（通信与信息系统专业论文）dsp控制的gps时间同步系统设计.pdf

摘要 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 不仅具有全球、全天候、连续实时的 精密三维导航与定位能力，而且具有世晃上认可的时间系统，有着广泛的应用价值和 发展潜力。利用g p s 授时功能可以快速、精确、同步地实现时间同步。 本文设计了d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与g p s 模块i t r a x 0 3 硬件接口电路，进行了 软件接口调试。在此基础上利用时钟芯片m 4 1 s t 8 7 w 提供精确时间信息并存储时间信 息，对秒脉冲p p s 进行授时细分，以达到更高精度的要求。 本论文采用c 语言与汇编语言混合编程的方式进行软件设计，不仅使得程序有较 强的可移植性，而且提高了系统的实时处理能力；该系统长时间运行稳定，具有极高 的可靠性和准确性，很好的实现了g p s 授时的功能。 关键字：g p s 时间同步d s p a b s t r a c t g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i sc a p a b l eo fp r e c i s e l yn a v i g a t i n ga n dp o s i t i o n i n gi n t h r e ed i m e n s i o n sa l l w e a t h e r , a r o u n d - t h e c l o c k ，a n dg l o b a l l y ，i th a s a p p r o b a t o r yt i m es y s t e m i nt h ew o r l d ，t h u si sp o t e n t i a lo fs i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h eu s eo fg p s t i m i n gf u n c t i o nc a nb ef a s t ，a c c u r a t ea n ds y n c h r o n i z e dt oa c h i e v et i m es y n c h r o n i z a t i o n t h i sa r t i c l ew a sd e s i g n e dd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7w i mt h eg p sm o d u l ei t r a x 0 3 h a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t ，t h es o f t w a r ei n t e r f a c ef o rd e b u g g i n g o nt h i sb a s i s ，t h eu s eo ft h e c l o c kc h i pm 4 1s t 8 7 wt op r o v i d ea c c u r a t et i m ei n f o r m a t i o na n ds t o r ei t ，p p so nt h et i m i n g f o rab r e a k d o w ni no r d e rt oa c h i e v eg r e a t e ra c c u r a c y b o t hcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g ea r ea d o p t e dt oc a r r yo u ts o f t w a r ed e s i g n ，w h i c h m a k e sp r o g r a mm u c ht r a n s p l a n t a b l ea n dd o e s n t a f f e c ts y s t e m a t i cr e a l - t i m ep r o c e s s i n g a b i l i t y t h es y s t e m r u n s s t e a d i l yw i t he x t r e m e l yh i g hr e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y ，a n d a c c o m p l i s h e sg p st i m ef u n c t i o n k e yw o r d s ：g p s t i m es y n c h r o n i z a t i o n d s p 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文， d s p 控制的g p s 时间同步系统设 计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：扼垒2 年立月且日作者签名：2 象0 娥l 垒2 年立月且日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 d 作者签名：盎癣里j 年互月监日 指导导师签名：牢蕴碧，：护 1 1 论文选题的背景与意义 第一章绪论 随着科学技术的发展，时间同步在国民经济建设和高新技术产业领域中得到了广 泛的应用。