93GPS精准授时和频率发生系统

BUPT北京邮电大学电路实验中心GPS精准授时和频率发生系统项目人员:刘成城、韩宇飞、陆斌电子邮件:[e-mail]:日期:2008年09月16日LiuCC2008/9/17创新实验报告之三：创新实验研究论文2/42目录【摘要】...........................................................................................................................................3【关键词】.......................................................................................................................................3【ABSTRACT】...................................................................................................................................3【KEYWORDS】................................................................................................................................3【系统设计】....................................................................................................................................4【软件设计】....................................................................................................................................8【系统调试】..................................................................................................................................25【系统指标测试】..........................................................................................................................32【结论】.........................................................................................................................................33【参考文献】..................................................................................................................................34【致谢、心得、体会】..................................................................................................................35【附录】.........................................................................................................................................40本报告3-6、8-18、25、27-29、31-34、39页由刘成城编写；7、19-21、25-26、35-36页由陆斌编写；22-24、30、37-38页由韩宇飞编写。创新实验报告之三：创新实验研究论文3/42【摘要】GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）是世界上最完善的卫星导航系统。它不仅有覆盖全球的实时、连续的高精度的三维定位能力，同时也有精准的授时功能。目前全球都在使用GPS卫星信号，产生全球同步的时间，和准确的频率。目前在国防、通信、勘探等各个领域都有广泛应用，在移动通信基站中的应用尤其广泛。本次的研究主要使用PIC18F452单片机作为中央处理单元，通过它来控制Trimble公司的LassenIQGPS接收模块接收卫星信号，通过算法处理，得到GPS时间，再通过处理GPS时间和UTC（CoordinatedUniversalTime，协调世界时）的误差，得到UTC时间，这就是最精准的时间了。同时通过处理LassenIQ产生的PPS（PacketPerSecond），输出频率的精度可以达到5E-11。【关键词】GPS，授时，PIC，精准时间【Abstract】GPS(GlobalPositioningSystem)isthemostpowerfulGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS).Itdoesn’tprovideonlytherealtimeandcontinuously3Dpositioningservice,butalsohaveaveryaccuratetimingfunction.It’snowbeingusedeverywherearoundtheworldtoprovidethemostaccuratetimeandtheeverbestfrequency.FieldslikeNationalDefense,Tele-communicationandNatureResourceExplorationcannotevenrunnormallywithouttheGPSTimingUnit,andthisphenomenonismostobviouslyintheMobileTelecommunicationStation.Inthisresearch,weusethePIC18F452MCUasthecentralprocessingunittocontroltheTrimble’sLassenIQGPSreceivemodulereceivingtheGPSsignal.Afterprocessedbythealgorithm,wecangettheGPStimewhichhasaconstantoffsetwiththeUTC(CoordinatedUniversalTime).Afterremovingthisoffset,wecangetthemostaccurateUTCtimewhichisthemostaccuratetimeoftheworld.ByprocessingthePPS(PacketPerSecond)generatedbytheLassenIQ,theoutputfrequencyaccuracycanreach5E-11.【KeyWords】GPS,Timing,PIC,PreciseTime创新实验报告之三：创新实验研究论文4/42【系统设计】1.原理模块框图该系统的信号主要从GPS接收机传输至PIC单片机，经过PIC的处理，得到时间信息并输出。分频或者倍频算法处理输出精准时间信息精准频率输出PIC18F452显示器输出待处理的时间信号控制开始、终止以及选取语句天线GPS接收机流程图1创新实验报告之三：创新实验研究论文5/422.模块工作原理说明a)LassenIQGPS模块IQ模块只有邮票大小，但是功能极其强大。它是12通道的接收模块，在选取到健康的卫星以后，可以给出准确的定位信息和时间信息。我们使用的主要是IQ模块的精密授时功能。在同步通信基站和环境数据捕捉上，都需要相当精准的时间。通过TSIP、TAIP、以及NMEA0183语句都可以从芯片接收到的数据中读取出精准的时间，另外IQ还提供PPS，可以用于产生精准的频率。这里要介绍一下GPS时间信号。GPS卫星通过接收地面授时中心以及自己的高精度晶振，产生出精准的时间。不同于我们熟悉的年月日的时间表示方法，GPS时间是由星期数和当前星期的日期数构成。日期数由一个10bit的C/A码或者P(Y)码表示。每过1024个星期（19.6年），GPS时钟的星期数将被置零一次。GPS时间的第零个星期是从1980年一月6日00：00：00UTC（00:00:19TAI）开始的，第一次重新置零是在1999年八月21日23:59:47UTC。为了得到准确的时间，GPS接收器必须知道最近的3584天内的某个日期，从而准确的翻译出GPS数据信号。为了减小这个麻烦，新一代的现代GPS将使用13bit的信号传送GPS导航信号，它的置零周期为8192个星期，就是157年，也就是在2137年重新置零。另外，GPS信号中还包含了GPS时钟和UTC之间的误差的信息，在2008年9月，也就是我们研究的这段时间里，两者误差为14秒，这是我们通过接收卫星信号并且将其解码得到的准确数据。接受方将接收到的GPS时间扣除掉这个误差的影响，就得到了协调世界时UTC。IQ的TSIP模式下输出的信号里，就是包含了星期数和当前星期的秒数以及GPS和UTC时间直接的误差。不一样的是，IQ输出的GPS周数是ExtendedGPSWeek，是2Bytes的一个数据，可以最多表示65535，而不同于GPS周数最大表示的1024周。另外，为了得到精确的时间，IQ在接收到卫星信号，但是没有定位时，会输出一个时间，就是说输出时间是在定位之前完成的。它会把5M长的天线电缆传输数据的时间也算上后才输出。但是这个时间相对于定位完成后输出的时间精度要低。因为定位完成后，IQ会利用位置信息，把卫星信号传送到天线的时间也考虑到，并且进行了处理，得到的时间就会非常准确，基本上就是GPS时间本身的误差。我们就可以将这个时间用在很多需要精确授时的领域里。IQ还有许多其他的优点，比如耗电极低，仅仅90mW。支持的协议也比较多，有TSIP、TAIP、NMEA0183以及DGPS。通过以上的总结，IQ跟其他公司的产品相比较，确实是非常的优秀。IQ算是世界上最大的GPS授时公司Trimble在民用授时领域一款很棒的产品了。图表1创新实验报告之三：创新实验研究论文6/42b)GPS天线GPS天线和我们正常见到的天线都很不一样。看起来它不是一个天线。由于GPS卫星距离地面比较遥远，而且GPS信号属于超窄带的信号，为了防止地面许多强信号的干扰，GPS天线的设计就变得尤其重要。我看到一些GPS高精度天线的参数，它可以在L1频段（即1575.42MHz）处，只有50Hz的滤波带宽，可以想象实现的难度。天线设计成圆盖形，是为了更方便的接收各个方向的卫星信号。卫星信号非常微弱，在使用时候，天线一定要放在开阔的室外。天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，如图下图所示。GPS接收天线的作用，是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的GPS信号的能力。由于GPS信号是园极化波，所以所有的接收天线都是园极化工作方式。尽管有多种多样的条件限制，仍然有许多不同的天线类型存在，如单极的，双极的，螺旋的，四臂螺旋的，以及微带天线