嵌入式系統(tǒng)中精確的衛(wèi)星定位授時與同步

摘要：介紹衛(wèi)星定位、授時與同步的特點與基本原理；詳細闡述現(xiàn)代衛(wèi)星信號接收體系的硬軟件設計思想以及如何在系統(tǒng)設計中嵌入應用導航衛(wèi)星實現(xiàn)的精確的物體定位、時鐘授時和同步數(shù)據(jù)采集控制。

關鍵詞：LNA RF 基帶處理 芯片組 一體化模塊 衛(wèi)星定位授時與同步

　　利用導航衛(wèi)星，進行物體定位、時鐘授時與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達到傳統(tǒng)測量控制手段所不及的精確程度。這種衛(wèi)星定位授時同步技術在航空航海、陸上交通、科學考察、極地探險、地理測量、氣象預報、設備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面的應用日益廣泛。近年來，很多廠商,如Atmel、ST、Motorola、Maxim、NEC、Fijitsu、Conexant等，相繼推出了許多相關衛(wèi)星定位授時同步的芯片組與模塊，為設計出穩(wěn)定可靠、簡潔便攜的儀表儀器，提供了很多有效的便捷途徑。本文對現(xiàn)有的衛(wèi)星信號接收芯片組或模塊如何構成各種結構緊湊、成本低廉、簡單易用、性能優(yōu)良的衛(wèi)星信號接收通道，怎樣嵌入到不同的實際應用系統(tǒng)中實現(xiàn)精確的物體定位、時鐘授時或同步數(shù)據(jù)采集控制的各種類型設計進行綜合闡述。

1 衛(wèi)星定位授時同步概述

　　衛(wèi)星定位授時同步技術中的關鍵部件是人造地球導航衛(wèi)星組。目前，主要的導航衛(wèi)星組有美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS(Global Navigation System)、中國的北斗導航系統(tǒng)和歐盟的伽利略全球導航系統(tǒng)Galileo。這幾種導航衛(wèi)星系統(tǒng)的特征與應用狀況如表1所列。

　　

　　衛(wèi)星導航系統(tǒng)通常由三部分組成：導航衛(wèi)星、地面監(jiān)測校正維護系統(tǒng)和用戶接收機或收發(fā)機。對于北斗局域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，地面監(jiān)測中心要幫助用戶一起完成定位授時同步。本文重點闡述的是用戶接收或收發(fā)部分的嵌入式硬軟件應用設計。

　　在民用方面，GPS、GLONASS和北斗的定位精度是米級，衛(wèi)星授時時鐘精度是毫秒級，數(shù)據(jù)同步能力在1 μs以下。未來的Galileo導航衛(wèi)星系統(tǒng)，其民用定位授時同步精度是GPS的10倍左右。上述幾種導航衛(wèi)星系統(tǒng)中， GPS是能夠進行全方位、全天候、長時期衛(wèi)星定位授時同步的最好的衛(wèi)星導航設備。目前，美國與俄羅斯一道正在維護GLONASS，共同構成GPS + GLONASS系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)目倍增，衛(wèi)星定位授時同步的精度、范圍、效率和可靠性將會得到更進一步的提高。

2 衛(wèi)星定位授時同步的基本原理

　　衛(wèi)星導航基于多普勒效應的多普勒頻移規(guī)律：fΔ=λ/ν式中，fΔ為運行物體之間的電磁波信號頻率變化，λ是其信號電磁波的波長，ν是其相對速度。

　　上式說明所接收衛(wèi)星信號的多普勒頻移曲線與衛(wèi)星軌道有一一對應關系。也就是說，只要獲得衛(wèi)星的多普勒頻移曲線，就可確定衛(wèi)星的軌道。反之，已知衛(wèi)星運行軌道，根據(jù)所接收到的多普勒頻移曲線，便能確定接收體的地面位置。

