GPS授时系统
GPS授时系统设计
摘要：使用GPS25一LVS OEM板(接收机)接收卫星信号，通过串口异步通信把数据传送给89C51单片机，单片机通过并口控制LED显示，从而实现GPS准确授时．同时，介绍了GPSOEM板输出的数据形式，并采用NMEA_0183格式中最常用的“$GPGGA”格式输出，由“$G —PGGA”数据输出格式可编写出相关的接收程序．
关键词：GPS授时；0EM板；秒脉冲
0 引言
时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展．人们对时间精度的要求也越来越高．天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到9
10-．因此“原子钟”广
10-，“原子钟”精度可达12
泛运用到精密测量和日常生活、生产领域．GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号，然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间，由此可制作出GPS精密时钟．目前已有专门用于授时的授时型接收机，可以提供ns级的精确时间，但由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及．本文采用具有定时功能的GPS 0EM板的串口输出的协调世界时进行授时，可提供经济、实用、准确的公众时间，避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便．．
0.1 GPS系统简介
1973年12 月，美国国防部组织陆海空三军联合研制新一代的卫星导航系统：“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称 GPS。原系美国国防部军事系统中的一个组成部分，现已广泛应用于航海、航天、测量、通信、导航、智能交通等诸多领域。它是新一代精密卫星定位系统，是现代科学技术迅速发展的结晶。
GPS 是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可连续、实时地为无限多用户提供。由于 GPS 定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而己成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。这个系统向全球范围内的用户提供高精度的三维位置和精密时间信息。
0.2 GPS系统的组成
GPS 系统主要由 3 大部分组成，即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分（图 0-1）。
图 0-1 GPS 系统的组成
（1）、空间星座部分
GPS 空间卫星星座，由 24（3 颗备用卫星）颗卫星组成。卫星分布在 6 个轨道面内，每个轨道上分布有 4 颗卫星，如图 0-2 所示。卫星轨道面相对地球赤道的倾角约为
55，各轨道面升交点的赤经相差
60。在相邻轨道上，卫星的升交距相差
30。轨道平均高度
约为 20200km，卫星运行周期为 11 小时 58 分钟。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前 4 分钟。每颗卫星每天约有 5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为 4 颗，最多时可达 11 颗。GPS 卫星空间星座的分布保障了在地球上的任何地点、任何时刻至少有 4颗卫星被同时观测，加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS 是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。
空间部分的 3 颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障 GPS 空间部分正常而高效地工作是极其重要的。
图 0-2 GPS 系统空间卫星星座
（2）、地面监控部分
对于导航定位来说，GPS 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗 GPS 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是由地面设备进行监测和控制的。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS 时间系统。这需要地面站监测各颗卫星的间间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户。
GPS 工作卫星的地面监控部分，目前由分布在全球的 5 个地面站组成，其中包括 1个主控站、3 个注入站和 5 个监测站，如图 0-3 所示。监测站：用 GPS 接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控站；主控站：主控站接收各监测站的 GPS 卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站，控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文系统，诊断卫星工作状态，完成各类相关工作；注入站：接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。
整个 GPS 的地面监测部分，除主站外均无人值守。各站间用现代化的通讯网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高精度的自动化和标准化。
图 0-3 GPS 地面监控部分
（3）、用户设备部分
GPS 的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用 GPS 定位的目的。根据 GPS 用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着 GPS 定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的 GPS 接收机及相应的数据处理软件。
用户设备主要由 GPS 接收机硬件和数据处理软件，以及微处理器及其终端设备组成。GPS 信号接收机的硬件一般由主机、天线、和电源组成。主要功能是接受 GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和位置信息及观测量，并经简单的数据处理而实现实时导航和定位；GPS 软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是观测数据进行加工，以便获得精密定位结果。GPS 接收机的基本结构如图0-4 所示。
图0-4 GPS 接收机基本结构
0.3 GPS授时原理及同步技术
GPS授时有着广泛的应用。从日常生活到航天发射，从出外步行到航空航海，都离不开授时。随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要求也不一样。
GPS 卫星都安装有四台原子钟，GPS 时间受到美国海军天台（USNO）经常性的监测。GPS 系统的地面主控站能够以优于±5ns 的精度，使 GPS 时间和世界协调时 UTC之差保持在±1 s 以内。此外，GPS 卫星还向用户播发它自己的钟差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用 GPS 信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS 卫星可以成为一种全球性的用户无限制的时间信号源，用于进行精确的时间比对。利用 GPS 信号进行时间传递，一般采用以下两种方法：
（1）一站单机授时法。即在一个已知位置测站上，用一台 GPS 信号接收机观测一颗 GPS 卫星，从而测定用户时钟的偏差。如图 0-5 所示，在用 GPS 信号传递时间时，存在 3 种时间尺度（时标）：即 GPS 时间，每颗 GPS 卫星的时钟，用户时钟。GPS 授时的目的在于测定
用户时钟相对于 GPS 时间的偏差，并根据 GPS 卫星导航电文的有关参数，计算出世界协调时 UTC 。
图 0-5 一站单机授时法
GPS 时间传递，实质上是测量 GPS 信号从卫星到达用户的传播时间。某颗 GPS 卫星在s
t T 时刻发射 GPS 信号初相，通过电离层和对流层到达用户接收天线的时刻U a T ，则GPS 信号的传播时间为