近年来，随着国防和空间技术的发展，对时间同步系统的精度和工作的可 靠性提出了更高的要求。虽然我国在九十年代自主地建立了独立的长波授时体系，但 其时间同步精度只能达到微秒量级，且时间覆盖每天只有八个小时。随着我国国防现 代化和载人航天计划的实施，对时间同步精度的要求也达到亚微秒量级甚至是纳秒级。 特别是s d h 通信网的时间同步和频率校准，空中目标的探测和拦截( 类似美国爱国者 导弹系统) ，对时间同步精度要求达纳秒甚至是亚纳秒量级。 高精度纳秒量级的时间同步设备国内目前不能自行生产，主要依赖国外进口，西 方国家在高精尖技术领域对我们实施封锁和禁运，显然完全依赖国外产品在某些领域 ( 如国防应用领域) 使用时，常常受制于人而处于被动的局面。因此，研究我国的高 精度时间同步系统十分必要且迫在眉睫，对国民经济和国防的发展建设都具有重要的 现实意义f 1 1 。 1 2g p s 系统简述 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是“全球定位系统”的简称，原本是美国国防部为 其星球大战计划投资1 0 0 多亿美元建立的，其作用是为美军方在全球的舰船、飞机导 航并指挥陆军作战。在海湾战争中，涌现了大量高科技装备，g p s 全球卫星定位系统 则是使用最为广泛的一种1 2 j 。 g p s 全球定位系统是一项工程浩繁、耗资巨大的工程，被称为继阿波罗飞船登月、 航天飞机之后的第三大空间工程。海湾战争期间，g p s 系统尚未完全建成，但初步使 用已显神威。随着1 9 9 3 年g p s 太空卫星网的完全建成，其应用领域不断扩大。美国 1 9 9 4 年宣布在1 0 年内向全世界免费提供g p s 全球定位系统的使用权，使世界各国争 相利用这一系统。1 9 9 6 年2 月2 9 日，美国政府正式宣布将g p s 开放为军民两用系统， 但仍实行s a ( 可用性选择) 政策，故意劣化定位精度，使民用用户的应用受到限制。 直到2 0 0 0 年5 月1 日，美国总统宣布将s a 置为零，这无疑在很大程度上促进了民用 g p s 应用的发展和普及。 g p s 是美国国防部发射的2 4 颗卫星组成的全球定位、导航及授时的系统。g p s 之 所以能够定位导航，是因为每台g p s 接收机无论在何时何地都可以同时接收到最少4 颗g p s 卫星发送的空间轨道信息。接收机通过对接收到的每颗卫星的定位信息的解算， 便可确定该接收机的位置，从而提供高精度的三维( 经度、纬度、高度) 定位导航及 授时信息。 无论从军事竞争的需要还是民用的需求分析，g p s 皆已引起世界各国决策领导层 的关心，他们都意识到，谁能拥有覆盖全球的g p s 星际卫星网和g p s 控制网络，谁就 大大增强了国家基础实力和拥有了巨大的商业市场。前苏联早在1 9 8 2 年就开始建立自 己的全球卫星定位系统( g l o n a s s ) ，后来俄罗斯继续执行这一系统工程计划，尽管前 几年经济不太景气，但也仍发射了9 颗属于g l o n a s s 系统的全球导航卫星。而欧洲 也加快步伐筹建自己的全球导航卫星系统g a l i l e o 系统。 g p s 在我国经近1 0 年我国测绘等部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、自动 化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工 程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源 勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。随着全球 定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及 国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 对于用户来说，最重要的就是g p s 接收机，接收机根据同时收到的4 8 颗卫星的 位置信息，应用差分定位原理，每隔1 3 秒向用户播报一次其位置( 经纬度) 、速度、 高度和时间信息，以供用户或用户的系统使用。 g p s 系统提供了两种定位信号，其一是c a 编码，由标准定位信号经干扰而成， 定位精度在1 0 0 米左右，以供民间用户使用；另一种即所谓的p 码，经加密后播放， 以供军用，定位精度在3 米以内。对于民用的c a 码，可利用基站差分技术将其中的 干扰滤掉，使其精度达到1 0 米左右。 g p s 接收设备包括g p s 手持机，与手机电话体积相当。其计算机接口包括g p s 接收卡或外接设备，由天线、接收单元和电源组成，体积很小，可方便地装载在汽车 等航行器上【3 1 。 1 36 p s 的发展 在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统【4 】。 1 3 1 无线电导航系统 罗兰：工作在1 0 0 k h z ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2 0 0 0 k m ， 一般精度2 0 0 3 0 0 m 。 