（安全技术及工程专业论文）高精度GPS同步时钟研究与开发.pdf

a b s 订a c f a b s t r a c t n l i sp a p e rs t u d i e se h ec l o c ks y s t e ms y n c h r o n i z e dt l l r o u g hg 1 0 b a l p o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) i te 1 8 b o r a t e sm eg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) a n dt h ep r i n d p eo fi 招t i m es 洲i c ea 1 1 di ta l s om a i n l yi n t r o d u c e st h e d e s 啦o f t 1 1 ec l o c ks y s t c ms y l l c l 曲n i z e dt 1 1 r o u g hg p s a c c o r d i n gt o “s a c t u a l 印p l i c a t i o n t h i sc l o c ki n c l u d e sg p sr e c e i v c r ，g p sa n t e n n aa n d m i c r o c o m p u t e 卜c o n t r o l l e ds y s t e m h i 曲_ p o w e r e dg p so e m b o a r di s u s c da sg p sr e c e i v e r t h em i c r o p m c e s s o rc o n 缸d ls y s t e mw h i c hi st h e c o r eo f t h ec l o c ki n c l u d e sh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o n w a r ea n di tr e a l i z e d t l l e f o l l o w i n gf l m c t i o n s ：t h ep r o c e s s i n go fg p si n f b n t l a t i o n ，t h e p e o p i e m a c k n ei n t e m c t i o n ，t h eo u t p u to ft i m 局i t ss e l p u n c t u a l i t y ，e t c i ti sp r o v e d 血r o u 曲al a r g e 叫m b e ro fe x p 丽m e m sm a t 讧sc l o c kh a s r c a c h e di t sr e q u e s t e dc a p a b i l i t ys t a n d a r dw h i c hi se m b o d i e di nt h e k g h a c c u r a t et i m e ，i n t e l l i g e n t i z a t i o n ， c o n v e n i e n t p e o p l e m a c h i n e i n 忙r f a c e ，e l e c 咖m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，s t a b i l i t ya 1 1 ds oo n i t i sw i d e l yu s e di nt h e 矗e l d so fa v i a t i o na n ds p a c e n i g h t ，e i e c t r i c p o w e lm i l w a y ，t r a m c b r o a d c a s ta n dt e i e v i s i o n ，f i n a i l c e ，g o v e 叫l e n t p u b l i cn e t w o r k ，a i lk i n d so f c o m p u t e rn e 、v o r ks y s t e ma f l do t h e r 矗e l 出 r e l a t e dt oc i v i la n dm i l i t a r y k e yw o r d s ： g p s ， s y n c h r o n o u sc 】o c k ， m i c r o c o m p u t e r _ c o n t f o 】j e c s y s t e m ，s e l f - p u n c n l a l i t y 目录 表1 1 目前国内g p s 同步时钟产品比较3 图2 1g p s 系统组成示意图6 图2 2g p s 接收机的组成示意图8 图2 3g p s 卫星信号构成示意图1 1 图2 4g p s 卫星信号电路示意图1 2 图2 5g p s 授时原理1 4 图3 ，1g p s 同步时钟硬件结构图2 0 图3 2j u p i t e r1 2o