基于LEA-5T的快速高精度授时系统

摘要：为了进一步提高授时系统的精度和授时速度，采用新一代具有室内高精度授时技术的授时芯片LEA-5T作为标准时间基准源，设计了快速高精度授时系统。设计了系统的原理电路、详细阐述了原理电路的工作原理、介绍了私有协议UBX Protocol、时间码信息的提取及时间基准信号的确定方法，最后提供了样机图片以供读者参考。实践表明，该系统产生同步脉冲信号与秒基准信号的同步精度为0．6 μs，可满足同步精度小于1μs的要求；首次授时速度快，热启动下小于4 s；信号敏感，在恶劣气候或只有一颗星可见时也可以实现授时。
关键词：GPS；LEA-5T；授时；高精度

0 引言
    授时系统在电力系统、光电测量设备等领域里广泛应用，用来提供基于GPS的时间基准信息与信号，包括GPS标准时间码信息、GPS秒基准信号和各种频率的时间同步脉冲信号等，是实现并保证系统或设备上各部分组件之间在时间上保持精确统一的重要设备。
    基于GPS接收机及其输出信号而进行时间信号统一的时统系统是目前授时系统的主要实现方法，由于受到传统GPS接收机的功能限制，在授时精度、速度和功能上受到一定的限制。基于新型授时芯片LEA-5T的快速高精度授时系统将GPS接收机和授时系统结合为一个整体，提高了系统的集成度，并使授时系统具备了LEA-5T芯片所具有优越性能：信号敏感、授时快、精度高，并可在恶劣气候下实现单卫星授时。

1 LEA-5T
1．1 性能特点
    LEA-5T是目前世界上最大的GPS芯片生产商之一——瑞士u-blox公司出品的新一代高精度GPS授时芯片，其内置u-blox引擎，该引擎采用了KickStart快速弱信号捕获、SuperSense室内GPS高灵敏度跟踪、精确授时GPS等技术，KickStart技术可令设备在恶劣天气或天线较小或隐蔽等微弱信号条件下实现信号捕获；SuperSense室内GPS技术提高了跟踪灵敏度，最低可探测并处理-160 dBm的信号，精度授时技术可实现30 ns的精确度，并可单卫星运行。LEA5T内置1百万个相关器，50个通道，32通道高性能捕获隐形，超高精度18通道跟踪引擎，首次定位时间为1 s(热启动)，授时精度补偿后可达到15 ns。采用2．7～3．6 V电源，输出时间脉冲0．25～1 000 Hz可选，具有UART，USB 2．0等串行接口等。其内部电路及外观和管脚定义如图1所示。

1．2 UBX Protocol
    LEA-5T时间数据以u-blox公司私有GPS通信协议UBX Protocol方式发送。UBX Protocol除了提供标准NMEA协议所提供的信息外，还提供更多的导航授时信息，时间可精确到毫秒。标准UBX包的结构由2 B的头部标识字(SYNC1、SYNC2)、2 B的类标识(class、ID)、2 B的负载长度(低端有效数据)、负载数据和2 B的校验和。

2 系统设计
2．1 系统组成
    授时系统由GPS天线、GPS芯片(LEA-5T)及其保护电路、电池、信号处理器及其辅助电路、通信接口、高精度频率标准、数字逻辑电路及其配置电路、输出信号差分隔离电路等组成，如图2所示。

2．2 工作原理
    GPS信号经GPS天线接收并通过射频电缆送至GPS芯片LEA-5T，LEA-5T芯片接收GPS信号后经过内部比较／捕获电路最终获得时间码信息及整秒时刻，并以时间数据和时间脉冲信号的形式向外输出。时间数据是串口数据信号，按u-bolx自有通信协议UBXProtocol方式构成数据包，数据包含了各种时间信息、导航信息和卫星实况等，通过LEA-5T的外部接口(USB或UART)向外发送。时间脉冲信号是GPS整秒时刻信号，该信号是TTL电平信号，其信号的时间前沿即是GPS整秒时刻，该信号通过LEA-5T的I／O口向外发送。
    保护电路用于监控射频信号，为LEA-5T及GPS天线提供开路或短路保护。
    电池用以在系统断电时为LEA-5T保存上次的捕获到的信息，从而极大提高下次开机时的授时时间。
    信号处理器接收来自GPS芯片的时间数据信号和来自外部的控制命令，在芯片内部将这些数据经过汇总和处理后，通过地址总线和数据总线与数字逻辑电路连接并实时刷新端口，从而将时间码信息和控制命令实时送入数字逻辑电路，同时通过通信接口向外发送时间数据和系统当前控制状态等信息。
    数字逻辑电路(FPGA)根据来自GPS芯片的时间脉冲信号、来自信号处理器地址总线和数据总线的命令和数据以及高精度频标信号，经过内部逻辑电路后，产生各路同步频率脉冲信号(Pulse_x)和IRIG-B码(DC_Code)标准时间等信号，并经隔离驱动电路后向外发送，完成授时和时间统一功能。
    频率标准一般采用高精度温补晶振(OCXO)，根据要求可选择5 MHz或10 MHz频率。
    配置电路用于存储数据逻辑电路的配置信息。

