（电气工程专业论文）电力系统gps卫星同步时钟装置研究.pdf

摘要目前安装在电力系统各厂站的微机保护和其它自动装置，其采样多是在各自晶振控制下自由进行的，彼此之间不存在同步。要实现同步，首先需要解决的问题是使各个厂站的采样时钟同步运行，同时这种同步必须是远距离的、准确的和高度可靠的。针对这种情况，本文设计了一种基于d s 8 0 c 3 2 0 高速单片机的g p s 卫星同步时钟。它由接收机、中央处理单元和输出接口组成。若给电力网中各厂站和各级调度中心都配置上接收机，利用接收机提供的标准时间信号，通过中央处理单元对数据的处理，从而可同步电网内运行的各时钟，保证电网内所有时钟的高精度同步运行。这不仅解决了一个电网内的时钟统一问题，而且能真正实现全国范围内的时间统一。与传统方法相比，这种全新的时钟同步方法具有实现手段简单、精度高、范围大、不需通道联系、不受地理和气候条件限制等众多优点，是时钟同步的理想方法。本文介绍了一些关于g p s 的基本知识，包括：g p s 的发展现状、g p s 的原理、组成、特性等内容；设计出了基于d s 8 0 c 3 2 0 的g p s 同步时钟装置的硬件；根据装置要实现的功能，给出了主程序和中断程序的流程图和程序介绍。利用g p s 卫星同步时钟装置，对所属范围各厂站的保护系统、故障录波系统进行统一的随时的时钟校对，该课题对电网自动化水平的提高，特别是对事故分析、故障测距、稳定判断与控制技术的发展有重要的意义。关键词：单片机g p s电力系统同步时钟中央处理单元a _ b s t r a c tn o w a d a y s ，t h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na n do t h e ra u t oe q u i p m e n t sh a v eb e e nu s e de v e r y w h e r ei np o w e rp l a n t sa n ds u b s t a t i o n si np o w e rs y s t e m ，w h i l em o s to ft h es a m p l i n go ft h e ma r ep r o c e s s e dr a n d o m l yo ot h eb a s i so fc r y s t a ls u r g eo ft h e i ro w nw i t h o u ts y n c h r o n i z e dw i t h e a c ho t h e r t os e c u r et h es y n c h r o n i z a t i o n ，t h ef i r s tp r o b l e ms h o u l db es e t t l e di st om a k et h es a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n o u si nt h o s ep l a n t sa n ds u b s t a t i o n s ，f u r t h e r m o r e ，t h i sk i n do fs y n c h r o n i z a t i o nt h es y n c h r o n i z em u s tb el o n g - d i s t a n c e ，a e c u r a t ea n dh i g h l yc r e d i b l e ak i n do fg p ss a t e l l i t es y n c h r o n o u sc l o c kb a s e do ot h ed s 8 0 c 3 2 0h i g h - s p e e ds c mi sr e c o m m e n d e di nt h ef o l l o w i n gt h e s i s ，t os o l v ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e i ti sc o m p o s e do fr e c e p t o r s 、c e n t r a lp r o c e e d i n gs e c t i o n sa n do u t p u tc o n n e c t o r s s u p p o s e de a c hp l a n t 、s u b s t a t i o na n dd i s p a t c h i n ge n t e ra r ee q u i p p e dw i t hr e c e p t o r s ，t h ec e n t r a lp r o c e e d i n gs e c t i o nc o u l dd e a lw i t ht h ed a t at om a k ea l lc l o c ki nt h ep o w e rn e ts y n c h r o n o u sb yu s eo ft h es t a n d a r dt i m es i g n a l ss u p p f i e db yr e c e p t o r s ，t h u s ，a c l o c ki nt h ep o w e rn e tc o u l dr e t a i nr u n n i n gh i g h l ys y n c h r o n o u s l y 。