基于FPGA的导航卫星失联下高精度守时方法研究*

王　军，王　磊，何　昕

（1.苏州科技学院，江苏苏州215009；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）



基于FPGA的导航卫星失联下高精度守时方法研究*

王军1，2，王磊1*，何昕2

（1.苏州科技学院，江苏苏州215009；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

摘要：针对授时系统导航卫星失联问题，提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的高精度守时方法。以统计学和概率论为基础，统计10 min内标准秒脉冲信号每个周期下授时系统恒温晶振所产生脉冲数值的均值和动态方差。当授时系统导航卫星失联，系统根据均值和方差动态设置系统晶振脉冲计数阈值从而模拟产生高精度秒脉冲信号，消除晶振累积误差。实验结果表明，1 h内授时系统守时误差小于250 ns，可满足授时系统在电力、靶场等系统中的守时要求。

关键词：导航卫星失联；守时；FPGA；高精度

项目来源：国家自然科学基金项目（61472267）

高精度授时系统被广泛用于卫星导航、电力同步采样系统中。起初高精度授时系统在导航卫星失联下，由于恒温晶振实际值与标称值存在误差，所以1 h守时误差可达到几微秒。近些年，部分学者提出统计每分钟标准秒脉冲信号下授时晶振产生的总脉冲数的方法来修正导航卫星失联后授时系统的守时误差［2］。但此方法精确度取决于航卫星失联前1 min的晶振计数模块记录的脉冲数值，因而灵活性低且并未从根本上消除累积误差带来的影响。针对现有技术的不足，本文提出一种以统计学和概率论为基础消除累积误差的高精度守时方法。

1　守时总体方案

守时方案设计了5个模块：导航卫星信号接收模块、时间解码模块、晶振计数模块、模拟秒脉冲产生模块、显示模块。守时方案框图如图1所示。由导航卫星信号接收模块接收卫星信号，输出标准s脉冲和时间码至FPGA时间解码模块，FPGA解出时间信息并根据通讯协议发送给显示模块［3-7］。晶振输出脉冲至FPGA，晶振计数模块计录标准秒脉冲每个周期内晶振脉冲数［8］。当记录时间达到10 min，计算这组数据的均值和方差［1］。导航卫星失联后，根据前10 min计算的均值和方差动态设置晶振计数模块的脉冲产生计数阈值以产生高精度的模拟s脉冲。

图1　守时总体方案框图

2　守时硬件设计

FPGA采用Altera公司CycloneⅡ系列中的EP2C8T144C8N，该芯片具有144个IO端口、36个RAM块、2个PLL锁相环、18个嵌入式乘法器、4种配置方式和AS、JTAG下载调试接口。EP2C8T144C8N拥有丰富的资源且编程灵活，使得该芯片作为系统主控芯片［9-11］。导航卫星信号接收模块采用MHKJ-1612为主芯片，其能提供精确的授时服务。通过使用量化误差信息去补偿时间脉冲中的颗粒误差，导航卫星信号接收模快能够配置输出时间脉冲频率，授时精度可高达15 ns。即使设备在有遮挡物的情况下保证有一颗卫星正常连接，芯片就能输出准确的时间信息。导航卫星信号接收模块与FPGA采用串口通信，有多种波特率可供选择。系统晶振采用恒温晶振，频率稳定度可以达到正负0.2×10-6。消耗电流一般300 mA~2 A，主要应用于卫星，通讯基站等。守时部分硬件连接图如图2所示。

图2　守时部分硬件连接示意图

3　守时软件设计

3.1同步秒脉冲信号设计

授时系统导航卫星连接正常情况下，导航卫星信号接收模块接收到卫星信号产生标准秒脉冲和时间码，并发送给FPGA接收模块。FPGA利用PLL锁相环将50 MHz恒温晶振倍频到200 MHz，当晶振计数模块脉冲计数值达到阈值或标准秒脉冲信号上升沿到来，产生100 ms高电平信号，随后产生低电平信号。模拟s脉冲产生流程图如图3所示。

图3　模拟秒脉冲产生流程图

3.2平均脉冲数及方差设计

图4　平均1 s晶振的脉冲数及方差产生的流程图

3.3导航卫星失联后的高精度秒脉冲产生设计

导航卫星失联后，FPGA根据平均每秒内晶振的脉冲数以及方差，求出+3 s和-3 s作为设定脉冲计数的两个阈值BV1、BV2。在一个周期T内，前T/2当晶振脉冲计数达到BV1的时候，产生一个滞后模拟秒脉冲（与标准s脉冲秒头相比）；后T/2当晶振脉冲计数达到BV2的时候，产生一个超前模拟s脉冲。产生的模拟s脉冲秒头在标准s脉冲左右有规律的晃动从而消除累积误差。导航卫星失联后的高精度s脉冲产生流程图如图5所示。

