科技與授時的聯(lián)姻：追溯北斗GPS雙模授時模塊的成功研發(fā)歷程

文_ 北斗天匯科技有限公司

科技與授時的聯(lián)姻：追溯北斗GPS雙模授時模塊的成功研發(fā)歷程

文_ 北斗天匯科技有限公司

我國從2000年開始，陸續(xù)發(fā)射了4顆 “北斗一號”01到04號試驗導(dǎo)航衛(wèi)星，組成了我國第一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。十年磨一劍，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，用戶顯著增加。然而，涉及國家經(jīng)濟社會安全的通信、電力、金融系統(tǒng)等諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的時間同步大多采用GPS授時。針對這一現(xiàn)狀，北斗天匯（北京）科技有限公司（簡稱：北斗天匯公司）從成立期初，專注北斗應(yīng)用研究，瞄準(zhǔn)授時應(yīng)用前景廣闊的市場需求，自主研發(fā)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新，成功研制北斗GPS雙模授時模塊。

1 授時模塊的研發(fā)歷程

在首先保證滿足各項性能指標(biāo)的同時，研發(fā)的每一個階段均貫徹了雙模備份、兼容性、低功耗等方面的設(shè)計理念，融合了高精度的授時算法，支持無源定位和氣壓測高等功能，完善的圖形化軟件平臺支持。最終實現(xiàn)的授時模塊尺寸小、接口兼容，可以方便的替換原有的授時設(shè)備，也易于在各種裝備中集成。

以研發(fā)歷程的時間為序，可以劃分為四個階段：

（1）組合式北斗單模授時板卡研制；

（2）一體式北斗單模授時板卡研制；

（3）小型化北斗單模授時模塊研制；

（4）小型化雙模兼容授時模塊研制。

整個研發(fā)歷程是一次產(chǎn)品升級、功能完善、技術(shù)進步的過程，目前產(chǎn)品的最新版本已經(jīng)處于精度高、體積小、功耗低、成本廉的業(yè)界領(lǐng)先地位。下面對四個研發(fā)階段進行回顧。

圖1 產(chǎn)品升級歷程

1.1 組合式北斗單模授時板卡研制

2007年公司成立伊始，就瞄準(zhǔn)北斗產(chǎn)業(yè)化重點布局，開始了北斗單模授時板卡的研制。本階段采用獨立射頻模塊組合信號處理板的方式，實現(xiàn)了原型北斗單模授時板卡，當(dāng)時公司尚不具備獨立研發(fā)射頻電路的科研能力，因此射頻模塊外購解決。此階段實現(xiàn)的技術(shù)跨越主要有，完成了基帶信號處理的板級集成，原型產(chǎn)品具備了單向授時、三星無源定位功能。但存在板卡面積大、厚度超限、成本高等缺點。組合式北斗單模授時板卡如圖1-1所示。

圖1-1

1.2 一體式北斗單模授時板卡研制

2007年下半年，在組合式原型板卡成功研制的基礎(chǔ)上，為了克服組合式設(shè)計帶來的缺陷，公司投入人力財力進行技術(shù)攻關(guān)，進入一體式板卡的研制。實現(xiàn)了射頻基帶一體化設(shè)計，性能不低于組合式產(chǎn)品。完成本次技術(shù)跨越后，可全部獨立進行產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)。一體式板卡解決了厚度超限、成本較高的問題，但其面積問題仍然沒有克服。一體式北斗單模授時板卡如圖1-2所示。

圖1-2

1.3 小型化北斗單模授時模塊研制

2008年初，以市場需求為牽引，基于前期的技術(shù)積累，進入產(chǎn)品小型化研發(fā)階段。公司機智攻關(guān)，采用業(yè)界先進的設(shè)計理念和工程方法，對軟硬件設(shè)計方案進行多種優(yōu)化，最終實現(xiàn)產(chǎn)品小型化。此時的產(chǎn)品體積小、尺寸接口實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。同時對授時算法進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了守時功能，能保證在衛(wèi)星信號中斷的情況下繼續(xù)提供較高質(zhì)量的時間輸出。此時的產(chǎn)品進行了多種指標(biāo)測試，性能完全達到相關(guān)要求。小型化北斗單模授時模塊如圖1-3所示。

圖1-3

1.4 小型化雙模兼容授時模塊研制

2008年中期，瞄準(zhǔn)中國移動有關(guān)技術(shù)要求，為了在規(guī)定面積下實現(xiàn)北斗/GPS雙模，公司又一次完成技術(shù)飛躍，在有限面積下實現(xiàn)了雙模兼容，2009年初成功完成了小型化雙模授時模塊的研制。模塊采用先進的雙模兼容技術(shù)，確保多種備份切換方式。同時引入了完善的狀態(tài)檢測功能，包括天線開短路、信號完好性等，為用戶提供可靠的時間輸出。同時完善了多種協(xié)議，除了支持北斗天匯專有協(xié)議外，還兼容了NMEA0183、TSIP、UBX、BD4.0等多種協(xié)議，用戶使用中可以靈活選擇。加入了板載溫度氣壓期間，通過帶標(biāo)校的高程氣壓算法，實現(xiàn)了高程輔助的自主定位。完成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程，具備大規(guī)模生產(chǎn)能力。為方便用戶適應(yīng)不同環(huán)境授時應(yīng)用，開發(fā)了控制軟件與北斗-GPS雙模授時模塊配合使用。其具有圖形顯示直觀方便；多手段控制，參數(shù)配置靈活；綠色免安裝，運行穩(wěn)定等特點。其顯示如圖2所示。小型化雙模兼容授時模塊如圖1-4所示。

