嵌入式系統(tǒng)中精確的衛(wèi)星定位授時(shí)與同步
| 摘要：介紹衛(wèi)星定位、授時(shí)與同步的特點(diǎn)與基本原理；詳細(xì)闡述現(xiàn)代衛(wèi)星信號(hào)接收體系的硬軟件設(shè)計(jì)思想以及如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中嵌入應(yīng)用導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的精確的物體定位、時(shí)鐘授時(shí)和同步數(shù)據(jù)采集控制。 關(guān)鍵詞：LNA RF 基帶處理 芯片組 一體化模塊 衛(wèi)星定位授時(shí)與同步 利用導(dǎo)航衛(wèi)星，進(jìn)行物體定位、時(shí)鐘授時(shí)與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)量控制手段所不及的精確程度。這種衛(wèi)星定位授時(shí)同步技術(shù)在航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險(xiǎn)、地理測(cè)量、氣象預(yù)報(bào)、設(shè)備巡檢、系統(tǒng)監(jiān)控等方面的應(yīng)用日益廣泛。近年來(lái)，很多廠商,如Atmel、ST、Motorola、Maxim、NEC、Fijitsu、Conexant等，相繼推出了許多相關(guān)衛(wèi)星定位授時(shí)同步的芯片組與模塊，為設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)潔便攜的儀表儀器，提供了很多有效的便捷途徑。本文對(duì)現(xiàn)有的衛(wèi)星信號(hào)接收芯片組或模塊如何構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、簡(jiǎn)單易用、性能優(yōu)良的衛(wèi)星信號(hào)接收通道，怎樣嵌入到不同的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確的物體定位、時(shí)鐘授時(shí)或同步數(shù)據(jù)采集控制的各種類型設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合闡述。 1 衛(wèi)星定位授時(shí)同步概述 衛(wèi)星定位授時(shí)同步技術(shù)中的關(guān)鍵部件是人造地球?qū)Ш叫l(wèi)星組。目前，主要的導(dǎo)航衛(wèi)星組有美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS（Global Navigation System）、中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和歐盟的伽利略全球?qū)Ш较到y(tǒng)Galileo。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常由三部分組成：導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)測(cè)校正維護(hù)系統(tǒng)和用戶接收機(jī)或收發(fā)機(jī)。對(duì)于北斗局域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，地面監(jiān)測(cè)中心要幫助用戶一起完成定位授時(shí)同步。本文重點(diǎn)闡述的是用戶接收或收發(fā)部分的嵌入式硬軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)。 在民用方面，GPS、GLONASS和北斗的定位精度是米級(jí)，衛(wèi)星授時(shí)時(shí)鐘精度是毫秒級(jí)，數(shù)據(jù)同步能力在1 μs以下。未來(lái)的Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，其民用定位授時(shí)同步精度是GPS的10倍左右。上述幾種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中， GPS是能夠進(jìn)行全方位、全天候、長(zhǎng)時(shí)期衛(wèi)星定位授時(shí)同步的最好的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。目前，美國(guó)與俄羅斯一道正在維護(hù)GLONASS，共同構(gòu)成GPS + GLONASS系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)目倍增，衛(wèi)星定位授時(shí)同步的精度、范圍、效率和可靠性將會(huì)得到更進(jìn)一步的提高。 