τ+-=s t U a d T T t ’ （0.1） 式中τ为电离层和对流层时延。GPS 信号的发射时刻s
t T 可从导航电文解得。从图 0-5 可见，s
t T 相对于 GPS 时间之差为s t T ?，且 s t g t s t T T T ?+= （0.2）
s t T ?可从导航电文中获得。又
U a g a U a T T T ?+= （0.3）
考虑到上两式，则得 GPS 信号接收机所得的传播时间
ττ+?-?+=+?-?+-=s t U a d s t U a g t g a d T T t T T T T '
t （0.4） 式中，g
t g a T T -=d t 。则用户时钟偏差为
τ-?+-=?s t d d U a T t t T ‘ （0.5） 上式即为一站单机的授时方程式。
当同时观测 4 颗 GPS 卫星时，一站单机授时法可以在不知测站坐标的情况下，同时测得用户时钟偏差和测站坐标。
（2）共视比对授时法。即在两个测站上各安设一台信号接收机，在相同的时间内，观测同一颗 GPS 卫星，而测定用户时钟的偏差。
图0-6 共视授时
图 0-6 的单颗 GPS 卫星共视授时法。实验表明，两个测站共同见到同一颗卫星的时间并不要求严格同步，前后相差 20 分钟以内时，授时准确度无显著差别：这为用户提供了方便，因此单星共视授时法获得了广泛的应用。依式（0.5）可知，A 、B 两个测站所测得的用户时钟偏差分别为
22'2U 2a 1
1'1U 1a t T t T ττ-?+-=-?+-=s t d d s t d d T t T t 通过数据传输而将测站 A 的用户钟差送到测站 B ，故知两个用户的钟差
）（）（）（12d1d2'1
d '2d U 1a U 2a U a t t t t T T T ττδ-----=?-?=（0.7） 上式中消除了 GPS 卫星的时钟偏差s t T ?。实际传播时间1d t 、2d t 是依据测站位置和卫星位置而求得的，GPS 卫星的星历误差将引起d t 的偏差；若其值为ds t ?，则
ds t 2d 2d ds
t 1d 1t T t T ?+=?+=t t d （0.8）
因此共视用户的钟差
）（）（）（12t 1d t 2d '
1d '
2d U a T T t t T ττδ-----= （0.9）
从上式可知，共视授时法不仅能够消除卫星钟差，而且能够消除或削弱星历误差的影响，可达到±5ns 的授时准确度，所以这种方法成为目前用 GPS 信号传递时间的主要方法。
0.4 GPS 时钟同步利用方式
0.4.1 脉冲同步方式
脉冲同步方式，即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。监控装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误差。同步脉冲的周期、频率、电平、脉宽、脉冲的正负、上升和下降时间、同步的时刻等均可能有所变化。
根据脉冲输出接口的不同，同步脉冲分为有源 TTL
电平输出、
无源空接点输出、固态继电器输出等。有源 TTL 电平输出，即每隔一定的时间间隔产生一个 TTL 电平脉冲，或正脉冲或负脉冲，脉冲的宽度和占空比可以不同。这种输出，用户可以直接引出同步信号，不必外加电源。无源空接点输出，即将同步脉冲作为一开关量输出，一般是使用一个光电三极管，从集电极输出。可根据应用要求，在同步时钟到来时，三极管由导通变截止，或由截止变导通。
1PPS(秒脉冲，即：pulse per second 脉冲/秒)输出，其是一个电平信号，一般以方波形式输出，高电平(也有较少数为低电平的)表示有秒脉冲输出，其持续时间很短，一般在毫秒量级上，其电平信号为+5V，持续时间为毫秒级，低电平(也有较少数为高电平的)表示没有信号输出。高电平上升沿为 1PPS 输出的精确时刻。
在 GPS OEM 板取得有效导航解析的时候，秒脉冲上升沿的时刻与 GPS 时刻相差在50ns 以内，与串行口输出的 UTC 标准时间相差在 1us 以内。值得我们注意的是 RS-232传输数据中 UTC 标准时间的输出较秒脉冲上升沿的时刻有一延时，即 OEM 板先为用户提供秒脉冲，再提供与该秒脉冲相对应的 UTC 标准时间。GPS 时间信号输出时刻关系如图 0-7 所示。
有时在没有收到卫星信号或导航解无效的情况下(即没有收到UTC 的校正数据)，OEM 板通过开发工具板也能向外发送秒脉冲，但此时秒脉冲为 GPS OEM 内部未改正钟差、钟漂的原始时钟的时间，其上升沿的时刻不准确、不稳定，误差较大，无实用价值。仅在取得正确导航解时才可以用 UTC 时间对 GPS OEM 内部时间进行校正,输
出精确时间。
图 0-7 GPS 时间信息示意图
脉冲对时方式具有简便准确的优点。电站的故障录波器、继电保护自动装置、事件顺序记录仪等，均可使用脉冲同步方式，使用时将脉冲作为校时信号，在整时、整分、整秒时，脉冲沿作用于自动装置的时钟清零线，实现时钟的同步。脉冲同步的缺点是不能直接提供时间信息。但自动装置一般有自己的时钟，依靠本身的时钟提供时间信息即可，而不必由同步时钟来提供。在故障测距、相位测量等装置使用 1PPS 时，一般需要同时使用串行口的时间信息，以确认 1PPS 同步脉冲所在的时刻。
0.4.2 串行同步方式
串行同步方式是时钟以串行数据流的方式输出时间信息,各种自
动装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步。串行通信的标准和格式多种多样,按信息码的格式不同，分别有 ASCII 码、IRIG-B 码等。按串行通信接口标准的不同，ASCII 码有 RS232C、RS422/485 等方式，IRIG-B 码有 TTL 直流电平码输出、1kHZ 正弦波调制码输出、MANCHESTER 调制码输出等方式。
（1）、RS232/422/485 串行接口输出
同步时钟通过 RS232/422/485 串行口在整秒、整分或整时，输出一次时间信息。时间信息格式一般是由帧头、时、分、秒、日、月、年及结束符组成。自动装置在接收到对时信号后，通过软件校正内部时钟。使用串行口方式对时，比脉冲对时方式复杂。受接收过程中信息处理时间的影响，对时精度差。如果要提高对时精度，还需要再给出对时脉冲信号。
（2）、IRIG-B 码串行输出
IRIG-B是美国最先采用的一种国际时间码标准。目前电力系统中的许多进口装置均使用 IRIG-B 时间码获取时间信息，因此 IRIG-B 码制串行输出也应作为 GPS 同步时钟输出的一种可选形式。
IRIG-B 信号有 TTL 直流电平码和 1kHZ 正弦波调制码两种形式。每一码脉冲的宽度是10ms，通过改变直流电平占空比或变化 1kHZ 调制信号的幅值来表示逻辑“1”与“0”及标识符(帧起始符，相邻秒、分、小时、日期、数据的分隔符)。起始位的上升沿即为同步时刻。IRIG-B TTL 直流电平码的分辨率为 10ms，不加调制解调，使用方便，但只适于近距离传输。1kHZ 正弦波调制码的分辨率为 1ms，适合远
距离传输，这种正弦波调制码一般通过音频传输线路来传输数据。所以本文认为，在装置硬件资源丰富的前提下可以考虑两种方案同时结合使用，即是将脉冲校时和串口校时结合起来的综合校时方案。
1、时钟同步系统硬件电路设计
1.1 设计概要
本课题所设计的 GPS 时钟同步系统核心电路采用了单片机+CPLD 相结合体系结构来完成，这种结构方式有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以 CPLD 为控制核心的系统的缺点，并且把二者的长处最大限度地发挥出来。在基于该体系结构的系统中，单片机担当控制的核心，而在 CPLD 中实现高速采集和单片机 I/O 端口扩展的作用，产生系统所需的各种数据和控制信号，从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分离元件，大大简化硬件连线，提高可靠性。另外，系统中的纯数字电路，如计数、分频和一些基本逻辑功能都可以在CPLD 中集成设计。结合二者的长处，基于单片机+CPLD 体系结构的时钟同步系统具备软硬件现场可编程、可靠性高、功耗低、保密性高、体积重量小等优点，设计分为硬件电路和软件设计。本章主要针对硬件电路设计进行阐述。
1.1.1 系统设计思路
系统（如图 1.1 所示）主要由 GPS 授时装置、主控制器、时间记录器和外围电路构成。GPS 授时装置每秒输出一个秒脉冲，与 UTC 标准时之间的误差较小，高精度授时型 GPS 模块输出秒脉冲的精度可以达到 10ns 以下。晶振作为计时时钟，其短时精度非常高。可以
