一種衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉子祺，趙當(dāng)麗，王康

（1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；4.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

一種衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉子祺1，2，趙當(dāng)麗1，3，4，王康1，2

（1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；4.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

以ARM Cortex-M3為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種處理衛(wèi)星共視、特別是秒脈沖比對(duì)數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示所有與衛(wèi)星共視相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括共視衛(wèi)星的狀態(tài)信息、星歷數(shù)據(jù)信息等；可以對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析和判斷，同時(shí)可以自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以建立共視比對(duì)檔案，為衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)的后期進(jìn)一步分析和處理奠定了基礎(chǔ)。

衛(wèi)星共視；ARM處理器；共視數(shù)據(jù)；Cortex-M3處理器內(nèi)核

0 引言

近二十年來，精密時(shí)間計(jì)量在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中愈來愈重要，同時(shí)衛(wèi)星共視法作為目前高精度時(shí)間比對(duì)的主要方法之一，被用于各時(shí)間實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有很多年的歷史，并且，實(shí)現(xiàn)更高效的衛(wèi)星共視觀測已經(jīng)越來越受到人們的重視。

本文介紹了一種以ARM Cortex-M3為平臺(tái)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用了LPC1766微處理器，在Keil uVision開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，使得衛(wèi)星共視法更加高效、直觀和便捷[1]。該系統(tǒng)中采用的LPC1766微處理器具有低功耗、高性能、高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)。利用基于LPC1766微處理器的嵌入式系統(tǒng)不僅可以降低成本、減小體積、降低功耗，還可以提高系統(tǒng)的處理速度。

1 衛(wèi)星共視系統(tǒng)

衛(wèi)星共視是指參與共視的任意兩地在同一時(shí)刻接收同一顆GPS或北斗衛(wèi)星發(fā)出的時(shí)間信號(hào)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和比對(duì)，從而可以計(jì)算出兩地的時(shí)間差。衛(wèi)星共視技術(shù)具有定時(shí)精度高、設(shè)備價(jià)格便宜、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被廣泛應(yīng)用于我國的通信、國家安全、電力等領(lǐng)域[2-3]。

衛(wèi)星共視系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、北斗接收機(jī)、衛(wèi)星信號(hào)切換開關(guān)、電子計(jì)數(shù)器、本地鐘和共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星共視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

衛(wèi)星信號(hào)切換開關(guān)主要用來切換GPS或北斗接收機(jī)信號(hào)，包括切換串口信號(hào)和秒脈沖信號(hào)。電子計(jì)數(shù)器則以GPS或北斗衛(wèi)星的秒脈沖為開門信號(hào)，以本地鐘的秒脈沖為關(guān)門信號(hào)，測量兩個(gè)秒脈沖的差值并且每秒輸出1次[4]。輸出的數(shù)據(jù)再由ARM開發(fā)板串口接收并進(jìn)行判斷、處理、顯示和存儲(chǔ)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的目的。

2 衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)平臺(tái)簡介

為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，我們采用了搭載LPC1766微處理器的EM-LPC1700開發(fā)板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。EM-LPC1700開發(fā)板是一款基于LPC1700系列處理器（Cortex-M3內(nèi)核）的全功能評(píng)估板。該板功能接口豐富，主要包括串口、網(wǎng)口、USB接口、JTAG調(diào)試接口、LCD屏接口等，配合調(diào)試工具ULINK2一起使用，可以很好地完成本設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用了LPC1766微處理器，該微處理器使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高為100 MHz。相比于其他微處理器，它內(nèi)置了高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的SRAM），豐富并增強(qiáng)了I/O端口和聯(lián)接到APB總線的外設(shè)。LPC1766微處理器工作于-40～+105 °C的溫度范圍，供電電壓為2.0～3.6 V。這樣的省電模式突出了它低功耗的優(yōu)點(diǎn)，而豐富的外設(shè)配置使它為完成本設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2　EM-LPC1700開發(fā)板結(jié)構(gòu)圖

EM-LPC1700開發(fā)板配備了液晶顯示器，可以顯示數(shù)據(jù)、文字等各種信息，也是本次設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)部分。顯示屏為2.4寸的TFT LCD屏，分辨率為240象素×320象素。LCD顯示屏驅(qū)動(dòng)的初始化包括對(duì)所用端口的選擇，設(shè)置背景和文字顏色。本設(shè)計(jì)設(shè)置的背景顏色為藍(lán)色，文字顏色為黃色。

