CN104570021A - 一种基于北斗卫星定位和授时的gps模拟方法与系统 - Google Patents

一种基于北斗卫星定位和授时的gps模拟方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法与系统，其增设在现有基站的GPS接收机的前端，利用北斗授时接收机的授时结果对地压控晶振进行驯服，实现地压控晶振和北斗系统时间同步。在地压控晶振作用下，利用北斗授时接收机的定位结果和星历参数，同步产生GPS模拟信号供GPS接收机完成定位和授时。这样无需替换基站内的各个设备(包括GPS接收机)便能够实现GPS授时向北斗授时的转换，因而能够大为降低授时转换的设备替换难度。此外，替换后的基站无需依赖现有的由美国控制的GPS系统，而转为使用具有中国自主知识产权的北斗系统，进而有效提升了通信的安全性和可靠性。

Description

一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法与系统
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法与系统。
背景技术
中国电信的CDMA系统覆盖范围广，各个基站之间要求严格的时间同步，否则会导致通话切换失败，甚至无法建立通话。目前，各个基站中的时间同步都是采用GPS授时。2011年1月13日下午，GPS系统升级，造成了中国电信CDMA出现网络告警现象。GPS是美国的卫星导航系统，由美国军方开发和控制，其系统随时可以进行局部性能劣化设置和限制使用，一旦GPS失效，CDMA网络的切换出错率和掉话率将大幅增高，严重时可致网络系统瘫痪，如果中国在通信网络技术上继续完全依赖于美国GPS进行时间同步将是非常危险的。因此，拥有自主的授时系统是保障中国通信安全的重要措施。
北斗卫星导航系统特别是中国的BD2是我国自行研制的具有独立知识产权的卫星导航系统，其定位和授时精度与GPS相当，完全可以替代GPS授时和定位应用。从安全和可靠性考虑，中国电信的CDMA基站的GPS授时系统，急需换成北斗授时系统。虽然，BD2完全可以替代GPS授时，但是很多基站中的GPS接收机与基站其他设备耦合在一起，它们之间的接口很难分离开来，即现阶段很难直接用BD2授时模块代替GPS模块。
发明内容
本发明所要解决的是因基站中的GPS接收机与基站其他设备耦合在一起，而无法直接将现有基站中的GPS接收机直接替换成BD授时接收机的问题，提供一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法与系统。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法，包括如下步骤：
步骤1，北斗授时接收机接收北斗卫星导航信号，获得授时信息和定位信息。
步骤2，利用步骤1所得的授时信息对本地时钟进行驯服，实现本地时钟和北斗系统时间同步。
步骤3，利用步骤1所得的授时信息将北斗时转换为GPS时。
步骤4，在步骤2所得的本地时钟的控制下，利用步骤1所得的定位信息和步骤3所得的GPS时，实时产生GPS卫星模拟信号，并将GPS卫星模拟信号转变为射频信号。
步骤5，基站的GPS接收机接收步骤4所得的射频信号，完成对用户的授时和定位。
上述步骤1中，北斗授时接收机输出的授时信息为秒脉冲和日时间，输出的定位信息为位置信息。
上述步骤2中，采用压控晶振来实现本地时钟驯服。
一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟系统，由北斗授时接收机、时钟驯服模块、本地压控晶振模块、北斗时转GPS时模块和GPS卫星信号模拟器组成。北斗授时接收机的日时间和秒脉冲输出端连接北斗时转GPS时模块，北斗时转GPS时模块的日时间和秒脉冲输出端连接GPS卫星信号模拟器。北斗授时接收机的秒脉冲输出端连接时钟驯服模块，时钟驯服模块与本地压控晶振模块相互连接，本地压控晶振模块的输出端连接GPS卫星信号模拟器。北斗授时接收机的位置输出端连接GPS卫星信号模拟器。