　　全球衛(wèi)星導航的基本原理是：衛(wèi)星發(fā)射導航電文，其中包括測距精度因子、開普勒參數(shù)、軌道攝動參數(shù)、衛(wèi)星鐘差參數(shù)νti、大氣傳播遲延修正參數(shù)等。地面接收機根據(jù)碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)或頻分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)的特點區(qū)分各導航衛(wèi)星，接收并識別相應的導航電文，測量發(fā)來信號的傳播時間Δti，利用導航電文中的一系列參數(shù)逐步計算出衛(wèi)星的位置(xi, yi, zi)。設接收機所在待測點位置為(x, y, z)，接收機時鐘鐘差為νt0，接收機只要能接收到至少4顆衛(wèi)星信號，就可確定其位置和鐘差：

　　

　　在全球導航系統(tǒng)下，用戶接收機根據(jù)衛(wèi)星導航電文不斷地核準其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度，這就是精確的衛(wèi)星授時；根據(jù)導航電文的規(guī)律性的時序特征，通過計數(shù)器，可以得到高精度的同步秒脈沖PPS(Pulse Per Second)信號，用于同/異地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的同步操作。

　　北斗局域衛(wèi)星導航的基本原理是：以2顆位置已知的衛(wèi)星為圓心，各以測定的本星至用戶機距離為半徑構成2個球面。地面控制中心通過電子高程地圖提供一個以地心為球心、球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。三球面的交點即是用戶位置。具體的定位過程是：首先由地面中心發(fā)出信號，分別經(jīng)2顆衛(wèi)星反射傳至用戶接收機，再由接收機反射2顆衛(wèi)星分別傳回地面中心，地面中心站計算出兩種途徑所需時間t1和t2，設衛(wèi)星的位置為(xi, yi, zi)，地面中心到衛(wèi)星的距離為Ri，(xi, yi, zi)、Ri可由地面中心確定，通過下列方程組就可以計算待測點的位置(x, y, z)：

　　

　　上述一系列復雜的運算，對全球導航系統(tǒng)來說，在用戶接收側進行；對北斗局域導航系統(tǒng)來說，是在地面中心進行的。地面中心確定用戶位置后，再把定位與時鐘信息通過衛(wèi)星傳給用戶。
　　
3 全球導航衛(wèi)星信號的接收端設計

　　3.1 衛(wèi)星信號接收端的基本構成

　　全球導航衛(wèi)星信號接收端主要由以下部分組成：衛(wèi)星接收天線、低噪聲放大器LNA(Lower Noise Amplifier)、前端射頻下變頻器EndFront RF(EndFront Radio Frequency Down Converter)、信號通道相關器、數(shù)字信號運算處理控制器DSP、實時時鐘RTC(Real Time Clock)、數(shù)據(jù)存儲器Memory與輸入輸出I/O接口組成，整個體系如圖1所示。

　　從圖1可以看出：衛(wèi)星信號接收端的核心是DSP，從導航電文到衛(wèi)星位置的確定，再到接收端所在待測點位置與接收端時鐘鐘差的確定，及其衛(wèi)星通道數(shù)據(jù)的整定控制等都是該DSP完成的。在實際應用中常選用32位的通用數(shù)字信號處理器或ARM7內核的單片機，來執(zhí)行這一系列復雜的運算與控制。

　　接收端向外輸出精確的定位/授時數(shù)據(jù)結果和PPS秒脈沖信號，并且可以接收外界的通信配置。
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　　3.2 選擇適當?shù)男l(wèi)星信號收發(fā)天線?
　　
　　衛(wèi)星信號接收天線是衛(wèi)星接收端的關鍵部件。

　　選擇衛(wèi)星信號接收天線，既要具有適當?shù)男盘栐鲆?，又要視其形狀和大小。固定場合使用的衛(wèi)星信號接收天線，可以選用高增益大體積的冠狀天線；便攜式移動設備的衛(wèi)星接收天線可以選用微型的平板式天線和四臂螺旋式天線。常見的微型平板天線是陶瓷微波瓷介天線。陶瓷微波瓷介天線經(jīng)濟實用，既可以作為無源天線近距離直接連接到前端RF下變換器，也可以與LNA一起構成有源長饋線車載天線。四臂螺旋天線性能比平板天線好，無方位要求；但價格高，桿長度大，應用不多。

　　接收的衛(wèi)星信號是右旋園極化波，發(fā)給衛(wèi)星的信號要求是左旋園極化波。使用北斗局域導航衛(wèi)星的用戶接收機，雖然不需要復雜的運算就能得到地面中心提供的準確的定位授時結果，但它既要接收衛(wèi)星信號又要向衛(wèi)星發(fā)射信號，其天線的理想選擇是微型筆桿狀無源雙頻帶螺旋式衛(wèi)星收發(fā)天線。?

