基于單頻授時模塊的時間測量接收機設計

李曉通，王文利，李孝輝,張慧君

(1.中國科學院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院 時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 101048)

0 引言

高精度的時間服務是國民經(jīng)濟和國防建設的重要支撐，對于深空探測、物理研究、導航定位、航空航天和信息傳遞等都具有極其重要的意義。其中，高精度遠程時間測量技術(shù)是高精度時間服務的關(guān)鍵技術(shù)之一。高精度遠程時間測量是指使用時間比對設備獲得兩個(或多個)參與比對的時間之間的偏差,目前應用較多的遠程時間測量技術(shù)包括：衛(wèi)星單向授時、衛(wèi)星共視時間測量、衛(wèi)星雙向時間測量和光纖時間測量等[1]。通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)遠程時間測量的核心部件為衛(wèi)星接收機，目前，市面上成熟的時間測量型接收機多為雙頻衛(wèi)星接收機，例如，波蘭的TTS系列接收機、捷克的GTR51/GTR52接收機、比利時的Septentrio系列接收機等，它們憑著精度高、功能強、性能好等優(yōu)勢在時間頻率市場占據(jù)著主要地位[2]。但是這些接收機大多價格在10萬元以上，不便于大規(guī)模使用。而單頻授時模塊目前已經(jīng)可以達到優(yōu)于20 ns的授時精度，同時又具有成本低、體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點。其中應用較多的一款是瑞士u-blox公司生產(chǎn)的LEA-M8T芯片。它的尺寸僅為(17.0×22.4) mm，能同時接收GPS、北斗、GLONASS、Galileo等衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號，并且其接收器配合輔助GNSS功能可采集大于-157 dBm的信號，即使在城市建筑物遮擋的情況下也能夠快速捕獲。因此，筆者研制了基于LEA-M8T單頻授時模塊的時間測量接收機系統(tǒng)。

1 單頻時間測量接收機總體設計方案

單頻時間測量接收機由授時模塊、電源模塊、接口轉(zhuǎn)換模塊、時間間隔計數(shù)器以及工控板組成，總體設計框圖如圖1所示。電源模塊實現(xiàn)AC/DC變換及多路DC/DC變換，為接收機內(nèi)各部分提供穩(wěn)定的直流電壓。LEA-M8T授時模塊接收衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)，主要包括星歷、偽距、衛(wèi)星模型參數(shù)等。接口轉(zhuǎn)換模塊為LEA-M8T授時模塊與工控板的通信提供電平轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的正常收發(fā)。時間間隔計數(shù)器測量授時模塊1 PPS信號和外部1 PPS信號之間的時差。運行在工控板內(nèi)的接收機數(shù)據(jù)處理軟件對原始接收機數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析和數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)處理模塊對來自時間間隔計數(shù)器的時差數(shù)據(jù)和來自接收機的導航數(shù)據(jù)進行處理，計算出本地時間和衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間偏差。

圖1 單頻時間測量接收機總體設計圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件部分主要由LEA-M8T單頻授時模塊、電源模塊和接口轉(zhuǎn)換模塊、時間間隔計數(shù)器和工控板構(gòu)成。LEA-M8T授時模塊是系統(tǒng)的核心，可接收GPS、北斗、GLONASS、Galileo等導航系統(tǒng)的信號進行授時，并且具備自主完好性(RAIM)檢測功能。支持串口、USB、SPI以及I2C等通信接口。

本系統(tǒng)根據(jù)工控板可用資源及可靠性考慮選擇串口作為LEA-M8T授時模塊與工控板的通信接口。串口通信是設備間的一種串行通信方式，連線和控制方式均較為方便。但LEA-M8T授時模塊輸出的為TTL電平，而工控板使用的是RS232標準電平。為將兩者適配，采用MAX3232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，完成兩模塊間的通信。

時間測量接收機內(nèi)各個模塊均需直流供電，但供電電壓要求各不相同，本文設計由市電作為輸入，采用開關(guān)電源和三端穩(wěn)壓結(jié)合的方式為各個模塊供電。開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率較高，但輸入紋波較大，三端穩(wěn)壓的轉(zhuǎn)換效率較低，但輸出電壓穩(wěn)定，紋波小。將二者結(jié)合為接收機提供低紋波、較穩(wěn)定的供電電壓。

