GPS时钟同步在无线通信系统中的应用

彭博

【摘要】 论文介绍了GPS时钟同步技术在无线通信系统中的应用。GPS接收机根据收到的卫星信息，经过算法算出自身经度、纬度、高度和时间信息，并产生秒脉冲（PP1S），无线通讯系统时钟通过软件锁相环技术同步这个PP1S脉冲实现系统时钟同步的目的。此应用同时具有时钟信号长期稳定性好和脉冲信号短期稳定性好的特性，能够完好的使时钟信号保持同步。在锁相环理论基础上实现高效的反馈系统，控制系统将系统的秒脉冲信号与本地的秒脉冲信号对调整本地时钟，完成对时钟同步的控制。

【关键词】 GPS 时钟 锁相环

前言：GPS是目前使用非常广泛的全球定位系统之一。它的同步时钟可提供长期稳定的时钟频率和绝对时间信息，应用非常广泛，因此无线通信行业的时钟同步方案目前主要采用GPS时钟同步。本文浅谈一种简单的数字锁相环时钟同步方法，利用锁相环原理实现本地时钟和GPS时钟的同步。

一、GPS和时钟信息的获取

1.1 GPS的简介

1、 GPS系统的定义。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。最早是在1958年，作为美国军方的一个项目，美国在1964年开始投入使用，主要的是用在军事领域。为陆海空三大领域提供全球性的导航服务，用来收集所需要的信息。

2、GPS的特点。定位精度高：通过长期的使用实践，GPS的定位精度相当的高，50千米内的范围中可以达到6-10m的误差，1000千米内可以达到9-10m的误差。在工程精密定位中，1个小时以上的观察测试其平面位置误差小于1mm，与电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。实时单点定位用于导航：p码1-2m；c/a码5-10m。实时伪距差分精度达分米级。实时相位差分精度达1-2cm。观测时间短：随着系统的逐渐升级，软件的持续更新，20km以内相对静态定位，仅需18分钟左右；快速的静态相对定位测量，当每个测量点与目标点相距在以15km内时，测量点的观测时间只需1-2分钟；实时的动态定位模式，每站观测仅需几秒钟。因而使用技术建立控制网，可以提高其效率。仪器操作简便：随着科技的进步与研究，使得测量的自动化程度越来越高，正在向着傻瓜式发展。在观测时，测量员只需要安置好仪器，正确连接电缆线，观察仪器的工作状态，对于观测工作，如：卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。测量结束后，只需要关掉电源装好设备，便完成了数据采集任务。如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。抗干扰性能好、保密性强：由于系统釆用了伪码扩频技术，因而卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。

二、GPS获取时钟的参考时间

系统可以高精度的定位和授时的条件是系统的时间体系，该体系是由卫星系统内的高精度原子钟的同步运作为保障。每颗卫星原子钟工作频率为它产生稳定性时钟信息和其他信息由两个载波频率和两种伪随机码（p码和c/a码）调制后向地面发射，发射的内容还包括卫星的状态、转换文字等。GPS是利用到达时间（toa）测距原理确定用户接收机位置和授时的。这种原理是由确定位置的信号源来发出信号，接收机记下信号接收到的时间。假如信号源的时钟和接收机的时钟是同步完成的，则将信号的转播速度乘信号转播时间就可求出信号源到接收机之间的距离。事实上，信号机和接收源是肯定存在误差的，所以这样测得的数据也是不真实的，在实际应用时，要想法去掉误差，求出真实距离。

三、GPS时钟的同步

为了使无线通信系统中的本地时钟同步于GPS时钟，我们采用了锁相环的技术原理。如图1所示，

首先获取GPS时钟产生的PP1S信号，本地时钟也会产生PP1S信号。利用两个电信号的相位误差，通过环路自身调整作用，实现输出信号对输入信号的频率锁定和相位跟踪功能。因此该系统称为锁相环路， 通常用PLL（Phase-LoopLock）表示。利用锁相环的原理，本地时钟连续不断的跟踪GPS时钟，并通过PID算法去调节本地的OCXO以消除本地时钟与GPS时钟之间的误差，实现频率和相位的同步。由于GPS覆盖全球，产生的GPS时间是唯一准确的，无线通信系统都同步于GPS时钟，就实现了全网的时钟同步。保障无线通信系统的时间同步。

结语：GPS的应用非常的广泛，无线通信系统利用GPS时钟的稳定性和准确性，采用锁相环技术很好的实现了GPS时钟与本地时钟的同步，最终保证了全网的时钟同步，系统本地时钟长期与GPS时钟信号来保持同步，同时具有时钟信号长期稳定性好和保持能力强的特性，具有很高的参考价值。

参 考 文 献

[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2007：304-322

[2]石玉.数字锁相环中原理与应用[M].上海：上海科学技术出版社，1990