雙模緊耦合定時(shí)模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

徐榮，于永，張北江，趙陸文

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雙模緊耦合定時(shí)模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

徐榮，于永，張北江，趙陸文

（理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007）

分析了BDS/GPS雙模松耦合定時(shí)模塊與緊耦合定時(shí)模塊之間在成本、功耗、體積方面的差距，以及松耦合定時(shí)在完好性監(jiān)測(cè)方面的不足，從而得出緊耦合在定時(shí)方面占優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。詳細(xì)闡述了緊耦合定時(shí)模塊的硬件設(shè)計(jì)、定位原理、定時(shí)原理及策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了緊耦合定時(shí)在完好性監(jiān)測(cè)等方面的優(yōu)勢(shì)。

雙模；緊耦合；定時(shí)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，電力、電信、軍事等領(lǐng)域?qū)r(shí)間同步精度的要求越來越高，使用體積小、成本低、精度高、穩(wěn)定性好的衛(wèi)星定時(shí)接收機(jī)作為時(shí)間同步源已成為主流選擇。長(zhǎng)期以來，美國(guó)的GPS（全球定位系統(tǒng)）定時(shí)型接收機(jī)壟斷了國(guó)內(nèi)的主要市場(chǎng)，隨著我國(guó)BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的不斷發(fā)展完善，BDS定時(shí)型接收機(jī)市場(chǎng)份額也在逐年遞增。2012年底BDS完成了對(duì)亞太大部分地區(qū)的覆蓋并正式提供PNT（位置、導(dǎo)航、時(shí)間）及短報(bào)文通信服務(wù)，計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航功能。至2012年底，BDS共16顆衛(wèi)星，其中5顆是靜止地球軌道（GEO）衛(wèi)星。GPS、BDS定時(shí)型接收機(jī)性能都滿足用戶需求，但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為依靠一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)，在出現(xiàn)外界故意或無意干擾、故意降低服務(wù)精度和衛(wèi)星健康狀況不良等情況時(shí)，其可靠性、安全性無法得到保障，而采用雙模定時(shí)則可以提高接收機(jī)定時(shí)服務(wù)的可靠性、完好性和連續(xù)性，保證用戶系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 雙模定時(shí)現(xiàn)狀

全球主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除GPS和BDS之外，還有俄羅斯的GLONASS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、歐盟的GALILEO（伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）。但GLONASS、GALILEO由于衛(wèi)星數(shù)量、星座布局等原因，其接收機(jī)沒有成為我國(guó)市場(chǎng)的主流選擇。由于BDS的GEO衛(wèi)星的下行頻率2 491.75 MHz與GPS的1 575.42 MHz頻率間隔較大，兩者同時(shí)被干擾的概率低；并且BDS的GEO衛(wèi)星電離層時(shí)延比較穩(wěn)定，S波段相對(duì)L1波段而言電離層時(shí)延較小，因此國(guó)內(nèi)很多廠家的定時(shí)設(shè)備采用BDS的GEO衛(wèi)星與GPS組合授時(shí)，為方便起見這里將其簡(jiǎn)稱為BDS/GPS雙模定時(shí)。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家的BDS/GPS雙模定時(shí)方案采用了國(guó)外廠商成熟的GPS模塊與BDS模塊的組合，這種組合稱為松耦合方式。這種松耦合定時(shí)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由圖1可見，其工程實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，兩個(gè)模塊單獨(dú)運(yùn)行，通過某種方法選擇一個(gè)系統(tǒng)的定時(shí)信息和1PPS（秒脈沖）信號(hào)輸出。

圖1 松耦合定時(shí)模塊結(jié)構(gòu)框圖

以前BDS只有3顆GEO衛(wèi)星，因此定位需使用氣壓高度計(jì)輔助，存在高程測(cè)量誤差大的缺點(diǎn)；如果手動(dòng)輸入高程，用戶使用時(shí)比較麻煩。即便目前BDS有5顆GEO，但由于星座幾何關(guān)系不佳，定位精度仍不高。松耦合模式下不同源的觀測(cè)數(shù)據(jù)不能共用，也就不能充分發(fā)揮系統(tǒng)間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的能力。而采用緊耦合方式，在信息處理時(shí)，將同一時(shí)刻兩個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)量整合統(tǒng)一解算，就不必?fù)?dān)心BDS的GEO衛(wèi)星定位時(shí)高程和星座幾何因子差的問題，還可以提高自主完好性監(jiān)測(cè)能力。

