GPS授时系统

1GPS授时系统设计摘要：使用GPS25一LVSOEM板(接收机)接收卫星信号，通过串口异步通信把数据传送给89C51单片机，单片机通过并口控制LED显示，从而实现GPS准确授时．同时，介绍了GPSOEM板输出的数据形式，并采用NMEA_0183格式中最常用的“$GPGGA”格式输出，由“$G—PGGA”数据输出格式可编写出相关的接收程序．关键词：GPS授时；0EM板；秒脉冲0引言时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展．人们对时间精度的要求也越来越高．天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到910，“原子钟”精度可达1210．因此“原子钟”广泛运用到精密测量和日常生活、生产领域．GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号，然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间，由此可制作出GPS精密时钟．目前已有专门用于授时的授时型接收机，可以提供ns级的精确时间，但由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及．本文采用具有定时功能的GPS0EM板的串口输出的协调世界时进行授时，可提供经济、实用、准确的公众时间，避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便．．0.1GPS系统简介21973年12月，美国国防部组织陆海空三军联合研制新一代的卫星导航系统：“NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem”，意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS。原系美国国防部军事系统中的一个组成部分，现已广泛应用于航海、航天、测量、通信、导航、智能交通等诸多领域。它是新一代精密卫星定位系统，是现代科学技术迅速发展的结晶。GPS是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可连续、实时地为无限多用户提供。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而己成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。这个系统向全球范围内的用户提供高精度的三维位置和精密时间信息。0.2GPS系统的组成GPS系统主要由3大部分组成，即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分（图0-1）。图0-1GPS系统的组成（1）、空间星座部分3GPS空间卫星星座，由24（3颗备用卫星）颗卫星组成。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有4颗卫星，如图0-2所示。卫星轨道面相对地球赤道的倾角约为55，各轨道面升交点的赤经相差60。在相邻轨道上，卫星的升交距相差30。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分钟。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多时可达11颗。GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上的任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测，加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。图0-2GPS系统空间卫星星座（2）、地面监控部分4对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是由地面设备进行监测和控制的。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这需要地面站监测各颗卫星的间间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户。GPS工作卫星的地面监控部分，目前由分布在全球的5个地面站组成，其中包括1个主控站、3个注入站和5个监测站，如图0-3所示。监测站：用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控站；主控站：主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站，控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文系统，诊断卫星工作状态，完成各类相关工作；注入站：接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。整个GPS的地面监测部分，除主站外均无人值守。各站间用现代化的通讯网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高精度的自动化和标准化。5图0-3GPS地面监控部分（3）、用户设备部分GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理器及其终端设备组成。GPS信号接收机的硬件一般由主机、天线、和电源组成。主要功能是接受GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和位置信息及观测量，并经简单的数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是观测数据进行加工，以便获得精密定位结果。GPS接收机的基本结构如图0-4所示。6图0-4GPS接收机基本结构0.3GPS授时原理及同步技术GPS授时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开授时。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不一样。