北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS互備的廣播電視授時單元*

陳孟元，凌有鑄，王冠凌

（安徽工程大學 安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

標準時間是廣播電視安全播出的前提條件，在廣播電視系統(tǒng)中具有重要的地位。目前，我國的廣播電視中心常利用GPS授時來獲取標準時間，但是GPS授時存在手段單一、沒有自主控制權等方面問題，不僅短期穩(wěn)定性差，而且安全性不強。主要表現(xiàn)在：1）GPS接收模塊的抗干擾性能差，當出現(xiàn)小鳥等不明物體在GPS接收模塊天線停留的情況下可能出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的情況，因此，如何保證衛(wèi)星失鎖后電視節(jié)目的繼續(xù)安全播出，是必須考慮的問題；2）GPS接收模塊輸出的時間信號短期穩(wěn)定性差，例如標稱時間精度為1 ms的OEM板，其秒脈沖偏差可能達到10 ms，因此，直接利用GPS接收機輸出的時間信號和秒脈沖信號校準守時鐘，很難保證廣播電視系統(tǒng)中所要求的連續(xù)時間精度；3）當人為因素對太空中的GPS衛(wèi)星試驗時可能造成GPS時間跳變，例如1995年曾連續(xù)2個月觀測到衛(wèi)星試驗引起的時間跳變，跳變量達20 ms，因此，直接利用GPS接收機輸出的時間信號必然影響電視播出質(zhì)量[1]。

除上述GPS授時技術方面的問題，更重要的是GPS授時存在沒有自主控制權的問題。GPS是由美國軍方掌控的系統(tǒng)，局部屏蔽GPS信號技術試驗（即在需要的時候可以局部關閉GPS信號）于2000年1月獲得成功，使得其可用性和授時精度均受制于美國的GPS政策[2]。因此現(xiàn)階段廣播電視系統(tǒng)中使用GPS授時顯得手段單一，信息安全得不到保障，尋找可依賴的時鐘源對于衛(wèi)星授時技術在廣播電視系統(tǒng)中的應用至關重要。

2 北斗授時應用于廣播電視系統(tǒng)可行性分析

我國于2000年 10月 31日、2000年12月 21日、2003年5月25日使用CZ-3A火箭成功將“北斗一號”中的3顆北斗導航衛(wèi)星送入預定軌道，其中第3顆星為備份星，連同地面的配套設施建設，實現(xiàn)了北斗導航系統(tǒng)的構成[3]。北斗導航系統(tǒng)將定位、通信、授時功能合為一體，軍用方面可為陸、海、空三軍作戰(zhàn)部隊提供快速定位服務，民用可為海上、陸地交通工具及地面用戶定位、導航、調(diào)度提供服務。但目前北斗系統(tǒng)的應用水平與國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS系統(tǒng)）相比還存在一定的差距，尤其是在民用方面，還遠遠未達到產(chǎn)業(yè)化、市場化的水平。

2.1 衛(wèi)星信號的覆蓋范圍

北斗導航定位系統(tǒng)是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS后第3個投入運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是世界上第1個區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)。中國國土主體位于65°E～145°E，17°N～57°N 之間，該系統(tǒng)可以覆蓋地球 45°E～145°E，5°N～55°N的范圍，可以全天候?qū)χ袊I土、領海及周邊地區(qū)進行定位及授時，可見衛(wèi)星信號的服務范圍已完全覆蓋了中國廣播電視系統(tǒng)所包含的區(qū)域[3]。

GPS雖能全球覆蓋，但由于軌道較低而使得用戶的遮蔽角大，信號在山區(qū)容易被遮擋。北斗衛(wèi)星位于中國上空36000 km的靜止軌道，地面用戶基本都處于高仰角工作狀態(tài)，信號不易被附近的高大物體遮蔽，接收模塊更容易接收到信號，該特點使得北斗衛(wèi)星授時特別適用中國高山偏遠地區(qū)廣播電視臺授時系統(tǒng)。

2.2 可接受的用戶容量限制

北斗導航系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時功能，根據(jù)不同的精度要求，提供100 ns（單向授時）和20 ns（雙向授時）的時間同步精度。授時技術的可擴展性是受用戶容量所限制，因此必須考慮北斗授時的用戶容量限制問題。GPS是單向測距系統(tǒng)，用戶設備不需要地面中心站的介入，只要接收導航衛(wèi)星發(fā)出的衛(wèi)星星歷電文即可獲得用戶時鐘相對GPS時鐘的時間偏差，所以GPS的用戶容量是無限的。“北斗一號”采用集中式信號處理，定位、通信和雙向定時都必須通過中心站進行，由中心站判斷用戶請求的業(yè)務類型，并執(zhí)行相應的操作。系統(tǒng)的用戶容量取決于中心站允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。然而當廣播電視授時單元的接收天線在電視臺授時中心安裝好的情況下就不會移動位置，因此可在授時單元安裝好后將天線的位置坐標通過軟件寫入北斗授時模塊中，授時模塊在知道位置坐標的情況下采用單向授時方式，用戶設備容量就不受限制。