2 衛(wèi)星定位授時(shí)同步的基本原理 衛(wèi)星導(dǎo)航基于多普勒效應(yīng)的多普勒頻移規(guī)律：fΔ=λ/ν式中，fΔ為運(yùn)行物體之間的電磁波信號(hào)頻率變化，λ是其信號(hào)電磁波的波長(zhǎng)，ν是其相對(duì)速度。 上式說(shuō)明所接收衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移曲線與衛(wèi)星軌道有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。也就是說(shuō)，只要獲得衛(wèi)星的多普勒頻移曲線，就可確定衛(wèi)星的軌道。反之，已知衛(wèi)星運(yùn)行軌道，根據(jù)所接收到的多普勒頻移曲線，便能確定接收體的地面位置。 全球衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是：衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航電文，其中包括測(cè)距精度因子、開普勒參數(shù)、軌道攝動(dòng)參數(shù)、衛(wèi)星鐘差參數(shù)νti、大氣傳播遲延修正參數(shù)等。地面接收機(jī)根據(jù)碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）或頻分多址FDMA（Frequency Division Multiple Access）的特點(diǎn)區(qū)分各導(dǎo)航衛(wèi)星，接收并識(shí)別相應(yīng)的導(dǎo)航電文，測(cè)量發(fā)來(lái)信號(hào)的傳播時(shí)間Δti，利用導(dǎo)航電文中的一系列參數(shù)逐步計(jì)算出衛(wèi)星的位置（xi, yi, zi）。設(shè)接收機(jī)所在待測(cè)點(diǎn)位置為（x, y, z），接收機(jī)時(shí)鐘鐘差為νt0，接收機(jī)只要能接收到至少4顆衛(wèi)星信號(hào)，就可確定其位置和鐘差： 在全球?qū)Ш较到y(tǒng)下，用戶接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文不斷地核準(zhǔn)其時(shí)鐘鐘差，可以得到很高的時(shí)鐘精度，這就是精確的衛(wèi)星授時(shí)；根據(jù)導(dǎo)航電文的規(guī)律性的時(shí)序特征，通過(guò)計(jì)數(shù)器，可以得到高精度的同步秒脈沖PPS（Pulse Per Second）信號(hào)，用于同/異地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的同步操作。 北斗局域衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是：以2顆位置已知的衛(wèi)星為圓心，各以測(cè)定的本星至用戶機(jī)距離為半徑構(gòu)成2個(gè)球面。地面控制中心通過(guò)電子高程地圖提供一個(gè)以地心為球心、球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。三球面的交點(diǎn)即是用戶位置。具體的定位過(guò)程是：首先由地面中心發(fā)出信號(hào)，分別經(jīng)2顆衛(wèi)星反射傳至用戶接收機(jī)，再由接收機(jī)反射2顆衛(wèi)星分別傳回地面中心，地面中心站計(jì)算出兩種途徑所需時(shí)間t1和t2，設(shè)衛(wèi)星的位置為（xi, yi, zi），地面中心到衛(wèi)星的距離為Ri，（xi, yi, zi）、Ri可由地面中心確定，通過(guò)下列方程組就可以計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的位置（x, y, z）： 上述一系列復(fù)雜的運(yùn)算，對(duì)全球?qū)Ш较到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，在用戶接收側(cè)進(jìn)行；對(duì)北斗局域?qū)Ш较到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，是在地面中心進(jìn)行的。地面中心確定用戶位置后，再把定位與時(shí)鐘信息通過(guò)衛(wèi)星傳給用戶。 