GPS應(yīng)用 - 基于GPS的以太網(wǎng)授時(shí)系統(tǒng)

基于GPS的以太網(wǎng)授時(shí)系統(tǒng)報(bào)告的主要內(nèi)容一、系統(tǒng)概述二、調(diào)研的相關(guān)資料和各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)三、計(jì)劃按排四、重點(diǎn)與難點(diǎn)五、存在的問(wèn)題系統(tǒng)概述準(zhǔn)確時(shí)間的重要性

系統(tǒng)的時(shí)鐘對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各種文件的產(chǎn)生，錯(cuò)誤日志報(bào)告的生成，以及各種狀態(tài)信息報(bào)錯(cuò)的時(shí)間等，為了為系統(tǒng)提供一個(gè)相對(duì)較準(zhǔn)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，以判斷各種錯(cuò)誤產(chǎn)生的先后順序，進(jìn)而對(duì)發(fā)生的錯(cuò)誤進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的授時(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：第一GPS受時(shí)模塊，主要是接收GPS信號(hào)并對(duì)此進(jìn)行解碼得出時(shí)間信息；第二基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，其目的是考慮到整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境，各個(gè)廳之間是相互屏蔽的，參考國(guó)家受時(shí)中心所采用的受時(shí)方案，多極受時(shí)服務(wù)器。他所采用的服務(wù)器是PC機(jī)。在本系統(tǒng)中考慮到環(huán)境和資源的因素，采用單片機(jī)作為受時(shí)服務(wù)器第三USB部分，要求通過(guò)USB口傳送到各個(gè)設(shè)備上，同時(shí)在USB開(kāi)發(fā)部分還要求運(yùn)行在不同的平臺(tái)下，初步確定為WINDOWS、UNIX、VAXWORKS。

調(diào)研相關(guān)資料GPS部分1．GPS基本知識(shí)GPS工作原理基本的信號(hào)結(jié)構(gòu)及準(zhǔn)確率GPS應(yīng)用其他導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS工作原理一般民用GPS使用的是GPS系統(tǒng)的L1載波，頻率為1575.42MHz。在這個(gè)載波頻率上面以調(diào)相方式加載了兩種不同的偽隨機(jī)噪聲碼：C/A碼和P碼

接收機(jī)“知道”了自己與衛(wèi)星的距離，并不能計(jì)算出自己的位置，因?yàn)樗恢佬l(wèi)星在發(fā)射電波時(shí)的位置，因此在衛(wèi)星載波上面，還加載了一個(gè)50Hz的導(dǎo)航電文，這個(gè)導(dǎo)航電文包括了：衛(wèi)星的軌道參數(shù)、時(shí)鐘參數(shù)、軌道修正參數(shù)、大氣對(duì)GPS信號(hào)折射的修正值等等GPS接收機(jī)在計(jì)算前進(jìn)速度的時(shí)候，用的是多普勒效應(yīng)GPS工作原理GPS是NAVSTAR/GPS（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）的簡(jiǎn)稱，是由美國(guó)國(guó)防部研制的導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)距與授時(shí)、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星等間隔分布在6個(gè)互成60度的軌道面上，這樣的衛(wèi)星配置基本上保證了地球任何位置均能同時(shí)觀測(cè)到至少4顆GPS衛(wèi)星。GPS由三部分構(gòu)成：一是GPS衛(wèi)星（空間部分）：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星；二是地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）：1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監(jiān)測(cè)站；三是GPS接收機(jī)（用戶部分）：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作。GPS接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成。

GPS接收機(jī)的定位實(shí)際是就是通過(guò)計(jì)算接收機(jī)距不同衛(wèi)星的距離來(lái)完成的.

第四顆衛(wèi)星的用處是提供時(shí)間基準(zhǔn)，給GPS接收機(jī)用來(lái)計(jì)算接收機(jī)距離其他三顆衛(wèi)星的距離：有了時(shí)間基準(zhǔn)，接收機(jī)就可以測(cè)量從其他三顆衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，然后把時(shí)間轉(zhuǎn)換成距離。

基本的信號(hào)結(jié)構(gòu)及準(zhǔn)確率

若設(shè)（x，y，z）為接收機(jī)的位置，（xn，yn，zn）為已知衛(wèi)星的位置，則列解下列方程就可以得到x，y，z和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間T：

(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=C2(T+ΔT-T1-τ1)

(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2=C2(T+ΔT-T2-τ2)

(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2=C2(T+ΔT-T3-τ3)

(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2=C2(T+ΔT-T4-τ4)

其中：ΔT為用戶時(shí)鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差；Tn為衛(wèi)星n所發(fā)射信號(hào)的發(fā)射時(shí)間；τn為衛(wèi)星n上的原子鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差。

GPS應(yīng)用GPS接收機(jī)由接收模塊和天線組成。接收機(jī)能同時(shí)接收4～8顆衛(wèi)星的信號(hào)，其內(nèi)部硬件電路和處理軟件通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的解碼和處理，能從中提取并輸出兩種時(shí)間信號(hào)：一是間隔1s的脈沖信號(hào)，即1PPS，其脈沖前沿與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(格林威治時(shí)間)的同步誤差不超過(guò)1μs；二是經(jīng)RS-232串行口輸出的與1PPS脈沖前沿相對(duì)應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和日期代碼(年-月-日，時(shí)∶分∶秒)。

