嵌入式系统中精确的卫星定位授时与同步

摘要：介绍卫星定位、授时与同步的特点与基本原理；详细阐述现代卫星信号接收体系的硬软件设计思想以及如何在系统设计中嵌入应用导航卫星实现的精确的物体定位、时钟授时和同步数据采集控制。 关键词：LNA RF 基带处理 芯片组 一体化模块 卫星定位授时与同步 　　利用导航卫星，进行物体定位、时钟授时与同步数据采集控制，可以达到传统测量控制手段所不及的精确程度。这种卫星定位授时同步技术在航空航海、陆上交通、科学考察、极地探险、地理测量、气象预报、设备巡检、系统监控等方面的应用日益广泛。近年来，很多厂商,如Atmel、ST、Motorola、Maxim、NEC、Fijitsu、Conexant等，相继推出了许多相关卫星定位授时同步的芯片组与模块，为设计出稳定可靠、简洁便携的仪表仪器，提供了很多有效的便捷途径。本文对现有的卫星信号接收芯片组或模块如何构成各种结构紧凑、成本低廉、简单易用、性能优良的卫星信号接收通道，怎样嵌入到不同的实际应用系统中实现精确的物体定位、时钟授时或同步数据采集控制的各种类型设计进行综合阐述。 1 卫星定位授时同步概述 　　卫星定位授时同步技术中的关键部件是人造地球导航卫星组。目前，主要的导航卫星组有美国的全球卫星定位系统GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS(Global Navigation System)、中国的北斗导航系统和欧盟的伽利略全球导航系统Galileo。这几种导航卫星系统的特征与应用状况如表1所列。 　　 　　卫星导航系统通常由三部分组成：导航卫星、地面监测校正维护系统和用户接收机或收发机。对于北斗局域卫星导航系统，地面监测中心要帮助用户一起完成定位授时同步。本文重点阐述的是用户接收或收发部分的嵌入式硬软件应用设计。 　　在民用方面，GPS、GLONASS和北斗的定位精度是米级，卫星授时时钟精度是毫秒级，数据同步能力在1 μs以下。未来的Galileo导航卫星系统，其民用定位授时同步精度是GPS的10倍左右。上述几种导航卫星系统中， GPS是能够进行全方位、全天候、长时期卫星定位授时同步的最好的卫星导航设备。目前，美国与俄罗斯一道正在维护GLONASS，共同构成GPS + GLONASS系统，卫星数目倍增，卫星定位授时同步的精度、范围、效率和可靠性将会得到更进一步的提高。 2 卫星定位授时同步的基本原理 　　卫星导航基于多普勒效应的多普勒频移规律：fΔ=λ/ν式中，fΔ为运行物体之间的电磁波信号频率变化，λ是其信号电磁波的波长，ν是其相对速度。 　　上式说明所接收卫星信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应关系。也就是说，只要获得卫星的多普勒频移曲线，就可确定卫星的轨道。反之，已知卫星运行轨道，根据所接收到的多普勒频移曲线，便能确定接收体的地面位置。 　　全球卫星导航的基本原理是：卫星发射导航电文，其中包括测距精度因子、开普勒参数、轨道摄动参数、卫星钟差参数νti、大气传播迟延修正参数等。地面接收机根据码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)或频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)的特点区分各导航卫星，接收并识别相应的导航电文，测量发来信号的传播时间Δti，利用导航电文中的一系列参数逐步计算出卫星的位置(xi, yi, zi)。设接收机所在待测点位置为(x, y, z)，接收机时钟钟差为νt0，接收机只要能接收到至少4颗卫星信号，就可确定其位置和钟差： 　　 　　在全球导航系统下，用户接收机根据卫星导航电文不断地核准其时钟钟差，可以得到很高的时钟精度，这就是精确的卫星授时；根据导航电文的规律性的时序特征，通过计数器，可以得到高精度的同步秒脉冲PPS(Pulse Per Second)信号，用于同/异地多通道数据采集与控制的同步操作。 　　北斗局域卫星导航的基本原理是：以2颗位置已知的卫星为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径构成2个球面。