利用晶振无随机误差和 GPS 秒脉冲无累计误差的特点来设计本系统。当瞬态信号到来时，时间记录器负责精确测量 GPS 脉冲信号的上升沿到的瞬态信号的上升沿之间的时差，采用合适的计数方法可以提高测量精度。主控制器检测到瞬态信号到来后，会将测量数据读入并与已经解码的 GPS 秒级时间信息相整合，并根据基站 ID 对数据进行打包，然后将打包后数据存入存储器内，即使掉电数据也不会丢失。试验结束后，外部设备可以通过接口将数据读出，也可以通过这接口向时间测量系统传送测试命令，对系统进行设置等操作。
图 1-1 系统硬件框图
1.1.2 改进的时间值测量方法
在时钟同步系统中，频率基准的性能直接影响到整个系统的同步精度，而晶振的性能直接影响到测量精度和同步精度的好坏，本系统中采用的是 50MHz 的高精度晶体振荡器，但是正如第二章中对晶振的分析中提到的，其输出的频率或相位都有明显的随机起伏，而且存
在着频率的线性漂移，造成较大的累计误差。又由于不同的晶振，其频率基准也存在相对误差，所以必须对系统的晶振频率基准进行修正。
由于晶振的时钟频率存在一定的偏差和漂移，如果直接用晶振的输出时钟测量测时脉冲与秒脉冲之间的时间间隔，则很难达到很高的测时精度。由于在短时间(1 秒左右)内晶振的环境温度和工作电压一般波动很小，所以晶振的短时(1 秒)稳定度要远优于整体精度，通常晶振的整体精度是短时稳定度的二十倍以上，一般来说总体精度1ppm 的晶振短时稳定度一般可以达到 0.05ppm 以下。基于这一特点，我们提出一种改进的时间值测量方法，该方法克服了晶振的固定偏差和累积漂移对标准时测量精度的影响，只要晶振的短时稳定度较高，就可以达到很高的测量精度。
该时间值测量方法不是直接用晶振的输出时钟测量测时脉冲与
秒脉冲之间的时间间隔，而是用晶振的输出时钟同时测量测时脉冲与秒脉冲之间的时间间隔和相邻两个秒脉冲之间的时间间隔，利用这两个时间间隔的相对比值测量时间值。
图 1-2 改进的时间值测量方法
改进的时间值测量方法如图 3.2 所示。CPLD 内部有一计数器，以高精度晶振的上升沿计数。假设图二所示的两个秒脉冲（上升沿有效）到达时刻计数器的计数值分别为1N 和2N ，测时脉冲（上升沿有
效）到达时刻计数器的计数值为 M ，晶振的时钟周期为T 。第一个秒脉冲与第二个秒脉冲之间的时间间隔为s 1t p =，第二个秒脉冲与测时脉冲之间的时间间隔就是待测的秒以下的时间，记为m t 。
T N M t 2m ?-=）（ （1.1）
通常的时间值测量方法，即利用外部瞬态信号与第二个秒脉冲的计数值之差乘以晶振时钟周期计算时间m t ，如式（1.1）所示。改进的时间值测量方法按式（1.2）所示计算时间，m t 与T 无关，从而避免了晶振的固定偏差和累积漂移产生的误差。
p 1
22m t N N N M t ?--= （1.2） 1.2 硬件设计
从前面的设计概要中我们可以了解到，本系统主要有由 CPLD 构成的时间值记录器、AVR 单片机构成的控制处理器、GPS 授时装置及其外围电路等组成。
1.2.1 主控制器 ATmega16L
微控制器是整个系统的核心单元，主要完成对 GPS 信息接收、时间值数据的处理以及与外设备的信息交换。因此，对微处理器的选择既要考虑其运算速度、运算能力以及数据存储空间，又要考虑 IO
口的驱动能力以及片内程序空间的容量。为此，本文设计的系统选择了 ATMEL 公司开发的一种低功耗、低电压、高新能的 8 位 AVR 处理器ATmega8。ATmega16L 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微处理器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16L 的数据吞吐率高达16MIPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16L 具有很丰富的资源，16K 的 FLASH 程序空间，无论是在功能上还是在处理速度性能都满足要求。
图 1-3 单片机电路原理图
因此，ATmega16L 的高速、高性能，丰富的外设资源非常适合本设计的要求，大部分数字电路都可以通过该单片机进行控制。图 1-3 是根据要求设计的单片机工作电路。在设计中，单片机的大部分引脚均直接与 CPLD 相连，接收其数据和反馈信号，并对其进行控制。其
中 0 号串行 USART 连接 RS-232 芯片以便与外设通信，1 号串行USART的 RXD1 用于控制、接收 GPS OEM 板提供的时间同步时信息。另连接有 4 个发光二极管 DS1～DS4 和一个外部双端插口 J2 用于调试。单片机在工作之前有个复位的过程，一般的复位只需要 5ms 的时间，只要在单片机的 RESET 引脚上加上高电平就可进行复位，为了达到这个要求，在外部设计复位电路并采用专用复位芯片。该芯片的驱动时钟由 CPLD分频后经 XTAL1 管脚输入。
1.2.2 时间值记录器 CPLD
本系统中的时间值记录器采用 CPLD 器件作为核心处理电路，用单片机进行控制，能较好地减少外界干扰，并大幅度提高时间分辨率。
CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件，是从 PAL 和GAL 器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。CPLD 是阵列型高密度 PLD 器件，它们大多数采用了 CMOS EPROM/E2PROM 和快闪存储器等编程技术，因而具有具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。目前主要的半导体器件公司，如 Altera、Xilinx、Lattice 和 AMD 公司等，在各自生产的高密度 PLD 产品中，都具有
自己的特点，但总体结构大致是相同的。大多数 CPLD 器件中至少包含了三种结构：可编程逻辑单元、可编程 I/O 单元和可编程内部连线。CPLD 内部电路尺寸很小，互连线短，分布电容小，且芯片内部受外界的干扰很小。此外，由于 CPLD 内部采用固定长度的金属线进行各种逻辑块的互连，因此其设计的电路具有时间可预测性，从而避免了 FPGA 器件分段式互连结构造成的时序不可完全预测的缺点，这对要求严格同步的测试系统是十分重要的。
依据本系统的设计要求及规模考虑，系统选择选用 Altera 公司MAXⅡ系列的EPM570 型 CPLD 芯片，Altera 推出的 MAX II 器件系列 CPLD 架构具有突破性，它是所有已知 CPLD 芯片中各 I/O 管脚都实现了最小功耗。该芯片核心电压 3.3V，100 脚TQFP 封装。该型芯片包含 570 个逻辑单元，等效宏单元 440 个，80 个可用的 I/O 引脚，引脚时延 5.5ns，芯片最高工作频率可到 200MHz。图 1-4 是根据要求设计的 CPLD 外部工作电路。
图 1-4 CPLD 电路原理图
本系统中，时间值记录器处于模块的中心位置，瞬态信号和 GPS 脉冲信号均输入其内部，由其完成同步测试数据的精密测量和寄存，并与微处理器交换数据和控制信号。此外，还可通过 JTAG 接口向芯片烧入通过编译的逻辑电路程序。
1.2.4 其他外围电路
（1）、电源电路
先分析系统对电源的要求。由于测试系统需要在野外工作，故使用电瓶供电，电瓶电压为12V左右。输入电压由3种：CPLD芯片EPM570的内核电压和单片机ATmega16L所需的电压为 3.3V、GPS 模块
M12MT 需要供电电压 3V 以及 GPS 天线需要 5V 供电电压。
本课题采用 LM2576先将 12V 转为 5V，而 3.3V 和 3V 供电电压由 5V 作为输入，这样大大降低了功耗。系统电源部分电路如图
1-5所示，由 LM2576 构成的基本稳压电路仅需四个外围器件。LM2576 最大输出电流为 3A，完全可以满足系统的需要。它的输出电压也较为稳定，在输出端再加上 1000 F 的大电容，可以保证输出电流有较大变化时不会使输出电压发生大幅度波动。这里需要注意的是，为了更好的保护系统，火线和地线都串入保险，并增加二极管 D201 防止电源加反烧坏电路。
CPLD 和单片机芯片输入电压要求 3.3V，所以采用使用比较广泛的 LM1117，将 5V转为 3.3V。整个系统 I/O 口的工作电平为 3.3V。GPS 模块采用线性的 DC-DC 芯片LDI117-3.0，它能为 GPS 提供一个较稳定的 3V 电压。由于采用 5V 作为其输入，降低了功耗，也降
北斗+GPS光纤拉远授时系统
