李海煜
中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西西安 710068
摘要：虽然经过多年的开发拓展，北斗授时终端产品已经得到了较大发展，但是产品的种类还是相对比较少，用户在选择产品应用的时候往往找不到合适的产品。因此设计一套安全可靠、性能优良的北斗导航授时终端十分重要。进行北斗授时终端的设计不但可以获得较好的经济价值，也是对北斗产品种类的一个丰富，对于推广北斗导航系统的普及也能起到积极的作用。
关键词：北斗导航；授时；终端模块；设计；实现
1北斗卫星导航系统概述
北斗卫星导航系统的研究与建设彰显了我国的综合实力，提高了我国的国际影响力。系统的运用和发展对我国军事力量的建设、经济的蓬勃发展、科学的深入研究和国民的日常生活等各方面都有着实质性的影响。我国高度重视北斗卫星导航系统的建设和发展，在20世纪80年代中期开始研究适合我国国情的卫星导航系统发展道路，慢慢形成了“三步走”发展战略，我国于2000年底彻底完成北斗一号系统的建设，向我国的广大用户提供导航服务；2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供导航服务；计划在2020年完成北斗三号系统的建设，为全球提供导航定位等服务。将在2035年前以北斗卫星导航系统为核心，完善更加泛在、融合和智能化的综合定位、导航和授时体系的建设。北斗卫星导航系统的结构基本类似，北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三个部分组成，空间段一般是空间中的卫星星座，由分布在不同轨道上的卫星组成。为用户提供时间基准和空间基准。地面段负责维护卫星和维持其正常功能。用户段是卫星导航系统定位、导航以及授时的最终体现，包括海、陆、空的所有用户。
2北斗导航授时终端模块的设计与实现
2.1卫星信号接收机单元设计
卫星信号接收机单元的核心是卫星信号接收机，该单元中的射频模块、信息处理模块及数据处理模块均在接收机中实现。随着器件性能的不断提升，现在主流的卫星接收机都采用基于高集成度的微处理器/微控制器的GNSS基带处理器芯片，将射频前度和数字信号处理部分集成在一起，形成小型化、功能齐全的一体式功能模块。在本设计中使用的是U-BLOX公司的LEA-M8T型号的卫星信号接收机。该接收机使用简单，只需要配置少量的外围电路即可接收BD信号。在本设计中进行的接收机外围配置电路主要是以下几个方面：1、数据输出选择：接收机的D_SEL引脚用于选择采用何种方式的数据通信接口，通过设置D_SEL引脚的电平，即可选择不同的通信方式。在本设计中使用UART通信。2、备用电源设置：在有备用电源的情况下，当模块出现故障时，通过V_BCKP引脚给RAM和RTC供电，如果没有备用电源，则模块在通电时进行冷启动。在本设计中无备用电源的设置。3、射频前端供电：在前端有有源器件的时候，接收机可以通过Vcc_RF引脚提供射频前端器件的供电电源。在本设计中使用了前置的LNA，LNA的供电由接收机提供。
2.2时码单元设计
在本设计中时码单元主要需要实现以下功能：（1）接收外部B码（包含B（DC）码和B（AC）码），并解码获取时间信息及同步于B码的1PPS信号；（2）接收卫星接收机单元传输过来的BD时间信息及同步于BD系统的1PPS信号；（3）利用守时模块产生的1PPS信号及BD时间信息（外部B码时间信息），编码产生本地B码信息；（4）对外部B码信号及卫星接收机单元产生的BD时间信息进行检测，在有外部信号的时候，持续同步于外部时间，在失去外部信号的时候，继续发送由本地系统产生的时间信息；（5）设置本地时间，在训练模式中使用该时间为系统授时。综合时码单元需要实现的功能以及各种不同的数据信息之间的关系进行电路结构的设计。时码单元接收卫星接收机信息及外部B码，生成1PPS信号及本地B码，并提示锁定信息。B（AC）码输入时码单元，由于其传播过程中各种噪声会对信号有一定的影响，因此应在AD转换前对信号进行处理；AD转换后的数字信号输入解码单元，解码单元计算并处理后生成为B（DC）码，并根据B（DC）码信息生成1PPS信号及时间信息。
