間與UTC的鐘差，然后校準本地時鐘使時差控制在一定的精度范圍內(nèi)，然后將標準時間播發(fā)出去。

鐘差調(diào)整的秒以上部分可以通過導航電文獲得，秒以下部分Δ有2種方法獲?。?）利用定位算法解算得出；2）在天線位置已知的情況下，利用單顆星的偽距觀測量，減去星地距離以及星歷、上下行傳輸路徑、設(shè)備等產(chǎn)生時延誤差得出[4]。本地1 PPS信號就是利用Δ進行修正使之與衛(wèi)星的1 PPS對齊，從而輸出與UTC同步的1 PPS。

圖4 本地1 PPS調(diào)整過程

在本地時鐘校準進入穩(wěn)態(tài)定時后，定時策略流程如圖5所示。

圖5 定時策略流程圖

由于緊耦合定時可以獲得兩系統(tǒng)時之差，因此1PPS校準后主、備用系統(tǒng)（可以根據(jù)實際需要設(shè)定BDS或GPS為主用或備用）切換時不會產(chǎn)生明顯抖動。

2.4 雙模定時干擾測試

為驗證本文實現(xiàn)的雙模緊耦合定時模塊在外界干擾下的自主完好性監(jiān)測優(yōu)勢，將其與自主研發(fā)的單BD定時模塊與國外GPS芯片組合的雙模松耦合模塊進行1PPS抖動對比測試，以GPS馴服過的銣原子鐘作為基準參考源，兩者使用同一個雙頻天線，外部干擾信號源對兩模塊同時進行BDS的S波段頻點、GPS的L1頻點的交替干擾。圖6和7是主要實驗結(jié)果。

圖6 干擾下松耦合定時模塊1PPS切換抖動

圖7 干擾下緊耦合定時模塊1PPS切換抖動

對圖6和7所示的實驗結(jié)果可以這樣來分析：松耦合模式下通道延時不確定性帶來的設(shè)備時延誤差以及時鐘不同源帶來的觀測誤差無法解決，在干擾時只能依靠各自系統(tǒng)的檢測機制，發(fā)現(xiàn)偽距異常變化的時間滯后導致切換定時系統(tǒng)延遲，切換過程抖動大；緊耦合模式下由于時鐘同源，利用同時刻獲得兩個系統(tǒng)觀測值進行對比，在干擾初期就可以發(fā)現(xiàn)偽距抖動，檢測干擾迅速，從而及時切換定時系統(tǒng)，切換過程平穩(wěn)，基本可以忽略切換抖動。這里切換定時系統(tǒng)的門限需要經(jīng)驗值，一般可設(shè)為比正常輸出抖動大40 ns左右即可切換。

在一些多徑環(huán)境中，緊耦合模式還可以利用BDS的GEO衛(wèi)星信號誤差相對穩(wěn)定的特點，甄別多徑誤差比較大的GPS衛(wèi)星信號，不使用其進行定位定時。

3 結(jié)語

緊耦合模式下還可以借助BDS的GEO衛(wèi)星的快速定位，在溫啟動（距離上次定位的時間小于2h的啟動）時利用GPS歷書提高搜索GPS衛(wèi)星的速度。本文實現(xiàn)的緊耦合模塊已在電力、通信基站設(shè)備中得到廣泛應用，長期使用結(jié)果證明性能穩(wěn)定可靠，不過BDS的GEO衛(wèi)星仰角較低，容易被高大建筑物遮擋，而且衛(wèi)星數(shù)量少，因此加入BDS的MEO（中軌道）衛(wèi)星的緊耦合定時是一個發(fā)展方向，優(yōu)勢更加明顯。

[1] KAPLAN E D, HEGARTY C J. GPS原理與應用[M]. 寇艷紅, 譯. 2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[2] 徐榮, 于永, 張北江. BD1無源/GPS組合導航接收機的實現(xiàn)[C] // 第一屆中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會論文集. 北京: 2010中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會組委會, 2010: 5.

[3] 王光鼎, 張升康, 楊汝良. 基于北斗無源與GLONASS導航系統(tǒng)的衛(wèi)星組合導航用戶位置計算[J]. 測繪學報, 2007, 36(4): 377-382.

[4] 謝鋼. GPS原理與接收機設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009．

Implementation of dual-mode tight-coupling timing module

XU Rong, YU Yong, ZHANG Bei-jiang, ZHAO Lu-wen

(Institute of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The differences in cost, power consumption and volume between the BDS/GPS dual-mode loose-coupling timing module and the BDS/GPS dual-mode tight-coupling timing module, and the shortcomings of loose-coupling timing in integrity-monitoring are analysed, thereby it is concluded that the tight-coupling has obvious advantage in timing. The hardware design, positioning principle, timing principle and strategy associated with the tight-coupling timing module are demonstrated in detail. The experiments verify the advantage of tight-coupling timing in integrity-monitoring etc.

dual-mode; tight-coupling; timing

TN965+.5

A

1674-0637(2013)02-0092-05

2012-03-16

徐榮，男，碩士，講師，主要從事衛(wèi)星導航研究。