3 全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)的接收端設(shè)計(jì) 3.1 衛(wèi)星信號(hào)接收端的基本構(gòu)成 全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)接收端主要由以下部分組成：衛(wèi)星接收天線、低噪聲放大器LNA（Lower Noise Amplifier）、前端射頻下變頻器EndFront RF（EndFront Radio Frequency Down Converter）、信號(hào)通道相關(guān)器、數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理控制器DSP、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC（Real Time Clock）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Memory與輸入輸出I/O接口組成，整個(gè)體系如圖1所示。 從圖1可以看出：衛(wèi)星信號(hào)接收端的核心是DSP，從導(dǎo)航電文到衛(wèi)星位置的確定，再到接收端所在待測(cè)點(diǎn)位置與接收端時(shí)鐘鐘差的確定，及其衛(wèi)星通道數(shù)據(jù)的整定控制等都是該DSP完成的。在實(shí)際應(yīng)用中常選用32位的通用數(shù)字信號(hào)處理器或ARM7內(nèi)核的單片機(jī)，來(lái)執(zhí)行這一系列復(fù)雜的運(yùn)算與控制。 接收端向外輸出精確的定位/授時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果和PPS秒脈沖信號(hào)，并且可以接收外界的通信配置。 3.2 選擇適當(dāng)?shù)男l(wèi)星信號(hào)收發(fā)天線 衛(wèi)星信號(hào)接收天線是衛(wèi)星接收端的關(guān)鍵部件。 選擇衛(wèi)星信號(hào)接收天線，既要具有適當(dāng)?shù)男盘?hào)增益，又要視其形狀和大小。固定場(chǎng)合使用的衛(wèi)星信號(hào)接收天線，可以選用高增益大體積的冠狀天線；便攜式移動(dòng)設(shè)備的衛(wèi)星接收天線可以選用微型的平板式天線和四臂螺旋式天線。常見的微型平板天線是陶瓷微波瓷介天線。陶瓷微波瓷介天線經(jīng)濟(jì)實(shí)用，既可以作為無(wú)源天線近距離直接連接到前端RF下變換器，也可以與LNA一起構(gòu)成有源長(zhǎng)饋線車載天線。四臂螺旋天線性能比平板天線好，無(wú)方位要求；但價(jià)格高，桿長(zhǎng)度大，應(yīng)用不多。 接收的衛(wèi)星信號(hào)是右旋園極化波，發(fā)給衛(wèi)星的信號(hào)要求是左旋園極化波。使用北斗局域?qū)Ш叫l(wèi)星的用戶接收機(jī)，雖然不需要復(fù)雜的運(yùn)算就能得到地面中心提供的準(zhǔn)確的定位授時(shí)結(jié)果，但它既要接收衛(wèi)星信號(hào)又要向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，其天線的理想選擇是微型筆桿狀無(wú)源雙頻帶螺旋式衛(wèi)星收發(fā)天線。 3.3 選用集成組件構(gòu)建衛(wèi)星信號(hào)接收端 選用合適的CPU及其外圍器件，按照?qǐng)D1所示的原理，可以很容易地設(shè)計(jì)出衛(wèi)星信號(hào)接收端的硬件電路；但是由于涉及到大量復(fù)雜繁瑣的運(yùn)算，CPU軟件設(shè)計(jì)任務(wù)十分繁重。 設(shè)計(jì)衛(wèi)星信號(hào)接收端，常選用集成組件來(lái)搭建?？蛇x的LNA組件，如Atmel的ATR0610、Maxim的MAX2641/ 2654/2655等?？蛇x的前端RF下變頻器，如Atmel的ATR0600、Maxim的MAX2742/4/5、ST的STB5600、μN(yùn)av的μN(yùn)1005/8021C、NEC的μPB1029R、Fujitsu的MB15H156等。 很多知名半導(dǎo)體廠商把通道相關(guān)器、DSP運(yùn)算控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等集成到一個(gè)芯片內(nèi)，內(nèi)含通道相關(guān)算法、衛(wèi)星位置確定算法、待測(cè)點(diǎn)定位授時(shí)算法，對(duì)外通過(guò)RS232串口每秒鐘輸出一次定位授時(shí)等信息和PPS秒脈沖，并且可通過(guò)RS232串口接收用戶的RS232通信配置信息，這種芯片就是基帶處理器（Base Band Processor）?；鶐幚砥骱?～16個(gè)衛(wèi)星通道數(shù)，工作穩(wěn)定可靠，價(jià)格低廉。使用這種芯片可以免除用戶選用高速DSP數(shù)字信號(hào)處理器或ARM7單片機(jī)構(gòu)建電路與設(shè)計(jì)衛(wèi)星信號(hào)運(yùn)算處理軟件的麻煩。常見的衛(wèi)星信號(hào)基帶處理器，例如Atmel的ATR0620、Sony的CXD2932、ST的ST20GP6、μN(yùn)av的μN(yùn)8031B、NEC的μPD77538、Fujitsu的MB87Q2040等。 