基于LEA-5T的快速高精度授時系統(tǒng)

摘要：為了進(jìn)一步提高授時系統(tǒng)的精度和授時速度，采用新一代具有室內(nèi)高精度授時技術(shù)的授時芯片LEA-5T作為標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)源，設(shè)計了快速高精度授時系統(tǒng)。設(shè)計了系統(tǒng)的原理電路、詳細(xì)闡述了原理電路的工作原理、介紹了私有協(xié)議UBX Protocol、時間碼信息的提取及時間基準(zhǔn)信號的確定方法，最后提供了樣機(jī)圖片以供讀者參考。實踐表明，該系統(tǒng)產(chǎn)生同步脈沖信號與秒基準(zhǔn)信號的同步精度為0．6 μs，可滿足同步精度小于1μs的要求；首次授時速度快，熱啟動下小于4 s；信號敏感，在惡劣氣候或只有一顆星可見時也可以實現(xiàn)授時。
關(guān)鍵詞：GPS；LEA-5T；授時；高精度

0 引言
    授時系統(tǒng)在電力系統(tǒng)、光電測量設(shè)備等領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用，用來提供基于GPS的時間基準(zhǔn)信息與信號，包括GPS標(biāo)準(zhǔn)時間碼信息、GPS秒基準(zhǔn)信號和各種頻率的時間同步脈沖信號等，是實現(xiàn)并保證系統(tǒng)或設(shè)備上各部分組件之間在時間上保持精確統(tǒng)一的重要設(shè)備。
    基于GPS接收機(jī)及其輸出信號而進(jìn)行時間信號統(tǒng)一的時統(tǒng)系統(tǒng)是目前授時系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方法，由于受到傳統(tǒng)GPS接收機(jī)的功能限制，在授時精度、速度和功能上受到一定的限制?；谛滦褪跁r芯片LEA-5T的快速高精度授時系統(tǒng)將GPS接收機(jī)和授時系統(tǒng)結(jié)合為一個整體，提高了系統(tǒng)的集成度，并使授時系統(tǒng)具備了LEA-5T芯片所具有優(yōu)越性能：信號敏感、授時快、精度高，并可在惡劣氣候下實現(xiàn)單衛(wèi)星授時。

1 LEA-5T
1．1 性能特點(diǎn)
    LEA-5T是目前世界上最大的GPS芯片生產(chǎn)商之一——瑞士u-blox公司出品的新一代高精度GPS授時芯片，其內(nèi)置u-blox引擎，該引擎采用了KickStart快速弱信號捕獲、SuperSense室內(nèi)GPS高靈敏度跟蹤、精確授時GPS等技術(shù)，KickStart技術(shù)可令設(shè)備在惡劣天氣或天線較小或隱蔽等微弱信號條件下實現(xiàn)信號捕獲；SuperSense室內(nèi)GPS技術(shù)提高了跟蹤靈敏度，最低可探測并處理-160 dBm的信號，精度授時技術(shù)可實現(xiàn)30 ns的精確度，并可單衛(wèi)星運(yùn)行。LEA5T內(nèi)置1百萬個相關(guān)器，50個通道，32通道高性能捕獲隱形，超高精度18通道跟蹤引擎，首次定位時間為1 s(熱啟動)，授時精度補(bǔ)償后可達(dá)到15 ns。采用2．7～3．6 V電源，輸出時間脈沖0．25～1 000 Hz可選，具有UART，USB 2．0等串行接口等。其內(nèi)部電路及外觀和管腳定義如圖1所示。

1．2 UBX Protocol
    LEA-5T時間數(shù)據(jù)以u-blox公司私有GPS通信協(xié)議UBX Protocol方式發(fā)送。UBX Protocol除了提供標(biāo)準(zhǔn)NMEA協(xié)議所提供的信息外，還提供更多的導(dǎo)航授時信息，時間可精確到毫秒。標(biāo)準(zhǔn)UBX包的結(jié)構(gòu)由2 B的頭部標(biāo)識字(SYNC1、SYNC2)、2 B的類標(biāo)識(class、ID)、2 B的負(fù)載長度(低端有效數(shù)據(jù))、負(fù)載數(shù)據(jù)和2 B的校驗和。

