嵌入式系統中精確的衛星定位授時與同步
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關鍵詞：LNA RF 基帶處理 芯片組 一體化模塊 衛星定位授時與同步
利用導航衛星，進行物體定位、時鐘授時與同步數據采集控制，可以達到傳統測量控制手段所不及的精確程度。這種衛星定位授時同步技術在航空航海、陸上交通、科學考察、極地探險、地理測量、氣象預報、設備巡檢、系統監控等方面的應用日益廣泛。近年來，很多廠商,如Atmel、ST、Motorola、Maxim、NEC、Fijitsu、Conexant等，相繼推出了許多相關衛星定位授時同步的芯片組與模塊，為設計出穩定可靠、簡潔便攜的儀表儀器，提供了很多有效的便捷途徑。本文對現有的衛星信號接收芯片組或模塊如何構成各種結構緊湊、成本低廉、簡單易用、性能優良的衛星信號接收通道，怎樣嵌入到不同的實際應用系統中實現精確的物體定位、時鐘授時或同步數據采集控制的各種類型設計進行綜合闡述。
1 衛星定位授時同步概述
衛星定位授時同步技術中的關鍵部件是人造地球導航衛星組。目前，主要的導航衛星組有美國的全球衛星定位系統GPS、俄羅斯的全球導航衛星系統GLONASS(Global Navigation System)、中國的北斗導航系統和歐盟的伽利略全球導航系統Galileo。這幾種導航衛星系統的特征與應用狀況如表1所列。
衛星導航系統通常由三部分組成：導航衛星、地面監測校正維護系統和用戶接收機或收發機。對于北斗局域衛星導航系統，地面監測中心要幫助用戶一起完成定位授時同步。本文重點闡述的是用戶接收或收發部分的嵌入式硬軟件應用設計。
在民用方面，GPS、GLONASS和北斗的定位精度是米級，衛星授時時鐘精度是毫秒級，數據同步能力在1 μs以下。未來的Galileo導航衛星系統，其民用定位授時同步精度是GPS的10倍左右。上述幾種導航衛星系統中， GPS是能夠進行全方位、全天候、長時期衛星定位授時同步的最好的衛星導航設備。目前，美國與俄羅斯一道正在維護GLONASS，共同構成GPS + GLONASS系統，衛星數目倍增，衛星定位授時同步的精度、范圍、效率和可靠性將會得到更進一步的提高。
2 衛星定位授時同步的基本原理
衛星導航基于多普勒效應的多普勒頻移規律：fΔ=λ/ν式中，fΔ為運行物體之間的電磁波信號頻率變化，λ是其信號電磁波的波長，ν是其相對速度。
上式說明所接收衛星信號的多普勒頻移曲線與衛星軌道有一一對應關系。也就是說，只要獲得衛星的多普勒頻移曲線，就可確定衛星的軌道。反之，已知衛星運行軌道，根據所接收到的多普勒頻移曲線，便能確定接收體的地面位置。
全球衛星導航的基本原理是：衛星發射導航電文，其中包括測距精度因子、開普勒參數、軌道攝動參數、衛星鐘差參數νti、大氣傳播遲延修正參數等。地面接收機根據碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)或頻分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)的特點區分各導航衛星，接收并識別相應的導航電文，測量發來信號的傳播時間Δti，利用導航電文中的一系列參數逐步計算出衛星的位置(xi, yi, zi)。設接收機所在待測點位置為(x, y, z)，接收機時鐘鐘差為νt0，接收機只要能接收到至少4顆衛星信號，就可確定其位置和鐘差：
在全球導航系統下，用戶接收機根據衛星導航電文不斷地核準其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度，這就是精確的衛星授時；根據導航電文的規律性的時序特征，通過計數器，可以得到高精度的同步秒脈沖PPS(Pulse Per Second)信號，用于同/異地多通道數據采集與控制的同步操作。