GPS/北斗光纤拉远授时系统有效解决TD-SCDMA基站选址难题 中国移动建设运营的第三代移动通信TD-SCDMA-SCDMA网络是严格要求同步的 TD-SCDMAD系统，目前基站的时间同步由单一GPS授时系统实现。传统GPS授时系统， 由于拉远距离、工程施工和抗干扰能力等受限因素，限制了TD-SCDMA系统采用BBU+RRU 光纤拉远分布式基站的优势发挥，在TD-SCDMA站址选择日益困难的现状下，进一步加剧 基站选址的难度，已经成为TD-SCDMA站址选址的瓶颈。 在TD-SCDMA网络工程建设中，TD-SCDMA站址选择成为基站建设的重点问题，需主 要克服以下几点：首先，GPS天线与基站BBU侧的接收机通过射频馈线连接，射频馈线较 粗而且韧性差不易弯曲，其工程施工的难度限制了BBU与天面的拉远距离，极大地降低了BBU机房选址的灵活性；其次，射频馈线的信号衰减性限制了GPS射频信号的传输距离，拉远距离为百米之外就需要增加线路补偿放大器，加装放大器既增加了故障维护点又加大了施工难度，进一步加大新增站址的BBU机房选址灵活性；另外，GPS卫星系统属于美国军方，将使TD-SCDMA系统的正常运行受制于人，非常情况下，卫星系统一旦关闭或受干扰，TD-SCDMA系统将工作紊乱和瘫痪，整网安全存在很大隐患。 在TD-SCDMA网络建设过程中，GPS授时系统的替代解决方案一直是中国移动研究的 课题之一，大唐移动与中国移动持续加强创新合作，面对网络工程建设中的实际问题，推出了GPS/北斗双模一体化光纤拉远授时系统解决方案。该方案采用GPS/北斗双模一体化设计，相比传统GPS授时系统在拉远距离、工程实施、抗干扰能力、美化天面外观、安装维护便 捷性等方面有明显的优势，可实现TD-SCDMA系统天线和GPS/北斗天线的共抱杆安装，给GPS/北斗天线布放及基站选址提供了极大的灵活性，有效解决了网络建设中的基站选址难题，满足运营商快速建网的需求。 GPS/北斗光纤拉远授时系统解决工程施工难题 针对传统GPS单一授时系统普遍存在的传输距离受限、施工困难、易受干扰及安全隐 患的问题，为适应更广泛的布站场景，本方案采用GPS/北斗双模一体化设计，并且采用光 纤拉远的方法有效解决工程施工中传输距离受限和施工困难的难题。一体化GPS/北斗光纤 拉远授时系统方案，就是在天面部分将GPS/北斗天线与接收机进行一体化设计，接收机输 出的PPS与TOD信息通过光纤拉远的方法传输给基站机房内的BBU，BBU时钟恢复模块恢复PPS和TOD信息，并且传送到BBU需要同步的模块。基站设计不再需要考虑接收机的类型（GPS/北斗）、型号、厂家、尺寸等一系列问题，只需要基站和拉远接收机有相同的标 准接口和时间传输机制（如图1所示）。
GPS自动授时数码管显示程序
#include "reg52.h" #define LEDPORT P0 sbit D1=P3^4; sbit D2=P3^5; sbit D3=P3^6; sbit D4=P3^7; sbit LED=P2^5; sbit CLK=P2^1; sbit IO=P2^2; sbit RST=P2^3; sbit ACC0=ACC^0; sbit ACC7=ACC^7; unsigned char flash; unsigned char dp=0xff; bit rev_start,rev_stop; unsigned char code tab[]={0xA0,0xBE,0x64,0x2C,0x3A,0x29,0x21,0xBC,0x20,0x28,0xff};//数码管码表 unsigned char buf[80]; //请把GPS那货发来的数据放到我的肚子里 void TimerInit() { TMOD=0x21; TH0 = 0xF1; //4ms左右 TL0 = 0x9A; EA=1; ET0=1; TR0=1; SCON = 0x50; //使用串行工作方式1，10位异步收发8位数据，波特率可变（由T1的溢出率控制） TH1 = 0xFD; //9600波特率的初值 TL1 = TH1; //9600波特率的初值 ES = 1; TR1 = 1; } void inputbyte(unsigned char ucDa) { unsigned char i; ACC = ucDa;
for(i=8; i>0; i--) { IO = ACC0; //相当于汇编中的RRC CLK = 1; CLK = 0; ACC = ACC >> 1; } } unsigned char outputbyte(void) { unsigned char i; for(i=8; i>0; i--) { ACC = ACC >>1; //相当于汇编中的RRC ACC7 = IO; CLK = 1; CLK = 0; } return(ACC); } /******************************************************************** * * 名称: v_W1302 * 说明: 先写地址，后写命令/数据 * 功能: 往DS1302写入数据 * 调用: v_RTinputbyte() * 输入: ucAddr: DS1302地址, ucDa: 要写的数据 * 返回值: 无 ***********************************************************************/ void write(unsigned char ucAddr, unsigned char ucDa) { RST = 0; CLK = 0; RST = 1; inputbyte(ucAddr); //地址，命令 inputbyte(ucDa); //写1Byte数据 CLK = 1; RST =0; } /******************************************************************** * * 名称: uc_R1302
浅议基站IP网络授时系统
浅议基站IP网络授时系统 摘要：随着IP（Internet Protocol）网络的发展，大部分通信网络都实现了IP传输，但由于IP网络是异步网络，IP 网络中的设备无法通过物理链路获取时钟，因此需要为网络设备提供一种新的获取时钟的同步方式。 关键字：授时系统 前言：IP 网络同步主要应用于无线基站的同步，包括WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）中NodeB/AP（Access Preamble）基站设备的频率同步；GSM（Global System for Mobile communications）中BTS（Base Transceiver Station）基站设备的频率同步，CDMA2000、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）和WiMAX中us级别的高精度时间同步。为满足业务设备的高精度时间和时钟同步需求，本文以SYNLOCK T6020设备为例，分析授时系统在不同组网环境（不同的传送网、不同的网络规模）下，高精度时间和时钟同步系统的应用。 1.系统结构 SYNLOCK T6020 主要由频率同步模块、分频鉴相模块、时间恢复模块、锁相模块、1588 处理模块、接口转换模块、CPU 模块、GPS（Global Positioning System）/PPS 时间同步接口、FE/GE 接口、维护接口等组成。 接口转换模块将GE数据转换成FE数据，提供给CPU处理；同时将非1588信息和1588的general信息提供给CPU处理，并发送CPU的网络协议。 维护接口模块通过维护串口和维护网口，主用板将设备链接到集中维护终端。 2.同步定时接口 1）卫星接口 SYNLOCK T6020 提供GPS卫星接口。设备的GPS 接口是1.5G的射频接口，而卫星卡和设备单板的接口是TTL（Transistor-Transistor Logic）的PPS与TTL串口，单板通过这些串口信息可计算出时间和位置信息。 在观测到三颗卫星的情况下，可以得到三个方程组，求解出接收站的三维位置信息。如果观测到四颗以上的卫星，则可以计算出本地时间。 2）1588 接口 IEEE 1588（PTP）的基本功能是使分布式网络内设备的时间与服务器精确
北斗卫星时间同步系统的重要性