b yt h i sw a y , n o to n l yt h ep r o b l e mo ft h ec l o c ks y n c h r o n i z e dw i t h i ns i n g l ep o w e rn e t ，b u ta l s ot h et i m ea l lo v e rt h ec o u n t r yi sr e a l l yc o m p l e t e l yu n i f i e d c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o d ，t h i sn e ws y n c h r o n o u sc l o c kp l a nh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e ，h i g hp r e c i s i o n ，w i d ee x t e n s i o n ，n oc h a n n e l sn e e d e d ，n oc o n f i n eo fg e o g r a p h ya n dw e a t h e re n v i r o n m e n ta n ds oo n i ti st h ei d e a lw a yt os y n c h r o n i z et h ec l o c k i nt h ef o l l o w i n gp a p e r ，ir e p r e s e n ts o m eb a s i sk n o w l e d g eo fg p si n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fg p s ，t h ep r i n c i p l eo fg p s ，t h ec o n s t i t u t i o no fg p s ，t h ec h a r a c t e ro fg p sa n ds o0 u ，a n dd e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h eg p ss y n c h r o n o u sc l o c kb a s e do nt h ed s 8 0 c 3 2 0h i g h - s p e e ds c m ，t h e nl i s tt h ef l o wc h a r to ft h em a i np r o g r a ma n dt h ei n t e r r u p tp r o g r a ma n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h o s ep r o g r a m s 。t h ei t e mt oc o l l a t et h ec l o c ko ft h ep r o t e c t i o ns y s t e mt o g e t h e rw i t ht h ef a u l tr e c o r d e rm o m e n t a r i l ya n du n i f i e db yt h eg p ss a t e l l i t es y n c h r o n o u sc l o c kw i t h i na l lt h ep l a n t sa n ds u b s t a t i o n si nas c o p ec a nb ev e r yi m p o r t a n tf o rr a i s i n gt h el e v e lo fp o w e rs y s t e ma u t o m a t i z a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h ed e v e l o p m e n to ff a u l ta n a l y z i n g 、f a u l tl o c a t i n g 、s t a b i l i z a t i o nj u d g i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n ol e d g e 。k e yw o r d ：s c m ，g p s ，p o w e rs y s t e m ，s y n c h r o n o u sc l o c k , c e n t r a lp r o c e e d i n gs e c t i o n独创性声明本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁生叁鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。一躲彤期：沙3 年彦月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权矗凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：弓老咎签字日期：埘年彦月7 日一名：乡苕缑签字日期：细弓年 月日夕第一章概述引言利用g p s 卫星定位仪的时间校对功能，对所属范围各变电站的保护系统、故障录波系统进行统一的随时的时钟校对，该课题对电网自动化水平的提高，特别是对事故分析、故障测距、稳定判断与控制技术的发展有重要的意义。作为一套时钟校对装置，需硬件和软件两部分。硬件应包括：g p s 信号接收器；单片机处理单元；校对电路；通讯接口及显示电路等。在硬件基础上，编制一套时钟校对的软件，以完成对硬件的控制，实现校对和分路传送。随着电网自动化水平的提高，电力系统对系统统一时钟的要求愈来愈迫切，特别是各种保护和故障录波装置尤其需要。