選用LNA、前端RF下變頻器、基帶處理器構(gòu)建衛(wèi)星信號(hào)接收端的時(shí)候，應(yīng)注意盡可能選用一個(gè)廠商的器件；如果不能做到，應(yīng)選用成熟搭配的不同廠商的器件。表2列出了幾種常用的工作穩(wěn)定可靠的器件搭配組合。 還有一些知名半導(dǎo)體廠商，則進(jìn)一步集成，如ST把RF下變頻器與基帶處理器集成在一起推出的多功能單芯片STB2056，Motorola把LNA、RF下變頻器與基帶處理器集成在一起推出的模塊化多功能單芯片MG4000/MG4100/MG4200。圖3是由MG4200構(gòu)成的衛(wèi)星信號(hào)接收端框圖。衛(wèi)星信號(hào)接收端芯片功能集成度的逐步提高，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提供了有效的捷徑。 3.4 使用集成模塊構(gòu)建衛(wèi)星信號(hào)接收端 使用集成組件構(gòu)建衛(wèi)星信號(hào)接收端簡(jiǎn)捷、明了，但是如果射頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在PCB（Print Circuit Board）制板時(shí)，布局、布線不合理，往往會(huì)因噪聲干擾嚴(yán)重引起衛(wèi)星定位授時(shí)同步數(shù)據(jù)或信號(hào)的浮動(dòng)，造成過(guò)大的偏差。在初次設(shè)計(jì)衛(wèi)星信號(hào)接收端或射頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，設(shè)計(jì)衛(wèi)星信號(hào)接收端的最好途徑就是使用衛(wèi)星信號(hào)接收OEM（Original Equipment Manufacturer）板或接收模塊。衛(wèi)星信號(hào)接收OEM板或模塊是一些知名半導(dǎo)體設(shè)計(jì)廠商利用集成組件設(shè)計(jì)的模塊化衛(wèi)星信號(hào)接收端，工作穩(wěn)定可靠，精確程度高，接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。OEM板如μBlox的RCBLJ、SBRLS，Conexant的Jupiter Receiver，古野的GN77等。接收模塊如μBlox的TIMLP、TIMLS，Motorola的FS Oncore，Koden的GSU16，Rackwell的TU30，TastraX的Trax02等。接收模塊形體小巧，有很多是低功耗產(chǎn)品，特別適合便攜設(shè)備的嵌入式體系設(shè)計(jì)開發(fā)。這些衛(wèi)星信號(hào)接收OEM板或模塊，配上適當(dāng)?shù)臒o(wú)源或有源天線，就可以構(gòu)成性能穩(wěn)定的野外型或車載式便攜接收端。還有天線與接收模塊集成在一起的小尺寸一體化接收模塊，如μBlox的SAMLS，應(yīng)用設(shè)計(jì)起來(lái)更加方便。圖4是用TIMLP構(gòu)成的衛(wèi)星信號(hào)接收端，即可使用隨機(jī)攜帶的無(wú)源天線直接在野外使用，也可外插有源車載天線在行進(jìn)中使用。 3.5 僅用衛(wèi)星信號(hào)同步時(shí)的特殊設(shè)計(jì) 在實(shí)際應(yīng)用中，使用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，如果僅處于異地或同地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的精確同步目的，諸如電力系統(tǒng)中的故障錄波、相位測(cè)量、故障判距、繼電保護(hù)等，則可以不使用價(jià)格昂貴的衛(wèi)星信號(hào)接收組件、OEM板或接收模塊，而選用常規(guī)器件構(gòu)建接收電路，結(jié)合軟件對(duì)信號(hào)的識(shí)別和脈沖計(jì)數(shù)，直接得到精確的同步PPS脈沖信號(hào)。圖5是這種構(gòu)思的一個(gè)典型實(shí)例。 圖5中整形電路實(shí)現(xiàn)取得最強(qiáng)的一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)；整形削波部分捕獲導(dǎo)航電文的傳播幀頭，啟動(dòng)單片機(jī)中的計(jì)數(shù)器對(duì)另一路整形脈沖計(jì)數(shù)；單片機(jī)根據(jù)導(dǎo)航電文傳播的速度特征計(jì)算并產(chǎn)生精確的PPS秒脈沖信號(hào)。 帶通濾波或信號(hào)放大選用LM1450，信號(hào)整形或削波整形選用LM311，單片機(jī)選用MCS51。 4應(yīng)用設(shè)計(jì) 4.1 應(yīng)用衛(wèi)星信號(hào)的同步數(shù)據(jù)采集與控制 |