　　3.3 選用集成組件構建衛(wèi)星信號接收端

　　選用合適的CPU及其外圍器件，按照圖1所示的原理，可以很容易地設計出衛(wèi)星信號接收端的硬件電路；但是由于涉及到大量復雜繁瑣的運算，CPU軟件設計任務十分繁重。

　　設計衛(wèi)星信號接收端，常選用集成組件來搭建。可選的LNA組件，如Atmel的ATR0610、Maxim的MAX2641/ 2654/2655等。可選的前端RF下變頻器，如Atmel的ATR0600、Maxim的MAX2742/4/5、ST的STB5600、μNav的μN1005/8021C、NEC的μPB1029R、Fujitsu的MB15H156等。

　　很多知名半導體廠商把通道相關器、DSP運算控制器、數(shù)據(jù)存儲器等集成到一個芯片內，內含通道相關算法、衛(wèi)星位置確定算法、待測點定位授時算法，對外通過RS232串口每秒鐘輸出一次定位授時等信息和PPS秒脈沖，并且可通過RS232串口接收用戶的RS232通信配置信息，這種芯片就是基帶處理器(Base Band Processor)?；鶐幚砥骱?~16個衛(wèi)星通道數(shù)，工作穩(wěn)定可靠，價格低廉。使用這種芯片可以免除用戶選用高速DSP數(shù)字信號處理器或ARM7單片機構建電路與設計衛(wèi)星信號運算處理軟件的麻煩。常見的衛(wèi)星信號基帶處理器，例如Atmel的ATR0620、Sony的CXD2932、ST的ST20GP6、μNav的μN8031B、NEC的μPD77538、Fujitsu的MB87Q2040等。



　　　　　　　　　　　　圖1全球導航衛(wèi)星信號接收端結構框圖

　　

　　　　　　　　　　　　圖2集成組件構建的衛(wèi)星信號的接收端框圖

　　圖2是由ATR0610、ATR0600和ATR0620構成的GPS衛(wèi)星信號接收端框圖。

　　選用LNA、前端RF下變頻器、基帶處理器構建衛(wèi)星信號接收端的時候，應注意盡可能選用一個廠商的器件；如果不能做到，應選用成熟搭配的不同廠商的器件。表2列出了幾種常用的工作穩(wěn)定可靠的器件搭配組合。

　　

　　　　　　　　　　　　　　表2集成衛(wèi)星信號接收組件的最佳搭配組合

　　還有一些知名半導體廠商，則進一步集成，如ST把RF下變頻器與基帶處理器集成在一起推出的多功能單芯片STB2056，Motorola把LNA、RF下變頻器與基帶處理器集成在一起推出的模塊化多功能單芯片MG4000/MG4100/MG4200。圖3是由MG4200構成的衛(wèi)星信號接收端框圖。衛(wèi)星信號接收端芯片功能集成度的逐步提高，為簡化設計提供了有效的捷徑。

