(整理)嵌入式系统中精确的卫星定位授时与同步.

嵌入式系统中精确的卫星定位授时与同步要：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 Navigat ion 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GLONA SS，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C DMA(Code Division Multiple Access)或频分多址FDMA(Frequency Division Multiple A ccess)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, y i, 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(Lo wer Noise Amplifier)、前端射频下变频器EndFront RF(EndFront Radio Frequency Do wn 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 T ime 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ATR0 610、Maxim的MAX2641/ 2654/2655等。

可选的前端RF下变频器，如Atmel的ATR06 00、Maxim的MAX2742/4/5、ST的STB5600、μNav的μN1005/8021C、NEC的μPB10 29R、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RS23 2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8~1 6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P CB(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G N77等。

接收模块如μBlox的TIMLP、TIMLS，Motorola的FS Oncore，Koden的GSU1 6，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。