考慮到授時模塊輸出脈沖信號的性能以及樣機的測試指標預算，選擇測量精度為50 ps的時間間隔計數(shù)器測量授時模塊與外部信號的時差送至數(shù)據(jù)處理模塊。

工控板需要與授時模塊、計數(shù)器通信以及處理大量的原始電文數(shù)據(jù)，同時還要兼顧樣機的體積、功耗要求，因此選用低功耗，高集成度的嵌入式單板電腦內(nèi)部裝載數(shù)據(jù)處理軟件。

3 數(shù)據(jù)處理算法與軟件設計實現(xiàn)

本節(jié)針對基于單頻授時模塊時間測量接收機的數(shù)據(jù)處理方法和軟件實現(xiàn)過程進行了介紹，詳細描述了相關(guān)數(shù)據(jù)的計算流程及軟件設計方法。

3.1 數(shù)據(jù)處理算法

時間測量接收機以二進制格式輸出原始數(shù)據(jù)，且部分測量所需數(shù)據(jù)不直接提供。因此需要對原始數(shù)據(jù)進行解析處理，才能得到時間測量所必需的衛(wèi)星坐標、星鐘鐘差修正值、電離層延遲、對流層延遲、測站坐標等觀測量[3]。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示，接收機通過串口接收原始二進制數(shù)據(jù)，尋找數(shù)據(jù)包同步字，開始解析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包標識判斷數(shù)據(jù)包類型，分別針對不同數(shù)據(jù)包進行原始數(shù)據(jù)解析。解析完成后，再進行相應計算，得到所有接收機數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

此處對其中幾個關(guān)鍵算法作簡要介紹。

①協(xié)議解析

LEA-M8T單頻授時模塊采用UBX協(xié)議與工控板進行數(shù)據(jù)交互，UBX協(xié)議是UBlox公司專有的二進制協(xié)議格式，一個基本的UBX包如圖3所示，每一條數(shù)據(jù)包都以同步字0xB5,0x62開始，CLASS標識數(shù)據(jù)包的基本類別，ID定義CLASS類別中具體消息，LENGTH表示數(shù)據(jù)的長度，Payload是數(shù)據(jù)包攜帶的具體內(nèi)容，CK_A和CK_B為校驗和字節(jié)。協(xié)議解析算法根據(jù)消息類名和消息ID區(qū)分Payload中攜帶的內(nèi)容。從而對所需數(shù)據(jù)包的Payload進行提取，提取后通過進制轉(zhuǎn)化，得到所需信息。Payload的具體數(shù)據(jù)格式(除星歷數(shù)據(jù)外)參照ublox接收機手冊相關(guān)內(nèi)容。星歷數(shù)據(jù)的Payload格式與信息所屬導航系統(tǒng)有關(guān)，需參照對應導航系統(tǒng)接口控制文件(ICD)進行數(shù)據(jù)提取。

圖3 UBX數(shù)據(jù)包格式

②衛(wèi)星位置計算

分別根據(jù)不同導航系統(tǒng)的接口控制文件進行相應衛(wèi)星位置的計算。需要注意的是北斗GEO衛(wèi)星軌道解算方法略有不同。由于GEO衛(wèi)星軌道傾角小，在軌道擬合時可能因為矩陣奇異而不收斂，所以要通過坐標轉(zhuǎn)換使軌道傾角接近于0°的GEO衛(wèi)星軌道獲得較大的軌道傾角。基本坐標轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4 北斗GEO衛(wèi)星位置算法流程圖

基本坐標轉(zhuǎn)換用式(1)表示如下：

R′=Rz(ωtk)·Rx(-n)·Rz(-ωtk)·R,

(1)

