基于單片機(jī)的GPS授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

郭 璽

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080

0 引言

隨著人類在各行各業(yè)取得進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)也得到最大限度的發(fā)展，原子鐘的使用可以使時(shí)間精度達(dá)到納秒級(jí)，同時(shí)精確的時(shí)間也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供最基本的保障。GPS授時(shí)系統(tǒng)就是利用一定的接收設(shè)備接收衛(wèi)星上的原子鐘的精確時(shí)間信號(hào)，傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后并發(fā)往顯示設(shè)備，為人們的生產(chǎn)生活提供精確的時(shí)間。

GPS全球定位系統(tǒng)是通過美國(guó)通訊衛(wèi)星高精度、可連續(xù)、實(shí)時(shí)定位模式下的定位系統(tǒng)，它可以同時(shí)向用戶發(fā)送用戶的三維坐標(biāo)和精確定時(shí)。能為全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)等服務(wù)。GPS由三個(gè)系統(tǒng)組成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接收系統(tǒng)。

目前，單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，單片機(jī)除了具有數(shù)值計(jì)算能力，還有相當(dāng)強(qiáng)大的控制功能，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，在各個(gè)領(lǐng)域具有非常重要的作用。

本文利用單片機(jī)和普通的接收機(jī)設(shè)計(jì)GPS授時(shí)系統(tǒng)，獲得精確的GPS時(shí)間,既可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確控制，也可以使系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備時(shí)間同步，比之當(dāng)前價(jià)格昂貴的授時(shí)型接收機(jī)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，更容易使公眾接受。

1 GPS授時(shí)系統(tǒng)原理

GPS系統(tǒng)分3大部分：一是空間衛(wèi)星系統(tǒng)，有工作衛(wèi)星21顆，備用衛(wèi)星3顆；二是地面監(jiān)控系統(tǒng)，主控站1個(gè)，注入站3個(gè)，監(jiān)測(cè)站5個(gè)；三是GPS用戶接收系統(tǒng)，包括接收機(jī)、單片機(jī)、顯示屏。

1.1 空間衛(wèi)星系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)中有工作衛(wèi)星21顆，備用衛(wèi)星3顆.每顆衛(wèi)星上都有4臺(tái)高精度原子鐘（鉚鐘和艷鐘各2個(gè)），這也是GPS衛(wèi)星的核心設(shè)備。它發(fā)射出標(biāo)準(zhǔn)頻率，為GPS定位提供精度非常高的時(shí)間信號(hào)。這些衛(wèi)星都是等間隔地分布在6個(gè)軌道面上，軌道面夾角為60°，這樣分布方式可以保證了地球上的所有位置均有4顆以上的GPS衛(wèi)星同時(shí)存在。 GPS衛(wèi)星定位精度高，雖然在地面無線電波定位精度受到的干擾比較大，而且受電離層和對(duì)流層的影響，但是通過人們對(duì)電離層和對(duì)流層的傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也找到了解決辦法，建立起了誤差修正模型，可以獲得精確的時(shí)間信息。

1.2 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)包括主控站、監(jiān)測(cè)站和注入站，主控站位于加利福尼亞州科羅拉多的Falcon空軍基地聯(lián)合航天工作中心.主控站主要接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，以及協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作。

1.3 GPS用戶系統(tǒng)

GPS用戶接收系統(tǒng)主要有用戶接收機(jī)、控制部分（單片機(jī)）和顯示設(shè)備。接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的星歷參數(shù)和時(shí)間信號(hào)，然后把這些數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過一定模式的分析與計(jì)算，可以得到精確的時(shí)間信息，最后通過輸出端輸出時(shí)間信號(hào)，提供給用戶。原理框圖如下圖。

