嵌入式系統(tǒng)中精確的衛(wèi)星定位授時與同步
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關(guān)鍵詞：LNA RF 基帶處理 芯片組 一體化模塊 衛(wèi)星定位授時與同步
利用導(dǎo)航衛(wèi)星，進(jìn)行物體定位、時鐘授時與同步數(shù)據(jù)采集控制，可以達(dá)到傳統(tǒng)測量控制手段所不及的精確程度。這種衛(wèi)星定位授時同步技術(shù)在航空航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險、地理測量、氣象預(yù)報、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，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)星定位授時同步的芯片組與模塊，為設(shè)計出穩(wěn)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(xiàn)有的衛(wèi)星信號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、簡單易用、性能優(yōu)良的衛(wèi)星信號接收通道，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、時鐘授時或同步數(shù)據(jù)采集控制的各種類型設(shè)計進(jìn)行綜合闡述。
1 衛(wèi)星定位授時同步概述
衛(wèi)星定位授時同步技術(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。這幾種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的特征與應(yīng)用狀況如表1所列。
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)測校正維護(hù)系統(tǒng)和用戶接收機(jī)或收發(fā)機(jī)。對于北斗局域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，地面監(jiān)測中心要幫助用戶一起完成定位授時同步。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。
在民用方面，GPS、GLONASS和北斗的定位精度是米級，衛(wèi)星授時時鐘精度是毫秒級，數(shù)據(jù)同步能力在1 μs以下。未來的Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，其民用定位授時同步精度是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、長時期衛(wèi)星定位授時同步的最好的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。目前，美國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)星定位授時同步的精度、范圍、效率和可靠性將會得到更進(jìn)一步的提高。
2 衛(wèi)星定位授時同步的基本原理
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(wèi)星信號的多普勒頻移曲線與衛(wèi)星軌道有一一對應(yīng)關(guān)系。也就是說，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，其中包括測距精度因子、開普勒參數(shù)、軌道攝動參數(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，接收并識別相應(yīng)的導(dǎo)航電文，測量發(fā)來信號的傳播時間Δti，利用導(dǎo)航電文中的一系列參數(shù)逐步計算出衛(wèi)星的位置(xi, yi, zi)。設(shè)接收機(jī)所在待測點(diǎn)位置為(x, y, z)，接收機(jī)時鐘鐘差為νt0，接收機(jī)只要能接收到至少4顆衛(wèi)星信號，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)其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度，這就是精確的衛(wèi)星授時；根據(jù)導(dǎo)航電文的規(guī)律性的時序特征，通過計數(shù)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(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，各以測定的本星至用戶機(jī)距離為半徑構(gòu)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(diǎn)即是用戶位置。具體的定位過程是：首先由地面中心發(fā)出信號，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，地面中心站計算出兩種途徑所需時間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，通過下列方程組就可以計算待測點(diǎn)的位置(x, y, z)：
上述一系列復(fù)雜的運(yùn)算，對全球?qū)Ш较到y(tǒng)來說，在用戶接收側(cè)進(jìn)行；對北斗局域?qū)Ш较到y(tǒng)來說，是在地面中心進(jìn)行的。地面中心確定用戶位置后，再把定位與時鐘信息通過衛(wèi)星傳給用戶。
3 全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號的接收端設(shè)計
3.1 衛(wèi)星信號接收端的基本構(gòu)成