o m e g a ( 奥米茄) ：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度 2 几英里。 多普勒系统：利用多普勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数( 地速和偏 流角) ，推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。 缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。 1 3 2 卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统( t r a n s i t ) ，1 9 5 8 年研制，6 4 年正式投入 使用。由于该系统卫星数目较小( 5 叫颗) ，运行高度较低( 平均1 0 0 0 k m ) ，从地 面站观测到卫星的时间隔较长( 平均1 5 h ) ，因而它无法提供连续的实时三维导航，而 且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1 9 7 3 年美国国防 部制定了g p s 计划。 1 3 3g p s 发展历程 g p s 实施计划共分三个阶段1 5 ： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1 9 7 3 年到1 9 7 9 年，共发射了4 颗试验 卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗试验 卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，g p s 定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1 9 8 9 年2 月4 日第一颗g p s 工作卫星发射成功，表明 g p s 系统进入工程建设阶段。1 9 9 3 年底实用的g p s 网，且p ( 2 1 + 3 ) g p s 星座已经建成， 今后将根据计划更换失效的卫星。 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的英文缩写，它可以用来实现连 续的实时三维导航。导航的定义是“引导运载体或人员从一个地方到达另一个地方的 科学 。在日常生活中，我们每一个人都在进行某种形式的导航。开车去上班或步行去 商店需要我们使用基本的导航技能。导航装置各式各样，通常可以把它们分为路基和 星基两大类。大多陆基无线电导航装置，其精度与它们的工作频率成正比。高精度的 系统一般在相对短的波长上发射，用户必须保持在视距之内。而在较低的频率( 较长 的波长) 上广播信号的系统则不受视距的限制，但精度较低。 g p s 目前处于良好的运行状态，并满足2 0 世纪6 0 年代所提出的最佳定位系统标 准。这个系统向有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速 度信息。g p s 系统除定位服务外，同时也能利用g p s 卫星具有的高稳定性原子时钟为 用户提供授时服务，由此用户可以计算出自身的速度。这些服务被称为标准的p v t ( 位 置、速度、时间的英文缩写) 服务。g p s 提供两种精度不同的p v t 测量：标准定位服 务( s p s ) 和精密定位服务( p p s ) 。s p s 是为民用服务l 的，而p p s 是为美国军方用户 和特定的政府部门用户服务的，两者精度不同。 g l o n a s s 是俄罗斯的星基无线电导航系统婀，它在全世界范围内提供三维定位、 测速以及时间广播服务。g l o n s s 在许多方面非常类似于g p s 。这个系统由2 4 颗卫星 的星座、一个地面监视网和各种类型的用户设备组成。星座包括3 个轨道平面，每个 平面有8 颗卫星。地面网由位于俄罗斯全境的许多卫星监视和数据上行加载设施组成。 俄罗斯及其他国家有几家用户接收设备制造单位，有些制造单位制作组合的 g p s g l o n a s s 接收机。 g l o n a s s 由俄罗斯国防部操作，该计划在2 0 世纪7 0 年代中期开始执行，目的 是为军用。然而情况与g p s 类似，许多民用用途迅速变得十分明显，这种系统现在已 是真正的军民两用系统了，p v t 确定也是用p r n 测距信号完成的。然而卫星的发射信 号与g p s 不同。g l o n a s s 使用频分多址( f d m a ) ，其中每颗卫星在不同的频率上发 射。这种技术允许各颗卫星使用相同的测距码。 g l o n a s s 的民用和军用服务是分开提供的。规定的民用服务精度为：在水平面 内为1 0 0 m ( 2 d r m s ，9 5 ) ；在垂直面内为1 5 0 m ( 9 5 ) 。民用测速精度规定为o 1 5 m s ( 9 5 ) 。英国利兹大学和3 s 公司通过观测发现，它的军用服务产生的精度与g p sp p s 相当。 