2 雙模緊耦合模塊的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

2.1 雙模緊耦合定時(shí)模塊結(jié)構(gòu)及硬件實(shí)現(xiàn)

由于兩個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)要共用，因此雙模緊耦合與松耦合結(jié)構(gòu)上有很大不同。緊耦合定時(shí)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，BDS的GEO衛(wèi)星信號(hào)與GPS衛(wèi)星信號(hào)在變頻和ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）后送入同一信號(hào)處理器，在同一時(shí)鐘下處理后的觀測(cè)量交給信息處理器統(tǒng)一解算。在硬件結(jié)構(gòu)上減少一路信號(hào)與信息處理器件還有輸出控制電路，降低了功耗和成本，具體硬件器件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖2 緊耦合定時(shí)模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖3 緊耦合定時(shí)模塊硬件框圖

2.2 雙模緊耦合定位原理

緊耦合定時(shí)首先將同時(shí)刻獲得的兩個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)（星歷、偽距）輸入到信息處理器中求解，由于目前BDS的GEO衛(wèi)星和GPS所采用時(shí)間、坐標(biāo)系統(tǒng)不同，直接使用觀測(cè)數(shù)據(jù)組合解算會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出錯(cuò)，因此需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、坐標(biāo)統(tǒng)一后進(jìn)行求解，得出位置、鐘差、系統(tǒng)間鐘差。

GPS系統(tǒng)時(shí)為GPS時(shí)（GPST），它溯源到UTC（USNO，美國(guó)海軍天文臺(tái)），是連續(xù)的時(shí)間系統(tǒng)，不作閏秒調(diào)整[1]。BDS系統(tǒng)時(shí)為BD時(shí)（BDT），溯源到UTC（NTSC，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心），且與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC同時(shí)作閏秒調(diào)整。兩系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)與UTC的偏差在各自導(dǎo)航電文中播發(fā)，因此觀測(cè)量的系統(tǒng)時(shí)間可統(tǒng)一到UTC[2]。

GPS采用的是WGS-84坐標(biāo)系，BDS的GEO衛(wèi)星目前已采用CGCS2000坐標(biāo)系，兩系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差只有厘米級(jí)。

兩系統(tǒng)觀測(cè)量統(tǒng)一后的定位求解方程組如下[3]：

2.3 雙模緊耦合定時(shí)原理及策略

通過觀測(cè)量解算或外部設(shè)置得出本地位置后，即可進(jìn)入定時(shí)流程：定時(shí)模塊配有溫補(bǔ)晶振（TXCO），可分頻產(chǎn)生本地1 PPS信號(hào)，作為定時(shí)的參考時(shí)標(biāo)，觀測(cè)量的獲取均基于該參考時(shí)標(biāo)；根據(jù)已知的本地位置求得本地時(shí)間與UTC的鐘差，然后校準(zhǔn)本地時(shí)鐘使時(shí)差控制在一定的精度范圍內(nèi)，然后將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間播發(fā)出去。

鐘差調(diào)整的秒以上部分可以通過導(dǎo)航電文獲得，秒以下部分Δ有2種方法獲?。?）利用定位算法解算得出；2）在天線位置已知的情況下，利用單顆星的偽距觀測(cè)量，減去星地距離以及星歷、上下行傳輸路徑、設(shè)備等產(chǎn)生時(shí)延誤差得出[4]。本地1 PPS信號(hào)就是利用Δ進(jìn)行修正使之與衛(wèi)星的1 PPS對(duì)齊，從而輸出與UTC同步的1 PPS。

圖4 本地1 PPS調(diào)整過程

在本地時(shí)鐘校準(zhǔn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)定時(shí)后，定時(shí)策略流程如圖5所示。

圖5 定時(shí)策略流程圖

由于緊耦合定時(shí)可以獲得兩系統(tǒng)時(shí)之差，因此1PPS校準(zhǔn)后主、備用系統(tǒng)（可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定BDS或GPS為主用或備用）切換時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯抖動(dòng)。