2.2 衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)以上所介紹的情況，設(shè)計(jì)了一種基于ARM Cortex-M3平臺(tái)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其流程如圖3所示。衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)的處理共分為4個(gè)部分，即時(shí)間日期數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息數(shù)據(jù)、衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的處理。其中，通過對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)的處理得到當(dāng)天對(duì)應(yīng)的約化儒略日（MJD）和星期數(shù)（JDW）；對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的處理得到每顆衛(wèi)星的編號(hào)（PRN）和對(duì)應(yīng)的仰角（ELV）、方位角（AZTH）；對(duì)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)的處理得到每顆衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)齡期（IOE）；對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的處理得到實(shí)際跟蹤長度中點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器值（CNT）。接下來對(duì)接收到的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)使用最小二乘曲線擬合法取得中點(diǎn)值，最后將處理后的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)顯示在開發(fā)板的LCD上并通過串口存儲(chǔ)到本地計(jì)算機(jī)，建立測試檔案以備后用。

圖3　衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.3 衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理算法

在衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理過程中，一個(gè)完整的處理時(shí)間段是16 min，即1 d有90個(gè)時(shí)間段。對(duì)于每顆衛(wèi)星的仰角、方位角、星歷數(shù)據(jù)齡期、本地秒脈沖與所跟蹤的衛(wèi)星時(shí)間差數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)都要進(jìn)行以下處理：

16 min（1個(gè)時(shí)間段）＝2 min捕捉+13 min跟蹤+1 min等待。780 s（13 min）＝52×15 s。每秒1個(gè)衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)。對(duì)15 s數(shù)據(jù)用最小二乘法作曲線擬合，得到1個(gè)中點(diǎn)值。再用最小二乘法對(duì)52個(gè)中點(diǎn)值作最小二乘曲線擬合，即可得到780 s的中點(diǎn)值，這就是最后要顯示在LCD上的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)。最小二乘曲線擬合的算法如下[5]：

在本設(shè)計(jì)中使用最小二乘二次曲線擬合，即在上式中3m=。根據(jù)上述算法可求得每個(gè)跟蹤周期內(nèi)衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)的中點(diǎn)值，以備后期衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)比對(duì)使用。以2015年3月13日11:55開始接收的一個(gè)周期內(nèi)的780組北斗衛(wèi)星計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)為例，首先求出的52個(gè)中點(diǎn)值如圖4所示。

圖4　一次線性擬合得出的52個(gè)中點(diǎn)值

再對(duì)這52組數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘曲線擬合，得到最終的一個(gè)中點(diǎn)值為722.86 ns。經(jīng)過驗(yàn)證可知得到的中點(diǎn)值與全部數(shù)據(jù)的平均值非常接近。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)現(xiàn)一種衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是本次實(shí)驗(yàn)的主要目的。通過開發(fā)板的LCD液晶顯示屏可以直接觀測到衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)[6]。

LCD液晶顯示屏的第1行與第2行顯示MJD、JDW與CNT，其中CNT的單位為ns；第3行至第8行顯示接收到的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)，包括PRN、AZTH、ELV與IOE。其中，MJD與JDW數(shù)據(jù)每天刷新一次，其他數(shù)據(jù)都是每16 min刷新一次，下一秒的數(shù)據(jù)覆蓋上一秒的，并且顯示的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)與處理后得到的一致。以2014年12月23日接收處理得到的共視數(shù)據(jù)為例，顯示界面如圖5左所示[7-8]。將LCD顯示的數(shù)據(jù)與收到的經(jīng)過處理的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者完全一致。存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)保存在TXT文檔內(nèi)，名稱是接收數(shù)據(jù)當(dāng)天的日期，內(nèi)容與LCD顯示的一致，如圖5右所示。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確無誤的數(shù)據(jù)處理與保存，使數(shù)據(jù)后期的使用更加方便快捷。

圖5　衛(wèi)星共視處理系統(tǒng)顯示界面與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)果

4 結(jié)語

本文闡述了一種在ARM平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。采用ARM（Cortex-M3內(nèi)核）開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)與顯示，準(zhǔn)確無誤地處理了衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)，為衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)的后期處理提供了良好的平臺(tái)。本文所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用方便，顯示界面直觀簡潔，具有良好的實(shí)用推廣價(jià)值。

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Design and realization of satellite common-view data processing system

LIU Zi-qi1，2，ZHAO Dang-li1，3，4，WANG Kang1，2
（1.National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology，National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China；4.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard，National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China）

Based on ARM Cortex-M3，a processing system has been designed for processing the satellite common-view data，especially the PPS（pulse per second） comparing data.The system can show all the satellite common-view data，including the status messages，ephemeris messages of common-view satellites and so on.Besides，the system can analyse and judge the related data simply，and storage the data automatically so as to establish a file of common-view comparing，laying a foundation for further analysing and processing the satellite common-view data.

satellite common-view； ARM（advanced RISC machine）； common-view data； Cortex-M3

P228.4

A

1674-0637（2015）02-0088-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-02-0088-07

2014-12-11

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011YB04）

劉子祺，女，碩士，主要從事時(shí)間同步技術(shù)研究。