由于有了统一时钟，可以通过各开关的动作先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。因此，国家在1 9 9 9 年1 0月新发布的微机母线保护装置通用技术条件及 2 2 0 k v - - 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录装置检测要求中，都明确要求采用外部g p s 时钟对装置进行对时。现在变电站大多采用不同厂家的自动化及微机保护设备，各设备采用各自独立的时钟，而各个时钟都有较大的偏差，这样在故障分析中，失去了时间基准，无法分析各开关动作的先后顺序，给故障分析带来了困难。具有自适应功能的继电保护系统应具有监控、录波和定位功能。而要实现以上功能，就需要在自适应继电保护系统内装设一个高精度的统一时钟。此时钟应使相隔遥远的两个或多个自适应继电保护系统之间的电气角度的误差在l 度以内，对于5 0 h z 的电力系统而言，这两个或多个自适应继电保护时钟的误差应在5 5 u s 以内。现在能有效满足此要求的唯一方法是采用g p s 作为各个自适应继电保护系统的统一时钟。其误差可达l o u s 以内。1 1g p s 的发展1 1 1 早期的卫星定位技术卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。当初，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面观测站对它进行摄影观测，测定观测站至卫星的方向，建立卫星三角网；也可以用激光技术对卫星进行距离观测，测定观测站至卫星之间的距离，建立卫星测距网。这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量技术难以实现的远距离陆地海岛联测定位。2 0 世纪6 0 7 0 年代，美国大地测量局在英国和德国测绘部门的协助下，用卫星三角测量的方法花了几年时间测量并设置了有4 5 个观测站的三角网，点位精度5 m 。但这种观测方法受第一章概述卫星可见条件和天气的影响，费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。因此，卫星三角测量很快就被卫星多普勒测量所取代，使卫星定位技术从仅仅把卫星作为观测目标的低级阶段，发展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段。1 1 2 予午卫星导航系统的应用及缺陷2 0 世纪5 0 年代末，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统( n n s s ) 。子午卫星导航系统的问世，开创了海空导航的新时代，揭开了卫星应用技术的新篇章。7 0 年代，部分导航电文解密交付民用。从此，卫星多普勒技术迅速兴起。多普勒定位具有经济快速，精度均匀，不受天气和时间的影响等优点。只要在观测点上能收到从子午卫星上发出的无线电信号，就可在地球表面上任何地方进行单点定位或联测定位，获得观测站的三维地心坐标。7 0 年代中期，我国开始引进多普勒接收机，进行西沙群岛的大地测量基准联测。国家测绘局和总参测绘局联合测量并设置了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北地区测量并设置了卫星多普勒定位网，在美国卫星导航系统建立的同时，前苏联也于1 9 6 5 年建立了一个卫星导航系统，叫做c i c a d a 。该系统有1 2 颗所谓宇宙卫星。n n s s 和c i c a d a 卫星导航系统虽然将导航和定位推向了一个新的发展阶段，但是它们仍然存在着一些明显的缺陷，比如卫星少，不能实时定位。予午卫星导航系统采用6 颗卫星。并都通过地球的南北极运行。地面上空子午卫星通过的间隔时间较长，且低纬度地区每天的卫星通过次数远低于高纬度地区。具体的说，对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0 8 1 6 小时，对于同一子午卫星，每天最多通过次数为1 3 次，间隔时间更长。由于一台多普勒接收机一般需观测1 5 次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达到1 0 m 左右；而各个观铡站观测了公共的1 7 次合格的卫星通过时，联测定位精度才能达到0 5 m 左右。间隔时间和观测时间长，不能为用户提供实时定位和导航服务；而精度低限制了它的应用领域。子午卫星轨道低( 平均高度1 0 7 0 k m ) 难以精密定轨；以及子午卫星射电频率低( 4 0 0 m h z 和1 5 0 m h z ) ，难以补偿电离层效应的影响，致使卫星多普勒定位精度局限在米级水平( 精度极限0 5 - i r a ) 。总之，用子午卫星信号进行多普勒定位时，不仅观测时间长( 需要一两天的观测时间) ，而且既不能进行连续、实时定位，也不能达到厘米级定位精度，因此其应用受到较大限制。为了实现全天候、全球性和高精度的连续导航和定位，第二代卫星导航系统_ ( ；p s 全球定位系统便应运而生。卫星定位技术发展到一2个辉煌的历史阶段。1 1 3g p s 全球定位系统的建立1 9 7 3 年1 2 月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统：n a ￥s t a r g p s 。