e m 板的外形示意图2 0 图3 3j u p i t e r1 20 e m 板的结构方框图2 1 表3 1 语句1 0 0 0 ：测量位置、时间信息2 2 表3 2 管脚定义2 3 图3 4 数据头的结构一2 4 图3 5 外形图2 5 图3 ，6 显示驱动电路原理图2 6 图3 77 4 h c 5 9 5 管脚排列一2 6 图3 8 电源部分原理图2 7 圈39m a x 7 6 1 管脚排列2 8 圈3 1 0c p u 结构框图2 9 图3 1 l 键盘原理图3l 图3 1 2r s 一2 3 2 逻辑电平示意图3 2 图3 ，1 3m a x 3 2 2 3 的引脚排列3 3 图3 1 4m a x 4 8 5 的引脚排列3 4 幽3 ，1 5 差分平衡电平传输端点匹配示意陶3 4 图3 1 6t c x 0 外形图一3 5 圈3 1 7 时钟电路原理图3 5 图4 1 印刷电路扳的设计流程3 8 图4 2 系统电磁兼容设计4 0 图4 3 电容等效电路4 l 图4 4 软件设计开发过程4 3 图4 5 系统软件流程图4 4 表4 1 复位参数表5 0 图4 6 掉电检测复位示意图5 1 图4 7 原设计电路电源纹波波形示意图5 1 图4 。8 电源部分原方案原理图一5 2 图4 9 电路调整后电源纹波波形示意图5 2 图4 1 0 电源部分新方案原理图5 2 图4 1 1 印制板走线简化模型5 3 i i i 目录 图4 1 2 不同长度的走线对电路的影响 图4 1 3 串入电阻后的电路模型 图4 1 4 仿真电路 图4 1 5 不同阻值下的仿真波形 图4 1 6 时钟部分原方案原理图 图4 1 7 时钟部分新方案原理图 图41 8 时分秒脉冲输出波形图 舛弘孙卯船 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和现状 1 1 1 研究背景 当前电力系统广域保护、安全稳定监测、控制、同步通讯等领 域已提出了不少基于高精度时钟的测量、监测与控制技术。现有的 同步时钟技术绝大部分采用美国的g p s 时钟或俄罗斯的g l o n a s s 时钟为基准，美国和俄罗斯并不保证时钟的可靠性，也不对民用用 户承担责任。同时g p s 及g l o n a s s 接收机接收到的时钟也经常因星 历误差、卫星钟差、电离层误差、对流层误差、多径误差、跟踪卫 星过少误差和接收机本身误差等产生些误差”“1 。目前国内外研制 了一些g p s 同步时钟产品，但采用铯钟或铷钟对g p s 时钟修正产生的 高精度同步时钟，价格很高( 8 0 0 0 元以上) ，运行环境要求苛刻， 难以推广；而一般电力系统运行的时钟却不能保证输出时钟的稳定 性，很难在一些对时钟精度和稳定性要求高的关系电力系统经济与 稳定运行的重要领域( 如电力系统继电保护、在线监控等领域) 中 得到实际应用。“。为解决上述问题，本研究提出一种价格低( 4 0 0 0 元以下) 的适合电力系统、广播电视系统等广泛应用的高精度同步 时钟方法，采用高精度晶振信号同步g p s 时钟信号实现，保证输出时 钟信号的稳定性。 1 1 2 研究现状 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 系统是美国研制的导航、授时 和定位系统。它由空中卫星、地面跟踪监测站、地面卫星数据注入 站、地面数据处理中心和数据通讯网络等部分组成。用户只需购买 g p s 接收机，就可享受免费的导航、授时和定位服务。当前，g p s 时 钟已成为世界上传播范围最广、精度最高的时间发布系统之一，民用 北京交通大学硕士专业学位论文 接收机接收到的g p s 时钟与国际标准时间u c t 保持高度同步，最高精 度可达2 0 n s ”。 但是，民用g p s 时钟的可靠性并没有得到保障，美国并不保证 g p s 的精度和可靠性，对民用用户不承担责任”1 。而且g p s 接收机接 收到的g p s 时钟或多或少存在以下一些误差0 1 1 ：( 1 ) 星历误差g p s 信号中予报的卫星位置的误差，( 2 ) 卫星钟差e p s 信号中予报的卫 星原予钟的偏差，( 3 ) 电离层误差一由于大气电离层效应引起的g p s 信号接收的误差，( 4 ) 对流层误差一由于大气对流层效应引起的g p s 信号接收的误差，( 5 ) 多径误差由于反射信号进入接收机天线引起 的g p s 信号接收的误差，( 6 ) 接收机误差一由于热噪声、软件和各通 道之间的硬件偏差等引起的测量值误差，( 7 ) 跟踪卫星过少误差一在 某些条件下g p s 接收机锁定的卫星小于4 颗而产生定时误差。因此， 在实际应用中，g p s 接收机产生的时钟信号的精度和稳定性难以得到 保证。通常g p s 接收机给出的时钟精度以概率指标表示，接收机产生 秒脉冲( 1 p p s ) 的误差服从正态分布。例如m o t o r o l au t o n c o r e 型 接收机，统计精度为5 0 n s ( 1 0 ) 。表示该接收机的秒脉冲偏差服从 正态分布，g p s 时钟误差落于1 仃范围( 5 0 n s ) 内的慨率为o 6 8 2 8 ， 落于2 a 范围( 1 0 0 n s ) 内的慨率为0 9 5 4 6 ；落于3 a 范围( 1 5 0 n s ) 内 的慨率为o 9 9 7 4 。