北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS互備的廣播電視授時(shí)單元*

陳孟元，凌有鑄，王冠凌

（安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是廣播電視安全播出的前提條件，在廣播電視系統(tǒng)中具有重要的地位。目前，我國(guó)的廣播電視中心常利用GPS授時(shí)來(lái)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，但是GPS授時(shí)存在手段單一、沒(méi)有自主控制權(quán)等方面問(wèn)題，不僅短期穩(wěn)定性差，而且安全性不強(qiáng)。主要表現(xiàn)在：1）GPS接收模塊的抗干擾性能差，當(dāng)出現(xiàn)小鳥(niǎo)等不明物體在GPS接收模塊天線停留的情況下可能出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的情況，因此，如何保證衛(wèi)星失鎖后電視節(jié)目的繼續(xù)安全播出，是必須考慮的問(wèn)題；2）GPS接收模塊輸出的時(shí)間信號(hào)短期穩(wěn)定性差，例如標(biāo)稱時(shí)間精度為1 ms的OEM板，其秒脈沖偏差可能達(dá)到10 ms，因此，直接利用GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信號(hào)和秒脈沖信號(hào)校準(zhǔn)守時(shí)鐘，很難保證廣播電視系統(tǒng)中所要求的連續(xù)時(shí)間精度；3）當(dāng)人為因素對(duì)太空中的GPS衛(wèi)星試驗(yàn)時(shí)可能造成GPS時(shí)間跳變，例如1995年曾連續(xù)2個(gè)月觀測(cè)到衛(wèi)星試驗(yàn)引起的時(shí)間跳變，跳變量達(dá)20 ms，因此，直接利用GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間信號(hào)必然影響電視播出質(zhì)量[1]。

除上述GPS授時(shí)技術(shù)方面的問(wèn)題，更重要的是GPS授時(shí)存在沒(méi)有自主控制權(quán)的問(wèn)題。GPS是由美國(guó)軍方掌控的系統(tǒng)，局部屏蔽GPS信號(hào)技術(shù)試驗(yàn)（即在需要的時(shí)候可以局部關(guān)閉GPS信號(hào)）于2000年1月獲得成功，使得其可用性和授時(shí)精度均受制于美國(guó)的GPS政策[2]。因此現(xiàn)階段廣播電視系統(tǒng)中使用GPS授時(shí)顯得手段單一，信息安全得不到保障，尋找可依賴的時(shí)鐘源對(duì)于衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)在廣播電視系統(tǒng)中的應(yīng)用至關(guān)重要。

2 北斗授時(shí)應(yīng)用于廣播電視系統(tǒng)可行性分析

我國(guó)于2000年 10月 31日、2000年12月 21日、2003年5月25日使用CZ-3A火箭成功將“北斗一號(hào)”中的3顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，其中第3顆星為備份星，連同地面的配套設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成[3]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將定位、通信、授時(shí)功能合為一體，軍用方面可為陸、海、空三軍作戰(zhàn)部隊(duì)提供快速定位服務(wù)，民用可為海上、陸地交通工具及地面用戶定位、導(dǎo)航、調(diào)度提供服務(wù)。但目前北斗系統(tǒng)的應(yīng)用水平與國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS系統(tǒng)）相比還存在一定的差距，尤其是在民用方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的水平。

2.1 衛(wèi)星信號(hào)的覆蓋范圍

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是繼美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS后第3個(gè)投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是世界上第1個(gè)區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。中國(guó)國(guó)土主體位于65°E～145°E，17°N～57°N 之間，該系統(tǒng)可以覆蓋地球 45°E～145°E，5°N～55°N的范圍，可以全天候?qū)χ袊?guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)進(jìn)行定位及授時(shí)，可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)的服務(wù)范圍已完全覆蓋了中國(guó)廣播電視系統(tǒng)所包含的區(qū)域[3]。

GPS雖能全球覆蓋，但由于軌道較低而使得用戶的遮蔽角大，信號(hào)在山區(qū)容易被遮擋。北斗衛(wèi)星位于中國(guó)上空36000 km的靜止軌道，地面用戶基本都處于高仰角工作狀態(tài)，信號(hào)不易被附近的高大物體遮蔽，接收模塊更容易接收到信號(hào)，該特點(diǎn)使得北斗衛(wèi)星授時(shí)特別適用中國(guó)高山偏遠(yuǎn)地區(qū)廣播電視臺(tái)授時(shí)系統(tǒng)。