它是英文“n a v i g a t i o ns a t v l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ”的缩写，其意为“卫星测试测距导航全球定位系统”，简称g p s 系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性( 陆地、海洋、航空航天) 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位、定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。自1 9 7 4 年来，g p s 计划经历了方案论证( 1 9 7 4 1 9 7 8 年) ，系统论证( 1 9 7 9 1 9 8 7 年) ，生产实验( 1 9 8 8 1 9 9 3 年) 三个阶段，总投资超过2 0 0 亿美元。整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分。论证阶段共发射了11 颗叫做b l o c kl 的试验卫星，生产实验阶段发射b l o c k2r 型第三代g p s 卫星，g p s 系统由此为基础改建而成。图卜1g p s 卫星星座如上图。其基本参数为；卫星颗数2 1 + 3 ，卫星轨道面数6 ，卫星高度2 0 2 0 0 k m ，轨道面倾角5 5 度，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分( 恒星时1 2 小时) ，载波频率为1 5 7 5 4 2 m h z 和1 2 2 7 6 0 m h z 。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5 小时，在地球上任何地点任何时刻，在高度角1 5 度以上，平均可同时观测到6 颗卫星，最多可达9 颗卫星。g p s 工作卫星的在轨重量为8 4 3 6 8 公斤，其设计寿命为7 年半。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电。每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置。g p s 卫星通过1 2 根螺旋型天线组成的阵列天线发射张角大约为3 0 度的电磁波束，覆盖卫星的可见地面。卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由4 个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天第一章概述线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面。2 0 0 0 年5 月，美国政府取消了限制民用精度的s a 政策，仅在局部或个别卫星上实施s a 技术。为了与正在筹建中的欧盟伽利略系统争夺市场，美国推出了g p s 现代化计划，即实施广域增强系统和局域增强系统；进一步提高民用精度，计划2 0 0 3 年在l 2 载波上提供第二个民用信号，2 0 0 6 年前增加第三个民用频率l 3 = 1 1 7 6 4 5 m h z ，并提高其码频率和发射频率。总的目标是进一步改善g p s 的可用性、安全性和完善性。1 2q p s 市场及其在电力系统中的应用随着g p s 的发展，人们越来越意识到它作用的重大及应用领域的广泛和巨大的发展潜力。g p s 发展到今天已成为一个产业，g p s 将像汽车、无线电通信一样形成产业化。美国已成立g p s 产业协会，g p s 的广泛应用给美国带来了巨大的经济效益。根据有关资料表明，1 9 9 7 年g p s 工业大约为2 5 亿美元，2 0 0 0年将达到8 5 亿美元，到了2 0 0 5 年，g p s 市场将达l o o 一1 2 0 亿美元。日本在1 9 9 4的车载导航也有1 2 万套，1 9 9 5 年为4 7 万套，1 9 9 6 年为7 0 万套。我国目前也有一些单位生产车载c a p s 系统。为发展我国的g p s 产业武汉己成立中国g p s 工程技术研究中心。正是由于它的优异性能引起各行各业的兴趣，也正如专家所预言的那样，g p s 将改变许多行业的经营方式，它是继计算机革命之后的又一场革命。近年来，g p s 的应用领域出现了一些值得注意的变化。其一，从军用产品为主转变为以军民两用乃至以民用为主的产品。据报道，美国g p s 军用产品本和民用产品的销量比例为1 ：2 0 。其二，从少数部门应用，快速进入了广泛应用，而且渗透到大众日常生活中。其三，g p s 的应用迅速成为国民经济发展的新的增长点。其四，g p s 产品由于其专用i c 集成电路的成熟以及其接收机o e m 板最低价格可达1 0 美元或者1 0 美元以下，将不断出现手持式、卡片式等产品，更可以嵌入方式灵活地与其它消费品集成在一起，达到一种完美的集成产品。无论从军事竞争的需要还是民用的需求分析，g p s 皆己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。正因为如此，俄罗斯前几年尽管经济不太景气，却仍发射了9 颗属于g l o n a s s 系统的全球导肮卫星。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。中国继美国、俄罗斯、欧共体之后，也正加紧研制拥有自己主权的全球定位4第一章概述系统北斗导航系统。目前中国已发射了该系统中的第二颗北斗导航试验卫星。相信不久的将来，中国将拥有自己的全球定位系统。总之，g p s 产品的市场潜力极大，前景光明，如何及时有效地切入该市场，是当前一个必须努力的方向。随着电力系统规模的不断扩大，大容量、超高压、远距离输电日益增多，系统结构也日趋复杂，从而电力系统的时钟同步就显得越来越重要。