图5　GPS失步后的高精度秒脉冲产生流程图

4　实验结果分析

为避免测试结果的偶然性，实验使用4套授时系统板，采用50 MHz标称值的恒温晶振，精度可达±0.2×10-6。先将恒温晶振输出的50 MHz的脉冲信号倍频到200 MHz，然后统计标准s脉冲信号每个周期下授时系统恒温晶振所产生的脉冲数值的均值和动态方差。测试结果如表1所示。

图6　均值随时间变化折线图

图7　方差随时间变化折线图

图8　守时误差随时间变化折线图

表1　导航卫星未失联下每秒晶振脉冲数值的均值和方差

导航卫星失联下，随着时间的推移，测得的守时误差如表2所示。

表2　导航卫星失联下守时误差

5　结语

本文通过统计10 min内标准秒脉冲每秒晶振脉冲数值的均值和动态方差，动态设置晶振计数模块计数阈值以产生模拟秒脉冲，以达到高精度守时目的。从实验可知，秒脉冲在导航卫星失联1 h内，与标准秒脉冲相比秒头误差不超过250 ns，符合电力、靶场等系统守时要求。

参考文献：

［1］李玉峰，韩晓红，刘洋，等.基于FPGA的高速数据采集系统的实现与性能分析［J］.电子器件，2012，35（6）：709-712.

［2］杨永标，杨晓渝，周捷.利用FPGA实现GPS失步下精确守时［J］.电力系统自动化，2007，27（7）：109-112.

［3］黄翔，江道灼. GPS同步时钟的高精度守时方案［J］.电力系统自动化，2010，34（18）：75-77.

［4］李倩，战兴群，王立瑞，等. GPS/INS组合导航系统时间同步系统设计［J］.传感技术学报，2009，12，22（12）：1752-1756.

［5］魏丰，朱广伟，王瑞清，等.一种GPS校准的数字式高精度守时钟［J］.仪器仪表学报，2011，4，32（4）：920-925.

［6］王丽秋.基于LEA-5T的快速高精度授时系统［J］.现代电子技术，2012，21，35（21）：184-186.

［7］赵东艳，原义栋，石磊，等.用于智能电网建设的北斗/GPS高精度授时方案关键技术［J］.电网技术，2013，9，37（9）：2621-2625.

［8］梁军，冉建华.基于单片机的秒脉冲误差测量系统设计［J］.舰船电子工程，2010，30（4）：178-180.

［9］张鹏，杜彬彬，任勇峰.基于FPGA的超声数据采集装置的设计与实现［J］.电子器件，2014，37（1）：81-84.

［10］王剑.基于FPGA的高速多路同步数据采集系统［J］.科技视界，2013，27：42-43.

［11］原魁，何文浩，肖晗.基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计［M］.北京：电子工业出版社，2013：77-97.

王军（1979-），男，汉族，江苏苏州人，苏州科技学院电子学院，博士，主要研究方向为光电测控技术与仪器，wjyhl@ 126.com；

王磊（1991-），男，汉族，江苏盐城人，苏州科技学院电子学院，硕士，主要研究方向为智能信息处理技术，demowl@ 163.com。

Distributed Pilot Pattern for Underwater Acoustic Communication System*

GU Chen1，MENG Qinggong1，SHU Feng1，2，3*，WANG Jin1，XU Yanqing1，QIAN Zhenyu1，WEI Yuan1，LU Jinhui1

（1.School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.Ministerial Key Laboratory of JGMT，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract：In frequency-selective underwater acoustic channel based on orthogonal frequency division multiplexing （OFDM），conventional pilot pattern cannot achieve a better channel estimation performance. To avoid this poor situ⁃ation，we proposed a random distributed pilot pattern，this pattern effectively reduces the frequency selective fading impact by placing pilot symbols such that distance between any two adjacent pilot symbol being larger than or equal to coherent bandwidth. From our simulation results，we find the proposed distributed pilot pattern has a better bit er⁃ror rate performance compared to conventional equi-spaced and consecutive patterns.

Key words：underwater acoustic channel；orthogonal frequency division multiplexing；frequency-selective fading；pilot pattern；bit error rate（BER）

doi：EEACC：781010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.029

收稿日期：2015-03-18修改日期：2015-04-15

中图分类号：TN967.2

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0140-04