3 时间信息及确认
3. 1 获取时间数据
    UBX NAV Message数据包中包含GPS时间。GPS时间码定义为1980年1月6日零时起的秒计数值，NAV_TIME GPS Message中，ITOM为周内的毫秒数，可据此数据得到天、小时、分、秒的信息，WEEK为周数，结合ITOM和1980年1月6日，得到当前帧数据的年、月、日、星期、时、分秒时刻。ITOM是一个无符号的长整形数据，占4 B。
    信号处理器接收时间数据并存入内存，在每次收到数据时更新该内存，并在每个程序周期中从存储器内提取这些数据，以确保数据的实时性。
3．2 确定脉冲时刻
    GPS脉冲时刻是GPS秒时刻的标记，它通过LEA-5T的I／O口输出，脉冲的宽度和脉冲前沿属性可以通过UBX_CFG_TM来设置。它与时间数据之间的时间关系如图3所示。

    图3表明，时间脉冲信号先于串行时间数据到来，每个时间脉冲的秒时刻为下一个时间数据时刻，也是前一个时间数据秒时刻+1 s的数据时刻。时间数据发送频率可以在0．02～1 000 Hz之间可调，时间脉冲的输出脉宽可调，脉冲方式可设为上升沿或下降沿。并在每一秒内有一个时间标记，用于标记秒时刻。提取时间数据后，T北京=TGPS+8 h-14 s获得当前帧北京时刻。
3．3 初始化GPS芯片
    LEA-5T芯片上电后进入自己的出厂状态，系统可以根据需要，在每次上电通过处理器(MCU)对其进行初始化设置。通过UBX Message 6中的UBX ClassCFG可以选择通信端口(UART／USB)、设置通信端口属性(波特率)、设置I／O端口属性、确定发送Message等操作；UBX Class ACK为CFG控制命令的返回命令，返回ACK-ACK表明命令接收／执行正确，返回ACK-NAK表明命令接收／执行错误；通过UBX Message中的UBX Class NAV(UBX_NAV_TIMEGPS6)可以设置输出时间码数据。初始化流程如图4所示。

4 输出时间信号
4．1 同步脉冲信号输出
    输出与GPS时间脉冲同步的频率脉冲信号，是授时系统的重要功能。这个功能由数字逻辑电路完成。数字逻辑电路对内部高精度标准频率(见图2)信号经过分频，生成各路所需高精度频率信号，分频后的信号经过信号调整电路后与GPS时间脉冲同步。
4．2 IRIG-B码
    IRIG-B码是标准时间码信号。由数字处理器通过I／O向数字逻辑电路实时刷新当前时间数据(IRIG-B精确到秒)，FPGA经内部逻辑电路产生标准IRIG-B(DC)码，其时间的起点与GPS时间脉冲对齐，并通过隔离差分驱动向远程提供时间信息。
4．3 时间码数据
    时间码数据除了通过DC_code方式发送外，还可以通过通信接口，由信号处理器按自定协议定时发送。

5 实物图
    设计实例由两层电路板叠插组成，上层为GPS信号板，下层为信号处理及输出驱动板，如图5所示。

6 结论
    LEA-5T芯片具有体积小、GPS信号灵敏、授时快、精度高的特点，基于LEA-5T的授时系统将GPS信号接收与时间信号处理整合在一起，系统集成度高，体积小，可靠性好。设计实例实验表明，本系统授时快，冷启动下首次授时十几秒，热启动授时小于4 s，再次授时(自备电池下)小于1 s，可在恶劣天气只见一颗星情况下输出时间信号。实测同步信号精度为0．6μs，可满足小于1 μs的要求。