由此，g p s技术在电力系统中得到广泛应用。目前，g p s 系统已应用于电力调度系统、继电保护装置、e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) ，s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统、故障录波器、分布式r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 、变电站综合自动化系统及遥测、遥信的数据处理、高压输电线路故障测距等。g p s 技术的具体应用及优点如下：1 2 1 为电网自动化装置提供时间标记电站内安装的故障录波器、事件记录仪、微机继电保护及安全自动装置、远动及微机监控系统采用统一的参考时间后，有助于分析电力系统故障与操作时各种装置动作情况及系统行为，搞清事故的起因与发展过程。这是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。目前，已有的电网自动化装置是由不同厂家在不同时期制造的，对信号利用方式不尽相同，大致有以下几种形式：脉冲同步方式、串行口方式、u g b 方式等等，g p s 电力系统同步时钟对这些信号方式都能满足。122 频率监视调度上经常通过比较电钟( 也称工频钟) 与标准时间的差异来比较系统频率误差积累情况。如果标准时间不准确，这一比较也就失去了意义。而使用卫星同步时钟的输出时间信号可以解决这一问题。1 23 相位测量知道电网各节点( 电站) 之间的电压相位关系，可以更好地了解电力系统的静态与动态行为，帮助调度人员进行合理的发电量及负荷调度。采取有针对性的稳定措施。通常的做法是把节点电压、电流幅值及功率值送人调度中心，e m s系统根据这些测量值、网络结构及节点阻抗值计算出主要电站间的电压相位关系，作为系统状态变量显示出来。由于计算量很大需要数秒时间完成一r 次计算并且会出现不收敛的情况。在系统的时钟统一后，做到各电站输人信号的采样脉冲同步，可以很容易地通过软件或硬件方法测出电站间电压的相位关系。要保证相位测量的准确性，采样脉冲同步误差要很小。利用广播电台及类似手段的对时方式是不合适的，它们第一章概述的对时误差在毫秒级，而l m s 的时间误差对5 0 k 系统来说就是1 8 度的相角差，显然是不能接受的。实际应用中，电站的相位测量装置应采用高稳定度的晶振( 1 s 的积累误差不超过1us ) ，并每秒被卫星同步时钟的1 p p s 脉冲同步一次，输入信号采样脉冲可按要求由该晶振时钟信号分频获得，这样可以做到整个系统采样脉冲时间误差在几个微秒以内对应相角测量误差不大于0 1 度。为了达到区分电站之间的电压相位关系的目的，还要有一定的通信规约，使得调度中心能识别每一电站送上来的电压相位测量的参考时间。1 2 4 故障测距阻抗原理的测距装置精度受过渡电阻影响严重，在系统的时钟统一后，调度中心可利用故障线路两端的故障录波器送上来的数据，根据线路两侧故障电流的相位关系，减小过渡电阻对母线处测量阻抗的影响，给出较为精确的故障点位置。卫星同步时钟的出现，为研制双端行波测距原理的装置创造了条件。线路故障后产生向线路两端运动的电流行波浪涌。通过常规电流互感器可以准确地获取线路电流行波信号，检：澳4 电流行波到达母线的时刻。假设线路全长为l ，行波在线路中传播速度为v ，故障后在线路s 、r 两端接收到故障初始行波浪涌的时间分别为t s 、t r ，两侧通过电话或自动通信联络交换信息后可以计算出故障点到s 、r 端的距离为：x s = l 2 + ( t s - t r ) v 2x r = l 2 + ( t r - t s ) v 2双端行波测距方案的关键是准确地记录下电流行波到达线路两端的时间，误差应在数个微秒以内，以保证故障测距误差在数百米以内( 行波在线路上传播速度一般是3 0 0 m 1 1s 。l 微秒时间误差对应约1 5 0 m 的测距误差) 。利用接收g p s卫星信号的电力系统同步时钟秒脉冲1 p p sb - - 串行口时间信息输出，可以很容易地做到这一点。双端行波测距装置原理简单、测距精度高而稳定，无疑是对传统的测距技术的革命。12 5 自适应继电保护在使用g p s 卫星时钟的输出对采样进行同步后，继电保护可以获取包括电压、电流相位在内的更全面的系统状态信息，以对继电保护装置的整定值、灵敏度、动作速度等进行在线调整，实现自适应保护。第一章概述1 2 6 继电保护装置试验线路纵联保护( 如高频相差保护) 安装在线路两端的电站里，在系统的时钟统一后，两端继电保护试验装置可按预先约定的时间顺序启动，产生模拟线路故障的电压电流信号，以便更全面地检验纵联保护装置的动作行为。1 3 本文所做工作为了能准确获得g p s 同步时钟信号，设计了一种基于d s 8 0 c 3 2 0 高速单片机的g p s 卫星同步时钟，包括此系统的硬件电路和软件设计。通过对d s 8 0 c 3 2 0 【2 1 双串行口的运用，简化了系统设计，并扩展了1 p p m ，1 p p h 等同步对时脉冲的输出。该g p s 卫星同步时钟可以完成对系统的设置，如串行口波特率、同步脉冲类型等等。通过串行口中断程序，可以从o e m 读取信息并将信息发送到自动化装置和l e d 显示，实现同步时钟功能。7第二章6 p s 的工作原理第二章6 p s 的工作原理2 1g p s 系统的构成g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分g p s 信号接收机。