全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號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)、信號通道相關(guān)器、數(shù)字信號運(yùn)算處理控制器DSP、實(shí)時時鐘RTC(Real Time Clock)、數(shù)據(jù)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(wèi)星信號接收端的核心是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點(diǎn)位置與接收端時鐘鐘差的確定，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)字信號處理器或ARM7內(nèi)核的單片機(jī)，來執(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/授時數(shù)據(jù)結(jié)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(dāng)?shù)男l(wèi)星信號收發(fā)天線
衛(wèi)星信號接收天線是衛(wèi)星接收端的關(guān)鍵部件。
選擇衛(wèi)星信號接收天線，既要具有適當(dāng)?shù)男盘栐鲆妫忠暺湫螤詈痛笮?。固定場合使用的衛(wèi)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(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(yīng)用不多。
接收的衛(wèi)星信號是右旋園極化波，發(fā)給衛(wèi)星的信號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)確的定位授時結(jié)果，但它既要接收衛(wèi)星信號又要向衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星收發(fā)天線。
3.3 選用集成組件構(gòu)建衛(wèi)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(shè)計出衛(wèi)星信號接收端的硬件電路；但是由于涉及到大量復(fù)雜繁瑣的運(yùn)算，CPU軟件設(shè)計任務(wù)十分繁重。
設(shè)計衛(wèi)星信號接收端，常選用集成組件來搭建?？蛇x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、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)存儲器等集成到一個芯片內(nèi)，內(nèi)含通道相關(guān)算法、衛(wèi)星位置確定算法、待測點(diǎn)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)?；鶐幚砥骱?~16個衛(wèi)星通道數(shù)，工作穩(wěn)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(shù)字信號處理器或ARM7單片機(jī)構(gòu)建電路與設(shè)計衛(wèi)星信號運(yùn)算處理軟件的麻煩。常見的衛(wèi)星信號基帶處理器，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。
圖1全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號接收端結(jié)構(gòu)框圖
圖2集成組件構(gòu)建的衛(wèi)星信號的接收端框圖
圖2是由ATR0610、ATR0600和ATR0620構(gòu)成的GPS衛(wèi)星信號接收端框圖。
選用LNA、前端RF下變頻器、基帶處理器構(gòu)建衛(wèi)星信號接收端的時候，應(yīng)注意盡可能選用一個廠商的器件；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。
表2集成衛(wèi)星信號接收組件的最佳搭配組合
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)星信號接收端框圖。衛(wèi)星信號接收端芯片功能集成度的逐步提高，為簡化設(shè)計提供了有效的捷徑。
3.4 使用集成模塊構(gòu)建衛(wèi)星信號接收端
使用集成組件構(gòu)建衛(wèi)星信號接收端簡捷、明了，但是如果射頻電路設(shè)計經(jīng)驗(yàn)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(yán)重引起衛(wèi)星定位授時同步數(shù)據(jù)或信號的浮動，造成過大的偏差。在初次設(shè)計衛(wèi)星信號接收端或射頻電路設(shè)計經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，設(shè)計衛(wèi)星信號接收端的最好途徑就是使用衛(wèi)星信號接收OEM(Original Equipment Manufacturer)板或接收模塊。衛(wèi)星信號接收OEM板或模塊是一些知名半導(dǎo)體設(shè)計廠商利用集成組件設(shè)計的模塊化衛(wèi)星信號接收端，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)計開發(fā)。這些衛(wèi)星信號接收OEM板或模塊，配上適當(dāng)?shù)臒o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)計起來更加方便。圖4是用TIMLP構(gòu)成的衛(wèi)星信號接收端，即可使用隨機(jī)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(jìn)中使用。
3.5 僅用衛(wèi)星信號同步時的特殊設(shè)計
在實(shí)際應(yīng)用中，使用導(dǎo)航衛(wèi)星信號，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、相位測量、故障判距、繼電保護(hù)等，則可以不使用價格昂貴的衛(wèi)星信號接收組件、OEM板或接收模塊，而選用常規(guī)器件構(gòu)建接收電路，結(jié)合軟件對信號的識別和脈沖計數(shù)，直接得到精確的同步PPS脈沖信號。圖5是這種構(gòu)思的一個典型實(shí)例。
圖5中整形電路實(shí)現(xiàn)取得最強(qiáng)的一個衛(wèi)星信號；整形削波部分捕獲導(dǎo)航電文的傳播幀頭，啟動單片機(jī)中的計數(shù)器對另一路整形脈沖計數(shù)；單片機(jī)根據(jù)導(dǎo)航電文傳播的速度特征計算并產(chǎn)生精確的PPS秒脈沖信號。
圖3由MG4200構(gòu)成的衛(wèi)星信號接收端框圖
圖4由“天線+接收模塊”構(gòu)成的衛(wèi)星信號接收端
圖5簡易衛(wèi)星信號秒脈沖發(fā)生原理圖