北斗局域衛星導航的基本原理是：以2顆位置已知的衛星為圓心，各以測定的本星至用戶機距離為半徑構成2個球面。地面控制中心通過電子高程地圖提供一個以地心為球心、球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。三球面的交點即是用戶位置。具體的定位過程是：首先由地面中心發出信號，分別經2顆衛星反射傳至用戶接收機，再由接收機反射2顆衛星分別傳回地面中心，地面中心站計算出兩種途徑所需時間t1和t2，設衛星的位置為(xi, yi, zi)，地面中心到衛星的距離為Ri，(xi, yi, zi)、Ri可由地面中心確定，通過下列方程組就可以計算待測點的位置(x, y, z)：
上述一系列復雜的運算，對全球導航系統來說，在用戶接收側進行；對北斗局域導航系統來說，是在地面中心進行的。地面中心確定用戶位置后，再把定位與時鐘信息通過衛星傳給用戶。
3 全球導航衛星信號的接收端設計
3.1 衛星信號接收端的基本構成
全球導航衛星信號接收端主要由以下部分組成：衛星接收天線、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)、信號通道相關器、數字信號運算處理控制器DSP、實時時鐘RTC(Real Time Clock)、數據存儲器Memory與輸入輸出I/O接口組成，整個體系如圖1所示。
從圖1可以看出：衛星信號接收端的核心是DSP，從導航電文到衛星位置的確定，再到接收端所在待測點位置與接收端時鐘鐘差的確定，及其衛星通道數據的整定控制等都是該DSP完成的。在實際應用中常選用32位的通用數字信號處理器或ARM7內核的單片機，來執行這一系列復雜的運算與控制。
接收端向外輸出精確的定位/授時數據結果和PPS秒脈沖信號，并且可以接收外界的通信配置。
3.2 選擇適當的衛星信號收發天線
衛星信號接收天線是衛星接收端的關鍵部件。
選擇衛星信號接收天線，既要具有適當的信號增益，又要視其形狀和大小。固定場合使用的衛星信號接收天線，可以選用高增益大體積的冠狀天線；便攜式移動設備的衛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濟實用，既可以作為無源天線近距離直接連接到前端RF下變換器，也可以與LNA一起構成有源長饋線車載天線。四臂螺旋天線性能比平板天線好，無方位要求；但價格高，桿長度大，應用不多。
接收的衛星信號是右旋園極化波，發給衛星的信號要求是左旋園極化波。使用北斗局域導航衛星的用戶接收機，雖然不需要復雜的運算就能得到地面中心提供的準確的定位授時結果，但它既要接收衛星信號又要向衛星發射信號，其天線的理想選擇是微型筆桿狀無源雙頻帶螺旋式衛星收發天線。
3.3 選用集成組件構建衛星信號接收端
選用合適的CPU及其外圍器件，按照圖1所示的原理，可以很容易地設計出衛星信號接收端的硬件電路；但是由于涉及到大量復雜繁瑣的運算，CPU軟件設計任務十分繁重。
設計衛星信號接收端，常選用集成組件來搭建。可選的LNA組件，如Atmel的ATR0610、Maxim的MAX2641/ 2654/2655等。可選的前端RF下變頻器，如Atmel的ATR0600、Maxim的MAX2742/4/5、ST的STB5600、μNav的μN1005/8021C、NEC的μPB1029R、Fujitsu的MB15H156等。
很多知名半導體廠商把通道相關器、DSP運算控制器、數據存儲器等集成到一個芯片內，內含通道相關算法、衛星位置確定算法、待測點定位授時算法，對外通過RS232串口每秒鐘輸出一次定位授時等信息和PPS秒脈沖，并且可通過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)。基帶處理器含有8~16個衛星通道數，工作穩定可靠，價格低廉。使用這種芯片可以免除用戶選用高速DSP數字信號處理器或ARM7單片機構建電路與設計衛星信號運算處理軟件的麻煩。常見的衛星信號基帶處理器，例如Atmel的ATR0620、Sony的CXD2932、ST的ST20GP6、μNav的μN8031B、NEC的μPD77538、Fujitsu的MB87Q2040等。
