GPS時(shí)鐘同步在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭博

【摘要】 論文介紹了GPS時(shí)鐘同步技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。GPS接收機(jī)根據(jù)收到的衛(wèi)星信息，經(jīng)過(guò)算法算出自身經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間信息，并產(chǎn)生秒脈沖（PP1S），無(wú)線通訊系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)軟件鎖相環(huán)技術(shù)同步這個(gè)PP1S脈沖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步的目的。此應(yīng)用同時(shí)具有時(shí)鐘信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和脈沖信號(hào)短期穩(wěn)定性好的特性，能夠完好的使時(shí)鐘信號(hào)保持同步。在鎖相環(huán)理論基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效的反饋系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將系統(tǒng)的秒脈沖信號(hào)與本地的秒脈沖信號(hào)對(duì)調(diào)整本地時(shí)鐘，完成對(duì)時(shí)鐘同步的控制。

【關(guān)鍵詞】 GPS 時(shí)鐘 鎖相環(huán)

前言：GPS是目前使用非常廣泛的全球定位系統(tǒng)之一。它的同步時(shí)鐘可提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率和絕對(duì)時(shí)間信息，應(yīng)用非常廣泛，因此無(wú)線通信行業(yè)的時(shí)鐘同步方案目前主要采用GPS時(shí)鐘同步。本文淺談一種簡(jiǎn)單的數(shù)字鎖相環(huán)時(shí)鐘同步方法，利用鎖相環(huán)原理實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘和GPS時(shí)鐘的同步。

一、GPS和時(shí)鐘信息的獲取

1.1 GPS的簡(jiǎn)介

1、 GPS系統(tǒng)的定義。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱(chēng)。最早是在1958年，作為美國(guó)軍方的一個(gè)項(xiàng)目，美國(guó)在1964年開(kāi)始投入使用，主要的是用在軍事領(lǐng)域。為陸?？杖箢I(lǐng)域提供全球性的導(dǎo)航服務(wù)，用來(lái)收集所需要的信息。

2、GPS的特點(diǎn)。定位精度高：通過(guò)長(zhǎng)期的使用實(shí)踐，GPS的定位精度相當(dāng)?shù)母撸?0千米內(nèi)的范圍中可以達(dá)到6-10m的誤差，1000千米內(nèi)可以達(dá)到9-10m的誤差。在工程精密定位中，1個(gè)小時(shí)以上的觀察測(cè)試其平面位置誤差小于1mm，與電磁波測(cè)距儀測(cè)定的邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位用于導(dǎo)航：p碼1-2m；c/a碼5-10m。實(shí)時(shí)偽距差分精度達(dá)分米級(jí)。實(shí)時(shí)相位差分精度達(dá)1-2cm。觀測(cè)時(shí)間短：隨著系統(tǒng)的逐漸升級(jí)，軟件的持續(xù)更新，20km以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需18分鐘左右；快速的靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量，當(dāng)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)相距在以15km內(nèi)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘；實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)定位模式，每站觀測(cè)僅需幾秒鐘。因而使用技術(shù)建立控制網(wǎng)，可以提高其效率。儀器操作簡(jiǎn)便：隨著科技的進(jìn)步與研究，使得測(cè)量的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，正在向著傻瓜式發(fā)展。在觀測(cè)時(shí)，測(cè)量員只需要安置好儀器，正確連接電纜線，觀察儀器的工作狀態(tài)，對(duì)于觀測(cè)工作，如：衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)和記錄等均由儀器自動(dòng)完成。測(cè)量結(jié)束后，只需要關(guān)掉電源裝好設(shè)備，便完成了數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如果在一個(gè)測(cè)站上需作長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，還可以通過(guò)數(shù)據(jù)通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集與處理。另外，接收機(jī)體積也越來(lái)越小，相應(yīng)的重量也越來(lái)越輕，極大地減輕了測(cè)量工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度?？垢蓴_性能好、保密性強(qiáng)：由于系統(tǒng)釆用了偽碼擴(kuò)頻技術(shù)，因而衛(wèi)星所發(fā)送的信號(hào)具有良好的抗干擾性和保密性。

二、GPS獲取時(shí)鐘的參考時(shí)間

系統(tǒng)可以高精度的定位和授時(shí)的條件是系統(tǒng)的時(shí)間體系，該體系是由衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的高精度原子鐘的同步運(yùn)作為保障。每顆衛(wèi)星原子鐘工作頻率為它產(chǎn)生穩(wěn)定性時(shí)鐘信息和其他信息由兩個(gè)載波頻率和兩種偽隨機(jī)碼（p碼和c/a碼）調(diào)制后向地面發(fā)射，發(fā)射的內(nèi)容還包括衛(wèi)星的狀態(tài)、轉(zhuǎn)換文字等。GPS是利用到達(dá)時(shí)間（toa）測(cè)距原理確定用戶接收機(jī)位置和授時(shí)的。這種原理是由確定位置的信號(hào)源來(lái)發(fā)出信號(hào)，接收機(jī)記下信號(hào)接收到的時(shí)間。假如信號(hào)源的時(shí)鐘和接收機(jī)的時(shí)鐘是同步完成的，則將信號(hào)的轉(zhuǎn)播速度乘信號(hào)轉(zhuǎn)播時(shí)間就可求出信號(hào)源到接收機(jī)之間的距離。事實(shí)上，信號(hào)機(jī)和接收源是肯定存在誤差的，所以這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)也是不真實(shí)的，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要想法去掉誤差，求出真實(shí)距離。

三、GPS時(shí)鐘的同步

為了使無(wú)線通信系統(tǒng)中的本地時(shí)鐘同步于GPS時(shí)鐘，我們采用了鎖相環(huán)的技術(shù)原理。如圖1所示，

首先獲取GPS時(shí)鐘產(chǎn)生的PP1S信號(hào)，本地時(shí)鐘也會(huì)產(chǎn)生PP1S信號(hào)。利用兩個(gè)電信號(hào)的相位誤差，通過(guò)環(huán)路自身調(diào)整作用，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的頻率鎖定和相位跟蹤功能。因此該系統(tǒng)稱(chēng)為鎖相環(huán)路， 通常用PLL（Phase-LoopLock）表示。利用鎖相環(huán)的原理，本地時(shí)鐘連續(xù)不斷的跟蹤GPS時(shí)鐘，并通過(guò)PID算法去調(diào)節(jié)本地的OCXO以消除本地時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)現(xiàn)頻率和相位的同步。由于GPS覆蓋全球，產(chǎn)生的GPS時(shí)間是唯一準(zhǔn)確的，無(wú)線通信系統(tǒng)都同步于GPS時(shí)鐘，就實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)的時(shí)鐘同步。保障無(wú)線通信系統(tǒng)的時(shí)間同步。

結(jié)語(yǔ)：GPS的應(yīng)用非常的廣泛，無(wú)線通信系統(tǒng)利用GPS時(shí)鐘的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用鎖相環(huán)技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了GPS時(shí)鐘與本地時(shí)鐘的同步，最終保證了全網(wǎng)的時(shí)鐘同步，系統(tǒng)本地時(shí)鐘長(zhǎng)期與GPS時(shí)鐘信號(hào)來(lái)保持同步，同時(shí)具有時(shí)鐘信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和保持能力強(qiáng)的特性，具有很高的參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]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，2007：304-322

[2]石玉.數(shù)字鎖相環(huán)中原理與應(yīng)用[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990