基于FPGA的導航衛(wèi)星失聯(lián)下高精度守時方法研究

基于FPGA的導航衛(wèi)星失聯(lián)下高精度守時方法研究*

王軍，王磊，何昕（1.蘇州科技學院，江蘇蘇州215009；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033）?基于FPGA的導航衛(wèi)星失聯(lián)下高精度守時方法研究*王軍1，2，王磊1*，何昕2（1.蘇州科技學院，江蘇蘇州215009；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033）Summary：針對授時系統(tǒng)導航衛(wèi)星失聯(lián)問題，提出一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的高精度守時方法。以統(tǒng)計學和概率論為基礎，統(tǒng)計10min內標準秒脈沖信號每個周期下授時系統(tǒng)恒溫晶振所產生脈沖數值的均值和動態(tài)方差。當授時系統(tǒng)導航衛(wèi)星失聯(lián)，系統(tǒng)根據均值和方差動態(tài)設置系統(tǒng)晶振脈沖計數閾值從而模擬產生高精度秒脈沖信號，消除晶振累積誤差。實驗結果表明，1h內授時系統(tǒng)守時誤差小于250ns，可滿足授時系統(tǒng)在電力、靶場等系統(tǒng)中的守時要求。Key：導航衛(wèi)星失聯(lián)；守時；FPGA；高精度項目來源：國家自然科學基金項目（61472267）高精度授時系統(tǒng)被廣泛用于衛(wèi)星導航、電力同步采樣系統(tǒng)中。起初高精度授時系統(tǒng)在導航衛(wèi)星失聯(lián)下，由于恒溫晶振實際值與標稱值存在誤差，所以1h守時誤差可達到幾微秒。近些年，部分學者提出統(tǒng)計每分鐘標準秒脈沖信號下授時晶振產生的總脈沖數的方法來修正導航衛(wèi)星失聯(lián)后授時系統(tǒng)的守時誤差［2］。但此方法精確度取決于航衛(wèi)星失聯(lián)前1min的晶振計數模塊記錄的脈沖數值，因而靈活性低且并未從根本上消除累積誤差帶來的影響。針對現(xiàn)有技術的不足，本文提出一種以統(tǒng)計學和概率論為基礎消除累積誤差的高精度守時方法。1守時總體方案守時方案設計了5個模塊：導航衛(wèi)星信號接收模塊、時間解碼模塊、晶振計數模塊、模擬秒脈沖產生模塊、顯示模塊。守時方案框圖如圖1所示。由導航衛(wèi)星信號接收模塊接收衛(wèi)星信號，輸出標準s脈沖和時間碼至FPGA時間解碼模塊，F(xiàn)PGA解出時間信息并根據通訊協(xié)議發(fā)送給顯示模塊［3-7］。晶振輸出脈沖至FPGA，晶振計數模塊計錄標準秒脈沖每個周期內晶振脈沖數［8］。當記錄時間達到10min，計算這組數據的均值和方差［1］。導航衛(wèi)星失聯(lián)后，根據前10min計算的均值和方差動態(tài)設置晶振計數模塊的脈沖產生計數閾值以產生高精度的模擬s脈沖。圖1守時總體方案框圖2守時硬件設計FPGA采用Altera公司CycloneⅡ系列中的EP2C8T144C8N，該芯片具有144個IO端口、36個RAM塊、2個PLL鎖相環(huán)、18個嵌入式乘法器、4種配置方式和AS、JTAG下載調試接口。EP2C8T144C8N擁有豐富的資源且編程靈活，使得該芯片作為系統(tǒng)主控芯片［9-11］。導航衛(wèi)星信號接收模塊采用MHKJ-1612為主芯片，其能提供精確的授時服務。通過使用量化誤差信息去補償時間脈沖中的顆粒誤差，導航衛(wèi)星信號接收?？炷軌蚺渲幂敵鰰r間脈沖頻率，授時精度可高達15ns。即使設備在有遮擋物的情況下保證有一顆衛(wèi)星正常連接，芯片就能輸出準確的時間信息。導航衛(wèi)星信號接收模塊與FPGA采用串口通信，有多種波特率可供選擇。系統(tǒng)晶振采用恒溫晶振，頻率穩(wěn)定度可以達到正負0.2×10-6。消耗電流一般300mA~2A，主要應用于衛(wèi)星，通訊基站等。守時部分硬件連接圖如圖2所示。圖2守時部分硬件連接示意圖3守時軟件設計3.1同步秒脈沖信號設計授時系統(tǒng)導航衛(wèi)星連接正常情況下，導航衛(wèi)星信號接收模塊接收到衛(wèi)星信號產生標準秒脈沖和時間碼，并發(fā)送給FPGA接收模塊。FPGA利用PLL鎖相環(huán)將50MHz恒溫晶振倍頻到200MHz，當晶振計數模塊脈沖計數值達到閾值或標準秒脈沖信號上升沿到來，產生100ms高電平信號，隨后產生低電平信號。模擬s脈沖產生流程圖如圖3所示。圖3模擬秒脈沖產生流程圖3.2平均脈沖數及方差設計圖4平均1s晶振的脈沖數及方差產生的流程圖3.3導航衛(wèi)星失聯(lián)后的高精度秒脈沖產生設計導航衛(wèi)星失聯(lián)后，F(xiàn)PGA根據平均每秒內晶振的脈沖數以及方差，求出+3s和-3s作為設定脈沖計數的兩個閾值BV1、BV2。在一個周期T內，前T/2當晶振脈沖計數達到BV1的時候，產生一個滯后模擬秒脈沖（與標準s脈沖秒頭相比）；后T/2當晶振脈沖計數達到BV2的時候，產生一個超前模擬s脈沖。產生的模擬s脈沖秒頭在標準s脈沖左右有規(guī)律的晃動從而消除累積誤差。導航衛(wèi)星失聯(lián)后的高精度s脈沖產生流程圖如圖5所示。圖5GPS失步后的高精度秒脈沖產生流程圖4實驗結果分析為避免測試結果的偶然性，實驗使用4套授時系統(tǒng)板，采用50MHz標稱值的恒溫晶振，精度可達±0.2×10-6。先將恒溫晶振輸出的50MHz的脈沖信號倍頻到200MHz，然后統(tǒng)計標準s脈沖信號每個周期下授時系統(tǒng)恒溫晶振所產生的脈沖數值的均值和動態(tài)方差。