但在卫星失锁或卫星时钟实验跳变的条件下，g p s 时钟误差甚至达几十上百毫秒”。 为了与g p s 系统抗衡，俄罗斯构造了g l o n a s s 定位系统。该 系统提供给民用时钟信号的精度较高，但接收机价格较贵。同样俄 罗斯也不保证g l o n a s s 的精度和可靠性，对民用用户也不承担责 任。为得到高精度和高可靠的时钟信号，国内外已把g p s 接收机和 g l o n a s s 接收机结合起来使用。但是g p s g l o n a s s 组合导航仪 同样也得不到美国和俄罗斯政府的精度和可靠性保证，且造价高， 难以在一般工业生产中推广应用”1 。 与g p s 时钟和g l o n a s s 时钟相比，其它时钟( 如原子钟、晶 振时钟等) 的稳定性较高，单个时间间隔的随机漂移非常小，但长 时间运行的累计误差较大。为产生高精度和高稳定性的时钟，国 2 北京交通大学硕士专业学位论文 内外已经采用g p s 时钟同步守时钟( 原子钟、晶振时钟) 方法，j f 常运行时由g p s 时钟校正守时钟，在g p s 信号不稳定时，由守时钟 代替g p s 时钟。由于现有的同步方法尚未形成严密的数学模型和实 现技术，只能消除因g p s 卫星短时失锁产生的较大偏差，很难消除 g p s 接收机时钟信号的随机偏差，且都没有给出g p s 接收机失步一 段时间( 如1 小时) 条件下输出的时钟精度指标。如要产生高精度高 可靠的时钟，需要采用比g p s 时钟精度更高的原子钟( 铯钟或铷钟) 对g p s 时钟进行同步比较监测。该技术造价高，也很难在工业现场 推广实现。国内外状况及分析对比如表1 1 所示： 表1 1 目前国内g p s 同步时钟产品比较 从上表可以看出，用于电力系统的g p s 同步时钟时间精度均能达 到0 1 u s ，本研究定的技术指标亦为o 1 u s ，属同等级别概念。从功 能来看，各有所不同，其中有些产品不带i r i g b 编码输出功能，有 些提供选配，有些产品不保证丢星后的时间精度。另一方面，也有 些产品采用原子钟加g p s 的方式，或者g p s 加俄罗斯g l o n a s s 双系统方 案，但价格高，性价比不高。 1 2 研究内容和成果 1 2 1 研究内容 本论文主要针对提高g p s 同步时钟的精度进行了理论研究，在深 北京交通大学硕士专业学位论文 入研究系统各项功能、指标要求的基础上，运用微机控制系统的设 计原理及其电磁兼容设计的技术，应用包括单片机开发系统在内的 各种工具完成g p s 同步时钟的设计开发。 本论文的研究除了将g p s 同步时钟的精度提高到优于1 0 0 n s ，提 高g p s 接收机非正常工作时自走时精度到优于l u s 小时以外，还要考 虑到系统的可靠性，电磁兼容性以及小型化、轻型化等。 1 2 2 研究成果 1 ) 设计了高速的数据采集及处理单元，进行g p s 时间信息的采集与 处理，输出高精度的时间信息，l p p s 输出精度优于1 0 0 n s 。 2 ) 该系统除了完成高精度时间信息的输出外，还具备在无授时信号 时的高精度自走时和系统掉电后的高精度自走时功能。 3 ) 在本系统研究过程中，针对其干扰现象，深入分析了主要干扰源 及其特点，并在设计中采取了许多抑制干扰的措施，保证系统稳定 可靠地工作，提高系统的抗电磁干扰能力。除常规的抗干扰设计之 外，针对于扰源的特点，在系统设计过程中，注重改进接地方式、 合理的元器件布局、滤波等，使设备工作稳定可靠。 4 1 采用同步计时提高g p s 时钟的时间脉冲输出精度，使整个系统输 出的时、分、秒脉冲精度接近g p s 秒脉冲的精度，达到1 o 1 0 。s ， 远远高于未采用同步计时的精度。 5 ) 应用一元二次回归模型，对晶振时钟误差进行分析、估计与补偿， 提高系统自走时的精度，自走时精度优于1 o us 小时，保证输出时 钟信号的稳定性。 1 3 本论文的主要内容安排 本论文分为五章，在本章之后的其它章节内容如下： 第2 章系统论述了g p s 系统及g p s 授时，包括g p s 系统的组成、 g p s 接收机及其工作原理、g p s 信号的构成以及g p s 授时原理； 4 北京交通大学硕士专业学位论文 第3 章分析研究了高精度g p s 同步时钟的硬件配置和软件功 能： 第4 章开发了高精度g p s 同步时钟的硬件及软件系统，对晶振 时钟误差分析、估计与补偿方法进行了研究，实现了g p s 同步时钟 的高精度授时； 第5 章总结了实现高精度g p s 同步时钟授时功能与性能指标的 原理、方法等。 第2 章g p s 系统与g p s 授时 第2 章g p s 系统与g p s 授时 2 1g p s 系统的组成 2 1 1 系统简介 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国于 1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定 位能力的新一代卫星导航与定位系统。