GPS時鐘同步在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭博

【摘要】 論文介紹了GPS時鐘同步技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。GPS接收機根據(jù)收到的衛(wèi)星信息，經(jīng)過算法算出自身經(jīng)度、緯度、高度和時間信息，并產(chǎn)生秒脈沖（PP1S），無線通訊系統(tǒng)時鐘通過軟件鎖相環(huán)技術(shù)同步這個PP1S脈沖實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘同步的目的。此應(yīng)用同時具有時鐘信號長期穩(wěn)定性好和脈沖信號短期穩(wěn)定性好的特性，能夠完好的使時鐘信號保持同步。在鎖相環(huán)理論基礎(chǔ)上實現(xiàn)高效的反饋系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將系統(tǒng)的秒脈沖信號與本地的秒脈沖信號對調(diào)整本地時鐘，完成對時鐘同步的控制。

【關(guān)鍵詞】 GPS 時鐘 鎖相環(huán)

前言：GPS是目前使用非常廣泛的全球定位系統(tǒng)之一。它的同步時鐘可提供長期穩(wěn)定的時鐘頻率和絕對時間信息，應(yīng)用非常廣泛，因此無線通信行業(yè)的時鐘同步方案目前主要采用GPS時鐘同步。本文淺談一種簡單的數(shù)字鎖相環(huán)時鐘同步方法，利用鎖相環(huán)原理實現(xiàn)本地時鐘和GPS時鐘的同步。

一、GPS和時鐘信息的獲取

1.1 GPS的簡介

1、 GPS系統(tǒng)的定義。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。最早是在1958年，作為美國軍方的一個項目，美國在1964年開始投入使用，主要的是用在軍事領(lǐng)域。為陸海空三大領(lǐng)域提供全球性的導(dǎo)航服務(wù)，用來收集所需要的信息。

2、GPS的特點。定位精度高：通過長期的使用實踐，GPS的定位精度相當(dāng)?shù)母撸?0千米內(nèi)的范圍中可以達(dá)到6-10m的誤差，1000千米內(nèi)可以達(dá)到9-10m的誤差。在工程精密定位中，1個小時以上的觀察測試其平面位置誤差小于1mm，與電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。實時單點定位用于導(dǎo)航：p碼1-2m；c/a碼5-10m。實時偽距差分精度達(dá)分米級。實時相位差分精度達(dá)1-2cm。觀測時間短：隨著系統(tǒng)的逐漸升級，軟件的持續(xù)更新，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需18分鐘左右；快速的靜態(tài)相對定位測量，當(dāng)每個測量點與目標(biāo)點相距在以15km內(nèi)時，測量點的觀測時間只需1-2分鐘；實時的動態(tài)定位模式，每站觀測僅需幾秒鐘。因而使用技術(shù)建立控制網(wǎng)，可以提高其效率。儀器操作簡便：隨著科技的進(jìn)步與研究，使得測量的自動化程度越來越高，正在向著傻瓜式發(fā)展。在觀測時，測量員只需要安置好儀器，正確連接電纜線，觀察儀器的工作狀態(tài)，對于觀測工作，如：衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。測量結(jié)束后，只需要關(guān)掉電源裝好設(shè)備，便完成了數(shù)據(jù)采集任務(wù)。如果在一個測站上需作長時間的連續(xù)觀測，還可以通過數(shù)據(jù)通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集與處理。另外，接收機體積也越來越小，相應(yīng)的重量也越來越輕，極大地減輕了測量工作者的勞動強度。抗干擾性能好、保密性強：由于系統(tǒng)釆用了偽碼擴頻技術(shù)，因而衛(wèi)星所發(fā)送的信號具有良好的抗干擾性和保密性。

二、GPS獲取時鐘的參考時間

系統(tǒng)可以高精度的定位和授時的條件是系統(tǒng)的時間體系，該體系是由衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的高精度原子鐘的同步運作為保障。每顆衛(wèi)星原子鐘工作頻率為它產(chǎn)生穩(wěn)定性時鐘信息和其他信息由兩個載波頻率和兩種偽隨機碼（p碼和c/a碼）調(diào)制后向地面發(fā)射，發(fā)射的內(nèi)容還包括衛(wèi)星的狀態(tài)、轉(zhuǎn)換文字等。GPS是利用到達(dá)時間（toa）測距原理確定用戶接收機位置和授時的。這種原理是由確定位置的信號源來發(fā)出信號，接收機記下信號接收到的時間。假如信號源的時鐘和接收機的時鐘是同步完成的，則將信號的轉(zhuǎn)播速度乘信號轉(zhuǎn)播時間就可求出信號源到接收機之間的距離。事實上，信號機和接收源是肯定存在誤差的，所以這樣測得的數(shù)據(jù)也是不真實的，在實際應(yīng)用時，要想法去掉誤差，求出真實距離。

三、GPS時鐘的同步

為了使無線通信系統(tǒng)中的本地時鐘同步于GPS時鐘，我們采用了鎖相環(huán)的技術(shù)原理。如圖1所示，

首先獲取GPS時鐘產(chǎn)生的PP1S信號，本地時鐘也會產(chǎn)生PP1S信號。利用兩個電信號的相位誤差，通過環(huán)路自身調(diào)整作用，實現(xiàn)輸出信號對輸入信號的頻率鎖定和相位跟蹤功能。因此該系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)路， 通常用PLL（Phase-LoopLock）表示。利用鎖相環(huán)的原理，本地時鐘連續(xù)不斷的跟蹤GPS時鐘，并通過PID算法去調(diào)節(jié)本地的OCXO以消除本地時鐘與GPS時鐘之間的誤差，實現(xiàn)頻率和相位的同步。由于GPS覆蓋全球，產(chǎn)生的GPS時間是唯一準(zhǔn)確的，無線通信系統(tǒng)都同步于GPS時鐘，就實現(xiàn)了全網(wǎng)的時鐘同步。保障無線通信系統(tǒng)的時間同步。

結(jié)語：GPS的應(yīng)用非常的廣泛，無線通信系統(tǒng)利用GPS時鐘的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用鎖相環(huán)技術(shù)很好的實現(xiàn)了GPS時鐘與本地時鐘的同步，最終保證了全網(wǎng)的時鐘同步，系統(tǒng)本地時鐘長期與GPS時鐘信號來保持同步，同時具有時鐘信號長期穩(wěn)定性好和保持能力強的特性，具有很高的參考價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]謝鋼.GPS原理與接收機設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：304-322

[2]石玉.數(shù)字鎖相環(huán)中原理與應(yīng)用[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1990