北斗卫星时间同步系统的重要性 概述 电脑时间走时不准时常有的事，不准确的电脑时钟对时网络结构以及其中的应用程序的安全性会产生较大的影响，尤其是那些对没有实现网络同步而导致的问题比较敏感的网络质量或应用程序。 要得到最佳的网络表现，就得向系统提供标准的时间信息，这时可以选用北斗卫星时间同步系统来实现时间统一，千万不要等到出了问题才认识到时间同步的重要性。如果没有时间同步，网络指令是没法正常运行的，时间同步直接影响网络指令的领域有：记录文件安全、审核和监控、网络错误检查和复原、文件时间戳目录服务、文件及指令存取安全与确认、分散式计算、预设操作、真实世界世界值等等。 北斗授时 北斗授时是通信网络安全组网的根本保证就同步网而言，我国的频率同步网采用的是多基准混合同步方式，即全网部署多个1级基准时钟设备，并且需配置高性能的卫星授时接收机，以保证全网的定时性能。我国的时间同步网则采用分布式组网方式，即在每个时间同步设备上均需配置高性能的卫星授时接收机，以保证全网的时间精度。 就移动通信网络而言，CDMA基站、CDMA2000基站、TD-SCDMA基站等均需要高精度的时间同步，目前是在每个基站上配置GPS授时模块。如果基站与基站之间的时间同步不能达到一定要求，将可能导致在选择器中发生指令不匹配，从而导致通话连接不能正常建立，影响无线业务的接续质量。 北斗授时性能可以满足通信网络的需求，基于北斗/GPS双模的授时设备最早在2003年进入通信领域，在2008年之前主要提供频率同步服务，此后可同时提供时间同步和频率同步服务。根据近十年的多次测试情况，可以看出北斗设备在正常情况下可以满足通信网中对频率同步和时间同步的要求，尤其是2008年以后生产的北斗设备其性能普遍达到了GPS卫星接收机设备的水平，完全可以满足通信网中各种通信设备对频率同步和时间同步的需求。 北斗卫星同步时间的意义 利用北斗卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超短波传播时号不
基于ARM的GPS同步授时系统设计.
基于ARM的GPS同步授时系统设计 摘要：基于国际航海标准NMEA-0183为数据协议，以保证电力系统精准授时为目的，通过ARM微控制器STM32f103rbt6和高精度GPS接收模块NEO-5Q为核心控制数据采集和传输，实现了GPS同步授时的设计方案。系统采用GPS接收模块接收卫星发送的标准数据串，通过微控制器对GPIRMC最小定位信息中的时间数据进行筛选和处理，最后经上位机授时软件对本地计算机进行成功校时，保证了系统的可行性。 关键词：NMEA-0183；Codex-M3；STM32f103；CPS 时间同步在工业应用中是十分重要的基础工作，特别是对时间要求较高的电力系统。近年来，电力系统大多采用不同厂家的计算机监控系统、谐波分析系统、故障录波装置、微机保护、电能质量计费系统等，时间数据大多是设备提供自己独立的时钟，而时钟因产品质量差异，在对时精度上都会有一定的偏差，从而使整个系统不能在统一的时间基础上进行数据的分析和比较，给事故后采取正确的故障分析判断带来很大的困难。 由于电力系统传统的时间同步方法只能保证全系统时钟误差在毫秒级，很难达到目前要求的精度。GPS同步授时系统具有授时精度高、范围广、可靠性高全天候且又不受各种干扰影响的特点，因此，采用GPS同步授时系统比采用传统的时钟设备有着明显的优势，并且可广泛应用于对时统精度较高的行业中。 1 GPS同步授时系统原理 如图1所示，整个系统以Cortex-M3为内核的ARM微处理器 STM32f103rbt6为核心，并采用瑞士U-Blox公司NEO-5Q GPS数据接收模块接收卫星数据，微处理器从卫星数据中提取标准UTC时间码同时将其转换成标准北京时间码传输给本地计算机，最后由上位机授时软件对本地计算机进行校时，完成授时过程。 1．1 ARM微处理器STM32f103rbt6 STM32f103rbt6是意法半导体公司一款基于Conex-M3内核的32位微控制器，它主要应用于智能仪表、变频器、工控网络、高端家电和操作界面等领域。STM32f103系列微控制器开发简单，有丰富的语句代码库，与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35％且代码最多可省45％。综合考虑选用了此款微控制器为本系统的核心。 该微控制器特点如下： 1)Cortex-M3内核、哈佛总线结构(可达90 DMIPS)； 2)20 K字节的SRAM，128 K字节的Flash；主频72 MHz，可在系统编程； 3)带唤醒功能的低功耗模式、内部RC振荡器、内置复位电路； 4)在待机模式下，典型的耗电值仅为2μA，非常适合电池供电的应
GPS卫星授时器常用的同步方式
GPS卫星授时器常用的同步方式 关键词：卫星授时,GPS卫星授时器 卫星授时是通过导航卫星来进行发播或转播标准时间信号的授 时手段。凭借授时成本低，精度高，实现简单等特点获得广泛的应用。目前常用导航卫星有中国的北斗导航系统和美国的GPS。卫星授时与定位是结合在一起的，一般用户在获得自身精确定位基础上即可实现精确授时。 GPS卫星授时器一般由天线、射频单元、信号处理单元、数据处理单元和输出接口单元组成。 目前GPS卫星授时器有多种时间同步接口标准实现时间的传递。对于广域分布式网络而言，采用卫星授时接收机得到标准时间后，需要将这个时间发布给系统的每个部分。 常用的时间同步接口有时间编码，典型的时间码如IRIG-B码，有直流码和交流码之分。交流码（AC）信号是进行了调制，传输距离较远。在短距离内也常用到时间报文接口，通过RS232串口传递时间。光纤优于不受电磁干扰，目前也成为常用的时间传递手段。 NTP网络时间同步采用网络协议来实现计算机的时间同步，目前得到越来越广泛的应用。通过网络上确定若干网点作为时钟源网站，以此来为实现与UTC时间的同步，为用户提供统一、标准的时间传递服务。互联网上时间同步的复杂性，这一点在NTP时间协议设计的最开始就考虑到了，做了专门的处理。因此目前在实际应用当中当时钟源有效的情况下可以实现时间的校正跟踪，假如发生网络故障的情况
下也依然能维持时间的稳定。保证网络在一定时间内保持精准的时间同步，因此采用基于UDP/IP的层次式时间分布模型的NTP机制可满足不同的互联网环境。推荐的相关gps卫星授时器型号为SYN2151型。 随着对时间同步精度要求的提高，ntp网络授时ms级别精度在许多对同步精度要求更高的领域已经无法满足需求。这种情况IEEE 1588 PTP受到许多用户的关注，PTP的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”。以SYN2411型IEEE1588主时钟为例，ptp授时精度高，可达到ns级别但是必须有硬件电路支持才可以使用需要主从搭配。ptp协议里面有两种对时方式，一种是mac方式，一种是udp模式，精度是一样的，常用的是udp模式。 时间报文是指由授时设备在接收到基准时间源后对时间信息进 行提取校正并按照一定格式输出的时间信息。例如SYN2306C型GPS 北斗授时导航接收机，时间报文一般与秒脉冲结合在一起使用，其授时原理如图所示，一般报文信息在秒脉冲脉冲后某一个时间间隔内输出，报文消息中包含了秒脉冲对应的时刻，秒脉冲的上升时间一般小于5ns，利用秒脉冲精度的上升沿可提供数ns级的授时精度。 目前时间报文中NEMA协议应用最为广泛，NEMA协议中与时间有关的命令主要有GGA、GLL、RMC等命令。 本文章版权归西安同步所有，尊重原创，严禁洗稿，未经授权，
NTP网络授时同步服务器
北京中新创科技有限公司研制开发的网络时间服务器DNTS-3是一种小型的、可独立工作的基于NTP/SNTP协议的时间服务器，DNTS-3从GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息，将这些信息在网络中传输，网络中需要时间信号的设备如计算机，控制器等设备就可以与标准时钟信号同步。标准的时钟信息通过TCP/IP网络传输，DNTS-3支持多种流行的时间发布协议，如NTP,time/UDP,还可支持可设置的UDP端口的中新创科定义的时间广播数据包。NTP和time/UDP的端口号分别固定于RFC-123和RFC-37指定的123和37。 DNTS-3使用非常简单，只需将GPS卫星接收天线输出接于DNTS-3的天线输入BNC口上，DNTS-3的网络口接于HUB上，整个网络就能时间同步了。 DNTS-3含内置接收机，只需将天线装置在无遮挡的户外，最佳的安装位置是楼顶；如需装在建筑物的外墙上请尽可能远离墙壁，以保证卫星信号的准确接收。 DNTS-3接收天线有10米，15米，30米户外接收天线和5米吸顶天线可供用户根据实际情况选择，中新创科可提供墙装支架。 DNTS-3采用19英寸标准机箱，1U高度，220V交流电源或-48V电源可选。 详细参数 支持协议 ARP,IP,UDP,ICMP,SNMP,TCP,TFTP,NTP/SNTP,time/UDP 网络口 10Base-T 1个RJ45座 串行口 DB9(male) RS-232/RS-422 接收机内置GPS接收机，内置晶体时钟 安装 19英寸,1U，带液晶时间显示面板 串行波特率 9600,8,O,1,NMEA0183输出 校时精度 1～10毫秒(依赖于网络负载) 协议兼容性以太网V2.0/IEEE 802.3,令牌环网802.2LLC 输入电源 220V,约300mA 使用环境 0℃ to +50℃ 质保 3年
北斗卫星导航系统定位原理及应用