全球定位系统具有性能好、 精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定 位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开 拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生 活。 2 1 2 系统组成 图2 1g p s 系统组成示意图 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座；地面控制 部分一地面监控系统；用户设备部分g p s 信号接收机。 6 e 童窑亟太兰亟壹些堂焦途塞 1 g p s 卫星及其星座 g p s 工作卫星及其星座由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组 成，记作( 2 1 十3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内， 轨道面相对地球赤道面倾角为5 5 度，各个轨道平面升交点的赤经相 差6 0 度。相邻轨道上，卫星的升交距相差3 0 度。 在两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时， 它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样， 对于地面观测者来说，在同一观测站，每天将提前4 分钟见到同一 颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而 不同，最少可见到4 颗，最多可见到1 1 颗。 g p s 卫星的基本功能是： 1 ) 接受和储存来自地面监控站的导航信息，接受并执行监控站的 控制命令； 2 ) 通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时问基准； 3 ) 卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作； 4 ) 向用户发送导航和定位信息： 5 ) 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备 用卫星。 2 地面监控系统 对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点，星的位置是依据 卫星发射的星历一描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备 是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设 备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星 处于同一时间标准g p s 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的 ：世基窑遣盔堂殛童些堂建逾塞 时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星冉由导航电文 发给用户设备。g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三 个注入站和五个监测站。 3 g p s 信号接收机 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所 选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机 天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算 出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 2 2g p s 接收机及其工作原理 2 2 1g p s 接收机概述”1 ” g p s 接收机是用户设备的核心部分， 要包括天线单元、接收单 元和电源三部分。其主要功能是接收g p s 卫星发射的信号，并进行 处理和测量，以获得导航电文及必要的观测量。 厂_ l _ r 而f _ 叫 存 i 前置放走嚣 颇翠变换嚣h 目嚣 ( 匾叵 _ _ t 艺 董 夭蟪单元 f 邕爿 1 f 丁 i 顿率综台l - 厂1 磊f l 电潦卜 tl il d l 基准顿卑i 接 数据输出、袖 图2 2g p s 接收机的组成示意图 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完 整的g p s 用户设备。硬件部分指的就是接收机、天线、电源等硬件 设备。软件包括内软件和外软件，内软件是于接收机融为一体的控 制控制接收机信号，对卫星信号进行测量，以及自动操作的程序等 外软件指观测数据后处理的软件系统。 g p s 接收机根据用途可分为：导航型，大地型，授时型。授时型 接收机，主要用于天文台或地面监控站进行时频同步测定。 2 2 2g p s 接收机工作原理 1 ) 码相关型接收机的工作原理 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。 