GPS卫星都安装有四台原子钟，GPS时间受到美国海军天台（USNO）经常性的监测。GPS系统的地面主控站能够以优于±5ns的精度，使GPS时间和世界协调时UTC之差保持在±1s以内。此外，GPS卫星还向用户播发它自己的钟差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用GPS信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS卫星可以成为一种全球性的用户无限制的时间信号源，用于进行精确的时间比对。利用GPS信号进行时间传递，一般采用以下两种方法：（1）一站单机授时法。即在一个已知位置测站上，用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星，从而测定用户时钟的偏差。如图0-5所示，在用GPS信号传递时间时，存在3种时间尺度（时标）：即GPS时间，每颗GPS卫星的时钟，用户时钟。GPS授时的目的在于测定7用户时钟相对于GPS时间的偏差，并根据GPS卫星导航电文的有关参数，计算出世界协调时UTC。图0-5一站单机授时法GPS时间传递，实质上是测量GPS信号从卫星到达用户的传播时间。某颗GPS卫星在stT时刻发射GPS信号初相，通过电离层和对流层到达用户接收天线的时刻UaT，则GPS信号的传播时间为stUadTTt’（0.1）式中为电离层和对流层时延。GPS信号的发射时刻stT可从导航电文解得。从图0-5可见，stT相对于GPS时间之差为stT，且stgtstTTT（0.2）stT可从导航电文中获得。又UagaUaTTT（0.3）8考虑到上两式，则得GPS信号接收机所得的传播时间stUadstUagtgadTTtTTTT't（0.4）式中，gtgaTTdt。则用户时钟偏差为stddUaTttT‘（0.5）上式即为一站单机的授时方程式。当同时观测4颗GPS卫星时，一站单机授时法可以在不知测站坐标的情况下，同时测得用户时钟偏差和测站坐标。（2）共视比对授时法。即在两个测站上各安设一台信号接收机，在相同的时间内，观测同一颗GPS卫星，而测定用户时钟的偏差。图0-6共视授时图0-6的单颗GPS卫星共视授时法。实验表明，两个测站共同见到同一颗卫星的时间并不要求严格同步，前后相差20分钟以内时，授时准确度无显著差别：这为用户提供了方便，因此单星共视授时法获得了广泛的应用。依式（0.5）可知，A、B两个测站所测得的用户时钟偏差分别为922'2U2a11'1U1atTtTstddstddTtTt通过数据传输而将测站A的用户钟差送到测站B，故知两个用户的钟差）（）（）（12d1d2'1d'2dU1aU2aUattttTTT（0.7）上式中消除了GPS卫星的时钟偏差stT。实际传播时间1dt、2dt是依据测站位置和卫星位置而求得的，GPS卫星的星历误差将引起dt的偏差；若其值为dst，则dst2d2ddst1d1tTtTttd（0.8）因此共视用户的钟差）（）（）（12t1dt2d'1d'2dUaTTttT（0.9）从上式可知，共视授时法不仅能够消除卫星钟差，而且能够消除或削弱星历误差的影响，可达到±5ns的授时准确度，所以这种方法成为目前用GPS信号传递时间的主要方法。0.4GPS时钟同步利用方式0.4.1脉冲同步方式脉冲同步方式，即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。监控装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误差。同步脉冲的周期、频率、电平、脉宽、脉冲的正负、上升和下降时间、同步的时刻等均可能有所变化。根据脉冲输出接口的不同，同步脉冲分为有源TTL电平输出、（0.6）10无源空接点输出、固态继电器输出等。有源TTL电平输出，即每隔一定的时间间隔产生一个TTL电平脉冲，或正脉冲或负脉冲，脉冲的宽度和占空比可以不同。这种输出，用户可以直接引出同步信号，不必外加电源。无源空接点输出，即将同步脉冲作为一开关量输出，一般是使用一个光电三极管，从集电极输出。可根据应用要求，在同步时钟到来时，三极管由导通变截止，或由截止变导通。1PPS(秒脉冲，即：pulsepersecond脉冲/秒)输出，其是一个电平信号，一般以方波形式输出，高电平(也有较少数为低电平的)表示有秒脉冲输出，其持续时间很短，一般在毫秒量级上，其电平信号为+5V，持续时间为毫秒级，低电平(也有较少数为高电平的)表示没有信号输出。高电平上升沿为1PPS输出的精确时刻。在GPSOEM板取得有效导航解析的时候，秒脉冲上升沿的时刻与GPS时刻相差在50ns以内，与串行口输出的UTC标准时间相差在1us以内。值得我们注意的是RS-232传输数据中UTC标准时间的输出较秒脉冲上升沿的时刻有一延时，即OEM板先为用户提供秒脉冲，再提供与该秒脉冲相对应的UTC标准时间。GPS时间信号输出时刻关系如图0-7所示。有时在没有收到卫星信号或导航解无效的情况下(即没有收到UTC的校正数据)，OEM板通过开发工具板也能向外发送秒脉冲，但此时秒脉冲为GPSOEM内部未改正钟差、钟漂的原始时钟的时间，其上升沿的时刻不准确、不稳定，误差较大，无实用价值。仅在取得正确导航解时才可以用UTC时间对GPSOEM内部时间进行校正,输11出精确时间。图0-7GPS时间信息示意图脉冲对时方式具有简便准确的优点。电站的故障录波器、继电保护自动装置、事件顺序记录仪等，均可使用脉冲同步方式，使用时将脉冲作为校时信号，在整时、整分、整秒时，脉冲沿作用于自动装置的时钟清零线，实现时钟的同步。脉冲同步的缺点是不能直接提供时间信息。但自动装置一般有自己的时钟，依靠本身的时钟提供时间信息即可，而不必由同步时钟来提供。在故障测距、相位测量等装置使用1PPS时，一般需要同时使用串行口的时间信息，以确认1PPS同步脉冲所在的时刻。0.4.2串行同步方式串行同步方式是时钟以串行数据流的方式输出时间信息,各种自12动装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步。串行通信的标准和格式多种多样,按信息码的格式不同，分别有ASCII码、IRIG-B码等。按串行通信接口标准的不同，ASCII码有RS232C、RS422/485等方式，IRIG-B码有TTL直流电平码输出、1kHZ正弦波调制码输出、MANCHESTER调制码输出等