GPS用戶系統(tǒng)中GPS信號(hào)接收、處理模塊是核心，接收機(jī)和單片機(jī)類型比較多，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其功能也越來越強(qiáng)大，接收機(jī)用于接收衛(wèi)星時(shí)間信息，具有較低的功耗和較強(qiáng)的抗干擾能力；無論是戶外勘測(cè)，還是室內(nèi)監(jiān)測(cè)都可以得到有效的保障。由于GPS信號(hào)接收機(jī)與單片機(jī)的I/O的電平大多都是TTL電平，所以可直接通信。GPS接收機(jī)傳送的時(shí)間數(shù)據(jù)的波特率有多種：9600bps、4800bps、2400bps，可任意選擇，一般使用4800bps就已經(jīng)足夠。其過程是，GPS接收機(jī)獲取準(zhǔn)確的GPS衛(wèi)星時(shí)間信息，通過GPS的串行通信端口發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)到單片機(jī)上，單片機(jī)經(jīng)過一定的處理，把時(shí)間信號(hào)發(fā)到顯示端。程序原理如圖：

顯示設(shè)備則可以選擇的是LMB102DDC液晶顯示屏。該設(shè)備不但小巧而且成本低，配合該GPS授時(shí)系統(tǒng)使用較好，而且適用普通用戶。LMB102DDC液晶顯示屏的內(nèi)核指令比較豐富，既有初始化顯示屏的指令，也有基本功能控制指令，本系統(tǒng)中，主要利用其寫數(shù)據(jù)到可讀寫寄存器中，以顯示到顯示屏上。

當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)在工作時(shí)，單片機(jī)將時(shí)間信息按一定的模型處理后，通過P0串行端口輸出，顯示在LMB102DDC液晶屏上。

1.4 GPS授時(shí)工作原理

由于接收機(jī)時(shí)鐘與GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘不同步，以及GPS信號(hào)在通過電離層和對(duì)流層時(shí)，由于折射等原因，造成傳播的速度不等于真空速度，發(fā)生微小的變化，引起時(shí)間誤差。接收機(jī)的時(shí)鐘與GPS衛(wèi)星時(shí)鐘之間的鐘差主要有兩個(gè)原因引起：一是信號(hào)以光速傳播到達(dá)接收機(jī)引起的時(shí)延；二是信號(hào)通過地球電離層和對(duì)流層時(shí)引起傳播速度發(fā)生變化。為了獲得真實(shí)的時(shí)間，可以用下面的方法計(jì)算GPs衛(wèi)星與接收機(jī)之間的鐘差，通過接收機(jī)的坐標(biāo)與GPS衛(wèi)星的坐標(biāo)計(jì)算接收機(jī)與GPS衛(wèi)星之間真實(shí)距離，其值等于“偽距離”減去真空光速時(shí)延以及電離層和對(duì)流層速度變化引起的誤差，從而推算出鐘差，本模塊采用下面的數(shù)學(xué)模型，推算鐘差，調(diào)整接收機(jī)的時(shí)鐘，達(dá)到與GPS衛(wèi)星同步的目的。其數(shù)學(xué)模型是：

其中：S真為通過坐標(biāo)計(jì)算出的GPS衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離；S偽是利用GPS衛(wèi)星發(fā)出的“測(cè)距碼”信號(hào)（取真空光速），加上信號(hào)的傳輸時(shí)延計(jì)算出GPS衛(wèi)星與接收機(jī)之間的“偽距離”；c為真空光速；∮為接收機(jī)與GPS衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差；△為電離層與對(duì)流層因?yàn)閭鞑ニ俣劝l(fā)生變化而引起的誤差。其中△可根據(jù)導(dǎo)航電文中的修正參數(shù)進(jìn)行推算，當(dāng)然也可以采用高級(jí)雙頻GPS信號(hào)接收機(jī)雙頻測(cè)算精確的修正電離層和對(duì)流層的誤差。

2 時(shí)間信號(hào)處理設(shè)計(jì)

2.1 GPS時(shí)間

GPS衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)不同于通常表示年月日的時(shí)間表示法，GPS時(shí)間是從1980年1月6日0點(diǎn)0分0秒開始的世界協(xié)調(diào)時(shí)間，主要由星期數(shù)和當(dāng)前星期的日期數(shù)組成。日期數(shù)是一個(gè)用13位C/A碼或P碼表示的，每過8192個(gè)星期（157年）重置一次零，要知道準(zhǔn)確的年月日以及時(shí)間信息，必需準(zhǔn)確換算出GPS時(shí)間信號(hào)。主體程序流程圖。