2 ) 平方型接收机的工作原理 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，柬恢 复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接 收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。 3 ) 混合型接收机的工作原理 这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪 距，也可以得到载波相位观测值。 4 ) 干涉型接收机的工作原理 这种接收机是将g p s 卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测 定两个测站间距离。 2 2 3g p s 接收机的发展 1 g p s 测时接收机的发展 9 ：咝童窑道盍堂亟童些堂鱼：迨塞 从接收机产品情况来看，t r i m b l e5 0 0 0 a 频率时间监测器是 t r i m b l e 公司1 9 8 4 年推出的第一套民用g p s 授时系统，t r i m b l e 公司的 移动定位与授时系列有l a s s e n s k 8 ，是精巧可靠易于集成的o 跳产 品；t h u n d e r b 0 1 t8 通道授时型g p s 接收机，专门用于无线网络的精 密授时与同步，p l e e e r4 5 0 4 5 5 具有高度集成通讯接口的定位和通 讯系统，其支持m a p 2 7c d p d t a i p 协议。c r o s s c h e c kx r g s m 是集 g p s 、g s f 接口于一体的移动定位通讯设备；而诺瓦泰( n o v a t e l ) g p s 接收机r t 一2 0 采用了窄距相关技术、码载波相位扩散技术、多路 径消除技术( m e t ) 、多路径消除延迟锁相环技术( m e d l l ) ，其时间精 度为s a 关闭时5 0 n sr m s ，s a 实行时2 5 0 n sr m s 。当前大多的g p s 接收 机提供l p p s 输出，有些接收机也提供l k h z 输出( 从c a 码) 和至少标 准输出( 1 、5 或1 0 m h z ) 。国内厂家京惠达开发了j h d _ 吨p s t f 型同 频校频仪，使需要高精度时钟的客户可享受高精度、低价格、方便 可靠的时钟产品。以j h d _ _ g p s b 码时统仪为例，其校时精度小于 2 0 0 n s 。可广泛用于时统、电力、广播、电视等需要高精度时间的系 统中。另有世界上著名的专门生产g p s 接收机测时产品类的有a o a 、 t r u et i m e 、b a l l 等公司，直到1 9 9 9 年底世界上大概有7 0 多家专门生 产g i ，s 测时产品的厂家。1 9 9 5 年，俄罗斯无线电导航与时间研究所 ( r i r t ) 公布了一种他们制造的g l o n a s s 时间接收机的。1 9 9 3 年美国3 s 导航公司的研究人员公布了他们用自己制造的r l o og p s g l o n a s s 兼 容接收机进行g l o n a s s 时间传递的实验结果。在用两台接收机组成的 零基线时间传递实验中，采用载波相位测量的时问传递误差达到了 4 一o 1 n s 的水平，而用伪距的误差为4 o n s 。他们用同样的接收机 进行振荡器稳定度测量的结果也证明g l o n a s s 的时间性能是令人满 意的“3 。 2 g p s 接收机天线 作为g p s 接收机的一部分，g p s 接收机天线的性能改进一直是厂 家所关心的。现在t r i m b l e 公司生产的s t e a h ht m 专利天线其相位精 度有较大的提高，从1 9 9 7 年1 2 月开始一台a s h t e c h z l 2 t 接收机装各 b 壅窒遵盔堂亟童些堂焦迨塞 在b i p m 与装备同样接收机的b n m 和l p t f 进行了载波相位测量。在 u s n o 一3 一i g s 接收机用一外部5m h z 参考信号与氢脉泽( h a s e r ) 相 连，由u t c ( u s n o ) 控制。同样地，g p s 时间也通过直接的g p s 星座钟的 监测由u t c ( u s n o ) 控制，这两种时问刻度保持在大约6 5 n s 。在过去 的二年内( 以2 4 小时平均) g p s 时间的控制算法有一个“b a n g b a n g ” 特征，即结果表现出大约2 5 天为周期的锯齿变化”“。 2 3g p s 信号的构成 g p s 卫星信号包含有三种信号分量：载波、测距码和数据码。时 钟频率选用1 0 2 3 m h z 利用频率综合器产生所需要的频率“。1 。 奉赣奉 、 0 2 孙l 拓 i | i l l o -j 0 峙 l _ d 码 p 码 l 奠1 5 7 54 2 m hl0 2 3 1 0 2 3 m h z lp 码 1 2 0 l 拼秘肛i z 1 02 3 m k 图2 3g p s 卫星信号构成示意图 g p s 使用l 波段，配有两种载频： l 载波：f 。