xxxx导航系统定位原理及其应用 北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。美国的GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。。 北斗一号导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。四颗导航定位卫星的发射时间分别为： 2000年10月31日； 2000年12月21日； 2003年5月25日， 2007年4月14日，第三、四颗是备用卫星。2008年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面，和已有的GPS卫星定位系统一起，发挥?双保险?作用。北斗一号卫星定位系统的英文简称为BD，在ITU（国际电信联合会）登记的无线电频段为L波段（发射）和S波段（接收）。北斗二代卫星定位系统的英文为Compass（即指南针），在ITU登记的无线电频段为L波段。北斗一号系统的基本功能包括： 定位、通信（短消息）和授时。北斗二代系统的功能与GPS相同，即定位与授时。 其工作原理如下： ?北斗一号?卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标
北斗授时
1.北斗授时工作机理 在现代卫星导航系统中，为了保证系统中各个钟的精确同步，需要一个准确、稳定和可靠的时间参考，这通常是以系统中的部分钟或全部的钟为基础。利用统计平均的方法建立一个系统时间来实现。星上通常以原子钟为参考钟。 系统时间与UTC之间协调方法，需要考虑国际标准时间到系统时间传递的各个环节，是提高授时准确度中的最重要一环。 系统钟的同步方法，主要涉及到系统中各个钟的精确数据的收集方法和控制方法，要研究相对论效应对星载钟同步的影响，比对测量和钟驾驭方法的研究是时钟同步的基础。 系统授时方法，包括卫星电文中的与时间有关的信息的制定与产生，用户终端定时技术涉及到接收、比对及控制技术等。 对用户来说，北斗的授时精度主要由授时模块来提供，通常20ns，由秒脉冲同步来保证。 2.为何要时间同步 对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要、而且也是最关键的国家基础设施之一。现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。为了提高民用定位定时的性能和可靠性、安全
性，利用这些卫星系统建立广域增强系统（Waas）美国、日本、欧洲和俄罗斯也在计划或研制之中。 这些系统导航定位的基本概念都是以精度时间测量为基础的。正如有人所指出的那样，我们人类生活在余割四维的世界（x、y、z、t）其中一维就是时间，而另外三维的精度确定，就今天而言，没有精确的定时也是难以实现的。 单从授时出发，不难理解系统发播时间的精确控制是不可缺少的。而对于导航定位，系统内部钟（星载钟和地面监测和控制台站的钟）的同步就极为关键。没有原子钟的支持，没有钟同步和保持技术的支持，实现星基导航和定位是不可能的。在完成精确时间的传递过程，需要对传播时延作精确修正，而这又需要知道用户的精确地理位置。 从以上分析可以看出，无论在系统概念、技术、装备或管理上，与其他通讯和卫星系统相比，导航定位卫星系统与高精度卫星授时系统有很好的兼容性和互补性，二者是相辅相成的。从资源共享和合理利用出发，先进的卫星系统应该成为一个导航授时一体化的高精度星基四维（x、y、z、t）信息源， GPS、北斗、Glonass和正在研制中的Galileo，无不把其授时功能提到仅次于导航定位的重要地位。以便满足个行各业对精度时间和频率日益增长的需求。 一般的电子设备晶振的精度为6~12ppm，亦即每秒有约9微秒（平均）的误差，1小时累积约32毫秒误差，1天累积约0.8秒误差，一个月累积约23秒误差，1年累积约280秒误差。可见日常工
GPS授时系统
GPS授时系统设计 摘要：使用GPS25一LVS OEM板(接收机)接收卫星信号，通过串口异步通信把数据传送给89C51单片机，单片机通过并口控制LED显示，从而实现GPS准确授时．同时，介绍了GPSOEM板输出的数据形式，并采用NMEA_0183格式中最常用的“$GPGGA”格式输出，由“$G —PGGA”数据输出格式可编写出相关的接收程序． 关键词：GPS授时；0EM板；秒脉冲 0 引言 时间信号的准确与否，直接关系到人们的日常生活、工业生产和社会发展．人们对时间精度的要求也越来越高．天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间(世界时)精度只能达到9 10-．因此“原子钟”广 10-，“原子钟”精度可达12 泛运用到精密测量和日常生活、生产领域．GPS接收机授时系统是利用接收机接收卫星上的“原子钟”时间信号，然后把数据传输给单片机进行处理并显示出时间，由此可制作出GPS精密时钟．目前已有专门用于授时的授时型接收机，可以提供ns级的精确时间，但由于其价格昂贵，多数用户难以接受，因此无法普及．本文采用具有定时功能的GPS 0EM板的串口输出的协调世界时进行授时，可提供经济、实用、准确的公众时间，避免了因时钟不准确给生活、生产带来的不便．． 0.1 GPS系统简介
1973年12 月，美国国防部组织陆海空三军联合研制新一代的卫星导航系统：“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称 GPS。原系美国国防部军事系统中的一个组成部分，现已广泛应用于航海、航天、测量、通信、导航、智能交通等诸多领域。它是新一代精密卫星定位系统，是现代科学技术迅速发展的结晶。 GPS 是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可连续、实时地为无限多用户提供。由于 GPS 定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而己成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。这个系统向全球范围内的用户提供高精度的三维位置和精密时间信息。 0.2 GPS系统的组成 GPS 系统主要由 3 大部分组成，即空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分（图 0-1）。 图 0-1 GPS 系统的组成 （1）、空间星座部分
北斗卫星导航系统常识简介
北斗卫星导航系统常识 简介 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-
北斗卫星导航系统常识简介一、北斗卫星导航系统现状 中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星（又称24小时轨道，指轨道平面与赤道平面重合，卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期，且方向亦与之一致，即卫星与地面的位置相对保持不变，故这种轨道又称为静止卫星轨道。一般用作通讯、气象等方面）和30颗非静止轨道卫星组成，2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，截止2016年10月已成功发射16颗北斗导航卫星。 2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。北斗
北斗授时介绍
卫星授时介绍 1 概述 1.1 北斗系统介绍 “BD一号”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位通信系统，又称：“双星定位”系统或“BD一号”系统。主要是利用两颗地球同步卫星来测量地球表面和空中的各种用户的位置，并同时兼有双向报文通信和定时授时的功能。该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频技术为一体，是一种全天候的覆盖我国及周边国家和地区的区域性卫星导航、定位、通信系统。随着2003年5月25日“BD一号”系统的第3颗卫星成功发射升空，将进一步完善“BD一号”系统工作的稳定性和可靠性。 “BD一号”系统主要由一个地面中心站、两颗地球同步卫星（目前3颗）、若干个专用测轨站和标校站，以及成千上万个各类用户机等部分组成。用户机是“BD一号”卫星导航定位通信系统的应用终端，可以应用于各种不同的载体之中。按应用的载体不同，用户机可以分为：手持（单兵携带）型、车载型、舰载型、机载型和弹载型等；按用途不同又分为指挥型、定位型、授时型、信息接收型和组合功能型等。与GPS、GLONASS卫星导航定位系统相比，具有我国自主知识产权的“BD一号”系统在国防军事领域的部队作战、训练、科研、武器装备等方面，在公安、武警和民用交通运输、地质、科考、探险、地形测绘等领域中将具有更加广泛和深入的应用前景，该系统的建立和应用不仅会对我国国防现代化建设和国民经济建设作出重大的贡献，而且对国民经济的发展也会带来巨大的社会经济效益。 1.2 工作原理概述 “BD一号”系统的工作原理是“三球交会测量原理”，即: 以位置已知的两颗地球同步卫星为两个球心，以它们分别到用户的距离（要完成的测量量）为半径可以作两个球面；以地球的球心为中心，以地球的半径加上用户的高程为半径作出第三个球面，三个球面的交会点排除其镜象点即为用户的位置。 “BD一号”系统的定位工作过程是: 首先由地面中心站向两颗地球同步卫星发送确定格式的询问信号，两颗地球同步卫星将询问信号广播转发给服务区域内的各种用户机。当用户机接收到一颗地球同步卫星转发的信号以后，自动搜索、捕获和稳定跟踪
