一种卫星共视数据处理系统的设计与实现

刘子祺，赵当丽，王康

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；4.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600）

一种卫星共视数据处理系统的设计与实现

刘子祺1，2，赵当丽1，3，4，王康1，2

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；4.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600）

以ARM Cortex-M3为平台，设计了一种处理卫星共视、特别是秒脉冲比对数据的处理系统。该系统可以实时显示所有与卫星共视相关的数据，包括共视卫星的状态信息、星历数据信息等；可以对相关的数据进行简单的分析和判断，同时可以自动存储数据以建立共视比对档案，为卫星共视数据的后期进一步分析和处理奠定了基础。

卫星共视；ARM处理器；共视数据；Cortex-M3处理器内核

0 引言

近二十年来，精密时间计量在国民经济发展中愈来愈重要，同时卫星共视法作为目前高精度时间比对的主要方法之一，被用于各时间实验室已经有很多年的历史，并且，实现更高效的卫星共视观测已经越来越受到人们的重视。

本文介绍了一种以ARM Cortex-M3为平台的卫星共视数据处理系统设计方案，该方案采用了LPC1766微处理器，在Keil uVision开发环境下设计了一种卫星共视数据处理系统，实现了卫星共视数据的实时显示和存储，使得卫星共视法更加高效、直观和便捷[1]。该系统中采用的LPC1766微处理器具有低功耗、高性能、高性价比的优点。利用基于LPC1766微处理器的嵌入式系统不仅可以降低成本、减小体积、降低功耗，还可以提高系统的处理速度。

1 卫星共视系统

卫星共视是指参与共视的任意两地在同一时刻接收同一颗GPS或北斗卫星发出的时间信号，并且进行数据传递和比对，从而可以计算出两地的时间差。卫星共视技术具有定时精度高、设备价格便宜、使用方便等优点，已经逐渐被广泛应用于我国的通信、国家安全、电力等领域[2-3]。

卫星共视系统主要由GPS接收机、北斗接收机、卫星信号切换开关、电子计数器、本地钟和共视数据处理系统等构成。其结构如图1所示。

图1　卫星共视系统结构示意图

卫星信号切换开关主要用来切换GPS或北斗接收机信号，包括切换串口信号和秒脉冲信号。电子计数器则以GPS或北斗卫星的秒脉冲为开门信号，以本地钟的秒脉冲为关门信号，测量两个秒脉冲的差值并且每秒输出1次[4]。输出的数据再由ARM开发板串口接收并进行判断、处理、显示和存储，达到实现卫星共视数据处理系统的目的。

2 卫星共视数据处理系统设计

2.1 开发平台简介

为了缩短设计周期，提高设计效率，我们采用了搭载LPC1766微处理器的EM-LPC1700开发板，其结构如图2所示。EM-LPC1700开发板是一款基于LPC1700系列处理器（Cortex-M3内核）的全功能评估板。该板功能接口丰富，主要包括串口、网口、USB接口、JTAG调试接口、LCD屏接口等，配合调试工具ULINK2一起使用，可以很好地完成本设计。

本设计采用了LPC1766微处理器，该微处理器使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率最高为100 MHz。相比于其他微处理器，它内置了高速存储器（高达512 K字节的闪存和64 K字节的SRAM），丰富并增强了I/O端口和联接到APB总线的外设。LPC1766微处理器工作于-40～+105 °C的温度范围，供电电压为2.0～3.6 V。这样的省电模式突出了它低功耗的优点，而丰富的外设配置使它为完成本设计打下坚实的基础。

图2　EM-LPC1700开发板结构图

EM-LPC1700开发板配备了液晶显示器，可以显示数据、文字等各种信息，也是本次设计很重要的一个部分。显示屏为2.4寸的TFT LCD屏，分辨率为240象素×320象素。LCD显示屏驱动的初始化包括对所用端口的选择，设置背景和文字颜色。本设计设置的背景颜色为蓝色，文字颜色为黄色。

2.2 卫星共视数据处理流程

根据以上所介绍的情况，设计了一种基于ARM Cortex-M3平台的卫星共视数据处理系统，其流程如图3所示。卫星共视数据的处理共分为4个部分，即时间日期数据、卫星状态信息数据、卫星星历数据与计数器数据的处理。其中，通过对时间数据的处理得到当天对应的约化儒略日（MJD）和星期数（JDW）；对卫星状态信息数据的处理得到每颗卫星的编号（PRN）和对应的仰角（ELV）、方位角（AZTH）；对卫星星历数据的处理得到每颗卫星的星历数据龄期（IOE）；对计数器数据的处理得到实际跟踪长度中点处所对应的计数器值（CNT）。接下来对接收到的卫星共视数据使用最小二乘曲线拟合法取得中点值，最后将处理后的卫星共视数据显示在开发板的LCD上并通过串口存储到本地计算机，建立测试档案以备后用。

