科技與授時的聯姻：追溯北斗GPS雙模授時模塊的成功研發歷程

文_ 北斗天匯科技有限公司

科技與授時的聯姻：追溯北斗GPS雙模授時模塊的成功研發歷程

文_ 北斗天匯科技有限公司

我國從2000年開始，陸續發射了4顆 “北斗一號”01到04號試驗導航衛星，組成了我國第一個衛星導航定位系統。十年磨一劍，系統穩定運行，用戶顯著增加。然而，涉及國家經濟社會安全的通信、電力、金融系統等諸多關鍵基礎設施領域的時間同步大多采用GPS授時。針對這一現狀，北斗天匯（北京）科技有限公司（簡稱：北斗天匯公司）從成立期初，專注北斗應用研究，瞄準授時應用前景廣闊的市場需求，自主研發創新和系統集成創新，成功研制北斗GPS雙模授時模塊。

1 授時模塊的研發歷程

在首先保證滿足各項性能指標的同時，研發的每一個階段均貫徹了雙模備份、兼容性、低功耗等方面的設計理念，融合了高精度的授時算法，支持無源定位和氣壓測高等功能，完善的圖形化軟件平臺支持。最終實現的授時模塊尺寸小、接口兼容，可以方便的替換原有的授時設備，也易于在各種裝備中集成。

以研發歷程的時間為序，可以劃分為四個階段：

（1）組合式北斗單模授時板卡研制；

（2）一體式北斗單模授時板卡研制；

（3）小型化北斗單模授時模塊研制；

（4）小型化雙模兼容授時模塊研制。

整個研發歷程是一次產品升級、功能完善、技術進步的過程，目前產品的最新版本已經處于精度高、體積小、功耗低、成本廉的業界領先地位。下面對四個研發階段進行回顧。

圖1 產品升級歷程

1.1 組合式北斗單模授時板卡研制

2007年公司成立伊始，就瞄準北斗產業化重點布局，開始了北斗單模授時板卡的研制。本階段采用獨立射頻模塊組合信號處理板的方式，實現了原型北斗單模授時板卡，當時公司尚不具備獨立研發射頻電路的科研能力，因此射頻模塊外購解決。此階段實現的技術跨越主要有，完成了基帶信號處理的板級集成，原型產品具備了單向授時、三星無源定位功能。但存在板卡面積大、厚度超限、成本高等缺點。組合式北斗單模授時板卡如圖1-1所示。

圖1-1

1.2 一體式北斗單模授時板卡研制

2007年下半年，在組合式原型板卡成功研制的基礎上，為了克服組合式設計帶來的缺陷，公司投入人力財力進行技術攻關，進入一體式板卡的研制。實現了射頻基帶一體化設計，性能不低于組合式產品。完成本次技術跨越后，可全部獨立進行產品開發生產。一體式板卡解決了厚度超限、成本較高的問題，但其面積問題仍然沒有克服。一體式北斗單模授時板卡如圖1-2所示。

圖1-2

1.3 小型化北斗單模授時模塊研制

2008年初，以市場需求為牽引，基于前期的技術積累，進入產品小型化研發階段。公司機智攻關，采用業界先進的設計理念和工程方法，對軟硬件設計方案進行多種優化，最終實現產品小型化。此時的產品體積小、尺寸接口實現了標準化。同時對授時算法進行了優化，實現了守時功能，能保證在衛星信號中斷的情況下繼續提供較高質量的時間輸出。此時的產品進行了多種指標測試，性能完全達到相關要求。小型化北斗單模授時模塊如圖1-3所示。

圖1-3

1.4 小型化雙模兼容授時模塊研制

2008年中期，瞄準中國移動有關技術要求，為了在規定面積下實現北斗/GPS雙模，公司又一次完成技術飛躍，在有限面積下實現了雙模兼容，2009年初成功完成了小型化雙模授時模塊的研制。模塊采用先進的雙模兼容技術，確保多種備份切換方式。同時引入了完善的狀態檢測功能，包括天線開短路、信號完好性等，為用戶提供可靠的時間輸出。同時完善了多種協議，除了支持北斗天匯專有協議外，還兼容了NMEA0183、TSIP、UBX、BD4.0等多種協議，用戶使用中可以靈活選擇。加入了板載溫度氣壓期間，通過帶標校的高程氣壓算法，實現了高程輔助的自主定位。完成標準化生產流程，具備大規模生產能力。為方便用戶適應不同環境授時應用，開發了控制軟件與北斗-GPS雙模授時模塊配合使用。其具有圖形顯示直觀方便；多手段控制，參數配置靈活；綠色免安裝，運行穩定等特點。其顯示如圖2所示。小型化雙模兼容授時模塊如圖1-4所示。