式(1)中，R為按照MEO衛(wèi)星的計算方法得到地固系下的衛(wèi)星位置矢量，R′為經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換后得到的最終地固坐標系下的衛(wèi)星位置矢量，n表示參考平面旋轉(zhuǎn)的角度，文獻[4]、[5]、[6]證明了衛(wèi)星廣播星歷擬合精度對旋轉(zhuǎn)角n的取值不敏感，但為避免坐標旋轉(zhuǎn)后軌道根數(shù)出現(xiàn)奇點，同時盡可能減少軌道傾角攝動被其他軌道根數(shù)攝動吸收，文獻[4]建議將坐標旋轉(zhuǎn)角設為一個較大的值，一般為5°，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，tk=t-toe為瞬時歷元到參考歷元的時間差。Rx(·)、Rz(·)表示初等變換矩陣，即

(2)

(3)

實際應用中，在計算GEO衛(wèi)星觀測瞬間升交點經(jīng)度時，不考慮ωtk項，因此省去第①步繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過兩步坐標變換得到GEO衛(wèi)星位置。

③衛(wèi)星鐘差計算

與衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間相比，衛(wèi)星上的原子鐘存在著時間偏差、頻率偏差和頻率漂移。衛(wèi)星導航系統(tǒng)地面監(jiān)控部分通過對衛(wèi)星信號的監(jiān)測，將衛(wèi)星時鐘在t時的衛(wèi)星鐘差Δt(s)描述成以下的一個二項式[7]：

Δt(s)=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2,

(4)

式(4)中，3個二項式系數(shù)af0，af1和af2以及參考時間toc均由星歷信息解出。除此之外，衛(wèi)星鐘差還應該包括相對論效應校正量Δtr。Δtr用公式(5)計算[7]:

(5)

④時延修正

時間測量系統(tǒng)中需要修正的時延主要包括電離層時延、Sagnac效應、對流層時延和接收機時延。其中電離層時延采用參考文獻[8]中給出的Klobuchar模型進行修正。對流層時延采用文獻[9]給出的以m為單位的對流層延時模型進行修正。Sagnac效應采用文獻[10]給出的修正方法進行修正。接收機時延以標準時間UTC(NTSC)為參考進行測試，結(jié)合T公報給出的UTC與GPST的偏差和UTC與UTC(NTSC)的偏差修正獲得。

3.2 數(shù)據(jù)處理軟件設計實現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理軟件選擇C語言使用Visual Studio 2008在Windows 7系統(tǒng)上開發(fā)實現(xiàn)。軟件完成用戶交互、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡通信3個功能，分為串口通信、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡通信五大模塊。軟件架構(gòu)如圖5所示。

用戶前端界面使用MFC圖形化界面語言搭建。串口通信模塊采用MSComm控件實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。協(xié)議解析模塊對LEA-M8T發(fā)來的原始數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析和進制轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)計算模塊根據(jù)相應數(shù)據(jù)的處理方法對原始接收機數(shù)據(jù)進行運算。數(shù)據(jù)存儲模塊以固定格式將接收機數(shù)據(jù)存儲至本地介質(zhì)。網(wǎng)絡通信模塊利用UDP協(xié)議通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定IP地址和端口。

為了提高軟件數(shù)據(jù)處理效率。對數(shù)據(jù)計算模塊中的算法進行了分解。利用分布式計算的思想，減少算法中的嵌套和循環(huán)進而減小算法運算的時間復雜度。軟件運行界面截圖如圖6所示，整個界面共分為3個部分，分別為數(shù)據(jù)監(jiān)視區(qū)、串口操作區(qū)、操作區(qū)。數(shù)據(jù)監(jiān)視區(qū)對經(jīng)過處理和計算的數(shù)據(jù)進行實時顯示，包括接收機位置信息、時間信息以及衛(wèi)星的狀態(tài)信息。方便用戶監(jiān)視接收機狀態(tài)和記錄數(shù)據(jù)。串口操作區(qū)保證用戶可以直接通過二進制命令與接收機進行交互。操作區(qū)完成系統(tǒng)的開啟和退出。

圖5 軟件架構(gòu)圖

圖6 軟件運行界面

4 系統(tǒng)測試與分析

本節(jié)針對基于單頻授時模塊的時間測量接收機的兩種測試方法進行了詳細的理論描述，同時依據(jù)這兩種測試方法對本文中設計完成的接收機進行了測試，給出了測試結(jié)果及分析。