圖1全球導航衛星信號接收端結構框圖
圖2集成組件構建的衛星信號的接收端框圖
圖2是由ATR0610、ATR0600和ATR0620構成的GPS衛星信號接收端框圖。
選用LNA、前端RF下變頻器、基帶處理器構建衛星信號接收端的時候，應注意盡可能選用一個廠商的器件；如果不能做到，應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定可靠的器件搭配組合。
表2集成衛星信號接收組件的最佳搭配組合
還有一些知名半導體廠商，則進一步集成，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構成的衛星信號接收端框圖。衛星信號接收端芯片功能集成度的逐步提高，為簡化設計提供了有效的捷徑。
3.4 使用集成模塊構建衛星信號接收端
使用集成組件構建衛星信號接收端簡捷、明了，但是如果射頻電路設計經驗不足，在PCB(Print Circuit Board)制板時，布局、布線不合理，往往會因噪聲干擾嚴重引起衛星定位授時同步數據或信號的浮動，造成過大的偏差。在初次設計衛星信號接收端或射頻電路設計經驗不足的情況下，設計衛星信號接收端的最好途徑就是使用衛星信號接收OEM(Original Equipment Manufacturer)板或接收模塊。衛星信號接收OEM板或模塊是一些知名半導體設計廠商利用集成組件設計的模塊化衛星信號接收端，工作穩定可靠，精確程度高，接口規范標準。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，有很多是低功耗產品，特別適合便攜設備的嵌入式體系設計開發。這些衛星信號接收OEM板或模塊，配上適當的無源或有源天線，就可以構成性能穩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，應用設計起來更加方便。圖4是用TIMLP構成的衛星信號接收端，即可使用隨機攜帶的無源天線直接在野外使用，也可外插有源車載天線在行進中使用。
3.5 僅用衛星信號同步時的特殊設計
在實際應用中，使用導航衛星信號，如果僅處于異地或同地多通道數據采集與控制的精確同步目的，諸如電力系統中的故障錄波、相位測量、故障判距、繼電保護等，則可以不使用價格昂貴的衛星信號接收組件、OEM板或接收模塊，而選用常規器件構建接收電路，結合軟件對信號的識別和脈沖計數，直接得到精確的同步PPS脈沖信號。圖5是這種構思的一個典型實例。
圖5中整形電路實現取得最強的一個衛星信號；整形削波部分捕獲導航電文的傳播幀頭，啟動單片機中的計數器對另一路整形脈沖計數；單片機根據導航電文傳播的速度特征計算并產生精確的PPS秒脈沖信號。
圖3由MG4200構成的衛星信號接收端框圖
圖4由“天線+接收模塊”構成的衛星信號接收端
圖5簡易衛星信號秒脈沖發生原理圖
圖5中擴頻降噪選用NE570/571，帶通濾波或信號放大選用LM1450，信號整形或削波整形選用LM311，單片機選用MCS51。
4應用設計
4.1 應用衛星信號的同步數據采集與控制
應用衛星導航信號進行精確的異地或同地的多通道工業數據的采集與控制，主要是直接使用由衛星信號接收端得到的PPS秒脈沖信號或使用再由此PPS信號得到PPM(Pulse Per Minute)、100PPS、PPH (Pulse Per Hour)脈沖信號，同步啟動多通道的數據采集模數轉換器ADC、數字控制數模轉換器，同步打開或關閉各個通道開關；還有用于測量判斷的，制作精確時間標簽的，如電力系統中的故障定位、功角測量等。除需要使用同步脈沖啟動判斷測量外，還需要得到精確的測量時間值。這時需用高分辨率的定時器對PPS間的時間間隔進行細分，以供CPU捕獲使用。為得到精確的clk(clock)時鐘還要選用高頻恒溫晶體振蕩器。這種類型的模型如圖6所示。