2.2 可接受的用戶容量限制

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時(shí)功能，根據(jù)不同的精度要求，提供100 ns（單向授時(shí)）和20 ns（雙向授時(shí)）的時(shí)間同步精度。授時(shí)技術(shù)的可擴(kuò)展性是受用戶容量所限制，因此必須考慮北斗授時(shí)的用戶容量限制問(wèn)題。GPS是單向測(cè)距系統(tǒng)，用戶設(shè)備不需要地面中心站的介入，只要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的衛(wèi)星星歷電文即可獲得用戶時(shí)鐘相對(duì)GPS時(shí)鐘的時(shí)間偏差，所以GPS的用戶容量是無(wú)限的。“北斗一號(hào)”采用集中式信號(hào)處理，定位、通信和雙向定時(shí)都必須通過(guò)中心站進(jìn)行，由中心站判斷用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)類型，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)的用戶容量取決于中心站允許的信道阻塞率、詢問(wèn)信號(hào)速率和用戶的響應(yīng)頻率。然而當(dāng)廣播電視授時(shí)單元的接收天線在電視臺(tái)授時(shí)中心安裝好的情況下就不會(huì)移動(dòng)位置，因此可在授時(shí)單元安裝好后將天線的位置坐標(biāo)通過(guò)軟件寫(xiě)入北斗授時(shí)模塊中，授時(shí)模塊在知道位置坐標(biāo)的情況下采用單向授時(shí)方式，用戶設(shè)備容量就不受限制。

3 北斗與GPS互備的授時(shí)單元結(jié)構(gòu)

北斗與GPS互備的授時(shí)單元結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由微處理器單元、北斗模塊、GPS模塊、DS3232守時(shí)芯片、鍵盤顯示單元等主要部分組成。

其中北斗模塊、GPS模塊的選擇規(guī)則如下：

1）當(dāng)兩路均接收到時(shí)間，根據(jù)外部設(shè)定輸出北斗或者GPS時(shí)間；

2）當(dāng)某一路發(fā)生異常時(shí)，選擇非異常的輸出；

3）當(dāng)兩路均異常或外部無(wú)設(shè)定輸出對(duì)象，輸出DS3232守時(shí)芯片時(shí)間。

3.1 微處理器單元

微處理器單元選擇的是國(guó)內(nèi)廠商宏晶科技生產(chǎn)的單片機(jī)STC11F16。

微處理器通過(guò)串口 1（P3.0，P3.1）、串口 2（P1.6，P1.7）、P1.0和P1.1與GPS授時(shí)模塊、北斗授時(shí)模塊、RS-232和RS-422進(jìn)行通信，并依靠1片GAL16V8完成分時(shí)復(fù)用；P1.0，P1.1，P1.2 接 GAL 芯 片 ；P3.4，P4.3，P1.3 接 DS3232本地時(shí)鐘芯片；P2.7，P2.5接鍵盤顯示模塊BC7281的串口、鍵盤中斷 CPU 的外中斷；P1.5，P4.6，P4.1，P4.5 為實(shí)時(shí)鍵、秒、分、時(shí)指示燈接口。STC11F16單片機(jī)接口如圖2所示。

3.2 北斗模塊

7X-BDM北斗授時(shí)OEM產(chǎn)品是七星創(chuàng)宇公司的單星單向授時(shí)產(chǎn)品，北斗授時(shí)接收機(jī)的板卡與載板通過(guò)接插件直接相連，接口采用通用的2.54 mm間距的20pin接插件，北斗授時(shí)模塊通過(guò)射頻接口（SMB-J）與北斗天線相互連接，如圖3所示。

北斗授時(shí)模塊和硬件之間數(shù)據(jù)/電源接口為8針插針，接口電路如圖4所示，北斗模塊的輸出電平為L(zhǎng)VCMOS邏輯電平，通過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換為TTL電平，圖中SA2提供+3.3 V直流穩(wěn)壓電源給北斗模塊。1PPS（秒脈沖）（上升沿與北斗時(shí)刻相差在100 ns以內(nèi)）輸出接到單片機(jī)的中斷上，來(lái)同步校正本地時(shí)鐘[4]。