上述北斗授时接收机主要由接收天线、射频模块、AD转换模块、基带信号处理模块、PTV解算模块、钟差修正模块和系统晶振组成。接收天线经射频模块连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接基带信号处理模块的输入端，基带信号处理模块的输出端连接PTV解算模块的输入端，PTV解算模块的输出端连接时钟驯服模块、北斗时转GPS时模块和GPS卫星信号模拟器。钟差修正模块的输入端连接PTV解算模块，输出端连接基带信号处理模块。系统晶振连接射频模块、AD转换模块、基带信号处理模块和PTV解算模块。
上述时钟驯服模块包括脉冲计数器、计数比较器和电压转换器。脉冲计数器的输入端连接北斗授时接收机的秒脉冲输出端和本地压控晶振模块的时钟输出端，脉冲计数器的输出端经计数比较器与电压转换器的输入端连接，电压转换器的输出端连接本地压控晶振模块的压控输入端。
本发明的原理是：北斗授时接收机接收4颗及4颗以上的北斗卫星导航信号，实现授时和定位，并输出1pps(秒脉冲)、TOD(日时间)和PVT(位置、速度和时间信息)等信息。利用北斗授时接收机的秒脉冲对本地时钟进行驯服。把BDT(北斗时)转换为GPST(GPS时)。在本地时钟控制下，利用北斗授时接收机定位结果和GPST，实时产生GPS卫星模拟信号，并将GPS卫星模拟信号转变为射频信号。基站的GPS接收机接收该射频模拟信号，完成对用户的授时和定位。
与现有技术相比，本发明增设在现有基站的GPS接收机的前端，其利用北斗授时接收机的授时结果对本地压控晶振进行驯服，实现本地压控晶振和北斗系统时间同步。在本地压控晶振作用下，利用北斗授时接收机的定位结果和星历参数，同步产生GPS模拟信号供GPS接收机完成定位和授时。这样无需替换基站内的各个设备(包括GPS接收机)便能够实现GPS授时向北斗授时的转换，因而能够大为降低授时转换的设备替换难度。此外，替换后的基站无需依赖现有的由美国控制的GPS系统，而转为使用具有中国自主知识产权的北斗系统，进而有效提升了通信的安全性和可靠性。
附图说明
图1为基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟系统原理图。
图2为北斗授时接收机的原理框图。
图3为北斗授时接收机驯服本地压控晶振的原理框图。
图4为GPS信号模拟时间同步产生的原理图。
图5为GPS射频信号模拟产生的原理框图。
具体实施方式
一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法，包括如下步骤：
步骤1，北斗授时接收机接收北斗卫星导航信号，通过信号的下变频、DA变换、解扩、解码、时间提取等，获得授时信息和定位信息，并输出pps秒脉冲、TOD和位置等信息。
步骤2，利用步骤1所得的授时信息对本地时钟即本地晶振进行驯服，实现压控晶振和北斗系统时间同步。
步骤3，利用步骤1所得的授时信息和北斗星历中的时间参数，将北斗时转换为GPS时，并同步产生GPS模拟信号。
步骤4，在步骤2所得的本地时钟的控制下，利用步骤1所得的定位信息和步骤3所得的GPS时，实时产生GPS卫星模拟信号，并将GPS卫星模拟信号转变为射频信号。
步骤5，基站的GPS接收机接收步骤4所得的射频信号，完成对用户的授时和定位，其定位和授时结果，即为北斗的定位和授时结果，从而完成利用北斗信号完成GPS授时和定位。
一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟系统，如图1所示，由北斗授时接收机、时钟驯服模块、本地压控晶振模块、北斗时转GPS时模块和GPS卫星信号模拟器组成。北斗授时接收机的日时间和秒脉冲输出端连接北斗时转GPS时模块，北斗时转GPS时模块的日时间和秒脉冲输出端连接GPS卫星信号模拟器。北斗授时接收机的秒脉冲输出端连接时钟驯服模块，时钟驯服模块与本地压控晶振模块相互连接，本地压控晶振模块的输出端连接GPS卫星信号模拟器。北斗授时接收机的位置输出端连接GPS卫星信号模拟器。
上述北斗授时接收机主要由接收天线、射频模块、AD转换模块、基带信号处理模块、PTV解算模块、钟差修正模块和系统晶振组成。接收天线经射频模块连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接基带信号处理模块的输入端，基带信号处理模块的输出端连接PTV解算模块的输入端，PTV解算模块的输出端连接时钟驯服模块、北斗时转GPS时模块和GPS卫星信号模拟器。钟差修正模块的输入端连接PTV解算模块，输出端连接基带信号处理模块。系统晶振连接射频模块、AD转换模块、基带信号处理模块和PTV解算模块。参见图2。