2.2 時(shí)間信號(hào)處理子模塊原理

2.2.1 年份換算

年份的處理不太復(fù)雜，主要是先利用當(dāng)前星期數(shù)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間離GPS時(shí)間原點(diǎn)的天數(shù)，并換算出年份，復(fù)雜的地方在于閏年的算法。主要有兩個(gè)模型：

天數(shù)：當(dāng)前星期數(shù)*7

當(dāng)前年份：

滿4年的天數(shù)（閏年）的年份計(jì)算：總天數(shù)減去四年的總天數(shù)，如果剩余天數(shù)仍然大于4年的天數(shù)則繼續(xù)循環(huán)減，同時(shí)年份上每次加4。

不滿4年的天數(shù)：由于起始年份（1980年）是閏年，則先去減去366（閏年的天數(shù)），年份加1，如果天數(shù)足夠則繼續(xù)減去365（普通年份的天數(shù)），如果仍足夠年份繼續(xù)加1，同時(shí)繼續(xù)減，否則轉(zhuǎn)入月份處理. 最后所得到的年份就是當(dāng)前的年份。

2.2.2 月數(shù)換算

月份計(jì)算的方法是，把剩余天數(shù)逐月減去，復(fù)雜的地方在于1月和2月，1月應(yīng)加上6再減去31天（時(shí)間原點(diǎn)1980年1月6日），2月應(yīng)先確定是不是閏年，如果是則減去29天，否則減28天。其他月份按當(dāng)月天數(shù)減即可。最后所得到的月數(shù)就是當(dāng)前的月數(shù)。

2.2.3 日數(shù)換算

日數(shù)的計(jì)算方法是，用當(dāng)前剩余總秒數(shù)減去12*3600（一天的總秒數(shù)），如果足夠減就繼續(xù)循環(huán)（再減去一天的決秒數(shù)），然后把日期數(shù)加上1。如果不夠減則退出，準(zhǔn)備調(diào)用下一個(gè)子程序（小時(shí)數(shù)子程序）。最后所得到的日數(shù)就是當(dāng)前的日數(shù)。

2.2.4 小時(shí)數(shù)換算

小時(shí)數(shù)的計(jì)算方法是，用當(dāng)前總秒數(shù)減去3600（一小時(shí)的總秒數(shù)），并把小時(shí)數(shù)加上1。如果有剩余就繼續(xù)個(gè)循環(huán)，如果不足就進(jìn)入下分鐘數(shù)子程序。最后所得到的小時(shí)數(shù)就是當(dāng)前的小時(shí)數(shù)。

2.2.5 分鐘數(shù)換算和秒數(shù)確定

分鐘數(shù)的計(jì)算方法是，用當(dāng)前總秒數(shù)減去60（即一分鐘的秒數(shù)），有剩余則把分鐘數(shù)加1，同時(shí)繼續(xù)循環(huán)。如果秒數(shù)不足就退出，運(yùn)算結(jié)束后所得到的分鐘數(shù)就是當(dāng)前分鐘數(shù)，而最后剩余的秒數(shù)就是當(dāng)前的秒數(shù)。

通過以上換算，得到的時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)間，由于我國(guó)采用東八區(qū)時(shí)，最后還需要在把獲得的年月日及時(shí)間信息送到顯示屏之前加上8個(gè)小時(shí)。

3 結(jié)論

目前，在市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了專門用于授時(shí)的接收機(jī)，能提供ns級(jí)的精確時(shí)間，但其價(jià)格高，不適用普通用戶。本文采用通用的串口輸出進(jìn)行授時(shí)，顯示時(shí)間為GPS衛(wèi)星精確時(shí)間，無論是價(jià)格還是實(shí)用性上都能滿足普通用戶的要求。本系統(tǒng)可在戶外和室內(nèi)運(yùn)行，為需要精確授時(shí)的系統(tǒng)提供精確時(shí)間。

[1]黃正謹(jǐn)，徐堅(jiān)，章小麗，熊明珍.CPLD系統(tǒng)設(shè)置技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]馬忠梅，劉濱，戚軍，馬巖.單片機(jī)C語言Windows環(huán)境編程寶典[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[3]漆貫榮.時(shí)間科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]鄒紅艷.基于GPS同步時(shí)鐘的綜合校時(shí)方案[J].大眾科技，2007，10.