科技与授时的联姻：追溯北斗GPS双模授时模块的成功研发历程

文_ 北斗天汇科技有限公司

科技与授时的联姻：追溯北斗GPS双模授时模块的成功研发历程

文_ 北斗天汇科技有限公司

我国从2000年开始，陆续发射了4颗 “北斗一号”01到04号试验导航卫星，组成了我国第一个卫星导航定位系统。十年磨一剑，系统稳定运行，用户显著增加。然而，涉及国家经济社会安全的通信、电力、金融系统等诸多关键基础设施领域的时间同步大多采用GPS授时。针对这一现状，北斗天汇（北京）科技有限公司（简称：北斗天汇公司）从成立期初，专注北斗应用研究，瞄准授时应用前景广阔的市场需求，自主研发创新和系统集成创新，成功研制北斗GPS双模授时模块。

1 授时模块的研发历程

在首先保证满足各项性能指标的同时，研发的每一个阶段均贯彻了双模备份、兼容性、低功耗等方面的设计理念，融合了高精度的授时算法，支持无源定位和气压测高等功能，完善的图形化软件平台支持。最终实现的授时模块尺寸小、接口兼容，可以方便的替换原有的授时设备，也易于在各种装备中集成。

以研发历程的时间为序，可以划分为四个阶段：

（1）组合式北斗单模授时板卡研制；

（2）一体式北斗单模授时板卡研制；

（3）小型化北斗单模授时模块研制；

（4）小型化双模兼容授时模块研制。

整个研发历程是一次产品升级、功能完善、技术进步的过程，目前产品的最新版本已经处于精度高、体积小、功耗低、成本廉的业界领先地位。下面对四个研发阶段进行回顾。

图1 产品升级历程

1.1 组合式北斗单模授时板卡研制

2007年公司成立伊始，就瞄准北斗产业化重点布局，开始了北斗单模授时板卡的研制。本阶段采用独立射频模块组合信号处理板的方式，实现了原型北斗单模授时板卡，当时公司尚不具备独立研发射频电路的科研能力，因此射频模块外购解决。此阶段实现的技术跨越主要有，完成了基带信号处理的板级集成，原型产品具备了单向授时、三星无源定位功能。但存在板卡面积大、厚度超限、成本高等缺点。组合式北斗单模授时板卡如图1-1所示。

图1-1

1.2 一体式北斗单模授时板卡研制

2007年下半年，在组合式原型板卡成功研制的基础上，为了克服组合式设计带来的缺陷，公司投入人力财力进行技术攻关，进入一体式板卡的研制。实现了射频基带一体化设计，性能不低于组合式产品。完成本次技术跨越后，可全部独立进行产品开发生产。一体式板卡解决了厚度超限、成本较高的问题，但其面积问题仍然没有克服。一体式北斗单模授时板卡如图1-2所示。

图1-2

1.3 小型化北斗单模授时模块研制

2008年初，以市场需求为牵引，基于前期的技术积累，进入产品小型化研发阶段。公司机智攻关，采用业界先进的设计理念和工程方法，对软硬件设计方案进行多种优化，最终实现产品小型化。此时的产品体积小、尺寸接口实现了标准化。同时对授时算法进行了优化，实现了守时功能，能保证在卫星信号中断的情况下继续提供较高质量的时间输出。此时的产品进行了多种指标测试，性能完全达到相关要求。小型化北斗单模授时模块如图1-3所示。

图1-3

1.4 小型化双模兼容授时模块研制

2008年中期，瞄准中国移动有关技术要求，为了在规定面积下实现北斗/GPS双模，公司又一次完成技术飞跃，在有限面积下实现了双模兼容，2009年初成功完成了小型化双模授时模块的研制。模块采用先进的双模兼容技术，确保多种备份切换方式。同时引入了完善的状态检测功能，包括天线开短路、信号完好性等，为用户提供可靠的时间输出。同时完善了多种协议，除了支持北斗天汇专有协议外，还兼容了NMEA0183、TSIP、UBX、BD4.0等多种协议，用户使用中可以灵活选择。加入了板载温度气压期间，通过带标校的高程气压算法，实现了高程辅助的自主定位。完成标准化生产流程，具备大规模生产能力。为方便用户适应不同环境授时应用，开发了控制软件与北斗-GPS双模授时模块配合使用。其具有图形显示直观方便；多手段控制，参数配置灵活；绿色免安装，运行稳定等特点。其显示如图2所示。小型化双模兼容授时模块如图1-4所示。