上述时钟驯服模块包括脉冲计数器、计数比较器和电压转换器。脉冲计数器的输入端连接北斗授时接收机的秒脉冲输出端和本地压控晶振模块的时钟输出端，脉冲计数器的输出端经计数比较器与电压转换器的输入端连接，电压转换器的输出端连接本地压控晶振模块的压控输入端。参见图3。
本系统的工作过程是：首先，在基站配备BD2授时接收机，并用该接收机完成基站的定位和授时。其次，利用BD2授时接收机的1pps秒脉冲输出，通过对电压的控制实现对本地压控晶振的精确频率输出。再次，利用BD2定位结果和TOD时间信息，在本地时钟的控制下，模拟产生与BD2时间完全同步的GPS射频信号。最后，基站的GPS接收机通过射频电缆接收该射频信号，完成高精度的授时和定位。
1、北斗授时接收机
北斗卫星导航信号经接收天线接收后，送入射频模块。射频模块对输入信号进行放大、混频、滤波和模数转换后输出数字信号至基带处理模块。基带处理模块首先对信号进行捕获，捕获成功的可见星信号将会继续在本模块中进行持续的跟踪。当接收机同时跟踪上四颗或四颗以上的卫星信号，可以进行定时解算，可以计算出本地时钟与系统时间之差，即接收机钟差。在授时模块中使用钟差修正本地时间，实现本地时间与导航系统时间保持一致，并输出PVT(位置、速度和时间信息)和1pps(秒脉冲)输出。
2、北斗驯服本地压控晶振
脉冲计数器对本地压控晶振的CLK时钟输出计数，例如，本振为62MHz的晶振，每秒应该输出6200000个时钟数。在北斗授时接收机的1pps秒脉冲的上升沿比较，并用计数比较器对两个计数结果比较：
Δn＝n-6200000 (1)
其中，n为本地压控晶振1秒输出的CLK个数。
如果Δn大于0，说明本地时钟快了，减小本地压控晶振的外部电压，即可以改变本地压控晶振的负载电容，使其振荡频率变小，即每秒输出的CLK时钟数变小。相反，如果Δn小于0，说明本地时钟慢了，提高本地压控晶振的外部电压，即可以改变本地压控晶振的负载电容，使其振荡频率变大，即每秒输出的CLK时钟数变大。
3、BDT转换GPST
北斗时是由北斗二号地面运控系统主控站时频系统建立并保持的时间，简称BDT。BDT采用国际原子时秒长(SI)为基本单位。以“周”和“周内秒”为单位连续计数，通过北斗导航电文发播。BDT不闰秒，时间历元为2006年1月1日(星期日)UTC00h00m00s。截止到2012年11月北斗时与UTC时间偏差为：UTC-BDT≈-2s。
GPS时是由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一个原子时系统，与国际原子时保持有19ns的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时间在0～604800s之间变换，0s是每星期六午夜且每到此时GPS时间重新设定为0s，GPS周数加1。GPST与UTC之差由导航电文中播发的2个系数确定。自1980年至今(2012年11月)已经正闰秒16次。UTC时间和GPS时间差16秒。UTC-GPST≈-16s，也就是GPS时间比UTC时间大16秒。
因此，GPST-BDT＝14s，即GPST比大约BDT超前14s。，而且在北斗导航电文中，与GPS时间同步参数还有两个A0GPS和A1GPS。可以进一步精细修改BD与GPS时间差。因此，北斗授时接收机输出的TOD，加偏差即为GPS信号开始仿真时间。
4、GPS信号模拟时间同步产生
GPS信号模拟时间同步产生过程如图4所示，对本地pps秒脉冲计数，当GPST到XX时XX分57秒时，进行GPS电文编码，并从第一子帧开始电文编码，当GPST到XX时XX分59秒时，发送电文编码完成的OK标志，当GPST到XX时XX分60秒时，在pps秒脉冲的上升沿上，开始调制信号。
5、GPS射频信号模拟产生
GPS射频信号模拟产生过程如图5所示，在本地pps秒脉冲作用下，在DSP中完成GPS电文编码。利用北斗授时接收机定位结果和时间信息，判断可见的GPS卫星，并计算GPS卫星坐标和用户到卫星伪距及伪距变化率，并计算出全部卫星信号发送时刻的信号状态(码相位、载波相位)。建立各类误差源的误差模型，根据各类误差源，如电离层误差、对流层误差、多路径误差等。由误差模型生成相应的误差模拟信号。进行高动态三阶码NCO和载波NCO模拟。