2 系統(tǒng)設(shè)計
2．1 系統(tǒng)組成
    授時系統(tǒng)由GPS天線、GPS芯片(LEA-5T)及其保護(hù)電路、電池、信號處理器及其輔助電路、通信接口、高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字邏輯電路及其配置電路、輸出信號差分隔離電路等組成，如圖2所示。

2．2 工作原理
    GPS信號經(jīng)GPS天線接收并通過射頻電纜送至GPS芯片LEA-5T，LEA-5T芯片接收GPS信號后經(jīng)過內(nèi)部比較／捕獲電路最終獲得時間碼信息及整秒時刻，并以時間數(shù)據(jù)和時間脈沖信號的形式向外輸出。時間數(shù)據(jù)是串口數(shù)據(jù)信號，按u-bolx自有通信協(xié)議UBXProtocol方式構(gòu)成數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包含了各種時間信息、導(dǎo)航信息和衛(wèi)星實況等，通過LEA-5T的外部接口(USB或UART)向外發(fā)送。時間脈沖信號是GPS整秒時刻信號，該信號是TTL電平信號，其信號的時間前沿即是GPS整秒時刻，該信號通過LEA-5T的I／O口向外發(fā)送。
    保護(hù)電路用于監(jiān)控射頻信號，為LEA-5T及GPS天線提供開路或短路保護(hù)。
    電池用以在系統(tǒng)斷電時為LEA-5T保存上次的捕獲到的信息，從而極大提高下次開機(jī)時的授時時間。
    信號處理器接收來自GPS芯片的時間數(shù)據(jù)信號和來自外部的控制命令，在芯片內(nèi)部將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過匯總和處理后，通過地址總線和數(shù)據(jù)總線與數(shù)字邏輯電路連接并實時刷新端口，從而將時間碼信息和控制命令實時送入數(shù)字邏輯電路，同時通過通信接口向外發(fā)送時間數(shù)據(jù)和系統(tǒng)當(dāng)前控制狀態(tài)等信息。
    數(shù)字邏輯電路(FPGA)根據(jù)來自GPS芯片的時間脈沖信號、來自信號處理器地址總線和數(shù)據(jù)總線的命令和數(shù)據(jù)以及高精度頻標(biāo)信號，經(jīng)過內(nèi)部邏輯電路后，產(chǎn)生各路同步頻率脈沖信號(Pulse_x)和IRIG-B碼(DC_Code)標(biāo)準(zhǔn)時間等信號，并經(jīng)隔離驅(qū)動電路后向外發(fā)送，完成授時和時間統(tǒng)一功能。
    頻率標(biāo)準(zhǔn)一般采用高精度溫補(bǔ)晶振(OCXO)，根據(jù)要求可選擇5 MHz或10 MHz頻率。
    配置電路用于存儲數(shù)據(jù)邏輯電路的配置信息。

3 時間信息及確認(rèn)
3. 1 獲取時間數(shù)據(jù)
    UBX NAV Message數(shù)據(jù)包中包含GPS時間。GPS時間碼定義為1980年1月6日零時起的秒計數(shù)值，NAV_TIME GPS Message中，ITOM為周內(nèi)的毫秒數(shù)，可據(jù)此數(shù)據(jù)得到天、小時、分、秒的信息，WEEK為周數(shù)，結(jié)合ITOM和1980年1月6日，得到當(dāng)前幀數(shù)據(jù)的年、月、日、星期、時、分秒時刻。ITOM是一個無符號的長整形數(shù)據(jù)，占4 B。
    信號處理器接收時間數(shù)據(jù)并存入內(nèi)存，在每次收到數(shù)據(jù)時更新該內(nèi)存，并在每個程序周期中從存儲器內(nèi)提取這些數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的實時性。
3．2 確定脈沖時刻
    GPS脈沖時刻是GPS秒時刻的標(biāo)記，它通過LEA-5T的I／O口輸出，脈沖的寬度和脈沖前沿屬性可以通過UBX_CFG_TM來設(shè)置。它與時間數(shù)據(jù)之間的時間關(guān)系如圖3所示。