4.1 單向法

基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的單向法測量是通過一臺接收機測量本地參考時間與衛(wèi)星發(fā)播的導航系統(tǒng)時間之間的鐘差。單向法精度受偽距觀測量包含的各種誤差的影響，主要誤差Δterror包括星鐘誤差，星歷誤差，電離層延遲改正誤差，對流層延遲改正誤差和設備時延[11-12]。測試系統(tǒng)連接如圖7所示，將接收機輸出的1 PPS信號與中國科學院國家授時中心保持的UTC(NTSC)的1 PPS信號分別接入時間間隔計數(shù)器的通道1和通道2，記錄兩個輸出脈沖之間的時間間隔ΔtReceiver-UTC(NTSC)。結(jié)合中國科學院國家授時中心對UTC(NTSC)與GPST偏差的監(jiān)測值ΔtGPST-UTC(NTSC)和接收機數(shù)據(jù)處理軟件計算的各項誤差改正量Δterror，最終將授時偏差結(jié)果改正到GPST，即

ΔtReceiver-UTC(NTSC)=ΔtReceiver-UTC(NTSC)-ΔtGPST-UTC(NTSC)-Δterror,

(6)

由于接收機實時輸出的時間信號代表GPST，所以理論上ΔtReceiver-GPST應為0，但由于接收機授時性能所限，此項不為0，因此ΔtReceiver-GPST結(jié)果的波動即反映了時間測量接收機的單向授時性能。圖8為GPS同一顆衛(wèi)星在24 h可觀測時間段內(nèi)ΔtReceiver-GPST的測試數(shù)據(jù)。經(jīng)計算，單向授時偏差最大值為13.83 ns，最小值為-12.88 ns，時差波動約為±15 ns，標準差約為6.19 ns。

圖7 單向授時測試系統(tǒng)框圖

圖8 單向授時性能評估結(jié)果

4.2 零基線共視時間比對試驗

零基線共視時間比對試驗的基本原理是利用衛(wèi)星共視技術(shù)來進行時間的比對，零基線比對試驗連接關(guān)系如圖9所示。由于時間測量接收機A和B分別得到的都是同一個本地參考時間與衛(wèi)星鐘的鐘差，理論上兩接收機的測量結(jié)果相同，將兩站同一時刻的時差結(jié)果相減，各部分誤差也得到抵消，結(jié)果應為0。但由于兩臺接收機內(nèi)部噪聲和信號通道時延變化，零基線比對的結(jié)果不為0，該結(jié)果反映共視時間測量系統(tǒng)的不確定度[13-14]。

數(shù)據(jù)處理方法采用參考文獻[1]中提出的改進的衛(wèi)星共視方法。該方法不使用國際權(quán)度局建議的共視跟蹤表進行共視觀測，而采用連續(xù)比對，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理同時進行，當一個觀測周期結(jié)束時，馬上進入下一個觀測周期，中間無間隙，去除了傳統(tǒng)共視傳遞方法中每個觀測周期內(nèi)的觀測死時間[1]。經(jīng)過連續(xù)56 h的觀測，將兩站的時差值對應相減，剔除其中的奇異值后得到比對數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖10所示，經(jīng)計算兩站該時段內(nèi)時差最大值為9.89 ns，最小為-9.21 ns,波動約為±10 ns，標準差約為3.63 ns。

圖9 零基線共視測試原理圖

圖10 零基線共視時間比對結(jié)果

5 結(jié)語

本文基于LEA-M8T單頻授時模塊完成了一款應用于時間測量領(lǐng)域的接收機設計,給出了系統(tǒng)詳細的硬件和軟件實現(xiàn)方法。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)單向授時標準偏差為6.19 ns，零基線共視比對標準偏差為3.63 ns,與傳統(tǒng)時間測量接收機相比，該設計成本較低，設計方案簡單易行，便于嵌入其他系統(tǒng)。已成功應用于中國科學院國家授時中心遠程時間復現(xiàn)終端項目中。