GPS應(yīng)用

由蚌埠機(jī)務(wù)段研制的“ＧＰＳ衛(wèi)星同步標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)系統(tǒng)”,通過(guò)接收ＧＰＳ全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信息,讀取ＧＰＳ輸出的ＮＭＥＡ０１８３格式原始數(shù)據(jù),進(jìn)行加工后提取其中的時(shí)間及相關(guān)信息,并轉(zhuǎn)換為北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,用于聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)的同步標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,同時(shí)通過(guò)液晶顯示屏和ＬＥＤ數(shù)碼管對(duì)外進(jìn)行顯示。

GPS應(yīng)用NTP協(xié)議(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)Ts1＝Tc1＋tQ＋ΔTTc2＝Ts2＋tR－ΔT若tQ=tR則ΔT＝（Ts1－Tc1）/2－（Tc2－Ts2）/2GPS應(yīng)用GPS應(yīng)用其他的導(dǎo)航系統(tǒng)歐洲“伽利略”確定30顆衛(wèi)星總投資為35億歐元。預(yù)計(jì)系統(tǒng)于2008年投入運(yùn)行。其他導(dǎo)航系統(tǒng)

俄羅斯GLONASSGLONASS(格洛納斯)系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成與美國(guó)的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來(lái)區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調(diào)制碼來(lái)區(qū)分衛(wèi)星）。其他導(dǎo)航系統(tǒng)中國(guó)“北斗星”

和GPS，伽利略不同，北斗星是區(qū)域性的導(dǎo)航系統(tǒng)，只能覆蓋中國(guó)全境和亞洲的大部分地區(qū)，如日本和韓國(guó)，印度的部地區(qū)均可涵蓋。北斗星系統(tǒng)由三顆（兩顆工作衛(wèi)星、一顆備用衛(wèi)星）定位衛(wèi)星（北斗一號(hào)）、地面控制中心為主的地面部份、北斗用戶終端三部分組成?？上蛴脩籼峁┤旌?、二十四小時(shí)的即時(shí)定位服務(wù)，定位精度可達(dá)數(shù)十ns的同步精度，其精度與GPS相當(dāng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本工作原理是“雙星定位”：以2顆在軌衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測(cè)定的衛(wèi)星至用戶終端的距離為半徑，形成2個(gè)球面，用戶終端將位于這2個(gè)球面交線的圓弧上。地面中心站配有電子高程地圖，提供一個(gè)以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。用數(shù)學(xué)方法求解圓弧與地球表面的交點(diǎn)即可獲得用戶的位置?！坝性炊ㄎ弧北倍沸浅四茏鲗?dǎo)航用途外，還可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的通訊功能，這是其他系統(tǒng)所不具備的。接收機(jī)的選擇，以及幾種可實(shí)現(xiàn)方式的比較典型的GPS接收器結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)送給MRFIC1502前,經(jīng)過(guò)放大和兩次濾波。下文將討論GPS接收器的各個(gè)功能部分。接收機(jī)的選擇，以及幾種可實(shí)現(xiàn)方式的比較XJ-GPS6價(jià)格高RS232輸出數(shù)碼顯示GPS時(shí)鐘GPSOEM板價(jià)格適中，RS232S輸出，需要二次開(kāi)發(fā)（接收GPS信號(hào)解碼提取時(shí)間信息并送顯或作進(jìn)一步的處理GPS25-LVS）GPS授時(shí)系統(tǒng)的硬件組成

GPS衛(wèi)星時(shí)鐘接收機(jī)由GPS接收天線(5MHz，3V)、GPSOEM接收板(GARMIN公司的GPS25-Lvs)、單片機(jī)(Atmega168)硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。GPS25-LVSAtmega168GPS模塊CP2200以太網(wǎng)模塊RJ45GPS授時(shí)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

GPS時(shí)間提取流程圖:初始化UART設(shè)置波特率4800設(shè)置數(shù)據(jù)通訊格式指向片內(nèi)RAM的首地址讀接收狀態(tài)接收數(shù)據(jù)就緒否是否為GPRMC幀提取時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為北京時(shí)間將數(shù)據(jù)送出繼續(xù)下一秒的查詢以太網(wǎng)部分Uip協(xié)議單片機(jī)atmega168網(wǎng)卡芯片CP2200（非復(fù)用方式）UIP協(xié)議Uip協(xié)議棧接口UIP協(xié)議Uip協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)部分硬件框圖(服務(wù)器端)MAX232ATmega168CP2200變壓器PRJ45RS232接口RXTXRXDTXDRJ45接口RX+RX—TX+TX—以太網(wǎng)部分硬件框圖(客戶端)變壓器PRJ45CP2200ATmega168RJ45接口CYWUSB6935以太網(wǎng)部分系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡(luò)，并且提供一個(gè)串口給用戶使用。系統(tǒng)板可以將從Ethernet上過(guò)來(lái)的IP數(shù)據(jù)報(bào)解包后送給串口，也可將從串口過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)封裝為IP包送到局域網(wǎng)中．以太網(wǎng)部分以太網(wǎng)部分單片機(jī)CP220