3.3 GPS模塊

GPS模塊選擇Garmin公司研制開(kāi)發(fā)的GPS15L OEM。單片機(jī)的串口 1（P3.0，P3.1）分別和 GPS15L板的 TXD1，RXD1連接。GPS15L板在初始化后輸出1PPS秒脈沖（上升沿與GPS時(shí)刻相差在50 ns以內(nèi)）作為單片機(jī)的外部中斷源，實(shí)現(xiàn)校正本地時(shí)鐘[5]。

3.4 高精度本地鐘DS3232

DS3232是低成本溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），內(nèi)置精度極高的溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）以及236 byte電池備份SRAM，此外，DS3232還具有電池輸入，可在器件主電源掉電時(shí)保持精確計(jì)時(shí)。RTC可以計(jì)數(shù)秒、分、時(shí)、星期、日期、月份和年份信息。DS3232與微處器連接圖如圖5所示。

經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)和比較器電路用來(lái)監(jiān)視VCC狀態(tài)，以便檢測(cè)電源失效，提供復(fù)位輸出，并在必要時(shí)自動(dòng)切換到備份電源。此外，器件對(duì)RST引腳進(jìn)行監(jiān)視，因此該引腳可作為按鈕輸入以產(chǎn)生復(fù)位。

4 兩種授時(shí)秒脈沖的同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了北斗與GPS互備的授時(shí)單元，如圖6所示。由于GPS時(shí)間滿足廣播電視系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的精度要求，GPS時(shí)間與其秒脈沖上升的時(shí)刻相差在50 ns以內(nèi)，因此在廣播電視授時(shí)領(lǐng)域，只要對(duì)比北斗與GPS秒脈沖的同步性，即可判斷北斗授時(shí)是否適用于廣播電視系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了北斗授時(shí)和GPS授時(shí)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明北斗與GPS授時(shí)脈沖的同步性（上升沿同步精度和上升沿斜率）。

為了測(cè)試兩種授時(shí)脈沖的同步精度，將兩套互備授時(shí)單元分別接收到的北斗授時(shí)秒脈沖和GPS授時(shí)秒脈沖同時(shí)接入一臺(tái)示波器，觀察兩個(gè)脈沖的上升沿時(shí)間差，北斗與GPS的秒脈沖時(shí)間誤差主要分布在1 μs以內(nèi)。采用相同的方法測(cè)試兩種秒脈沖上升沿的斜率，上升沿斜率基本相同，均能在100 ns內(nèi)完成跳變。因此北斗時(shí)間滿足電視信號(hào)以幀（40 ms）或場(chǎng)（20 ms）為播出單位的播出精度。

除同步對(duì)比實(shí)驗(yàn)外，還進(jìn)行了北斗和GPS互備授時(shí)實(shí)驗(yàn)。將授時(shí)單元的北斗授時(shí)時(shí)間設(shè)置為輸出時(shí)間，此時(shí)長(zhǎng)時(shí)間遮蔽或拔出北斗授時(shí)天線，裝置能迅速判別北斗時(shí)間為不正常時(shí)鐘源，自動(dòng)選擇GPS授時(shí)修正本地時(shí)鐘，輸出精確的時(shí)間，反正亦然。

將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS互備的授時(shí)單元應(yīng)用于廣播電視系統(tǒng)授時(shí)技術(shù)中，以北斗授時(shí)優(yōu)先獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與系統(tǒng)本地時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)以GPS為輔助授時(shí)源。兩種方式互為備份，彌補(bǔ)長(zhǎng)久以來(lái)使用GPS作為唯一授時(shí)源存在的手段單一和沒(méi)有自主控制權(quán)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，此項(xiàng)研究對(duì)改變國(guó)外衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)對(duì)我國(guó)市場(chǎng)的壟斷，保證我國(guó)的信息安全，具有重要的意義。同時(shí)依據(jù)本文設(shè)計(jì)的作品入選第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽。

[1]王元虎，周東明.衛(wèi)星時(shí)鐘在電網(wǎng)中應(yīng)用的若干技術(shù)問(wèn)題[J].中國(guó)電力，1998，31（2）：10-13.

[2]李建，謝小榮，韓英鐸，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS互備授時(shí)的分布式相量測(cè)量單元[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（9）：1-5.

[3]馬瑞峰.基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的偽衛(wèi)星技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[4]BAUCH A，PIESTER D，MOUDRAK A，et al.Time comparisons between USNO and PTB：a model for the determination of the time off set between GPS time and the future Galileo system time[C]//Proc.the 2004 IEEE InternationalFrequency ControlSymposium and Exposition，Montreal，Canada，2004：334-340.

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