圖6應用衛星信號的同步數據采集與控制的模型框圖
圖6中，CPU可選擇使用可編程邏輯器件PLD、數字信號處理器DSP或單片機MCU。CPU、ADC、DAC等的速度、類型、規格等應根據實際設計系統的狀況決定。
4.2應用衛星信號進行物體定位與時鐘授時
應用衛星信號進行物體定位與時鐘授時的一般過程是：設計衛星信號接收端，從中取得的待測點三維位置信息(經度、緯度、海拔)和國際標準時間UTC(Universal Coordinate Time)，存儲，顯示，通過授時通道(RS232、RS485、CAN等)向外廣播時鐘或通過無線通信技術GSM/CDMA向外傳播該時刻物體的實際位置。
得到的定位/時鐘精度分辨值：經/緯度的分單位值可達小數點后5位，海拔的米單位值可達小數點后2位，時鐘的秒單位值可達小數點后2位。
應用衛星信號接收芯片組或OEM板或接收模塊設計的接收端，串行外輸的數據格式通常使用美國國家海洋電子協會NMEA(National Marine Electronics Association)的NMEA183標準，接收端每秒鐘向外發出一個PPS秒脈沖和一串定位、時鐘等信息。PPS秒脈沖與外傳數據信息有嚴格的時間關系，扣準PPS秒脈沖時序的跳變沿讀取時鐘數據可以得到更精確的時鐘值。使用中，需要把所得UTC時間轉換成北京時間。
進行物體定位與時鐘授時的模型如圖7所示。
圖7應用衛星信號的物體定位與時鐘授時模型框圖
4.3注意事項
（1） 衛星信號的接收失步
設計體系應用于山區、極地等不開闊或易受太陽風暴等影響的地域時，應在設計中加入防止衛星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設計本地精密的PPS產生電路、實時時鐘RTC電路，當從接收端取得的NMEA格式信息中識別出所傳定位/時鐘信息無效時，立即啟用本地PPS信號、RTC時間，并根據前面正常情況下物體的位置特征推斷當前物體的位置。衛星信號接收恢復正常時，轉而使用衛星定位時鐘同步，同時清除本地PPS發生計數器，校正RTC時鐘。圖8為這種典型的防失步方案。
圖8衛星信號監測失步時的同步/時鐘處理
（2） 系統電源管理
衛星信號定位授時同步體系，特別是嵌入式便攜設備，涉及到不同的電源供給，如5 V的液晶顯示模塊、3.3 V的主系統、1.8 V的CPU核，需要從1.2~4.3 V的電池得到各種供電電壓。電源管理設計時，不要直接從電池電壓同時變換得到1.8 V、3.3 V、5 V，而應先升壓得到最大的供電電壓，再逐級降壓得到所需各級供電電壓，否則系統不能正常工作，操作過程如圖9所示。
圖9便攜式衛星信號定位儀器的系統電源規劃
（3） PCB制板
需要重點考慮的是衛星信號接收部分的設計。為減少干擾，獲得最好的接收效果，接收天線要盡可能靠近集成芯片的接收引腳；天線接口到芯片接收腳的微帶線要盡可能短，寬度要2倍于PCB板厚，走斜切線，避免銳角、直角。要有獨立的電源、地層。電源、地層要靠近頂/底層，大面積鋪地，PCB邊緣處，電源層面積要小于地層；地層邊緣要加一圈密密的過孔，頂層要有大量過孔和大面積地。盡可能使用金屬罩屏蔽全部接收部分。
結語
衛星導航技術日臻完美，深入日常生產、生活的各個領域和方面。設計穩定可靠、便攜低耗、成本低廉的現代衛星信號接收體系，實現精確的物體定位、時鐘授時和同步數據采集控制，具有廣闊的前景。
參考文獻
1 高成發. GPS測量. 北京：人民交通出版社，2001
2 Motorola Co. GPS Products PREVIEW Instant GPS MG4200. Rev1.0. 200412
3 uBlox Co. GPS定位元件目錄. Rev3. 200410
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