北斗卫星导航系统与GPS互备的广播电视授时单元*

陈孟元，凌有铸，王冠凌

（安徽工程大学 安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽 芜湖 241000）

1 引言

标准时间是广播电视安全播出的前提条件，在广播电视系统中具有重要的地位。目前，我国的广播电视中心常利用GPS授时来获取标准时间，但是GPS授时存在手段单一、没有自主控制权等方面问题，不仅短期稳定性差，而且安全性不强。主要表现在：1）GPS接收模块的抗干扰性能差，当出现小鸟等不明物体在GPS接收模块天线停留的情况下可能出现卫星失锁的情况，因此，如何保证卫星失锁后电视节目的继续安全播出，是必须考虑的问题；2）GPS接收模块输出的时间信号短期稳定性差，例如标称时间精度为1 ms的OEM板，其秒脉冲偏差可能达到10 ms，因此，直接利用GPS接收机输出的时间信号和秒脉冲信号校准守时钟，很难保证广播电视系统中所要求的连续时间精度；3）当人为因素对太空中的GPS卫星试验时可能造成GPS时间跳变，例如1995年曾连续2个月观测到卫星试验引起的时间跳变，跳变量达20 ms，因此，直接利用GPS接收机输出的时间信号必然影响电视播出质量[1]。

除上述GPS授时技术方面的问题，更重要的是GPS授时存在没有自主控制权的问题。GPS是由美国军方掌控的系统，局部屏蔽GPS信号技术试验（即在需要的时候可以局部关闭GPS信号）于2000年1月获得成功，使得其可用性和授时精度均受制于美国的GPS政策[2]。因此现阶段广播电视系统中使用GPS授时显得手段单一，信息安全得不到保障，寻找可依赖的时钟源对于卫星授时技术在广播电视系统中的应用至关重要。

2 北斗授时应用于广播电视系统可行性分析

我国于2000年 10月 31日、2000年12月 21日、2003年5月25日使用CZ-3A火箭成功将“北斗一号”中的3颗北斗导航卫星送入预定轨道，其中第3颗星为备份星，连同地面的配套设施建设，实现了北斗导航系统的构成[3]。北斗导航系统将定位、通信、授时功能合为一体，军用方面可为陆、海、空三军作战部队提供快速定位服务，民用可为海上、陆地交通工具及地面用户定位、导航、调度提供服务。但目前北斗系统的应用水平与国外卫星导航系统（如GPS系统）相比还存在一定的差距，尤其是在民用方面，还远远未达到产业化、市场化的水平。

2.1 卫星信号的覆盖范围

北斗导航定位系统是继美国GPS和俄罗斯GLONASS后第3个投入运行的卫星导航系统，也是世界上第1个区域性卫星导航系统。中国国土主体位于65°E～145°E，17°N～57°N 之间，该系统可以覆盖地球 45°E～145°E，5°N～55°N的范围，可以全天候对中国领土、领海及周边地区进行定位及授时，可见卫星信号的服务范围已完全覆盖了中国广播电视系统所包含的区域[3]。

GPS虽能全球覆盖，但由于轨道较低而使得用户的遮蔽角大，信号在山区容易被遮挡。北斗卫星位于中国上空36000 km的静止轨道，地面用户基本都处于高仰角工作状态，信号不易被附近的高大物体遮蔽，接收模块更容易接收到信号，该特点使得北斗卫星授时特别适用中国高山偏远地区广播电视台授时系统。

2.2 可接受的用户容量限制

北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能，根据不同的精度要求，提供100 ns（单向授时）和20 ns（双向授时）的时间同步精度。授时技术的可扩展性是受用户容量所限制，因此必须考虑北斗授时的用户容量限制问题。GPS是单向测距系统，用户设备不需要地面中心站的介入，只要接收导航卫星发出的卫星星历电文即可获得用户时钟相对GPS时钟的时间偏差，所以GPS的用户容量是无限的。“北斗一号”采用集中式信号处理，定位、通信和双向定时都必须通过中心站进行，由中心站判断用户请求的业务类型，并执行相应的操作。系统的用户容量取决于中心站允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。然而当广播电视授时单元的接收天线在电视台授时中心安装好的情况下就不会移动位置，因此可在授时单元安装好后将天线的位置坐标通过软件写入北斗授时模块中，授时模块在知道位置坐标的情况下采用单向授时方式，用户设备容量就不受限制。