1 3 4g p s 的现状 全球卫星定位系统( g p s ) 是美国国防部7 0 年代初在“子午仪卫星导航定位”技术 上发展起来的，具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空与航天) 、全天候性优势的 导航、定位、定时、测速系统。g p s 最初用于军事目的，后来该技术也逐步向民间开 放使用。在当今发达国家，g p s 技术已广泛应用于交通运输和道路工程等领域，极大 地提高了他们的生产效率。g p s 系统的功能正如g p s 业界的权威所说“g p s 的应用只 受人们想象力的限制 。 我国民用g p s 技术引入已有一段时间，主要应用于智能交通管理、特种车辆的定 位导航等方面。道路运输行业是g p s 的一个主要应用领域，在美国g p s 最成功的民用 就是在交通运输行业。然而由于道路运输传统技术改造进展缓慢，以及对g p s 技术的 了解不充分等种种原因，该技术在行业内的应用情况并不理想，资源利用率较低，远 远不能满足道路运输企业管理的需要。尤其是目前g p s 技术的开发与生产厂商较多， 而国家还没有统一的产品标准，致使市场上各种产品的质量和功能参差不齐，价格差 别较大，且各系统之间的兼容性不高，很大程度上造成企业投资的浪费。 目前正在运行的卫星系统有美国的g p s 系统和俄罗斯的g l o n a s s 系统。欧洲正 在实施“伽利略 计划，部署新一代定位卫星，我国是伽利略计划的参与者之一。我 国还研制了导航定位卫星系统北斗导航系统，该系统的三颗卫星北斗导航试 4 验卫星1 a 、1 b 、及1 c 已分别在2 0 0 0 年l o 月3 1 日和1 2 月2 1 日以及2 0 0 3 年5 月2 5 日发射升空，系统已经于2 0 0 1 年底开通运行。 总投资3 5 亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统。目 前世界上正在运营的全球定位系统( g p s ) 由美国研发并控制。伽利略系统3 0 颗导航卫 星和相关地面设备将在2 0 0 8 年部署完成，该系统确定地面目标位置的误差仅为1 米， 而g p s 提供的非军用信号的误差达1 0 米。 1 3 5g p s 的应用状况 g p s 技术凭借其全天候、全球覆盖、高精度以及能三维定时定速的特点，已经广 泛的应用 6 1 于各个方面。主要的应用有以下几个领域。 ( 1 ) 资源调查、土地探测领域 例如在森林保护区、土地山坡违规开发查报工作中，使用g p s 可顺利导航至可疑 变异点，并直接查询调阅地籍图等相关资料以利研判。 ( 2 ) 导航定位领域 例如在美国、日本以及西欧等国家相当流行的汽车卫星导航系统，该系统可以给 驾驶者的寻址定位带来极大的方便。并且在可预见的未来，所有的飞行器将使用g p s 做导航的标准设备，在飞机起降的时候，无须依赖机场地面的导航设备。 ( 3 ) 大地测量领域 传统的三角测量是一件十分辛苦的事，特别是在地面三角测量点缺乏，地标不明 显的时候，测量工作格外困难。g p s 定位则无须仰仗地面控制点，只要在没有遮蔽的 情况下，几乎不受地形地物的限制。所以使用g p s 作为测量的工具，大大改善了传统 测量的不便。 ( 4 ) 地图制作领域 我们可使用g p s 在车辆行进的时候，每隔一段时间将道路点记录下来，如此便完 成粗略的地图数字化工作。 ( 5 ) 任务派遣、货运、救护、消防、警政领域 这类应用方向是将g p s 配合无线电传输，可将各个车辆所在位置动态传回派遣中 心，以利调度工作。当然，如果运用在大众运输工具，可利于一般大众于候车时了解 班车抵达的状况。 ( 6 ) 登山定位领域 g p s 可准确的定位、定向，在开阔的地方使用g p s 定位，配合地图可以非常准确 的了解目前所在位置，而不会因人为判断错误而迷路。我们也可将g p s 配合无线电传 输，将登山人员所在位置传送至山难协寻中心，以利于救助搜寻工作。 ( 7 ) 精确定时领域 由于g p s 定位需要非常精确的时间，每颗g p s 卫星上都有精密的原子钟，所以 g p s 接收机可以接收到精确的时间信息。本论文的最终结果就是基于d s p 和g p s 技术 实现时间同步的。 ( 8 ) 军事领域 g p s 发展目的，一开始就是考虑军事的用途，所以举凡战机、战舰、战车、飞弹、 相关军事人员及攻击目标物的精确定位，均依赖g p s 完成。 1 4g p s 系统的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座；地面控制部分一地面监 控系统；用户设备部分屯p s 信号接收机。如图1 1 所示。目前，空间部分和地面 控制部分目前均由美国国防部掌握，用户设备部分由军用和民用研发厂商开发、销售、 服务。 1 4 1g p s 卫星星座 图1 1由三大部分构成的g p s 卫星全球定位系统 空间部分包括2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星。这2 4 颗卫星分布在6 个轨道平面上， 每个轨道上有4 颗卫星。每个轨道面和赤道的夹角，这就是所谓的轨道倾角位5 5 。 各个轨道平面之间相隔6 0 。，6 个轨道覆盖了全部3 6 0 。的范围。卫星的轨道半径为 2 6 5 6 0 k m ，在一个恒星日里围绕地球旋转两周。下图1 2 为g p s 卫星星座1 7 。 