圖5中擴(kuò)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(jī)選用MCS51。
4應(yīng)用設(shè)計
4.1 應(yīng)用衛(wèi)星信號的同步數(shù)據(jù)采集與控制
應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行精確的異地或同地的多通道工業(yè)數(shù)據(jù)的采集與控制，主要是直接使用由衛(wèi)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(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)字控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同步打開或關(guān)閉各個通道開關(guān)；還有用于測量判斷的，制作精確時間標(biāo)簽的，如電力系統(tǒng)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(jìn)行細(xì)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(yīng)用衛(wèi)星信號的同步數(shù)據(jù)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(shù)字信號處理器DSP或單片機(jī)MCU。CPU、ADC、DAC等的速度、類型、規(guī)格等應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計系統(tǒng)的狀況決定。
4.2應(yīng)用衛(wèi)星信號進(jìn)行物體定位與時鐘授時
應(yīng)用衛(wèi)星信號進(jìn)行物體定位與時鐘授時的一般過程是：設(shè)計衛(wèi)星信號接收端，從中取得的待測點(diǎn)三維位置信息(經(jīng)度、緯度、海拔)和國際標(biāo)準(zhǔn)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(shù)GSM/CDMA向外傳播該時刻物體的實(shí)際位置。
得到的定位/時鐘精度分辨值：經(jīng)/緯度的分單位值可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后5位，海拔的米單位值可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后2位，時鐘的秒單位值可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后2位。
應(yīng)用衛(wèi)星信號接收芯片組或OEM板或接收模塊設(shè)計的接收端，串行外輸?shù)臄?shù)據(jù)格式通常使用美國國家海洋電子協(xié)會NMEA(National Marine Electronics Association)的NMEA183標(biāo)準(zhǔn)，接收端每秒鐘向外發(fā)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(shù)據(jù)信息有嚴(yán)格的時間關(guān)系，扣準(zhǔn)PPS秒脈沖時序的跳變沿讀取時鐘數(shù)據(jù)可以得到更精確的時鐘值。使用中，需要把所得UTC時間轉(zhuǎn)換成北京時間。
進(jìn)行物體定位與時鐘授時的模型如圖7所示。
圖7應(yīng)用衛(wèi)星信號的物體定位與時鐘授時模型框圖
4.3注意事項(xiàng)
（1） 衛(wèi)星信號的接收失步
設(shè)計體系應(yīng)用于山區(qū)、極地等不開闊或易受太陽風(fēng)暴等影響的地域時，應(yīng)在設(shè)計中加入防止衛(wèi)星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設(shè)計本地精密的PPS產(chǎn)生電路、實(shí)時時鐘RTC電路，當(dāng)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(jù)前面正常情況下物體的位置特征推斷當(dāng)前物體的位置。衛(wèi)星信號接收恢復(fù)正常時，轉(zhuǎn)而使用衛(wèi)星定位時鐘同步，同時清除本地PPS發(fā)生計數(shù)器，校正RTC時鐘。圖8為這種典型的防失步方案。
圖8衛(wèi)星信號監(jiān)測失步時的同步/時鐘處理
（2） 系統(tǒng)電源管理
衛(wèi)星信號定位授時同步體系，特別是嵌入式便攜設(shè)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(tǒng)、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(shè)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(yīng)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(tǒng)不能正常工作，操作過程如圖9所示。
圖9便攜式衛(wèi)星信號定位儀器的系統(tǒng)電源規(guī)劃
（3） PCB制板
需要重點(diǎn)考慮的是衛(wèi)星信號接收部分的設(shè)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(dú)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(jié)語
衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)日臻完美，深入日常生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域和方面。設(shè)計穩(wěn)定可靠、便攜低耗、成本低廉的現(xiàn)代衛(wèi)星信號接收體系，實(shí)現(xiàn)精確的物體定位、時鐘授時和同步數(shù)據(jù)采集控制，具有廣闊的前景。
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2 Motorola Co. GPS Products PREVIEW Instant GPS MG4200. Rev1.0. 200412
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