2 1 1g p s 工作卫星及其星座由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星构成g p s 卫星星座，记做( 2 l + 3 ) g p s星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道平面之间相距6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 度。在两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对于地球观测者来说，每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星，位于地球线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见4 颗，最多可见l l 颗。在用g p s 信号导航定位时，为了解算观测站的三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位卫星。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段称为“间隙段”。但这种时间间隙段是短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度。连续实时的导航定位测量。g p s 卫星的编号和实验卫星基本相同。其编号方法有：按发射先后顺序编号；按p r n ( 卫星采用的伪随机噪声码) 的不同编号；n a s a 编号( 美航空航天局对g p s 卫星的编号) ；国际编号( 第一部分为该星的发射年代，第二部分为该年中发射卫星的序号，字母a 表示发射的有效负荷) ；按轨道位置顺序编号等。在导航定位测量中，一般采用p r n 编号。在g p s 系统中，g p s 卫星的作用为：( 1 ) 用l 波段的两个无线载波( 1 9 c m 和2 4 c m 波) 向广大用户连续不断的发送导航定位信号。每个载波用导航信息d ( t ) 和伪随即码( p r n ) 测距信号进乱双相调制，用于捕获信号和粗略定位的伪随机码叫c a 码，用于精密定位的精密测距码叫p 码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。第二章g p s 的工作原理( 2 ) 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用s 波段( 1 0 c m 波段)发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过g p s 信号电路，适时的发送给广大用户。( 3 ) 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。g p s 卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。而对于g p s 定位成功的关键是高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高精度的时钟提供。因为1 0 1 秒的时间误差会引起3 0 c m 的站星距离误差，所以每颗卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟。g p s 卫星虽然发送几种不同的频率信号，但它们源于一个基准信号( 其频率为1 0 2 3 g h z ) 所以只需启用一台原子钟，其余作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。，2 1 2 地面监控系统对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点。卫星的位置是根据卫星发射的星历( 描述卫星运动及其轨道的参数) 算得的。每颗g p s 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的轨道运行，都要由地面设备进行监控。地面监控系统的另一个重要的作用是保持各颗卫星处于同时间标准g p s 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，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设备。g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个检测站。主控站设在美国本土科罗多拉。主控站的任务是收集。处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和g p s 时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文，传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失控的工作卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的第二章g p s 的工作原理卡瓦加兰。其任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器，每天注入三次，每次注入1 4 天的星历。此外，注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之外的四个站外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用g p s 信号接收机对每颗可见卫星每6 分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每1 5 分钟平滑一次观测数据，据此推算出每2 分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。