2.4 雙模定時(shí)干擾測(cè)試

為驗(yàn)證本文實(shí)現(xiàn)的雙模緊耦合定時(shí)模塊在外界干擾下的自主完好性監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，將其與自主研發(fā)的單BD定時(shí)模塊與國(guó)外GPS芯片組合的雙模松耦合模塊進(jìn)行1PPS抖動(dòng)對(duì)比測(cè)試，以GPS馴服過的銣原子鐘作為基準(zhǔn)參考源，兩者使用同一個(gè)雙頻天線，外部干擾信號(hào)源對(duì)兩模塊同時(shí)進(jìn)行BDS的S波段頻點(diǎn)、GPS的L1頻點(diǎn)的交替干擾。圖6和7是主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 干擾下松耦合定時(shí)模塊1PPS切換抖動(dòng)

圖7 干擾下緊耦合定時(shí)模塊1PPS切換抖動(dòng)

對(duì)圖6和7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以這樣來分析：松耦合模式下通道延時(shí)不確定性帶來的設(shè)備時(shí)延誤差以及時(shí)鐘不同源帶來的觀測(cè)誤差無法解決，在干擾時(shí)只能依靠各自系統(tǒng)的檢測(cè)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)偽距異常變化的時(shí)間滯后導(dǎo)致切換定時(shí)系統(tǒng)延遲，切換過程抖動(dòng)大；緊耦合模式下由于時(shí)鐘同源，利用同時(shí)刻獲得兩個(gè)系統(tǒng)觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，在干擾初期就可以發(fā)現(xiàn)偽距抖動(dòng)，檢測(cè)干擾迅速，從而及時(shí)切換定時(shí)系統(tǒng)，切換過程平穩(wěn)，基本可以忽略切換抖動(dòng)。這里切換定時(shí)系統(tǒng)的門限需要經(jīng)驗(yàn)值，一般可設(shè)為比正常輸出抖動(dòng)大40 ns左右即可切換。

在一些多徑環(huán)境中，緊耦合模式還可以利用BDS的GEO衛(wèi)星信號(hào)誤差相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，甄別多徑誤差比較大的GPS衛(wèi)星信號(hào)，不使用其進(jìn)行定位定時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

緊耦合模式下還可以借助BDS的GEO衛(wèi)星的快速定位，在溫啟動(dòng)（距離上次定位的時(shí)間小于2h的啟動(dòng)）時(shí)利用GPS歷書提高搜索GPS衛(wèi)星的速度。本文實(shí)現(xiàn)的緊耦合模塊已在電力、通信基站設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，長(zhǎng)期使用結(jié)果證明性能穩(wěn)定可靠，不過BDS的GEO衛(wèi)星仰角較低，容易被高大建筑物遮擋，而且衛(wèi)星數(shù)量少，因此加入BDS的MEO（中軌道）衛(wèi)星的緊耦合定時(shí)是一個(gè)發(fā)展方向，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

[1] KAPLAN E D, HEGARTY C J. GPS原理與應(yīng)用[M]. 寇艷紅, 譯. 2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[2] 徐榮, 于永, 張北江. BD1無源/GPS組合導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)[C] // 第一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京: 2010中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì), 2010: 5.

[3] 王光鼎, 張升康, 楊汝良. 基于北斗無源與GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星組合導(dǎo)航用戶位置計(jì)算[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2007, 36(4): 377-382.

[4] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009．

Implementation of dual-mode tight-coupling timing module

XU Rong, YU Yong, ZHANG Bei-jiang, ZHAO Lu-wen

(Institute of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

The differences in cost, power consumption and volume between the BDS/GPS dual-mode loose-coupling timing module and the BDS/GPS dual-mode tight-coupling timing module, and the shortcomings of loose-coupling timing in integrity-monitoring are analysed, thereby it is concluded that the tight-coupling has obvious advantage in timing. The hardware design, positioning principle, timing principle and strategy associated with the tight-coupling timing module are demonstrated in detail. The experiments verify the advantage of tight-coupling timing in integrity-monitoring etc.

dual-mode; tight-coupling; timing

TN965+.5

A

1674-0637(2013)02-0092-05

2012-03-16

徐榮，男，碩士，講師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究。