3 北斗与GPS互备的授时单元结构

北斗与GPS互备的授时单元结构框图如图1所示，由微处理器单元、北斗模块、GPS模块、DS3232守时芯片、键盘显示单元等主要部分组成。

其中北斗模块、GPS模块的选择规则如下：

1）当两路均接收到时间，根据外部设定输出北斗或者GPS时间；

2）当某一路发生异常时，选择非异常的输出；

3）当两路均异常或外部无设定输出对象，输出DS3232守时芯片时间。

3.1 微处理器单元

微处理器单元选择的是国内厂商宏晶科技生产的单片机STC11F16。

微处理器通过串口 1（P3.0，P3.1）、串口 2（P1.6，P1.7）、P1.0和P1.1与GPS授时模块、北斗授时模块、RS-232和RS-422进行通信，并依靠1片GAL16V8完成分时复用；P1.0，P1.1，P1.2 接 GAL 芯 片 ；P3.4，P4.3，P1.3 接 DS3232本地时钟芯片；P2.7，P2.5接键盘显示模块BC7281的串口、键盘中断 CPU 的外中断；P1.5，P4.6，P4.1，P4.5 为实时键、秒、分、时指示灯接口。STC11F16单片机接口如图2所示。

3.2 北斗模块

7X-BDM北斗授时OEM产品是七星创宇公司的单星单向授时产品，北斗授时接收机的板卡与载板通过接插件直接相连，接口采用通用的2.54 mm间距的20pin接插件，北斗授时模块通过射频接口（SMB-J）与北斗天线相互连接，如图3所示。

北斗授时模块和硬件之间数据/电源接口为8针插针，接口电路如图4所示，北斗模块的输出电平为LVCMOS逻辑电平，通过MAX232转换为TTL电平，图中SA2提供+3.3 V直流稳压电源给北斗模块。1PPS（秒脉冲）（上升沿与北斗时刻相差在100 ns以内）输出接到单片机的中断上，来同步校正本地时钟[4]。

3.3 GPS模块

GPS模块选择Garmin公司研制开发的GPS15L OEM。单片机的串口 1（P3.0，P3.1）分别和 GPS15L板的 TXD1，RXD1连接。GPS15L板在初始化后输出1PPS秒脉冲（上升沿与GPS时刻相差在50 ns以内）作为单片机的外部中断源，实现校正本地时钟[5]。

3.4 高精度本地钟DS3232

DS3232是低成本温度补偿晶体振荡器（TCXO），内置精度极高的温度补偿实时时钟（RTC）以及236 byte电池备份SRAM，此外，DS3232还具有电池输入，可在器件主电源掉电时保持精确计时。RTC可以计数秒、分、时、星期、日期、月份和年份信息。DS3232与微处器连接图如图5所示。

经过温度补偿的电压基准和比较器电路用来监视VCC状态，以便检测电源失效，提供复位输出，并在必要时自动切换到备份电源。此外，器件对RST引脚进行监视，因此该引脚可作为按钮输入以产生复位。

4 两种授时秒脉冲的同步对比实验与结论

笔者设计了北斗与GPS互备的授时单元，如图6所示。由于GPS时间满足广播电视系统对时间的精度要求，GPS时间与其秒脉冲上升的时刻相差在50 ns以内，因此在广播电视授时领域，只要对比北斗与GPS秒脉冲的同步性，即可判断北斗授时是否适用于广播电视系统。本文设计了北斗授时和GPS授时的对比实验证明北斗与GPS授时脉冲的同步性（上升沿同步精度和上升沿斜率）。

为了测试两种授时脉冲的同步精度，将两套互备授时单元分别接收到的北斗授时秒脉冲和GPS授时秒脉冲同时接入一台示波器，观察两个脉冲的上升沿时间差，北斗与GPS的秒脉冲时间误差主要分布在1 μs以内。采用相同的方法测试两种秒脉冲上升沿的斜率，上升沿斜率基本相同，均能在100 ns内完成跳变。因此北斗时间满足电视信号以帧（40 ms）或场（20 ms）为播出单位的播出精度。

除同步对比实验外，还进行了北斗和GPS互备授时实验。将授时单元的北斗授时时间设置为输出时间，此时长时间遮蔽或拔出北斗授时天线，装置能迅速判别北斗时间为不正常时钟源，自动选择GPS授时修正本地时钟，输出精确的时间，反正亦然。

将北斗卫星导航系统与GPS互备的授时单元应用于广播电视系统授时技术中，以北斗授时优先获取标准时间与系统本地时间进行校准，同时以GPS为辅助授时源。两种方式互为备份，弥补长久以来使用GPS作为唯一授时源存在的手段单一和没有自主控制权的问题，提高了系统的安全性和可靠性，此项研究对改变国外卫星授时系统对我国市场的垄断，保证我国的信息安全，具有重要的意义。同时依据本文设计的作品入选第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛。

[1]王元虎，周东明.卫星时钟在电网中应用的若干技术问题[J].中国电力，1998，31（2）：10-13.

[2]李建，谢小荣，韩英铎，等.北斗卫星导航系统与GPS互备授时的分布式相量测量单元[J].电网技术，2005，29（9）：1-5.

[3]马瑞峰.基于北斗导航定位系统的伪卫星技术研究[D].西安：西北工业大学，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.

[5]王冠凌.基于ZigBee和GPS广播电视时钟授时系统的研究[J].自动化与仪器仪表，2008（5）：15-18.