圖1-4

圖2 軟件平臺部分界面

根據上述回顧，現將每一階段產品完成的技術革新與進步以列表的形式展現，如表1所示。

2 研發歷程中的技術升華

2.1 雙模備份設計

GPS系統作為穩定運行的成熟系統，已經廣泛應用，在北斗授時模塊中集成GPS模塊，用于系統備份，可明顯提高整機的可靠性。同時具備應對各種場景的雙模切換比對算法，保證故障識別的準確、可靠、迅速。

2.2 兼容設計

目前，鑒于非北斗授時的設備已大量應用于軍民領域，但北斗授時將逐步占據主導。為了實現平穩過渡與替換，必須與廣泛使用的安裝尺寸、硬件接口及數據協議等方面盡可能的兼容。本文介紹的產品采用與Trimble resolutionT一致的安裝尺寸和硬件接口，同時也完全符合中國移動北斗授時規范中提出的接口要求，其具體尺寸如圖3所示。

表1 研發歷程對照表

圖3 授時模塊結構尺寸

2.3 低功耗設計

模塊功耗小于1.5 W（不含天饋）。為了降低功耗，在算法級和硬件級均做了相應的考慮。在信號捕獲跟蹤過程中采用FFT、并行運算、運算單元復用等方法，降低運算量；采用合理有效的任務調度策略，使用流水調度、采用可剝奪式內核管理機制，降低空閑任務的執行周期，縮短任務切換時間開銷。上述處理均有效的降低了處理器運算負擔，降低了工作頻率，進而減小了整機功耗。硬件設計上，首先實現了高效的供電電路，采用合理的變壓策略，降低了功率額外損失；在器件選型上，兼顧實現功能和降低功耗兩方面需求，使用低功耗器件，在必要時刻令部分器件進入省電模式。

2.4 穩定性設計

在很多應用場景下要求授時設備長期連續穩定運行，穩定性比精度更為重要，為了加強模塊的魯棒性，在設計環節進行了大量的抗壓測試，有效排除可能的程序死鎖環節，同時在程序關鍵節點設置了看門狗機制，保證程序自動恢復。同時在協議數據中包括完整的模塊可用性標志信息，可對信號失鎖、天線開短路、結果異常等多種情況進行數據通知，保證結果完好性。在硬件設計中，合理布局布線，充分考慮EMC設計原則，進行有效的屏蔽處理，器件選型過程中對所有器件進行溫濕振動等環境參數審核，避免個別器件引起整機穩定性下降。

2.5 高精度授時算法

授時模塊精度指標為：精確度小于10ns（1σ），準確度小于100ns（位置精確獲取時）。為了實現該精度進行了如下處理，結合系統特點和工程實際，采用多種定時修正與補償算法，最大限度的縮小大氣層、地球自轉效應、設備零值，系統殘差項。使用濾波及毛刺剔除算法，消除定時結果的粗差。利用板載高穩頻標，及授時結果的歷史信息，實現自動守時，以應對信號中斷，由于采取了融合算法，使守時頻率準確度比板載頻標高至少兩個數量級。

3 測試結論

2007年底北斗天匯公司成功研制的北斗單向授時模塊，經北斗用戶設備權威部門的定標測試，精度優于30ns。

2008年7月北斗天匯公司參加中國移動組織的北斗接收機實驗室長期性能測試驗證，以及在多個省市現網上的不同基站設備內部內置北斗授時模塊的同步性能監測、授時機與基站接口對接的性能測試，測試結果表明北斗衛星可以提供長期的小于100ns的時間精度，完全可以滿足TD系統亞微秒的精度要求。

2009年8月北斗天匯公司參加總部組織的集中裝備采購招標，北斗授時模塊測試項目滿分，技術排名第一。

4 總結與展望

北斗天匯公司歷時兩年成功研制的高精度雙模授時模塊，精度高、體積小、功耗低、成本廉，業已走過自動化貼片生產模塊的工藝流程，一條SMT貼片流水生產線月產能2萬塊，為推進北斗授時應用產業化打下堅實的基礎。隨著北斗衛星導航系統應用的不斷深入，高精度北斗授時應用將會更好地服務于國防科技和國民經濟建設。S