图3　卫星共视数据处理系统设计流程

2.3 卫星共视数据处理算法

在卫星共视数据处理过程中，一个完整的处理时间段是16 min，即1 d有90个时间段。对于每颗卫星的仰角、方位角、星历数据龄期、本地秒脉冲与所跟踪的卫星时间差数据在每个时间段内都要进行以下处理：

16 min（1个时间段）＝2 min捕捉+13 min跟踪+1 min等待。780 s（13 min）＝52×15 s。每秒1个卫星共视数据。对15 s数据用最小二乘法作曲线拟合，得到1个中点值。再用最小二乘法对52个中点值作最小二乘曲线拟合，即可得到780 s的中点值，这就是最后要显示在LCD上的卫星共视数据。最小二乘曲线拟合的算法如下[5]：

在本设计中使用最小二乘二次曲线拟合，即在上式中3m=。根据上述算法可求得每个跟踪周期内卫星共视数据的中点值，以备后期卫星共视数据比对使用。以2015年3月13日11:55开始接收的一个周期内的780组北斗卫星计数器数据为例，首先求出的52个中点值如图4所示。

图4　一次线性拟合得出的52个中点值

再对这52组数据进行最小二乘曲线拟合，得到最终的一个中点值为722.86 ns。经过验证可知得到的中点值与全部数据的平均值非常接近。

3 实验结果与分析

实现一种卫星共视数据处理系统是本次实验的主要目的。通过开发板的LCD液晶显示屏可以直接观测到卫星共视数据[6]。

LCD液晶显示屏的第1行与第2行显示MJD、JDW与CNT，其中CNT的单位为ns；第3行至第8行显示接收到的卫星共视数据，包括PRN、AZTH、ELV与IOE。其中，MJD与JDW数据每天刷新一次，其他数据都是每16 min刷新一次，下一秒的数据覆盖上一秒的，并且显示的卫星共视数据与处理后得到的一致。以2014年12月23日接收处理得到的共视数据为例，显示界面如图5左所示[7-8]。将LCD显示的数据与收到的经过处理的卫星共视数据对比，可以发现两者完全一致。存储在本地计算机的卫星共视数据保存在TXT文档内，名称是接收数据当天的日期，内容与LCD显示的一致，如图5右所示。本设计实现了准确无误的数据处理与保存，使数据后期的使用更加方便快捷。

图5　卫星共视处理系统显示界面与数据存储结果

4 结语

本文阐述了一种在ARM平台下实现的卫星共视数据处理系统设计过程。采用ARM（Cortex-M3内核）开发板实现了卫星共视数据的接收、处理、存储与显示，准确无误地处理了卫星共视数据，为卫星共视数据的后期处理提供了良好的平台。本文所设计的卫星共视数据处理系统稳定可靠，使用方便，显示界面直观简洁，具有良好的实用推广价值。

[1]黄勋.基于微处理器ARM的GPS接收机的设计[M].南京: 南京信息工程大学, 2006.

[2]许国宏, 韦金辰, 陈国宇.双星系统高精度共视授时技术[J].应用科技, 2007, 34(2): 41-44.

[3]严建华, 张洪源, 李文魁, 等.北斗卫星共视增强罗兰-C授时应用[J].宇航计测技术, 2009, 29(5): 37-39.

[4]苏建锋.GPS共视比对数据处理软件设计[J].宇航计测技术, 2004, 24(3): 27-29.

[5]徐士良.C常用算法程序集[M].北京: 清华大学出版社, 1995.

[6]霍发仁.显示界面设计研究[D].武汉: 武汉理工大学, 2003.

[7]刘凯.基于ARM的研磨系统显示界面设计[D].广东: 广东工业大学, 2014.

[8]李海霞, 李钟慎.基于ARM的嵌入式温控仪显示界面的设计[J].电子测试, 2008, 10: 24-50.

Design and realization of satellite common-view data processing system

LIU Zi-qi1，2，ZHAO Dang-li1，3，4，WANG Kang1，2
（1.National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology，National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China；4.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard，National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi′an 710600，China）

Based on ARM Cortex-M3，a processing system has been designed for processing the satellite common-view data，especially the PPS（pulse per second） comparing data.The system can show all the satellite common-view data，including the status messages，ephemeris messages of common-view satellites and so on.Besides，the system can analyse and judge the related data simply，and storage the data automatically so as to establish a file of common-view comparing，laying a foundation for further analysing and processing the satellite common-view data.

satellite common-view； ARM（advanced RISC machine）； common-view data； Cortex-M3

P228.4

A

1674-0637（2015）02-0088-07

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-02-0088-07

2014-12-11

中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（2011YB04）

刘子祺，女，硕士，主要从事时间同步技术研究。