6 时12g p s 卫星星座 g p s 卫星主要有三个作用：一是向用户连续发送g p s 信号，在导航电文中报告自 己的现在位置以及其他在轨卫星的概略位置；二是接受地面注入站发送给它的卫星导 航电文和其他相关信息，并形成g p s 信号：三是接受地面主控站通过注入站发送的卫 星调度命令。 1 4 2 地面监控系统 地面部分包括1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。 地面监控系统的作用主要有两点：一是编算和注入导航电文，电文包括g p s 星历 等( 星历：描述g p s 运动及轨道的一系列参数，分为“广播星历”和“后处理星历”， 前者指由g p s 卫星向用户播发的用于实时数据处理的星历，后者指用于测后数据处理 的精密星历。) ；二是保持各颗卫星处于同一时问标准，即g p s 系统时。 143g p s 信号接收机 接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航 和定位j ：作i ”。 g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 g p s 系统能够实施全球性全天候金天时的连续不断的三维导航定位测量，每一个 用户在任何地方都能够接收到4 一- 1 2 颗g p s 卫旱的信号，我国境内仝天可以接收到5 8 颗卫星的信号。定位时，为了解算出接收机的三维坐标，至少需要观测4 颗g p s 卫 星t 这4 颗卫星称为定位星座，它们证观测过程中的空间位置分靠( 几何结构) 的优 劣，对定位精度有一定的影响。研究表明，星座四面体的体积越大，测量精度的损失 越小。 一般定位的手段是测距，测距的手段是测量信号传播时延，而测量时延的基础是 统一的时间标准。在g p s 卫星定位中，g p s 信号接收机只接收卫星导航定位信号，而 不发射任何信号，所以说基于g p s 的定位是基于被动式测距原理的，也就是被动式定 位。而且，基于g p s 的定位系统存在三种时间参照标准： ( 1 ) 各颗g p s 卫星的时间标准； ( 2 ) 各台g p s 信号接收机的时间标准； ( 3 ) 统一上述两种时间标准的g p s 系统时( 或u t c ) ； 在这些不同的时间标准里面，测量计算出的接收机到卫星的距离不能反映出其实 际距离，而是真实距离加上一个正比于站星时间标准差的距离。这样的距离叫做伪距； 因此，要解出接收机真正的三维坐标，需要4 颗卫星的坐标参数。在解出接收机三维 坐标参数的同时，也可以得到接收机时间标准相对于g p s 系统时的偏差，然后就可以 用这个偏差校正接收机的时间标准到系统时上。因此，g p s 不但可以用来定位，而且 还可以用来精密定时。g p s 定位之所以能实现高精度的定位，其成功的关键在于g p s 卫星上大多数安装了高精高稳的频率标准，它们的每日准确度矽厂达到了1 0 。1 2 到 1 0 。1 3 量级。这些高精高稳原子钟不但是精密定位的基础，也是精密定时的保证。g p s 系统时间由地面部分各检测站的原子钟组、比对系统和主控站的数据处理以及计算中 心组成，它和美国军方时间基准的保持单位一美国海军天文台( u n s o ) 进行比对。 g p s 不但可以用来精密定位，还可以用来精密定时，这是因为g p s 可以提供高精 度的g p s 系统时信号，其精度可以达到1 0 _ 2 l o 1 3 量级，这样的精度在许多实际应用 中都能达到要求。而且，更为重要的一点是g p s 可以全球性全天时全天候地发播g p s 信号。 1 5 论文的主要工作及内容安排 g p s 时问同步系统是一个当前热门的系统，本论文围绕d s p 、g p s 及g p s 时间同 步相关技术构建d s p 控制的g p s 时间同步系统这一最终目标，着重对系统的总体设计 方法、用g p s 实现时间同步系统的方法、以及用d s p 控制的g p s 时间同步系统的方 法进行了研究。本文所研究的信息处理技术包括：基于d s p 实现g p s 接收机的信号处 理；时间细分及以秒脉冲上升沿为时间基准的时统。 本论文的具体内容安排如下： 第一章绪论。在介绍论文选题背景和意义的基础上，概述了g p s 的发展、g p s 系统的组成以及g p s 前景，最后阐述了本论文的主要工作和内容安排。 第二章g p s 授时技术。主要介绍了g p s 系统的信号结构，g p s 的两种时间系统及 g p s 的时间传递和同步原理，并对授时误差进行了分析及校正。 第三章时间同步系统总体设计。首先总体设计了时间同步系统的组成，然后对实 现时间同步的各个常用方法进行了比较，最后介绍了系统的硬件实现。 第四章g p s 时间同步系统详细设计。主要内容包括：g p s 接收机模块的组成原理； 时钟芯片与d s p 间接口设计；d s p 的显示模块设计。 第五章d s p 数据处理。主要包括g p s 接收机系统的软件设计；时间信息处理的软 件设计：m 4 1 s t 8 7 w 的软件接口；时统的有效性。 9 2 1g p s 系统的信号结构 第二章g p s 授时技术 c p s 卫星信号包括三种信号分量：载波、两个伪随机噪声p r n 码( c a 码、p 码) 和数据码( 即导航电文，亦称d 码) 。所有这些信号都是在同一频率( 基本频率) f o = 1 0 2 3 m h z 的控制下产生的，如图2 1 所示例。 