　　3.4 使用集成模塊構建衛(wèi)星信號接收端

　　使用集成組件構建衛(wèi)星信號接收端簡捷、明了，但是如果射頻電路設計經(jīng)驗不足，在PCB(Print Circuit Board)制板時，布局、布線不合理，往往會因噪聲干擾嚴重引起衛(wèi)星定位授時同步數(shù)據(jù)或信號的浮動，造成過大的偏差。在初次設計衛(wèi)星信號接收端或射頻電路設計經(jīng)驗不足的情況下，設計衛(wèi)星信號接收端的最好途徑就是使用衛(wèi)星信號接收OEM(Original Equipment Manufacturer)板或接收模塊。衛(wèi)星信號接收OEM板或模塊是一些知名半導體設計廠商利用集成組件設計的模塊化衛(wèi)星信號接收端，工作穩(wěn)定可靠，精確程度高，接口規(guī)范標準。OEM板如μBlox的RCBLJ、SBRLS，Conexant的Jupiter Receiver，古野的GN77等。接收模塊如μBlox的TIMLP、TIMLS，Motorola的FS Oncore，Koden的GSU16，Rackwell的TU30，TastraX的Trax02等。接收模塊形體小巧，有很多是低功耗產(chǎn)品，特別適合便攜設備的嵌入式體系設計開發(fā)。這些衛(wèi)星信號接收OEM板或模塊，配上適當?shù)臒o源或有源天線，就可以構成性能穩(wěn)定的野外型或車載式便攜接收端。還有天線與接收模塊集成在一起的小尺寸一體化接收模塊，如μBlox的SAMLS，應用設計起來更加方便。圖4是用TIMLP構成的衛(wèi)星信號接收端，即可使用隨機攜帶的無源天線直接在野外使用，也可外插有源車載天線在行進中使用。

　　3.5 僅用衛(wèi)星信號同步時的特殊設計?

　　在實際應用中，使用導航衛(wèi)星信號，如果僅處于異地或同地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的精確同步目的，諸如電力系統(tǒng)中的故障錄波、相位測量、故障判距、繼電保護等，則可以不使用價格昂貴的衛(wèi)星信號接收組件、OEM板或接收模塊，而選用常規(guī)器件構建接收電路，結合軟件對信號的識別和脈沖計數(shù)，直接得到精確的同步PPS脈沖信號。圖5是這種構思的一個典型實例。

　　圖5中整形電路實現(xiàn)取得最強的一個衛(wèi)星信號；整形削波部分捕獲導航電文的傳播幀頭，啟動單片機中的計數(shù)器對另一路整形脈沖計數(shù)；單片機根據(jù)導航電文傳播的速度特征計算并產(chǎn)生精確的PPS秒脈沖信號。

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　圖3由MG4200構成的衛(wèi)星信號接收端框圖

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　圖4由“天線+接收模塊”構成的衛(wèi)星信號接收端



　　　　　　　　　　　　　　圖5簡易衛(wèi)星信號秒脈沖發(fā)生原理圖

　　圖5中擴頻降噪選用NE570/571，帶通濾波或信號放大選用LM1450，信號整形或削波整形選用LM311，單片機選用MCS51。

4應用設計

　　4.1 應用衛(wèi)星信號的同步數(shù)據(jù)采集與控制

　　應用衛(wèi)星導航信號進行精確的異地或同地的多通道工業(yè)數(shù)據(jù)的采集與控制，主要是直接使用由衛(wèi)星信號接收端得到的PPS秒脈沖信號或使用再由此PPS信號得到PPM(Pulse Per Minute)、100PPS、PPH (Pulse Per Hour)脈沖信號，同步啟動多通道的數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉換器ADC、數(shù)字控制數(shù)模轉換器，同步打開或關閉各個通道開關；還有用于測量判斷的，制作精確時間標簽的，如電力系統(tǒng)中的故障定位、功角測量等。除需要使用同步脈沖啟動判斷測量外，還需要得到精確的測量時間值。這時需用高分辨率的定時器對PPS間的時間間隔進行細分，以供CPU捕獲使用。為得到精確的clk(clock)時鐘還要選用高頻恒溫晶體振蕩器。這種類型的模型如圖6所示。



　　　　　　　　　　　　　　圖6應用衛(wèi)星信號的同步數(shù)據(jù)采集與控制的模型框圖

　　圖6中，CPU可選擇使用可編程邏輯器件PLD、數(shù)字信號處理器DSP或單片機MCU。CPU、ADC、DAC等的速度、類型、規(guī)格等應根據(jù)實際設計系統(tǒng)的狀況決定。