= 1 5 4 f 0 = 1 5 7 5 4 2 心z ，波长 ，= 1 9 0 3 c m l 2 载波：f i z - 1 2 0 f o = 1 2 2 7 6 m h z ，波长 z = 2 4 4 2 c m 两载频之间的间隔为3 4 7 8 2 m h z ，等于l 2 的2 8 3 。所以选择 这两个载频，目的在于测出或消除由于电离层效应引起的延迟误差。 在l ，载频上由数据流和两种伪随机码分别同相和正交方式进行 调制，其信号结构为： sl l ( t ) = a 。p i ( t ) d ，( t ) c o s ( l 。t + 毋i ) + a 。c 。( t ) d ，( t ) s i n ( ( l 】l l t + o - ) 些塞褒道盘堂亟童些堂鱼淦塞 ( 1 1 ) 在l ：载频上，只有p 码进行双向调制，其信号结构为： s 比( t ) = b 。p 。( t ) d ，( t ) c o s ( ( i ) 。t + g 。) ( 1 2 ) 式中：a 。，b p ，a 。分别为p 码和c a 码的振幅； p 。( t ) ，c ；( t ) 分别为精码和粗码；d 。( t ) 为数据流： u u ，( i ) 。为载波l 。和b 的角频率：o ，o ：为信号的起始相位。 在无线电通行系统中，为了有效的传播信息，都将频率较低的 信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载频携带着 有用的信号传送出去，到达用户接收机。 g p s 卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的。 此技术称为p s k ，调制码的幅值只取o 和l ，如果当码值取0 时，对 应码状态取+ i ，而码值取i 时，对应码状态为一i ，那么载波和相 应的码状态相乘后便实现了载波的调制。当载波与码状态= l 相乘 时，其相位不变，而当与码状态一l 相乘时，其相位改变1 8 0 度。这 时载波信号实现了调制码的相位调制。 根据这一原理，g p s 中的三种信号将按图2 2 的线路进行合成， 形成今天随时都可以接收的g p s 信号。从图可看出，卫星发射的所 有信号分量都由同一基本频率f 0 ( a 点) 产生的，其中包括：载波l ，( b 点) ，b ( c 点) ，粗测距码c a ( d 点) ，精测距码( f 点) 和数据码( g 点) 。经卫星发射天线( h 点) 发射出去。发射的信号分量包括：l ， c a 码( j 点) 、l 广p 信号( k 点) 、l ：一p 信号( l 点) 。 0 攥2 柑加殴混顿嚣田加法善 图2 4g p s 卫星信号电路示意图 e 夏至逗塞雯亟童些堂鱼迨塞 2 4g p s 授时 g p s 全球定位系统采用一个独立的时间系统作为导航定位计算 的基础。这个系统叫作g p s 时间系统( g p s t ) 。为了解g p s t ，首先叙 述下原子时及协调世界时，然后建立g p s 时间系统与原子时及协 调世界时u t c 之间的关系2 一。 2 4 1 世界协调时 近代科学技术对于时间计量的要求，包括两个方面的内容：时 刻和时间问隔。大地测量、天文导航和宇宙飞行器的跟踪、定位， 需要知道以地球自转为依据的世界时时刻；而精密校频等物理学领 域，则要求以原子时秒为基准的均匀时闯闯隔。 考虑到世界时和国际原子时各有所长，天文学家研究出了一种 将二者协调起来的方法，即秒长以原子时为基础，时刻尽量靠近世 界时，“地球钟”不好拨，就拨原子钟，使它向地球钟靠近。国际天 文学联合会和国际无线电咨询委员会决定采用一种协调原子时秒长 与世界时时刻的时问计量系统，称为协调世界时( c o o r d i n a t e d u n i v e r s a lt i m e ) ，代号u t c 。1 9 7 5 年第l5 届国际计量大会通过决议 予以确认，由大多数国家的授时单位向全世界发播。我国广播、电 视和电信系统使用的标准时间就是u t c 。 协调世界时u t c 的秒小数是国际原子时t a i ，它以原予振荡周 期为基准，是均匀稳定的；秒及秒以上的时、分是世界时u t ，它以 地球自转周期为基准，是不均匀的，有时快有时慢。当t a i 与u t 之差接近1 秒时，将整秒数加1 秒或减1 秒，以保持lu 1 一u t o 9s ，这一措施称为跳秒，或闰秒。由于u t c 与u t 差数很小， 需积累很长时间才会接近1 秒之差，所以跳秒并不经常进行，两次 跳秒之间不可能有小于半年的间隔。所以国际上规定，跳秒只选择 在每年的1 2 月3 1 目或6 月3 0 日进行l “。 2 4 2g p s 授时原理 g p s 的基本授时原理是【l l ：卫星不问断地发送自身的星历参数 和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维 位置，三维方向以及运动速度和时间信息。g p s 授时系统需要的只 是时间信息。g p s 的基本授时原理示意如图2 5 。g p s 向全球范围内 提供定时和定位的功能，全球任何地点的g p s 用户通过低成本的 g p s 接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空问位置信息、同步 时标及标准时问。g p s 系统受美国军方控制，其p 码较c a 码精度 高但是仅对美国军方和授权用户开放。