2 1 1 载波 图2 1g p s 信号结构 载波是一种能携带调制信号的高频振荡波，它的振幅、频率及相位都能随调制信 号的变化而变化。g p s 卫星使用两种不同频率的载波厶和：，其中厶载波由卫星中的 原子钟所产生的基准频率( f o = 1 0 2 3 m h z ) 倍频1 5 4 倍而形成，厶的中心频率为 1 5 7 5 4 2 m h z ，而载波厶由基准频率倍频1 2 0 倍而形成，中心频率为1 2 2 7 6 m h z 。 用户需要通过对载波的多普勒频移测量来精确确定自己的三维运动速度，所以要 求它们具有足够高的频率。此外，对于单频接收机来讲，较高的载波频率也有助于削 弱电离层延迟。精确确定卫星信号的电离层延迟是进行高精度的g p s 测量的必要条件， 而最简单容易实现的方法就是利用电离层的特性进行双频改正。 在一般的通讯中载波的作用是传送运输调制信号，当调制波到达接收机并解调出 调制信号后，载波就不再起作用了。但在全球定位系统中，载波除了更好的传送测距 l o 码和导航电文外，本身也被当作一种测距信号来使用载波相位测量的精度很高，在高 精度g p s 定位中有广泛的应用。 2 1 2 伪码 在g p s 卫星信号中，测距码是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制编码。由 于全球定位系统是军民两用系统，因此测距码中也包含了两种性质和精度均不相同的 编码c a 码和p 码。 g p s 信号c a 码是长度为1 0 2 3 的g o l d 码( g 码) 。g 码是由两个码长相等、码时 钟速率相同的m 序列优选模2 和构成。每改变两个m 序列相对位移就可得到一个新的 g o l d 序列。对于长度为n = 2 ”一1 的m 序列，每两个码可以产生个g 码。g 码既具 有良好的自相关特性，又具有优民的互相关特性，可供码分多址系统选用。这也是g p s 采用g 码作为c a 码的主原因。 c a 码周期为lm s ，每个周期中都包含有1 0 2 3 个二进制码的低精度测距码，每个 码持续时间( 即码元宽度) 为1m s 1 0 2 3 = 0 9 7 7 5 1 7 1l 微秒、相应距离( 即码元长度= 光速与 时间的乘积) 为2 9 3 米。 c a 码的码结构是公开的，可供全世界所有的用户来使用。标准定位服务是全球 定位系统向全世界的所有用户免费提供的一种服务方式、它是利用c a 码来测定，并 从已被美国政府有意降低了精度的卫星广播中，来获取观测瞬间卫星在空间的位置的 一种定位方式。 c a 码的码元长度为p 码的1 0 倍，一般测距精度为码元长度的百分之一左右，因 此c a 码的测距精度比p 码低一个数量级，故称为粗码。g p s 接收机可以很快的捕获 c a 码。 码元长度小，可以提高测距精度，而p 码的码元长度只有2 9 3 米。为c a 码的十 分之一，所以测距精度要比c a 码高得多，故称为精码。利用p 码来进行测距并根据 未降低精度的卫星星历来进行的定位称为精密定位服务。捕获p 码需要花费很长的时 间，所以需要在捕获c a 码的基础上来捕获p 码。 2 1 3g p s 卫星的导航电文 导航电文是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定位数据，故又称数据码， 或d 码。它包括的内容主要有：卫星星历、卫星星钟改正、电离层延迟改正、工作状 态信息和c a 码转换到捕获p 码的信息、全部卫星的概略星历。 导航电文是个永不归零的数据流。它的基本单位是一个主帧，每个主帧包括 1 5 0 0 b i t ，历时3 0 s ，传输速率是5 0b i t s 。一个主帧由五个子帧组成，每个子帧各有l o 个字码，每个字码为3 0 b i t ，共3 0 0 b i t 。第1 ，2 ，3 子帧是每3 0 s ( 一个主帧) 重复一次， 而第4 ，5 子帧的信息是连续播发，需经2 5 个子帧，长达7 5 0 s 才能传送完全部信息。 第4 ，5 子帧需经7 5 0 s 才重复一次，如图2 2 所示。 一个主帧 一个千帧 一个字码 2 1 4g p s 卫星信号的调制 图2 2g p s 卫星导航电文的基本构成 g p s 卫星信号的三种信号分量：载波、测距码( c a 码、p 码) 和数据码( d 码) 都是 在同一时钟频率兀= 1 0 2 3 m h z 控制下产生的。 数据流和两种伪随机码分别以同相和正交的方式调制在厶载波上，信号结构为： s 乞( f ) = 彳尸c o 弘) f o ) c 。s g _ + 仍，) + 彳c g ，o ) d ，o ) s i n g 么f + 驴。，) ( 2 1 ) 而三：由p 码和d 码进行调制，其信号结构为： s 乞o ) = b p 只o 她( f ) c 。s 白岛t + q 0 ：，) ( 2 2 ) 式中，a e , b p ，a c 分别为载波。和三：的振幅；e o ) 、g o ) 和d ，o ) 分别为第i 颗g p s 卫星的p 码、c a 码和d 码；c o l 和分别为载波厶和l 2 的角频率；仍，缈2 ，分别为 第f 颗g p s 卫星的载波。，l ：的初相，如图2 3 所示，为g p s 信号的形成框图1 1 1 。 