B（DC）码输入时码单元后先要进行电平转换，将RS422差分信号转变为脉宽信号，然后输入解码器进行B（DC）码的解码生成1PPS信号及时间信息。输入选择电路根据人机交互要求，对三种不同来源的1PPS信号和时间信息进行切换选中信号。1PPS信号输入守时模块，用于校准守时模块中的本地时钟；时间信息输入时间信息+1处理模块并进行锁定检测。时间信息+1模块将时间信息进行加一处理，并在下一秒PPS信号上升沿后根据信息格式输出当前时间信息。锁定检测模块接收前级电路输入的时间信息，并将该信息与存储在模块中的上一秒加一的数据进行比较，如果两个数据相同，则表示锁定良好，如果数据不一致，则表示失去锁定，此时根据前级电路电路时间信息更新存储数据。B码编码器根据接收到的时间信息和守时模块的1PPS信号进行B码编码，进入的时间信息在下一次秒脉冲信号到来的时候开始进行B码的编码，编码完成的B码信息输出时码单元。
2.3守时模块设计
守时模块完成使用由外部输入获得的1PPS信号对本地时钟校准的功能，在校准完成后生成本地1PPS信号。守时模块的守时功能是指当模块失去外部时钟源的时候仍能在一定的时间内保持时间频率的准确输出。守时模块是北斗授时终端的核心模块，守时模块性能的好坏直接决定整个系统的指标性需求是否满足设计需要。守时模块利用时码单元发送的1PPS信号与本地时钟分频产生的1PPS信号进行相位比对测量，然后利用测量结果对本地时钟进行校准。在这个过程中，两种秒脉冲信号的时间间隔测量及对测量结果进行有效的去抖算法处理是提升模块性能的关键技术。守时模块以OCXO（恒温晶体振荡器）作为本地时钟，校准环路设计方案采用“FPGA+TDC+MCU”的形式。其中MCU是模块的控制中心，负责控制整个模块的工作运转。TDC是负责对输入的1PPS信号及本地时钟产生的1PPS信号进行时间间隔测量，并将测量数据送至MCU进行处理。FPGA对10MHz频率进行分频，产生1Hz信号，并将该信号送至TDC进行测量。模块中使用高稳定度OCXO作为本地时钟源。MCU对TDC产生的数据进行处理，并利用处理结果对OCXO进行校准，DAC电路将MCU输出的数据进行DA转换产生可以用来控制OCXO的电压信号。
2.4其它配置电路
2.4.1电源处理
北斗授时终端是一种时间频率器件，在受到电磁干扰的影响时，会产生系统性能下降。系统中各个模组之间以及系统与外部环境之间的相互干扰往往会通过电源系统连接耦合。因此系统的电源部分处理就十分重要。为了满足OCXO在上电初期的较大电流需求（400-600mA）,电源稳压芯片使用了TPS7A4501，该芯片最大可提供1.5A负载电流。TPS7A4501输出电压可通过ADJ端的电平进行调节，可满足晶振对出入电压的需求。在稳压芯片的输入输出端都设计了专门的滤波电路，并在电源的输出端放置了一个1uH的磁珠用于滤波，有效降低电路中各种噪声对晶振的干扰。
2.4.2输出配置
授时终端的输出配置主要是为了实现设计目标，对输出信号进行的电平转换及分路放大分路等。授时模块作为系统中的时钟基准，在系统中为多个分机板卡提供时钟源，因此系统对授时终端的需求特点是信号多样化、输出多路。授时终端的设计目标实现输出包括四路10MHz频标信号、两路B码信号、四路1PPS秒脉冲及两路NTP网络时间信号。
3结束语
卫星授时设备发展迅速，北斗导航授时终端模块的成功研制为授时应用设备的研制提供了参考。通过将授时终端进行模块化分解，将其分为卫星接收机单元、时码单元、守时单元及其它电路分别进行设计实现，降低了模块设计的难度，缩短了模块设计实现的时间。
参考文献
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