地面控制中心通过电子高程地图提供一个以地心为球心、球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。三球面的交点即是用户位置。具体的定位过程是：首先由地面中心发出信号，分别经2颗卫星反射传至用户接收机，再由接收机反射2颗卫星分别传回地面中心，地面中心站计算出两种途径所需时间t1和t2，设卫星的位置为(xi, yi, zi)，地面中心到卫星的距离为Ri，(xi, yi, zi)、Ri可由地面中心确定，通过下列方程组就可以计算待测点的位置(x, y, z)： 　　 　　上述一系列复杂的运算，对全球导航系统来说，在用户接收侧进行；对北斗局域导航系统来说，是在地面中心进行的。地面中心确定用户位置后，再把定位与时钟信息通过卫星传给用户。 　　 3 全球导航卫星信号的接收端设计 　　3.1 卫星信号接收端的基本构成 　　全球导航卫星信号接收端主要由以下部分组成：卫星接收天线、低噪声放大器LNA(Lower Noise Amplifier)、前端射频下变频器EndFront RF(EndFront Radio Frequency Down Converter)、信号通道相关器、数字信号运算处理控制器DSP、实时时钟RTC(Real Time Clock)、数据存储器Memory与输入输出I/O接口组成，整个体系如图1所示。 　　从图1可以看出：卫星信号接收端的核心是DSP，从导航电文到卫星位置的确定，再到接收端所在待测点位置与接收端时钟钟差的确定，及其卫星通道数据的整定控制等都是该DSP完成的。在实际应用中常选用32位的通用数字信号处理器或ARM7内核的单片机，来执行这一系列复杂的运算与控制。 　　接收端向外输出精确的定位/授时数据结果和PPS秒脉冲信号，并且可以接收外界的通信配置。  　　3.2 选择适当的卫星信号收发天线 　　 　　卫星信号接收天线是卫星接收端的关键部件。 　　选择卫星信号接收天线，既要具有适当的信号增益，又要视其形状和大小。固定场合使用的卫星信号接收天线，可以选用高增益大体积的冠状天线；便携式移动设备的卫星接收天线可以选用微型的平板式天线和四臂螺旋式天线。常见的微型平板天线是陶瓷微波瓷介天线。陶瓷微波瓷介天线经济实用，既可以作为无源天线近距离直接连接到前端RF下变换器，也可以与LNA一起构成有源长馈线车载天线。四臂螺旋天线性能比平板天线好，无方位要求；但价格高，杆长度大，应用不多。 　　接收的卫星信号是右旋园极化波，发给卫星的信号要求是左旋园极化波。使用北斗局域导航卫星的用户接收机，虽然不需要复杂的运算就能得到地面中心提供的准确的定位授时结果，但它既要接收卫星信号又要向卫星发射信号，其天线的理想选择是微型笔杆状无源双频带螺旋式卫星收发天线。 　　3.3 选用集成组件构建卫星信号接收端 　　选用合适的CPU及其外围器件，按照图1所示的原理，可以很容易地设计出卫星信号接收端的硬件电路；但是由于涉及到大量复杂繁琐的运算，CPU软件设计任务十分繁重。 　　设计卫星信号接收端，常选用集成组件来搭建。可选的LNA组件，如Atmel的ATR0610、Maxim的MAX2641/ 2654/2655等。可选的前端RF下变频器，如Atmel的ATR0600、Maxim的MAX2742/4/5、ST的STB5600、μNav的μN1005/8021C、NEC的μPB1029R、Fujitsu的MB15H156等。 　　很多知名半导体厂商把通道相关器、DSP运算控制器、数据存储器等集成到一个芯片内，内含通道相关算法、卫星位置确定算法、待测点定位授时算法，对外通过RS232串口每秒钟输出一次定位授时等信息和PPS秒脉冲，并且可通过RS232串口接收用户的RS232通信配置信息，这种芯片就是基带处理器(Base Band Processor)。基带处理器含有8"16个卫星通道数，工作稳定可靠，价格低廉。使用这种芯片可以免除用户选用高速DSP数字信号处理器或ARM7单片机构建电路与设计卫星信号运算处理软件的麻烦。