北斗卫星授时接收机的设计与实现

徐宁波

(1.武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;2.远东华强导航定位有限公司,河北石家庄050081)

0 引言

时间和频率与人类的生活越来越息息相关,对国民经济建设和发展起着重要作用。随着北斗一号卫星导航系统日趋成熟,基于该系统的授时应用也越来越得到人们的关注。基于卫星信号传递时间的方法一般有2种:①卫星共视法,地面上距离很远的2台或几台时钟进行比较而实现同步;②载波相位法,通过计算2台接收机与卫星之间的几何距离得到时间信息。针对简单便捷应用的授时,前2种方法虽然精度更高,但设计复杂需要多台接收机同时工作以互相比对提取时间信息,而且地域性受到制约不利于授时接收机的普遍应用。因而提出了应用单颗卫星采用位置保持模式授时的方法,并在实践中得到验证。

1 授时接收机设计方案

1.1 授时接收机的组成

授时型接收机是在卫星接收机的基础上添加了授时模块。授时模块主要由本地钟、时刻比对、钟差计算、秒脉冲(1pps)合成和秒脉冲(1pps)合成控制等部分组成,如图1所示。

从硬件实现上包括可编程逻辑器件(FPGA)和处理器(DSP)两部分,通过相互配合来完成授时时标的输出,其中钟差计算和1pps合成控制在DSP中实现,其他部分在FPGA内部实现。

图1 授时模块的组成

1.2 授时模块的功能分析

本地时钟是一个由温度补偿晶体振荡器(TCXO)驱动的数字时钟,它为整个模块提供一个本地时刻基准,其实质为一个自由运行的计数器。

时刻比对单元实现接收机的脉冲信号与本地时钟的比对。具体工作过程是脉冲信号首先经过2级同步化处理,当脉冲信号有效时,锁存当前的本地时钟时刻,然后通知后端DSP读取,送入钟差计算单元。

钟差计算单元利用时标信号的比对结果和接收机的卫星星历、本地坐标等数据,得出本地时钟与北斗系统时钟的钟差。该钟差送入1pps合成控制单元作为本地钟调整和1pps合成的依据。

1pps合成包括硬件和软件两部分。硬件部分FPGA内部实现,其实质为一累加器,通过控制累加器的溢出时刻来控制1pps脉冲的产生时刻,具体有软件根据本地钟差、合成策略和模式来实现。

该授时接收机天线位置坐标是已知的,只需要一颗卫星即可实现授时,跟踪冗余卫星以发现异常。这种方式在授时接收机中称为位置保持模式。

2 关键技术分析

2.1 本地时钟选择

频率准确度是一个静态指标,容易处理,而频率稳定度相对复杂,授时应用对其要求也更高。设计中选择了20 M的TCXO,准确度优于1 ppm,10 s稳定度指标可达10-12～10-13,而长期稳定度指标在10-6～10-7左右,为授时模块的数字电路部分提供时钟驱动。

利用卫星信号恢复的时标,受到接收机噪声和多普勒影响的因素,在时标上叠加有强烈的抖动,其次由于系统残差,也存在短时的抖动和长期的漂移。其中长期漂移可以通过卫星运控系统修正,通过修正后的长期稳定度是非常高的,可达10-13～10-14。

因此对于授时应用来讲,应充分利用卫星时间信息和本地TCXO,发挥TCXO的短稳特性好及卫星信号长稳特性好的优势,来恢复出稳定、可靠的授时时标信号。

2.2 本地钟差的处理

本地时钟是指相对于北斗系统时钟的钟差,这部分可以根据北斗卫星播发信号的整秒间隔作为参照进行消除,通常本地钟差在较短的一段时间内,如600 s,可以认为具有二次曲线特性。由于噪声的存在,实际的钟差测量信号应为在该二次曲线上叠加了扰动,这里采用了基于LSM的数据处理(最小二乘法)。采用最小二乘法计算,有5方面优点:①运算简单,便于嵌入式实现;②具有较高的运算精度和较长的时间常数;③一致性好,通用性强,可采用不同参数配置;④算法稳定,易于收敛;⑤可实现滤波、查值和预估。

2.3 卫星位置偏差处理

由于卫星位置不是实时广播,而且实际的卫星位置与导航测控预估的位置,也即是广播中携带的位置是有一定偏差的,所以要对这些偏差做一定的处理。这里仿真采用了最小二乘的处理方法。图2是仿真预估的卫星位置的 x轴坐标,图3是预估卫星位置与实际卫星位置x轴坐标之间的偏差。图2和图3中横轴样点的间隔均为min,其他两轴坐标处理方法与x轴相同。

图2 仿真预估卫星位置图

图3 预估卫星位置与实际位置之间偏差

2.4 授时时标合成策略

授时时标信号一般设为正脉冲信号,其上升沿时刻为该卫星信号的参考时标时刻。不要求时标脉冲与接收机工作时钟同步,但其上升沿宽度应大于工作时钟频率所对应的周期,以保证时标被可靠地采样。通常时标信号由前端接收机的NCO产生,不必因为接收机失锁或工作异常而切断该信号,应保持持续输出,但当卫星星历信息异常时应指示时标不可用。这样设计的原因在于当接收机由于干扰短暂失锁或异常时,后端软件处理时序可保持与前端接收机一致,异常解除后可充分利用之前的已有数据,快速进入稳定工作状态。1 pps时标信号是通过对本地钟调节后的最后输出,用户可以对该时标信号设置,以实现一些特殊功能:①设置北斗时或北京时;②设置1 pps自监测阈值,当由于干扰等原因时,关闭1pps输出或指示不可用,一般为300ns;③设置跟踪方式,可为单颗卫星跟踪或多颗卫星跟踪;④1 pps脉宽度设置;⑤1 pps相位调节。

2.5 试验结果分析

将接收机输出调整后的1 pps与MOTOROLA的GPS授时模块M12t输出的1 pps分别接入安捷伦时间间隔计数器53132A的通道1和通道2,记录2个输出脉冲之间的时间间隔。为了更方便测量,将接收机的输出秒脉冲提前了1.25 μ s。然后将测试结果在计算机上进行记录,图4即是72小时的测试数据。

图4 北斗授时时标实际监测图

对图4中的数据进行分析可得,标准差为34.7 ns(1σ),符合北斗卫星授时系统的要求。

3 结束语

该设计已经在ALTERA EP3C80加DSP6713平台上成功实现。结果表明直接从卫星信号提取时间的方法是切实可行的、实现简单,且能够很好地确定电波传播折射误差,校正本地采样时钟的钟差,得到精度高的授时时标。北斗卫星授时技术正在成熟,逐步深入日常生产和生活的各个方面。授时产品稳定可靠、成本低、精度高,今后将逐步在电力、电信和交通等系统中广泛应用。

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