　　4.2應用衛(wèi)星信號進行物體定位與時鐘授時

　　應用衛(wèi)星信號進行物體定位與時鐘授時的一般過程是：設計衛(wèi)星信號接收端，從中取得的待測點三維位置信息(經(jīng)度、緯度、海拔)和國際標準時間UTC(Universal Coordinate Time)，存儲，顯示，通過授時通道(RS232、RS485、CAN等)向外廣播時鐘或通過無線通信技術GSM/CDMA向外傳播該時刻物體的實際位置。

　　得到的定位/時鐘精度分辨值：經(jīng)/緯度的分單位值可達小數(shù)點后5位，海拔的米單位值可達小數(shù)點后2位，時鐘的秒單位值可達小數(shù)點后2位。

　　應用衛(wèi)星信號接收芯片組或OEM板或接收模塊設計的接收端，串行外輸?shù)臄?shù)據(jù)格式通常使用美國國家海洋電子協(xié)會NMEA(National Marine Electronics Association)的NMEA183標準，接收端每秒鐘向外發(fā)出一個PPS秒脈沖和一串定位、時鐘等信息。PPS秒脈沖與外傳數(shù)據(jù)信息有嚴格的時間關系，扣準PPS秒脈沖時序的跳變沿讀取時鐘數(shù)據(jù)可以得到更精確的時鐘值。使用中，需要把所得UTC時間轉換成北京時間。

　　進行物體定位與時鐘授時的模型如圖7所示。

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　圖7應用衛(wèi)星信號的物體定位與時鐘授時模型框圖

4.3注意事項

　?。?） 衛(wèi)星信號的接收失步

　　設計體系應用于山區(qū)、極地等不開闊或易受太陽風暴等影響的地域時，應在設計中加入防止衛(wèi)星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設計本地精密的PPS產(chǎn)生電路、實時時鐘RTC電路，當從接收端取得的NMEA格式信息中識別出所傳定位/時鐘信息無效時，立即啟用本地PPS信號、RTC時間，并根據(jù)前面正常情況下物體的位置特征推斷當前物體的位置。衛(wèi)星信號接收恢復正常時，轉而使用衛(wèi)星定位時鐘同步，同時清除本地PPS發(fā)生計數(shù)器，校正RTC時鐘。圖8為這種典型的防失步方案。

　　

　　　　　　　　　　　　　　圖8衛(wèi)星信號監(jiān)測失步時的同步/時鐘處理

　　 （2） 系統(tǒng)電源管理

　　衛(wèi)星信號定位授時同步體系，特別是嵌入式便攜設備，涉及到不同的電源供給，如5 V的液晶顯示模塊、3.3 V的主系統(tǒng)、1.8 V的CPU核，需要從1.2~4.3 V的電池得到各種供電電壓。電源管理設計時，不要直接從電池電壓同時變換得到1.8 V、3.3 V、5 V，而應先升壓得到最大的供電電壓，再逐級降壓得到所需各級供電電壓，否則系統(tǒng)不能正常工作，操作過程如圖9所示。

　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　圖9便攜式衛(wèi)星信號定位儀器的系統(tǒng)電源規(guī)劃

　　 （3） PCB制板

　　需要重點考慮的是衛(wèi)星信號接收部分的設計。為減少干擾，獲得最好的接收效果，接收天線要盡可能靠近集成芯片的接收引腳；天線接口到芯片接收腳的微帶線要盡可能短，寬度要2倍于PCB板厚，走斜切線，避免銳角、直角。要有獨立的電源、地層。電源、地層要靠近頂/底層，大面積鋪地，PCB邊緣處，電源層面積要小于地層；地層邊緣要加一圈密密的過孔，頂層要有大量過孔和大面積地。盡可能使用金屬罩屏蔽全部接收部分。

結語

　　衛(wèi)星導航技術日臻完美，深入日常生產(chǎn)、生活的各個領域和方面。設計穩(wěn)定可靠、便攜低耗、成本低廉的現(xiàn)代衛(wèi)星信號接收體系，實現(xiàn)精確的物體定位、時鐘授時和同步數(shù)據(jù)采集控制，具有廣闊的前景。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻

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