1 2 2 2g p s 信号的特点 图2 3g p s 信号的形成框图 ( 1 ) 载波频率选用l 波段的两个频率 载波选用两个频率： 无= 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长为 = 1 9 0 5 c m ，凡= 1 5 7 5 4 2 m h z ， 旯，= 2 4 4 5 c m 。l 波段电离层延迟影响较小，信道带宽分配易实现。采用两个频率，可 测定电离延迟，消除电离层误差。 ( 2 ) 采用伪随机噪声码测距技术 g p s 采用伪随机噪声码测距技术，具有良好的抗干扰性和保密性。g p s 采用两种 码，即c a 码和p 码。c a 码是粗捕获码( c o a r s ea c g u i s i t i o nc o d e ) ，其码长为1 0 2 3 个 码元，周期为1m s ，很容易捕获，所以称其为粗捕获码。其也可用于测距，但精度较 低。p 码是精密测距码( p r e c i s ec o d e ) ，其码长为2 3 5 4 6 9 5 9 2 7 6 5 1 0 3 码元，周期约为2 6 6 天9 小时，难于捕获，易于保密。采用p 码测距精度高。 ( 3 ) 采用二级调制 首先用低码率( 5 0 h z ) 的数据码d 码去调制p 码和c a 码，构成复合码，然后 用复合码p d 和p c 调制载波。这样就把发送低频率的d 码转变为发送复合码，既节省 卫星的电能，又增强抗干扰性和保密性。 2 3g p s 授时原理 g p s 时钟采用的是世界协调时叫丌c g a s n o ) 。它既可以满足人们对均匀时间间 隔的要求，又可以满足人们对以地球自转为基础的准确世界时时刻的要求。在g p s 卫 星上载有与u t c 时间同步的铯原子钟，这样它就成为一种空间的时间基准，地面上的 用户可接收发自g p s 卫星的时间服务信号，校正本机时钟，使之与g p s 时钟同步，完 成时间传递任务，称为g p s 授时 1 2 - 1 3 1 。 g p s 的定位和授时采用测距法，通过同时对四颗卫星进行距离测量，就可解算出 观测点的位置。目前，多数导航是通过这种方法实现的。如图2 4 所示： o ( 2 ，y 2 ，z 2 ) 卫星2 ( x 3 ，y 3 ，z 3 ) 卫星3 图2 4g p s 卫星定位原理 设在t 时刻在测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至四颗g p s 卫星s ，s ：，s ，墨 的距离为p 。，p ：，p ，p 。通过g p s 电文解译出该时刻四颗g p s 卫星的_ - - 维坐标分别为 ，i ，z ) ，歹= l ，2 ，3 ，4 。求解p 点的三维坐标( x ，y ，z ) 和时间歹的方程如下所示： 1 4 p 。= 4 ( x x 。) 2 + ( y i ) 2 + ( z z 。) 2 + c p 一互) p ：= 伍一x ：) 2 + ( 】，一艺) 2 + ( z z ：) 2 + c ( 丁一正) p ，= 伍一托) 2 + ( y e ) 2 + ( z z ，) 2 + c ( 丁一五) p 。= 伍一x 。) 2 + ( y l ) 2 + ( z z 。) 2 + c ( 丁一瓦) ( 2 3 ) 其中乃，i = 1 , 2 ，3 ，4 为各卫星时间，r 为用户接收机的时间，c 为光速，( x ，y ，z ) m 来定位，丁用来定时。这就是g p s 定位、授时的基本原理。 g p s 的时间服务信号包含在g p s 发播的导航电文中。导航电文包含有卫星星历、 系统时间、卫星工作状态、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正等信息，它就 是由卫星信号中解调出的数据码d ；o ) 。当卫星电文被提取出来以后，要利用电文中给 出的参量对提取出的系统时间进行改正，( 如卫星钟差改正、对流层和电离层改正) ， 以求出标准的u t c 时间。 这样就得到了标准的u t c 时间，但此时并没有考虑到本机时钟与g p s 时钟的同 步问题，他们并没有在同一个秒开始时同时跳变，也就是说时钟还没有完全对准。为 解决这一问题需利用卫星信号的伪随机码进行伪距观测，以完成时间同步。 伪距观测量是利用相关技术获取的。在相关接收中，卫星上发射的c a 码是由卫 星时钟控制的，用户接收机的c a 码伪随机信号是由本机时钟控制的，在相关接收时， 将此两伪随机信号码位对齐，即完成跟踪和延时锁定，这一时刻相对于初始时刻的时 延量，即表征了地面点到卫星间距离的函数，称为伪距观测量，通常以p 表示。此观 测量之所以称为伪距是因为：第一，这一观测量是星地之间距离的函数；第二，由于 存在着钟差和大气效应，这一观测量并不等于真实距离。 可推导出，在地面p 点观测的伪距p 尸与p 点的真实坐标似p ，y p ，z p ) 的关系如下式。 r1 1 p 尸= 陋s 一砟) 2 + 戗一o ) 2 + ( z s z p ) 2 f + c r 一+ c f ( 2 4 ) 其中( x s ，k ，z s ) 为卫星信号发射时刻此卫星在地心坐标系中的坐标，它可由接收 到的导航电文中的卫星星历参数计算出来。f 。为大气修正，可根据大气模型进行改正。 这时式( 2 4 ) 中就只有4 个未知量x p 、y p 、z p 、血，其中垃为用户时钟与g p s 时钟的误差。