嵌入式系统中精确的卫星定位授时与同步

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1、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：LNARF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、Fijit

2、su、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(GlobalNavigationSystem)、中国的北斗导航

3、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1μs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

4、的卫星导航设备。目前，美国与俄罗斯一道正在维护GLONASS，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：

5、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CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)或频分多址FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)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

6、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(PulsePerSecond)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

7、站计算出两种途径所需时间t1和t2，设卫星的位置为(xi,yi,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