图1-4

图2 软件平台部分界面

根据上述回顾，现将每一阶段产品完成的技术革新与进步以列表的形式展现，如表1所示。

2 研发历程中的技术升华

2.1 双模备份设计

GPS系统作为稳定运行的成熟系统，已经广泛应用，在北斗授时模块中集成GPS模块，用于系统备份，可明显提高整机的可靠性。同时具备应对各种场景的双模切换比对算法，保证故障识别的准确、可靠、迅速。

2.2 兼容设计

目前，鉴于非北斗授时的设备已大量应用于军民领域，但北斗授时将逐步占据主导。为了实现平稳过渡与替换，必须与广泛使用的安装尺寸、硬件接口及数据协议等方面尽可能的兼容。本文介绍的产品采用与Trimble resolutionT一致的安装尺寸和硬件接口，同时也完全符合中国移动北斗授时规范中提出的接口要求，其具体尺寸如图3所示。

表1 研发历程对照表

图3 授时模块结构尺寸

2.3 低功耗设计

模块功耗小于1.5 W（不含天馈）。为了降低功耗，在算法级和硬件级均做了相应的考虑。在信号捕获跟踪过程中采用FFT、并行运算、运算单元复用等方法，降低运算量；采用合理有效的任务调度策略，使用流水调度、采用可剥夺式内核管理机制，降低空闲任务的执行周期，缩短任务切换时间开销。上述处理均有效的降低了处理器运算负担，降低了工作频率，进而减小了整机功耗。硬件设计上，首先实现了高效的供电电路，采用合理的变压策略，降低了功率额外损失；在器件选型上，兼顾实现功能和降低功耗两方面需求，使用低功耗器件，在必要时刻令部分器件进入省电模式。

2.4 稳定性设计

在很多应用场景下要求授时设备长期连续稳定运行，稳定性比精度更为重要，为了加强模块的鲁棒性，在设计环节进行了大量的抗压测试，有效排除可能的程序死锁环节，同时在程序关键节点设置了看门狗机制，保证程序自动恢复。同时在协议数据中包括完整的模块可用性标志信息，可对信号失锁、天线开短路、结果异常等多种情况进行数据通知，保证结果完好性。在硬件设计中，合理布局布线，充分考虑EMC设计原则，进行有效的屏蔽处理，器件选型过程中对所有器件进行温湿振动等环境参数审核，避免个别器件引起整机稳定性下降。

2.5 高精度授时算法

授时模块精度指标为：精确度小于10ns（1σ），准确度小于100ns（位置精确获取时）。为了实现该精度进行了如下处理，结合系统特点和工程实际，采用多种定时修正与补偿算法，最大限度的缩小大气层、地球自转效应、设备零值，系统残差项。使用滤波及毛刺剔除算法，消除定时结果的粗差。利用板载高稳频标，及授时结果的历史信息，实现自动守时，以应对信号中断，由于采取了融合算法，使守时频率准确度比板载频标高至少两个数量级。

3 测试结论

2007年底北斗天汇公司成功研制的北斗单向授时模块，经北斗用户设备权威部门的定标测试，精度优于30ns。

2008年7月北斗天汇公司参加中国移动组织的北斗接收机实验室长期性能测试验证，以及在多个省市现网上的不同基站设备内部内置北斗授时模块的同步性能监测、授时机与基站接口对接的性能测试，测试结果表明北斗卫星可以提供长期的小于100ns的时间精度，完全可以满足TD系统亚微秒的精度要求。

2009年8月北斗天汇公司参加总部组织的集中装备采购招标，北斗授时模块测试项目满分，技术排名第一。

4 总结与展望

北斗天汇公司历时两年成功研制的高精度双模授时模块，精度高、体积小、功耗低、成本廉，业已走过自动化贴片生产模块的工艺流程，一条SMT贴片流水生产线月产能2万块，为推进北斗授时应用产业化打下坚实的基础。随着北斗卫星导航系统应用的不断深入，高精度北斗授时应用将会更好地服务于国防科技和国民经济建设。S