利用这一公式，如果用户知道自己的精确坐标将给时间同步带来极大方 便，用户只需要接收一颗卫星发送的数据便能解出本机时钟的钟差：如果用户不知道 自己所在地点的精确坐标就必须同时观测4 颗卫星，得到式( 2 4 ) 的四个方程，联立 求解出p 点的坐标和本机时钟的钟差，再依据求得的钟差将本机时钟对准，这样就完 成了时钟的同步。用户钟与g p s 时钟的同步精度如表2 1 所示，同步精度可以通过多 次连续测量得以改善。 表2 1 用户时钟与g p s 时间的同步精度( 单位刀s ) t a b l e1a c c u r a c yf o rs y n c h r o n i z a t i o no fw i t hu s c r st i m ea n dt h et i m e o fg p s 用户不知道位置 2 2 o 知道位置，只观测一颗卫星1 7 o 知道位置，同时观测四颗卫星 8 5 2 4 两种时间系统 ( 1 ) 协调世界时( c o o r d i n a t e du n i v e r s a lt i m e u t c ) u t c 是一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近世界时的折衷时间系统。它 是目前世界各国时号播发的基础。 ( 2 ) g p s 时 g p s 时是全球卫星定位系统建立的专用时间系统，它由g p s 主控站里的一组高精 度原子钟所控制。g p s 时属于原子时系统，其秒长与u t c 相同。g p s 时是一种连续计 时系统，不含闰秒修正，它与u t c 的时刻规定于1 9 8 0 年1 月6 日0 时相同。其后， 随着时间的积累两者之间的差异表现为秒的整数倍。可以说，g p s 时和u t c 是两种既 相关又不同的时间尺度p 4 。 2 5g p s 的时间传递和同步原理 g p s 的高精度定位、测速和导航功能都是建立在它的精密测时基础上的。为了测 量时间，要用到两个时钟：一是g p s 卫星钟；二是用户接收机内部时钟。前者简称星 载钟，后者称为用户钟。星载钟为原子钟，它与g p s 时的偏差包括在发给用户的导航 电文中。用户钟是普通晶体钟，其与g p s 时的偏差需要计算。 根据g p s 系统的工作原理，用户接收机通过接收4 颗卫星的信息可进行三维定位； 通过接收3 颗卫星的信息可进行二维定位。在接收机位置确定后且不再改变的条件下， 接收机只需接收一颗卫星的信息便可进行精确的时间传递和时间同步 1 5 1 。 1 6 g p s 时同 星载钟时闻 用户钟时间 瑶略 i 卜4 l - ：i i 1 一 i i 1 。 ， l 一 l i l l 卜卜一4 巧叫 信号发射时刻 信号接受时刻 图2 5 时间传递示意图 g p s 时间传递原理可借助于图2 5 予以说明。图中各符号说明如下： r t r a e s 信号发射时对应的g p s 时刻； f p 用户接收机收到信号时对应的g p s 时刻； f i 信号发射时对应的星载钟时刻； f ：收到信号时对应的用户钟时刻； 垃了星载钟相对于g p s 时的偏差； 垃用户钟相对于g p s 时的偏差； 址：信号从卫星到用户的总的传播时间。 由图2 5 可导出： 址二= f u f ；= ( f ；搭一f 笋胳) + ( f 【，一a t s ) a t u = f 二一( f 擘船一f 笋船) + f j ( 2 6 ) x - - 6 7 ( f 产一f 严) 为以g p s 时为基准的信号传输时延，可表示为： f p f7 g p $ = f 詹+ 彳一+ f 【， 其中：f 露卫星到用户几何距离对应的时延； ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 1 7 f 。大气层引入的附加时延( 包括电离层时延和对流层的时延) ； q ，接收系统时延( 包括天线、天线电缆和接收机本身引入的时延) 。 由( 2 7 ) 得： a t “= f _ ：一f 冠一f _ 一f ，+ a t s ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式中，f j 可由接收机通过复制测距码而得到； f 。在接收机位置确定后根据卫星位置和光速算出； 乃和址s 由导航电文提供； 勺由接收机提供。 因此，用户接收机在收到卫星发来的信息( 包括测距码和导航电文) 后，利用其 本身的固化软件能迅速确定出上述各项参数，并通过( 2 8 ) 式给出用户钟与g p s 时的偏 差址u 和多次测得值的平滑处理结果乃。有了瓴，利用f 尸= f u 一瓴便可校准本地 钟，从而实现用户钟与g p s 时的同步运行。由于g p s 时与u t c 是一种相关的时间系 统，其偏差已包括在导航电文中，故用户钟同样可同步到u t c 。这种跟踪一颗卫星实 现同步的方式，其同步精度大约1 0 0 n s 。 在地球上任意地点，只要具备相同的g p s 接收机，都能得到同样精度的1 p p s 信 号，这为用户间实现远距离时间同步创造了极为有利的条件。对用户来讲，这种同步 是极其省力的，既不需要发射信号又不需要传送信号的通道，需要的仅是被动地接收 信号，其1 p p s 与u t c 的同步精度一般不超过1 艘，具有很高的性能价格比。 2 6 授时误差分析及校正 在整个授时系统中，影响时间精度的主要误差来源于空间卫星误差、时间解码误 差和时间分发误差i t 6 1 。这些误差按性质可分为系统误差和随机误差。对于系统误差，