測試結果如表1所示。圖6均值隨時間變化折線圖圖7方差隨時間變化折線圖圖8守時誤差隨時間變化折線圖表1導航衛(wèi)星未失聯(lián)下每秒晶振脈沖數值的均值和方差導航衛(wèi)星失聯(lián)下，隨著時間的推移，測得的守時誤差如表2所示。表2導航衛(wèi)星失聯(lián)下守時誤差5結語本文通過統(tǒng)計10min內標準秒脈沖每秒晶振脈沖數值的均值和動態(tài)方差，動態(tài)設置晶振計數模塊計數閾值以產生模擬秒脈沖，以達到高精度守時目的。從實驗可知，秒脈沖在導航衛(wèi)星失聯(lián)1h內，與標準秒脈沖相比秒頭誤差不超過250ns，符合電力、靶場等系統(tǒng)守時要求。Reference：［1］李玉峰，韓曉紅，劉洋，等.基于FPGA的高速數據采集系統(tǒng)的實現(xiàn)與性能分析［J］.電子器件，2012，35（6）：709-712.［2］楊永標，楊曉渝，周捷.利用FPGA實現(xiàn)GPS失步下精確守時［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，27（7）：109-112.［3］黃翔，江道灼.GPS同步時鐘的高精度守時方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（18）：75-77.［4］李倩，戰(zhàn)興群，王立瑞，等.GPS/INS組合導航系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)設計［J］.傳感技術學報，2009，12，22（12）：1752-1756.［5］魏豐，朱廣偉，王瑞清，等.一種GPS校準的數字式高精度守時鐘［J］.儀器儀表學報，2011，4，32（4）：920-925.［6］王麗秋.基于LEA-5T的快速高精度授時系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術，2012，21，35（21）：184-186.［7］趙東艷，原義棟，石磊，等.用于智能電網建設的北斗/GPS高精度授時方案關鍵技術［J］.電網技術，2013，9，37（9）：2621-2625.［8］梁軍，冉建華.基于單片機的秒脈沖誤差測量系統(tǒng)設計［J］.艦船電子工程，2010，30（4）：178-180.［9］張鵬，杜彬彬，任勇峰.基于FPGA的超聲數據采集裝置的設計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2014，37（1）：81-84.［10］王劍.基于FPGA的高速多路同步數據采集系統(tǒng)［J］.科技視界，2013，27：42-43.［11］原魁，何文浩，肖晗.基于FPGA的嵌入式圖像處理系統(tǒng)設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013：77-97.王軍（1979-），男，漢族，江蘇蘇州人，蘇州科技學院電子學院，博士，主要研究方向為光電測控技術與儀器，wjyhl@126.com；王磊（1991-），男，漢族，江蘇鹽城人，蘇州科技學院電子學院，碩士，主要研究方向為智能信息處理技術，demowl@163.com。DistributedPilotPatternforUnderwaterAcousticCommunicationSystem*GUChen1，MENGQinggong1，SHUFeng1，2，3*，WANGJin1，XUYanqing1，QIANZhenyu1，WEIYuan1，LUJinhui1（1.SchoolofElectronicandOpticalEngineering，NanjingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China；2.NationalMobileCommunicationsResearchLaboratory，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China；3.MinisterialKeyLaboratoryofJGMT，NanjingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China）Abstract：Infrequency-selectiveunderwateracousticchannelbasedonorthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM），conventionalpilotpatterncannotachieveabetterchannelestimationperformance.Toavoidthispoorsitu?ation，weproposedarandomdistributedpilotpattern，thispatterneffectivelyreducesthefrequencyselectivefadingimpactbyplacingpilotsymbolssuchthatdistancebetweenanytwoadjacentpilotsymbolbeinglargerthanorequaltocoherentbandwidth.Fromoursimulationresults，wefindtheproposeddistributedpilotpatternhasabetterbiter?rorrateperformancecomparedtoconventionalequi-spacedand