gps授时系统的应用
gps授时系统的应用 将局域网上各种需要同步时钟的设备的时间信息基于GPS时间 偏差限定在足够小的范围内，这种时钟系统便就叫做GPS授时系统。有源同步和无源同步 任何时间应用系统都应该具有维持时间增长和缩减，该应用系统的用户获取时间的事实上已经成为世界上大多数时间应用系统的基 本唯一途径就是访问系统的时间保持体系该时间保时间标准，用户计算机内部的时间同步必须与有源实践同步，即必须引访问系统时间保持体系的过程就是用户将自己的时入GPS的时间信号才显得有绝对的意义，在这里，我钟与内部时间基准同步的过程。由于该系统的内部们将计算机网络中能够起到维持时间增长、保持时间时间基 准与外部时间没有关联，同步过程仅限于内稳定的体系称之为时间服务器部。所以，我们可称之为无源同步或相对同步。 世界协调时与国际原子时保持一致，国际时间管理局将分布在世界25个国家的10多个原子时标经过加权平均以后得到的时间，并且，世界所有官方的标准时间系统都遵从UTC的跳秒。 UTC时间被称为绝对标准时间，用于研究时，同时也被称为自然的物理时间。GPS信号中的高精密时间信号主要由每颗卫星上装载的两个艳原子钟和两个铆原子钟来维持，并且通过地面控制站与UTC保持同步。GPS的时间信号事实上已经成为世界上大多数时间应用系统的基本时间标准，所以研究计算机网络的时间同步必须研究有源同步，即必须引入GPS的时间信号才显得有绝对的意义，在这里，我们
将计算机网络中能够起到维持时间增长、保持时间稳定的体系称之为GPS授时系统。 时间传递方法 从GPS到时间服务器的传递 从GPS将PTS信号通过计算机网络时间服务器传递到网络时间客户单元必须经过两个步骤:即先从GPS到时间服务器的直接时间传递,和从时间服务器到时间客户单元的网络协议传递。 直接时间传递技术主要包括3种类型6种方式第1种类型是编码型,主要有串行口RS232C时间编码和IRIG一B时统编码两种方式。 其共同特征是将年月日时分秒毫秒等时间信息以二进制、BCD或者ASCll编码方式定义到被传递的电平位和字节中去通常以异步方式传递,连接使用标准接口,使用相对方便简洁。 第2种类型是脉冲型,主要有1pps，lppm，lpph种方式,它们都是周期脉冲定时信号,这些脉冲信号都有着固定的上升沿宽度和脉冲宽度要求,并且其上升沿都严格与UTC保持优于lus的同步准确度。 第3种类型是频率参考信号,往往是一种伴生调制信号。 gps授时系统产品 GPS授时系统在先有的时钟服务器的基础上，又大幅度提高授时系统的各项性能指标，使得减少故障率及提高工作效率。基本上完全可以和国外先进的GPS授时系统相媲美。 GPS授时系统接收GPS卫星和北斗卫星授时时间信号，将标准UTC 时间信息通过网络传输，为网络设备提供精确、标准、安全、可靠和
《“北斗卫星导航系统”》阅读练习及答案
阅读下面的文字，完成各题。 材料一： 材料二： 2005年，当时正在建设的北斗二号系统的“原子钟”突遇问题。 原子钟就如同一块“手表”，为卫星导航用户提供精确的时间信息服务。事实上，高精度的时间基准技术是卫星导航系统最核心的技术， 直接决定着系统导航定位精度，对整个工程成败起着决定性作用，其重要性如同人的心脏。 当时还想引进，但人家就不给你。因为这是个高精度的东西，他 们要对我们进行技术控制。没有原子钟，这个系统基本上就是空中楼阁。 国外的技术封锁，坚定了科研人员自力更生的信念。大家有了一 个共识，核心关键技术必须要自已突破，不能受制于人。当时北斗人 有一句话，“六七十年代有原子弹，我们北斗人一定要有我们自己的原子钟”。 他们成立了三支队伍同时开展研发，并在基础理论、材料、工程 等领域同步推进。就这样，仅仅用了两年的时间，科研团队就攻克了
原子钟这个最大技术屏障。不仅如此，现在用在北斗三号上的原子钟，已提升到每300万年才会出现1秒误差的精度，完全满足了我国的定位精度要求。 （摘编自“央视网”）材料三： 2018年7月29日9时48分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火费，以“一箭双星”的方式成功发射第33、34颗北斗导航卫星。 这是北斗三号全球组网卫星的第四次发射。两颗卫星均属于中圆 地球轨道卫星，是我国北斗三号系统第9、10颗组网卫星。 根据计划，2018年年底前将建成由18颗北斗三号卫星组成的基本系统，为“一带一路”沿线国家提供服务。从这次发射开始，北斗 卫星组网发射进入前所未有的高密度期。 （摘编自“新华网”）材料四： 据俄罗斯《劳动报》网站2018年8月26日报道，中国已与美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的“格洛纳斯”全球卫星导航系统 展开激烈竞争。今年北斗系统将开始向“一带一路”沿线国家和地区 提供基本导航服务。两年之后，北斗将向全球提供导航服务。 报道认为，中国对太空领先地位的积极争夺令美国等太空强国感 到不安。尽管中国每年对太空项目的60亿美元投入与美国的400亿美元相差甚远，但中国发射的卫星数量却与美国不相上下。此外，中
北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统- 简介 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国独立发 展、自主运行，并与世界其他卫星导航系统兼容互用的全球卫星导航系统。 北斗卫星导航系统既能提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还具备短报文通信、差分服务和完好性服务特色，是中国国家安全、经济和社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施。 北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号两代导航系统。其中北斗一号用于中国及其周边 地区的区域导航系统，北斗二号是类似美国GPS的全球卫星导航系统。[1] 北斗卫星导航系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的中国卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。[2] 三步走 按照“质量、安全、应用、效益”的总要求，坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，北斗卫星导航系统按照“三步走”的发展战略稳步推进。具体如下： 第一步，2000年建成北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。 第二步，建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。 第三步，2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。[3][4] 北斗卫星导航系统- 系统组成
北斗导航卫星应用战略图 北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号的2代系统，由空间段，地面段，用户段三部分 组成。 空间段 空间段包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星。地球静止轨道卫星分别位于东经5 8.75度、80度、110.5度、140度和160度。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗同步 轨道卫星组成。 地面站 地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站等若干个地面站。 主控站主要任务是收集各个监测站段观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。 注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。 监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。 用户段 用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。系统采用卫星无线电测