213信号接收机g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间。静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收机高精度的测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标( 其原理详见本章第二节) 。而动态定位则是用g p s接收机测定一个运动物体的运动轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆) 。载体上的g p s 接收机天线在跟踪6 p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的状态参数( 瞬间三维位置和三维速度)接收机硬件和机内软件以及c - p s 数据的后处理软件包，构成完整的6 p s 用户设备。6 p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分为两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连成一个整机。或将接收单元和天线单元制作成一个整体，观测时将其安装在测站点上。g p s 接收机一般用蓄电池作为电源，同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电源的目的是更换外电源时不中断连续观测。在用机外电池的过程中机内电池自动充电。关机后，机内电池为r a m 存储器充电，以防止丢失数据。l o第二章g p s 的工作原理2 2g p s 系统的基本定位、授时原理口1g p s 定位原理比较复杂，这里只概述其基本原理。二维平面定位基本原理可用“三点定位法”来说明。三点定位法需要有三个坐标已知的参考点，并且知道被测点到参考点之间的距离，以参考点为圆心、以被测点到各参考点的距离为半径画圆周，三个圆周的唯一交点即是被测点的确切位置，如下图所示。对于三维空间定位，可同理采用“四点定位法”。在g p s 系统中，参考点就是悬在空中的卫星。卫星位置包含在导航信息中，只要测量出卫星发射信号的时亥0 与它到达用户时刻的时间间隔，即可求得卫星与用户之间的距离。从而被测点在地球上的位置可由地面接收装置中的计算机计算出来对于陆上和海上二维位置( 经度和纬度) 来说，只要观测3 颗卫星就可以；对于空间的三维位置( 经度、纬度和高度) ，需要采集4 颗卫星的信号才能计算确定。g p s 授时是在定位的基础上完成的。接收机将卫星信号( 本章第三节予以说明) 解码后得出导航电文( 本章第四节予以说明) ，能够把本身时钟与卫星时钟对准，测出它与各卫星之间的距离，计算出自己所处的位置( 经、纬度) 、高度。一旦g p s 接收机确定出自己的方位，如果不被移动的话，它仅需要接收视野中一个卫星上的信号。接收器能补偿信号在卫星与接收器之间的传输延时，输出与国际标准时( u t c ) 误差为lps 的1 p p s 秒脉冲选通信号，并通过串行口输出国际标准时间、日期、所处方位等信息。第二章g p s 的工作原理2 3g p s 系统的卫星信号2 3 1 概述c p s 系统采用了特殊的信号调制技术，尽管一般只有4 颗卫星在接收视野中，但一个g p s 接收机却能够同时接收到六到八颗卫星上的信号。下面就简要说明g p s 的信号调制技术。g p s 卫星信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为i o 2 3 m h z 。g p s 使用l 波段的两种载频：l 。载波：f l , = 1 5 4 f o = 1 5 7 5 4 2 z ，波长五。= 1 9 0 3 2 c ml 2 载波：f l 2 = 1 2 0 x f 0 = 1 2 2 7 6 删z ，波长a2 = 2 4 4 2 c m选择这两个载频，目的在于测量出或消除掉电离层效应引起的延时误差。在无线通信技术中，为了有效的传播信息，都是将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用的信号传送出去，到达用户接受机。g p s 卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的。调制码的幅值只取0 或l 。如果当码值取0 时，对应的码状态取为+ l ，而码值取1 时，对应的码状态取为一l ，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波与码状态+ i 相乘时，其相位不变，而与码状态一1 相乘时，其相位改变了1 8 0 度。所以当码值从l 变0 或从0 变l 时，都将使载波相位改变1 8 0 度，这时的载波信号实现了调制码的相位调制。根据这一原理，将g p s 中的三种信号合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以收到的g p s 信号。在l 。载频上由数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式进行调制，在k 载频上，只有p 码进行双向调制。综上所述，卫星发射的所有信号分量都是由同一基本频率f 。产生的，其中包括：载波l i ，k ，粗测距码c a 码，精测距码和数据码。经卫星发射天线发射出去的信号分量包括：l ，- - c a 码，l l p 信号，l 2 一p 信号。