FPGA处理模块完成信号处理，时序控制等功能，合成数字的中频信号。FPGA内部有多个通道，可同时模拟多颗卫星，DSP在初始阶段会向FPGA每个通道发送可见的卫星号。FPGA内部通道根据收到的卫星号，选择相应的码表，再根据收到的初始控制字，选择对应的码相位和载波相位作为起始，开始进行模拟。然后在时序模块的控制下，按照一定频率更新控制字和电文信息，最后通过直接序列合成生成数字中频信号。多通道数字中频信号合成，并经AD变换生成中频模拟信号。
数字中频调制方式为BPSK的模拟中频信号，信号带宽为2.046MHz。经过上变频，射频信号端口输出L1(1.57542GHz)射频频率信号，可以作为GPS接收机的射频输入。考虑到GPS模拟信号具有多通道信号传输的特点，中频、射频电路的设计对相噪参数等参数指标的实现是一个非常关键的环节。系统的设计需要满足信号幅度(模拟源输出信号幅度精度、准确性、变化范围)、相噪指标、频率稳定度，信号带宽等指标要求。

Claims (6)

1.一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1，北斗授时接收机接收北斗卫星导航信号，获得授时信息和定位信息；
步骤2，利用步骤1所得的授时信息对本地时钟进行驯服，实现本地时钟和北斗系统时间同步；
步骤3，利用步骤1所得的授时信息将北斗时转换为GPS时；
步骤4，在步骤2所得的本地时钟的控制下，利用步骤1所得的定位信息和步骤3所得的GPS时，实时产生GPS卫星模拟信号，并将GPS卫星模拟信号转变为射频信号；
步骤5，基站的GPS接收机接收步骤4所得的射频信号，完成对用户的授时和定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法，其特征是：步骤1中，北斗授时接收机输出的授时信息为秒脉冲和日时间，输出的定位信息为位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟方法，其特征是：步骤2中，采用压控晶振来实现本地时钟驯服。
4.一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟系统，其特征在于：由北斗授时接收机、时钟驯服模块、本地压控晶振模块、北斗时转GPS时模块和GPS卫星信号模拟器组成；北斗授时接收机的日时间和秒脉冲输出端连接北斗时转GPS时模块，北斗时转GPS时模块的日时间和秒脉冲输出端连接GPS卫星信号模拟器；北斗授时接收机的秒脉冲输出端连接时钟驯服模块，时钟驯服模块与本地压控晶振模块相互连接，本地压控晶振模块的输出端连接GPS卫星信号模拟器；北斗授时接收机的位置输出端连接GPS卫星信号模拟器。
5.根据权利要求4所述的一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟系统，其特征在于：所述北斗授时接收机主要由接收天线、射频模块、AD转换模块、基带信号处理模块、PTV解算模块、钟差修正模块和系统晶振组成；接收天线经射频模块连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接基带信号处理模块的输入端，基带信号处理模块的输出端连接PTV解算模块的输入端，PTV解算模块的输出端连接时钟驯服模块、北斗时转GPS时模块和GPS卫星信号模拟器；钟差修正模块的输入端连接PTV解算模块，输出端连接基带信号处理模块；系统晶振连接射频模块、AD转换模块、基带信号处理模块和PTV解算模块。
6.根据权利要求4所述的一种基于北斗卫星定位和授时的GPS模拟系统，其特征在于：所述时钟驯服模块包括脉冲计数器、计数比较器和电压转换器；脉冲计数器的输入端连接北斗授时接收机的秒脉冲输出端和本地压控晶振模块的时钟输出端，脉冲计数器的输出端经计数比较器与电压转换器的输入端连接，电压转换器的输出端连接本地压控晶振模块的压控输入端。
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