GPS授时精度
GPS授时系统编辑 GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。 中文名GPS授时系统 外文名GPS time transfer system 设备计算机、保护装置 机组分散控制系统(DCS) 目录 1前言 2简介 1前言 编辑 随着计算机和网络通信技术的飞速发展，火电厂热工自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。 使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一全厂各种系统的时钟，已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内的机组分散控制系统(DCS)、辅助系统可编程控制器(PLC)、厂级监控信息系统(SIS)、电厂管理信息系统(MIS)等的主时钟通过合适的GPS时钟信号接口，得到标准的TOD(年月日时分秒)时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到全厂的时钟同步。 2简介 编辑 一、GPS时钟及输出 1.1 GPS时钟
全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。 GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS 卫星信号就能保证时钟的走时准确性。 作为火电厂的标准时钟，我们对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。 1.2 GPS时钟信号输出 目前，电厂用到的GPS时钟输出信号主要有以下三种类型： 1.2.1 1PPS/1PPM输出 此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。 1.2.2 IRIG-B输出 IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位(P)，见图1.2.2-1。 为便于理解，图1.2.2-2给出了某个IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用BCD码表示，控制功能码(Control Functions，CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用，本例未采用)。 1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485输出 此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，下图为一个用17个字节发送标准时间的实例： 1.3电力自动化系统GPS时钟的应用
利用中国国家授时中心的时间服务器IP地址同步更新Windows系统电脑时间
利用中国国家授时中心的时间服务器IP地址同步更新Windows系统电脑时间 大家都知道计算机电脑的时间是由一块电池供电保持的，而且准确度比较差经常出现走时不准的时候。通过互联网络上发布的一些公用网络时间服务器NTP server，就可以实现自动、定期的同步本机标准时间。依靠Windows系统默认的Windows或NIST等境外的时间服务器同步时间，总存在着访问堵塞、时间延迟大（同步精度低）等因素的影响。现在中国的国家授时中心发布了一个时间服务器地址，大家可以用国人自己的标准时间！ 方法一、采用系统自带的时间同步功能 以Vista操作系统为例（WinXP相同）。 单击系统托盘下方的时间，单击弹出窗口里的“更改日期和时间设置”，弹出“日期和时间”对话框，选择“Internet时间”选项卡，单击“更改设置”按钮，弹出“Internet时间设置”对话框，在服务器地址栏输入国家授时中心服务器的IP地址：210.72.145.44，单击“立即更新”按钮，同步完成后点击“确定”按钮退出，OK。 方法二、修改注册表，提高时间同步精度 由于系统默认的时间同步间隔是7天，我们无法自由选择，使得这个功能在灵活性方面大打折扣。其实，我们也可以通过修改注册表来手动修改它的自动同步间隔以提高同步精度，以下以Vista系统为例（WinXP 相同）。 1. 在“开始”菜单→“运行”项下（或按Win+R）输入“Regedit”进入注册表编辑器。 2. 展开[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\Parameters]分支，双击NtpServer将键值修改为国家授时中心服务器的IP地址：210.72.145.44，然后点击“确定”按钮保存。 （注：若已用过方法一，此步可以省略） 3. 展开 [HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\NtpClient]分支，并双击SpecialPollInterval键值，将对话框中的“基数栏”选择到“十进制”上，输入框中显示的数字正是自动对时的间隔(以秒为单位)，比如默认的604800就是由7(天)×24(时)×60(分)×60(秒)计算来的。设定时间同步周期（建议设为900=15分钟，3600=1小时，86400=24小时等周期值），填入对话框，点击确定保存关闭对话框。 中国国家授时中心: https://www.360docs.net/doc/642626870.html,/stime.asp
北斗二号卫星导航系统介绍与应用
北斗二号卫星导航系统介绍及应用 南京工业大学工业工程 北斗二号卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗二号系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。 北斗二号卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 北斗二号卫星导航系统是在北斗一号的基础上建设的卫星导航系统，但其并不是北斗一号的简单延伸，完整构成的北斗二号卫星导航系统是一个类似于GPS和GLONASS的全球导航系统。 一．研发背景 1.重要的战略意义 战略意义一：建设北斗卫星导航系统，是提高我国国际地位的重要载体战略意义二：是促进和推动经济社会发展的强大动力。战略意义三：是推动我国信息化建设的重要保证。战略意义四：是应对重大自然灾害的生命保障。战略意义五：是增强武器效能，维护国家安全的根本命脉v战略意义七：是我国履行航天国家国际责任的需要。战略意义八：对提升中国航天的能力，推动航天强国建设意义重大。 2.北斗一号卫星导航系统及其不足 北斗一号卫星导航系统是我国第一代区域卫星导航系统，也是继GPS和GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。作为我国自主建设的卫星导航系统，其政治，经济，军事意义不言而喻。同美国的GPS相比。有其独特之处，如其具有短信通讯功能就是GPS所不具备的，但总体来看，北斗一号存在明显不足： 1.定位原理：北斗一号是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据；GPS是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三维定位数据。 2.用户容量：北斗一号由于是主动双向测距的询问应答系统，其用户设备容量有限；GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的 3.生存能力：和所有导航定位卫星一同一样，北斗一号基于中心控制系统和卫星的工作，但是北斗一号对中心控制系统的依赖性明显要大的多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成 4.实时性：北斗一号用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的