民用c a 码则免费向全球开 放。g p s 授时系统就是接收的民用c a 码。g p s 要实时完成定位和 授时功能，需要4 个参数：经度、纬度、高度和用户时钟与g p s 主 钟标准时间的时刻偏差，所以需要接受4 颗卫星的位置。若用户已 知自己的确切位置，那么接受1 颗卫星的数据也可以完成定时。 若设( x ，y ，z ) 为接收机的位置，( x 。，y 。，z 。) 为己知卫星的 位置，则列解下列方程就可以得到x ，y ，z 和标准时间t ： ( x x 1 ) 2 + ( y y i ) 2 + ( z z i ) 2 = c 2 ( t + t t l t 1 ) ( 1 3 ) ( x x 2 ) 2 + ( y y 2 ) 2 + ( z z 2 ) 2 = c 2 ( t + t i t 2 一t 2 ) ( 1 4 ) ( x x 3 ) 2 + ( y - y 3 ) 2 + ( z z 3 ) 2 = c 2 ( t + 1 二t 3 一t 3 ) ( 1 5 ) ( x x 4 ) 2 + ( y y 4 ) 2 + ( z - z 4 ) 2 = c 2 ( t + t - t 4 - k ) ( 1 6 ) 1 4 图2 5g p s 授时原理 i e 基窑适盔室亟童些生僮监望 其中：t 为用户时钟与g p s 主钟标准时问的时差；t n 为卫 星n 所发射信号的发射时间；t 。为卫星n 上的原子钟与g p s 主钟标 准时间的时差。 2 4 3g p s 测时方式 1 单站单星或单站多星测时法 即应用一台g p s 接收机，在一已知坐标的f 或坐标未知但能收到 四颗以上卫星) 观测站上进行测时的方法。测时的精度与跟踪的卫星 ( 对单站单颗星的测时) 或与接收机的钟差精度因子( t d o p ) ( 单站多颗 星的测时) 有关；同时还决定于卫星的轨道误差、观测站的坐标误差、 卫星的钟差、大气折射改正误差以及电离层改正等误差影响。有s a 影响时测时精度约为15 0 n s ，无s a 影响时能达3 0 5 0 n s f 2 。 2 。共视法 在两个观测站或多个观测站各设一台g p s 接收机，并同步观测 同一颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度的时问 比对的目的。共视法可以消除卫星钟差的影h 向，同时明显减弱卫星 的轨道误差以及大气折射误差的影响。g p s 共视法的同步观测误差 小于1 秒时，能有效地减弱s a 的影响。利用g p s 共视法进行时间 比对，所得相对钟差与测站之间的距离和使用的观测值有关。对于 5 0 0 0 k m 距离，如果要求l n s 的时间传递精度，则需l m 的轨道精度。 一般能达到数十纳秒到几个纳秒怛j 。 3 综合法 与单站多星测量模式相似，在各站上观测所有在视的卫星，但 同时又像共视法同步观测，交换两站的数据进行综合处理，其结果 与共视法的精度相当，但提高了可靠性1 2 j 。 2 4 4g p s 测时的发展 g p s 在时间传递和钟同步中起着重要的角色，g p s 的引入也带 来了在时间和频率传递的重大提高。其发展从g p sc a 码单频单 通道接收一颗卫星的共视时问传递，发展到所有在视卫星c a 码 共视的时间频率传递，以及g p sp 码和载波相位测量的使用。最近 研究的热点是接收机对温度的敏感性、测时设备每日以及季节性的 延时变化和减弱对策、g l o n a s s 作为g p s 时恻传递工具补偿的使 用等。 另外，为提高g p s 的大地测量应用而成立i g s ，对促进g p s 载 波相位用于时间传递起到了积极的作用，并开展了天线相位中心变 化的研究。使用载波相位测量用于频率比较的几个实验显示出较大 的优势。使用超高精度的天线坐标、精密星历以及电离层的测量， 在1 9 9 0 年初的时间比对大约是每日的平均为3 n s 。其性能是刚刚满 足现在原子钟比较的需要，因此必须有迅速的提高以满足新设计原 子时钟的需要。现在有些实验室有两种比对时问的方式。如n l s t b 链，g p s 数据用作t a i 计算，相应的双向卫星时间频率传递数据 也贮存以备份。从2 0 0 1 年月4f i ( m j d = 5 1 9 1 4 天) t w s r r i 数据也用 作t a i 计算，而g p s 数据同时计算用作备份。两种方式差的r m s = 2 9 n s 。g p s 接收机内部的延迟达5 0 7 0 n s ；也有学者针对g p s 的 增强系统，如w a a s 和e g n o s 等，研究其时问分发和时间传递的 能力1 2 】o 2 4 5g p s 相关技术的发展促进了g p s 测时精度的提高 现在全球g p s 跟踪网、精密轨道和数据处理技术的发展，使其 应用扩展到地壳形变监测、全球参考框架的定义、地球定向参数的 确定、g p s 气象、g p s 时问传递、空间气象和空间飞行任务等方面。 为提高g p s 在大地测量及地球动力学领域的应用而成立的国际i g s 组织，最近在开发利用g p s 进行时间传递的研究中扮演了重要的角 1 6 a e 塑窒堕丕堂亟童业芏鱼垒塞 色。