常见的卫星信号基带处理器，例如Atmel的ATR0620、Sony的CXD2932、ST的ST20GP6、μNav的μN8031B、NEC的μPD77538、Fujitsu的MB87Q2040等。 　　　　　　　　　　　　图1全球导航卫星信号接收端结构框图 　　 　　　　　　　　　　　　图2集成组件构建的卫星信号的接收端框图 　　图2是由ATR0610、ATR0600和ATR0620构成的GPS卫星信号接收端框图。 　　选用LNA、前端RF下变频器、基带处理器构建卫星信号接收端的时候，应注意尽可能选用一个厂商的器件；如果不能做到，应选用成熟搭配的不同厂商的器件。表2列出了几种常用的工作稳定可靠的器件搭配组合。 　　 　　　　　　　　　　　　　　表2集成卫星信号接收组件的最佳搭配组合 　　还有一些知名半导体厂商，则进一步集成，如ST把RF下变频器与基带处理器集成在一起推出的多功能单芯片STB2056，Motorola把LNA、RF下变频器与基带处理器集成在一起推出的模块化多功能单芯片MG4000/MG4100/MG4200。图3是由MG4200构成的卫星信号接收端框图。卫星信号接收端芯片功能集成度的逐步提高，为简化设计提供了有效的捷径。 　　3.4 使用集成模块构建卫星信号接收端 　　使用集成组件构建卫星信号接收端简捷、明了，但是如果射频电路设计经验不足，在PCB(Print Circuit Board)制板时，布局、布线不合理，往往会因噪声干扰严重引起卫星定位授时同步数据或信号的浮动，造成过大的偏差。在初次设计卫星信号接收端或射频电路设计经验不足的情况下，设计卫星信号接收端的最好途径就是使用卫星信号接收OEM(Original Equipment Manufacturer)板或接收模块。卫星信号接收OEM板或模块是一些知名半导体设计厂商利用集成组件设计的模块化卫星信号接收端，工作稳定可靠，精确程度高，接口规范标准。OEM板如μBlox的RCBLJ、SBRLS，Conexant的Jupiter Receiver，古野的GN77等。接收模块如μBlox的TIMLP、TIMLS，Motorola的FS Oncore，Koden的GSU16，Rackwell的TU30，TastraX的Trax02等。接收模块形体小巧，有很多是低功耗产品，特别适合便携设备的嵌入式体系设计开发。这些卫星信号接收OEM板或模块，配上适当的无源或有源天线，就可以构成性能稳定的野外型或车载式便携接收端。还有天线与接收模块集成在一起的小尺寸一体化接收模块，如μBlox的SAMLS，应用设计起来更加方便。图4是用TIMLP构成的卫星信号接收端，即可使用随机携带的无源天线直接在野外使用，也可外插有源车载天线在行进中使用。 　　3.5 仅用卫星信号同步时的特殊设计 　　在实际应用中，使用导航卫星信号，如果仅处于异地或同地多通道数据采集与控制的精确同步目的，诸如电力系统中的故障录波、相位测量、故障判距、继电保护等，则可以不使用价格昂贵的卫星信号接收组件、OEM板或接收模块，而选用常规器件构建接收电路，结合软件对信号的识别和脉冲计数，直接得到精确的同步PPS脉冲信号。图5是这种构思的一个典型实例。 　　图5中整形电路实现取得最强的一个卫星信号；整形削波部分捕获导航电文的传播帧头，启动单片机中的计数器对另一路整形脉冲计数；单片机根据导航电文传播的速度特征计算并产生精确的PPS秒脉冲信号。 　　　　 　　　　　　　　　　　　　　图3由MG4200构成的卫星信号接收端框图 　　　　 　　　　　　　　　　　　　　图4由“天线+接收模块”构成的卫星信号接收端 　　　　　　　　　　　　　　图5简易卫星信号秒脉冲发生原理图 　　图5中扩频降噪选用NE570/571，带通滤波或信号放大选用LM1450，信号整形或削波整形选用LM311，单片机选用MCS51。 4应用设计 　　4.1 应用卫星信号的同步数据采集与控制 　　应用卫星导航信号进行精确的异地或同地的多通道工业数据的采集与控制，主要是直接使用由卫星信号接收端得到的PPS秒脉冲信号或使用再由此PPS信号得到PPM(Pulse Per Minute)、100PPS、PPH (Pulse Per Hour)脉冲信号，同步启动多通道的数据采集模数转换器ADC、数字控制数模转换器，同步打开或关闭各个通道开关；还有用于测量判断的，制作精确时间标签的，如电力系统中的故障定位、功角测量等。