    圖3表明，時間脈沖信號先于串行時間數(shù)據(jù)到來，每個時間脈沖的秒時刻為下一個時間數(shù)據(jù)時刻，也是前一個時間數(shù)據(jù)秒時刻+1 s的數(shù)據(jù)時刻。時間數(shù)據(jù)發(fā)送頻率可以在0．02～1 000 Hz之間可調(diào)，時間脈沖的輸出脈寬可調(diào)，脈沖方式可設(shè)為上升沿或下降沿。并在每一秒內(nèi)有一個時間標(biāo)記，用于標(biāo)記秒時刻。提取時間數(shù)據(jù)后，T北京=TGPS+8 h-14 s獲得當(dāng)前幀北京時刻。
3．3 初始化GPS芯片
    LEA-5T芯片上電后進(jìn)入自己的出廠狀態(tài)，系統(tǒng)可以根據(jù)需要，在每次上電通過處理器(MCU)對其進(jìn)行初始化設(shè)置。通過UBX Message 6中的UBX ClassCFG可以選擇通信端口(UART／USB)、設(shè)置通信端口屬性(波特率)、設(shè)置I／O端口屬性、確定發(fā)送Message等操作；UBX Class ACK為CFG控制命令的返回命令，返回ACK-ACK表明命令接收／執(zhí)行正確，返回ACK-NAK表明命令接收／執(zhí)行錯誤；通過UBX Message中的UBX Class NAV(UBX_NAV_TIMEGPS6)可以設(shè)置輸出時間碼數(shù)據(jù)。初始化流程如圖4所示。

4 輸出時間信號
4．1 同步脈沖信號輸出
    輸出與GPS時間脈沖同步的頻率脈沖信號，是授時系統(tǒng)的重要功能。這個功能由數(shù)字邏輯電路完成。數(shù)字邏輯電路對內(nèi)部高精度標(biāo)準(zhǔn)頻率(見圖2)信號經(jīng)過分頻，生成各路所需高精度頻率信號，分頻后的信號經(jīng)過信號調(diào)整電路后與GPS時間脈沖同步。
4．2 IRIG-B碼
    IRIG-B碼是標(biāo)準(zhǔn)時間碼信號。由數(shù)字處理器通過I／O向數(shù)字邏輯電路實時刷新當(dāng)前時間數(shù)據(jù)(IRIG-B精確到秒)，F(xiàn)PGA經(jīng)內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)IRIG-B(DC)碼，其時間的起點(diǎn)與GPS時間脈沖對齊，并通過隔離差分驅(qū)動向遠(yuǎn)程提供時間信息。
4．3 時間碼數(shù)據(jù)
    時間碼數(shù)據(jù)除了通過DC_code方式發(fā)送外，還可以通過通信接口，由信號處理器按自定協(xié)議定時發(fā)送。

5 實物圖
    設(shè)計實例由兩層電路板疊插組成，上層為GPS信號板，下層為信號處理及輸出驅(qū)動板，如圖5所示。

6 結(jié)論
    LEA-5T芯片具有體積小、GPS信號靈敏、授時快、精度高的特點(diǎn)，基于LEA-5T的授時系統(tǒng)將GPS信號接收與時間信號處理整合在一起，系統(tǒng)集成度高，體積小，可靠性好。設(shè)計實例實驗表明，本系統(tǒng)授時快，冷啟動下首次授時十幾秒，熱啟動授時小于4 s，再次授時(自備電池下)小于1 s，可在惡劣天氣只見一顆星情況下輸出時間信號。實測同步信號精度為0．6μs，可滿足小于1 μs的要求。