i g s 和它合作实验的参与者使得全球g p s 跟踪网标准化地持续运 行，i g s 站的接收机是测地型双频接收机，并有有效的数据传输系统， 同时有专门的数据分析组，研究数据处理的方法，并产生高精度的 卫星轨道和相关地球动力学参数及大气状态参数产品。b i p m 在测时 校准方法、维护稳定时间的算法、u t c 的编制和分发等方面具有丰 富的经验，因此i g s 和b i p m 组织之间的相互补充和互助是有益的。 由i g s 和b i p m 合作，开展了使用g p s 载波相位和码观测值，用于精 密时间和频率传递的l g s b i p m 联合示范项目的研究。该示范项目 的目的是利用部分i g s 站由高稳定的原子钟驱动的优点，探索g p s 测 时用于提高世界范围内精密时间和频率比较的可用性，分析g p s 观 测值使得钟差确定达到i n s 的精度水平，从而扩大对国际原子时实现 的时间实验室贡献，这对维护国际时间尺度u t c 将变得非常重要。 大约有3 5 个小组参加，工作组在1 9 9 8 年3 月1 8 1 3 成立，联合主席为i g s 的j i mr a v 和b i p m 的c l a u d i n en o m a s 。大多工作组致力于发展已经 在测地领域广泛应用的g p s 技术，用于精密时间和频率传递。 z m b e 聘e e ta l 和s o e h n e ( 1 9 9 8 ) 等提出了有效计算高速卫星钟的 方法。部分研究人员，展示了利用测地型接收机码和相位观测进行 时间和频率传递的能力，并建议使用c g g t l s 格式和测地型接收机进 行时间传递。同时，他们还玎展了洲际闽长距离和多通道g p s 载波 相位共视法的时间和频率传递研究i 。 2 5 小结 本章系统论述了g p s 系统及g p s 授时原理，具体内容如下： 1 ) 论述了g p s 系统的组成，包括卫星、地面监控系统和接收机等 部分； 2 ) 论述了g p s 信号的组成、g p s 信号接收机的分类及其工作原理； 3 1 论述了g p s 授时基本原理、测时方法及其发展。 第3 章g p s 同步时钟的硬件配置和软件功能 第3 章g p s 同步时钟的硬件配置和软件功能 3 1 论文研究的任务要求 g p s 同步时钟广泛应用于广播电视，航空，交通，电力，军事， 电信等行业，对系统的要求主要有以下几个方面： 1 ) 提供高精度的标准时间，1 p p s 精度优于1 0 0 n s 。 2 ) 系统可靠性高，可全天候提供精确时间。 3 ) 输出北京时问，包括农历日期及星期，可以直接驱动各型子钟， 而目通过控制p c 采用n t p 协议给整个计算机网络系统中的任 何计算机进行授时，实现整个系统的时删同步。 4 ) 通过数码管显示时问信息，用户可以通过键盘进行系统刚 问设置，时区设置延时设置等。 5 ) 在不能接收有效的g p s 信号或系统掉电叫，g p s 同步时钟本身 的内置时钟要求能自走时，且同样要求高精度授时，以保证系统 的不问断走时，自走时精度优于1 0 u s ，j 、时。 3 2 系统总体设计眦， 在系统的设计中，采用r 美国r ( ) c k w n l 公司的j u p i t e r1 2c p s 接收板，嵌入搭建的微机控制系统中，通过板载的a t m e g a 6 4 处理器 进行二进制格式信息的收取，利用微计算机系统的分析处理程序进 行电文破译和特征信息提取，并变换为相应的标准格式，进行时钟 信号鉴别，再利用中断技术和接收板提供的高精度( 可达1 0 0 n s ) 同步 脉冲，实现精度极高的同步授时，通过各种接口输出北京时间，可 以直接驱动各型子钟，而且通过控制p c 采用n t p 协议给整个计算机网 络系统中的任何计算机进行授时，这样实现了摧个系统的时间同步。 系统具有连续并行跟踪1 2 颗卫星的能力，一旦初始化完成，即使锁 系统具有连续并行跟踪1 2 颗卫星的能力，一旦初始化完成，即使锁 l r 北京交通大学硕士专业学位论文 定一颗卫星，也可实现授时功能，因此系统具有较强的抗干扰能力。 考虑到在系统被屏蔽及掉电的情况，在不能接收有效的g p s 信号 时，要求g p s 同步时钟能自走时，且同样要求提供高精度时钟。鉴于 此要求，在g p s 同步时钟的内部设计了一套高精度的自走时系统和掉 电检测及后备电池供电系统，用于系统在无g p s 信号时的高精度走时 和系统掉电后的自走时。通过外接的t a i t i 眯( 泰艺) 公司t b t t c s 型t c x o ( t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dc r y s t a lo s c i l l a t o r ) 晶体振荡 器，实现了温度自动补偿，由此可以使时钟系统的自走时精度达到 极高的精度。对于掉电保护，采用了一颗可充电池，平时正常工作 时，此电池处于涓流充电状态，一旦外部电源掉电，此电池可以不 问断地供给有源晶体振荡器和c p u 芯片，以保证系统的不间断走时。 具体到时钟系统的应用，由于在弱电机房内屏蔽非常严重，而 且大多数机房均不会有良好的空间视野安装g p s 的卫星天线，我们进 行了长距离的有源g p s 天线的应用测试，经过多种测试，选定了d a 一3 0 天线，可以达到3 0 米的高频传输能