除需要使用同步脉冲启动判断测量外，还需要得到精确的测量时间值。这时需用高分辨率的定时器对PPS间的时间间隔进行细分，以供CPU捕获使用。为得到精确的clk(clock)时钟还要选用高频恒温晶体振荡器。这种类型的模型如图6所示。 　　　　　　　　　　　　　　图6应用卫星信号的同步数据采集与控制的模型框图 　　图6中，CPU可选择使用可编程逻辑器件PLD、数字信号处理器DSP或单片机MCU。CPU、ADC、DAC等的速度、类型、规格等应根据实际设计系统的状况决定。 　　4.2应用卫星信号进行物体定位与时钟授时 　　应用卫星信号进行物体定位与时钟授时的一般过程是：设计卫星信号接收端，从中取得的待测点三维位置信息(经度、纬度、海拔)和国际标准时间UTC(Universal Coordinate Time)，存储，显示，通过授时通道(RS232、RS485、CAN等)向外广播时钟或通过无线通信技术GSM/CDMA向外传播该时刻物体的实际位置。 　　得到的定位/时钟精度分辨值：经/纬度的分单位值可达小数点后5位，海拔的米单位值可达小数点后2位，时钟的秒单位值可达小数点后2位。 　　应用卫星信号接收芯片组或OEM板或接收模块设计的接收端，串行外输的数据格式通常使用美国国家海洋电子协会NMEA(National Marine Electronics Association)的NMEA183标准，接收端每秒钟向外发出一个PPS秒脉冲和一串定位、时钟等信息。PPS秒脉冲与外传数据信息有严格的时间关系，扣准PPS秒脉冲时序的跳变沿读取时钟数据可以得到更精确的时钟值。使用中，需要把所得UTC时间转换成北京时间。 　　进行物体定位与时钟授时的模型如图7所示。 　　　　 　　　　　　　　　　　　　　图7应用卫星信号的物体定位与时钟授时模型框图 4.3注意事项 　　（1） 卫星信号的接收失步 　　设计体系应用于山区、极地等不开阔或易受太阳风暴等影响的地域时，应在设计中加入防止卫星信号接收失步的软硬件措施。具体做法常常是设计本地精密的PPS产生电路、实时时钟RTC电路，当从接收端取得的NMEA格式信息中识别出所传定位/时钟信息无效时，立即启用本地PPS信号、RTC时间，并根据前面正常情况下物体的位置特征推断当前物体的位置。卫星信号接收恢复正常时，转而使用卫星定位时钟同步，同时清除本地PPS发生计数器，校正RTC时钟。图8为这种典型的防失步方案。 　　 　　　　　　　　　　　　　　图8卫星信号监测失步时的同步/时钟处理 　　 （2） 系统电源管理 　　卫星信号定位授时同步体系，特别是嵌入式便携设备，涉及到不同的电源供给，如5 V的液晶显示模块、3.3 V的主系统、1.8 V的CPU核，需要从1.2"4.3 V的电池得到各种供电电压。电源管理设计时，不要直接从电池电压同时变换得到1.8 V、3.3 V、5 V，而应先升压得到最大的供电电压，再逐级降压得到所需各级供电电压，否则系统不能正常工作，操作过程如图9所示。 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　图9便携式卫星信号定位仪器的系统电源规划 　　 （3） PCB制板 　　需要重点考虑的是卫星信号接收部分的设计。为减少干扰，获得最好的接收效果，接收天线要尽可能靠近集成芯片的接收引脚；天线接口到芯片接收脚的微带线要尽可能短，宽度要2倍于PCB板厚，走斜切线，避免锐角、直角。要有独立的电源、地层。电源、地层要靠近顶/底层，大面积铺地，PCB边缘处，电源层面积要小于地层；地层边缘要加一圈密密的过孔，顶层要有大量过孔和大面积地。尽可能使用金属罩屏蔽全部接收部分。 结语 　　卫星导航技术日臻完美，深入日常生产、生活的各个领域和方面。设计稳定可靠、便携低耗、成本低廉的现代卫星信号接收体系，实现精确的物体定位、时钟授时和同步数据采集控制，具有广阔的前景。 　　　　　　　　　　　　　　　　　参考文献 1 高成发. GPS测量. 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定位元件目录. Rev3. 200410