3 北斗與GPS互備的授時單元結構

北斗與GPS互備的授時單元結構框圖如圖1所示，由微處理器單元、北斗模塊、GPS模塊、DS3232守時芯片、鍵盤顯示單元等主要部分組成。

其中北斗模塊、GPS模塊的選擇規(guī)則如下：

1）當兩路均接收到時間，根據(jù)外部設定輸出北斗或者GPS時間；

2）當某一路發(fā)生異常時，選擇非異常的輸出；

3）當兩路均異常或外部無設定輸出對象，輸出DS3232守時芯片時間。

3.1 微處理器單元

微處理器單元選擇的是國內(nèi)廠商宏晶科技生產(chǎn)的單片機STC11F16。

微處理器通過串口 1（P3.0，P3.1）、串口 2（P1.6，P1.7）、P1.0和P1.1與GPS授時模塊、北斗授時模塊、RS-232和RS-422進行通信，并依靠1片GAL16V8完成分時復用；P1.0，P1.1，P1.2 接 GAL 芯 片 ；P3.4，P4.3，P1.3 接 DS3232本地時鐘芯片；P2.7，P2.5接鍵盤顯示模塊BC7281的串口、鍵盤中斷 CPU 的外中斷；P1.5，P4.6，P4.1，P4.5 為實時鍵、秒、分、時指示燈接口。STC11F16單片機接口如圖2所示。

3.2 北斗模塊

7X-BDM北斗授時OEM產(chǎn)品是七星創(chuàng)宇公司的單星單向授時產(chǎn)品，北斗授時接收機的板卡與載板通過接插件直接相連，接口采用通用的2.54 mm間距的20pin接插件，北斗授時模塊通過射頻接口（SMB-J）與北斗天線相互連接，如圖3所示。

北斗授時模塊和硬件之間數(shù)據(jù)/電源接口為8針插針，接口電路如圖4所示，北斗模塊的輸出電平為LVCMOS邏輯電平，通過MAX232轉換為TTL電平，圖中SA2提供+3.3 V直流穩(wěn)壓電源給北斗模塊。1PPS（秒脈沖）（上升沿與北斗時刻相差在100 ns以內(nèi)）輸出接到單片機的中斷上，來同步校正本地時鐘[4]。

3.3 GPS模塊

GPS模塊選擇Garmin公司研制開發(fā)的GPS15L OEM。單片機的串口 1（P3.0，P3.1）分別和 GPS15L板的 TXD1，RXD1連接。GPS15L板在初始化后輸出1PPS秒脈沖（上升沿與GPS時刻相差在50 ns以內(nèi)）作為單片機的外部中斷源，實現(xiàn)校正本地時鐘[5]。

3.4 高精度本地鐘DS3232

DS3232是低成本溫度補償晶體振蕩器（TCXO），內(nèi)置精度極高的溫度補償實時時鐘（RTC）以及236 byte電池備份SRAM，此外，DS3232還具有電池輸入，可在器件主電源掉電時保持精確計時。RTC可以計數(shù)秒、分、時、星期、日期、月份和年份信息。DS3232與微處器連接圖如圖5所示。

經(jīng)過溫度補償?shù)碾妷夯鶞屎捅容^器電路用來監(jiān)視VCC狀態(tài)，以便檢測電源失效，提供復位輸出，并在必要時自動切換到備份電源。此外，器件對RST引腳進行監(jiān)視，因此該引腳可作為按鈕輸入以產(chǎn)生復位。

4 兩種授時秒脈沖的同步對比實驗與結論

筆者設計了北斗與GPS互備的授時單元，如圖6所示。由于GPS時間滿足廣播電視系統(tǒng)對時間的精度要求，GPS時間與其秒脈沖上升的時刻相差在50 ns以內(nèi)，因此在廣播電視授時領域，只要對比北斗與GPS秒脈沖的同步性，即可判斷北斗授時是否適用于廣播電視系統(tǒng)。本文設計了北斗授時和GPS授時的對比實驗證明北斗與GPS授時脈沖的同步性（上升沿同步精度和上升沿斜率）。

為了測試兩種授時脈沖的同步精度，將兩套互備授時單元分別接收到的北斗授時秒脈沖和GPS授時秒脈沖同時接入一臺示波器，觀察兩個脈沖的上升沿時間差，北斗與GPS的秒脈沖時間誤差主要分布在1 μs以內(nèi)。采用相同的方法測試兩種秒脈沖上升沿的斜率，上升沿斜率基本相同，均能在100 ns內(nèi)完成跳變。因此北斗時間滿足電視信號以幀（40 ms）或場（20 ms）為播出單位的播出精度。

除同步對比實驗外，還進行了北斗和GPS互備授時實驗。將授時單元的北斗授時時間設置為輸出時間，此時長時間遮蔽或拔出北斗授時天線，裝置能迅速判別北斗時間為不正常時鐘源，自動選擇GPS授時修正本地時鐘，輸出精確的時間，反正亦然。

將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS互備的授時單元應用于廣播電視系統(tǒng)授時技術中，以北斗授時優(yōu)先獲取標準時間與系統(tǒng)本地時間進行校準，同時以GPS為輔助授時源。兩種方式互為備份，彌補長久以來使用GPS作為唯一授時源存在的手段單一和沒有自主控制權的問題，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，此項研究對改變國外衛(wèi)星授時系統(tǒng)對我國市場的壟斷，保證我國的信息安全，具有重要的意義。同時依據(jù)本文設計的作品入選第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽。

[1]王元虎，周東明.衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)中應用的若干技術問題[J].中國電力，1998，31（2）：10-13.

[2]李建，謝小榮，韓英鐸，等.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS互備授時的分布式相量測量單元[J].電網(wǎng)技術，2005，29（9）：1-5.

[3]馬瑞峰.基于北斗導航定位系統(tǒng)的偽衛(wèi)星技術研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2005.

[4]BAUCH A，PIESTER D，MOUDRAK A，et al.Time comparisons between USNO and PTB：a model for the determination of the time off set between GPS time and the future Galileo system time[C]//Proc.the 2004 IEEE InternationalFrequency ControlSymposium and Exposition，Montreal，Canada，2004：334-340.

[5]王冠凌.基于ZigBee和GPS廣播電視時鐘授時系統(tǒng)的研究[J].自動化與儀器儀表，2008（5）：15-18.