2 3 2 伪随机噪声码的特性伪随机噪声码，又叫伪随机码或伪噪声码，简称p i n ，是一个具有一定周期的取值0 和l 的离散信号串。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特性，而第= 章g p s 的工作原理且具有某种确定的编码规则。g p s 信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。伪随机码的产生方式很多。g p s 技术采用m 序列，即利用最长线性反馈移位寄存器产生。m 序列有下列特性：( 1 ) 均衡性：在一个周期中，“1 ”和“0 ”数目基本相等，“1 ”比“0 ”数目多一个，不允许出现全0 状态。( 2 ) 游程分布特性：在序列中，相同的码元连在一起称为一个游程。一般说来，长度为l 的游程占总数的1 2 ，长度为2 的游程占总数的t 4 ，如此类推。连续是“l ”的游程和连续是“0 ”的游程各占一半。( 3 ) 自相关函数特性：m 序列的自相关函数只有两种取值l 或一1 。这一特性非常重要，6 p s 信号接收机就是利用这一特性使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同g p s 卫星的伪噪声码，解译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站之间的距离等。( 4 ) 伪噪声特性；如果我们对随机噪声取样，并将每次取样按照次序排成序列，我们发现其功率谱为正态分布。由此形成的随机码具有噪声码的特性。m序列在出现概率、游程分布和自相关等特性上与随机噪声十分相近。正因为这样，我们将m 序列称为伪随机码，或人工能复制出来的噪声码。2 3 3 粗码c a 码c a 是用于粗测距和捕获g p s 卫星信号的伪随机码。它是由两个1 0 级反馈移位寄存器构成的g 码产生的。两个移位寄存器于每星期日零时，在置“1 ”脉冲作用下全处于l 状态，同时在码率1 0 2 3 4 h z 驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为n = 2 ”一l = 1 0 2 3 ，周期为l m s 的两个m 序列g 。( t ) 和g 。( t ) 。g 。( t )序列经过相位选择器，输入一个与g 。( t ) 平移等价的m 序列，然后与g 。( t ) 模2 相加，可得c a 码，即c a ( t ) = g 。( t ) o g 。( t + i t 。) 。采用不同的i t 。值可能产生1 0 2 3 个g 。( t ) ，再加上g 。( t ) 和6 。( t ) 本身，共可能产生1 0 2 5 种结构不同的c a 码供选用。这些c a 码具有相同的码长n =2 1 0 一1 = 1 0 2 3b i t ，相同的码元宽t 。= 1 f 。= o 9 8 u s ( 相当于2 9 3 1 m ) 和相同的周期t 。= n t 。= l m s 。从这些g ( t ) 码中选择3 2 个码以p r n l p r n 3 2 命名各种g p s 卫星。由第二章g p s 的工作原理于c a 码码长很短，易于捕获，所以c a 码除了作为粗铡码外，还作为g p s 卫星信号的捕获码，并由此过渡到捕获p 码。c a 码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码宽的1 1 0 ，则此时相应的测量误差为2 9 3 - - 2 9 3 m 。随着现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0 i m 。2 3 4 精码p 码是卫星的精测码，码率为l o 2 3 m h z ，它是由两个伪随机码p n ，( t ) 和p n 2 ( t )的乘积得到的。p n ，( t ) 是由两级1 2 位移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码1 4 5 0 1 和1 7 1 4 7 形成周期为1 5 s 的m 序列p n 。( t ) 。一周期的码位数为：n i = i 0 2 3 x1 0 6 1 5 = 1 5 3 4 5 i 0 6 位p n z ( t ) 是由另两级1 2 位移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码1 7 6 7 3 和1 1 4 3 5 形成的两个m 序列。码率与p n ，( t ) 相同，但码位比其多3 7 个码元，即码长为：n 2 = 1 5 3 4 5 1 0 6 + 3 7因此p 码为：p ( t ) = p n 。( t ) p n 2 ( t + n it ) ，o n 。3 6其对应的码元数为：n = n ，n 2 = 2 3 5 1 0 “相应的周期为：t p = n f pm 2 6 7 天“3 8 星期在乘积p ( t ) 中，n i 可取0 ，1 ，2 ，3 3 6 。这样可得到3 7 种p 码。在实际应用中，p 码采用7 天的周期，即在p n ，( t ) op n 2 ( t + n 。f ) 中截取一段周期为7 天的p码，并规定每星期六午夜零点使p 码全置“l ”状态作为起始点。在这3 7 个p码中，3 2 个供g p s 卫星使用，5 个供地面站使用。因为p 码的码长为6 1 9 l o “b i t ，所以采用c a 码的搜索方式是无法实现的。一般都是先捕获c a 码，然后根据导航电文给出的有关信息来实现p 码的捕获。由于p 码的码元宽度为0 0 9 8us ，相当于距离2 9 3 m ，所以，若