圖1-4

圖2 軟件平臺部分界面

根據(jù)上述回顧，現(xiàn)將每一階段產(chǎn)品完成的技術(shù)革新與進步以列表的形式展現(xiàn)，如表1所示。

2 研發(fā)歷程中的技術(shù)升華

2.1 雙模備份設(shè)計

GPS系統(tǒng)作為穩(wěn)定運行的成熟系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在北斗授時模塊中集成GPS模塊，用于系統(tǒng)備份，可明顯提高整機的可靠性。同時具備應(yīng)對各種場景的雙模切換比對算法，保證故障識別的準(zhǔn)確、可靠、迅速。

2.2 兼容設(shè)計

目前，鑒于非北斗授時的設(shè)備已大量應(yīng)用于軍民領(lǐng)域，但北斗授時將逐步占據(jù)主導(dǎo)。為了實現(xiàn)平穩(wěn)過渡與替換，必須與廣泛使用的安裝尺寸、硬件接口及數(shù)據(jù)協(xié)議等方面盡可能的兼容。本文介紹的產(chǎn)品采用與Trimble resolutionT一致的安裝尺寸和硬件接口，同時也完全符合中國移動北斗授時規(guī)范中提出的接口要求，其具體尺寸如圖3所示。

表1 研發(fā)歷程對照表

圖3 授時模塊結(jié)構(gòu)尺寸

2.3 低功耗設(shè)計

模塊功耗小于1.5 W（不含天饋）。為了降低功耗，在算法級和硬件級均做了相應(yīng)的考慮。在信號捕獲跟蹤過程中采用FFT、并行運算、運算單元復(fù)用等方法，降低運算量；采用合理有效的任務(wù)調(diào)度策略，使用流水調(diào)度、采用可剝奪式內(nèi)核管理機制，降低空閑任務(wù)的執(zhí)行周期，縮短任務(wù)切換時間開銷。上述處理均有效的降低了處理器運算負(fù)擔(dān)，降低了工作頻率，進而減小了整機功耗。硬件設(shè)計上，首先實現(xiàn)了高效的供電電路，采用合理的變壓策略，降低了功率額外損失；在器件選型上，兼顧實現(xiàn)功能和降低功耗兩方面需求，使用低功耗器件，在必要時刻令部分器件進入省電模式。

2.4 穩(wěn)定性設(shè)計

在很多應(yīng)用場景下要求授時設(shè)備長期連續(xù)穩(wěn)定運行，穩(wěn)定性比精度更為重要，為了加強模塊的魯棒性，在設(shè)計環(huán)節(jié)進行了大量的抗壓測試，有效排除可能的程序死鎖環(huán)節(jié)，同時在程序關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置了看門狗機制，保證程序自動恢復(fù)。同時在協(xié)議數(shù)據(jù)中包括完整的模塊可用性標(biāo)志信息，可對信號失鎖、天線開短路、結(jié)果異常等多種情況進行數(shù)據(jù)通知，保證結(jié)果完好性。在硬件設(shè)計中，合理布局布線，充分考慮EMC設(shè)計原則，進行有效的屏蔽處理，器件選型過程中對所有器件進行溫濕振動等環(huán)境參數(shù)審核，避免個別器件引起整機穩(wěn)定性下降。

2.5 高精度授時算法

授時模塊精度指標(biāo)為：精確度小于10ns（1σ），準(zhǔn)確度小于100ns（位置精確獲取時）。為了實現(xiàn)該精度進行了如下處理，結(jié)合系統(tǒng)特點和工程實際，采用多種定時修正與補償算法，最大限度的縮小大氣層、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)、設(shè)備零值，系統(tǒng)殘差項。使用濾波及毛刺剔除算法，消除定時結(jié)果的粗差。利用板載高穩(wěn)頻標(biāo)，及授時結(jié)果的歷史信息，實現(xiàn)自動守時，以應(yīng)對信號中斷，由于采取了融合算法，使守時頻率準(zhǔn)確度比板載頻標(biāo)高至少兩個數(shù)量級。

3 測試結(jié)論

2007年底北斗天匯公司成功研制的北斗單向授時模塊，經(jīng)北斗用戶設(shè)備權(quán)威部門的定標(biāo)測試，精度優(yōu)于30ns。

2008年7月北斗天匯公司參加中國移動組織的北斗接收機實驗室長期性能測試驗證，以及在多個省市現(xiàn)網(wǎng)上的不同基站設(shè)備內(nèi)部內(nèi)置北斗授時模塊的同步性能監(jiān)測、授時機與基站接口對接的性能測試，測試結(jié)果表明北斗衛(wèi)星可以提供長期的小于100ns的時間精度，完全可以滿足TD系統(tǒng)亞微秒的精度要求。

2009年8月北斗天匯公司參加總部組織的集中裝備采購招標(biāo)，北斗授時模塊測試項目滿分，技術(shù)排名第一。

4 總結(jié)與展望

北斗天匯公司歷時兩年成功研制的高精度雙模授時模塊，精度高、體積小、功耗低、成本廉，業(yè)已走過自動化貼片生產(chǎn)模塊的工藝流程，一條SMT貼片流水生產(chǎn)線月產(chǎn)能2萬塊，為推進北斗授時應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化打下堅實的基礎(chǔ)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，高精度北斗授時應(yīng)用將會更好地服務(wù)于國防科技和國民經(jīng)濟建設(shè)。S