基于GPS授时同步的标校系统嵌入式设计

刘爱东 ，李知宇 ，王 丰 ，贺林波

（1.海军航空工程学院201教研室，山东烟台264001；2.海军航空工程学院研究生管理大队，山东烟台264001；3.海军航空工程学院训练部数字化校园办公室，山东烟台264001）

无人机标校作为完成着舰引导系统下滑道一致性检查的一种方式，具有安全有效、操作简单的优点。但架设的标校设备必须具有架设简便、低功率的特性[1]。

在基于无人机的标校系统中，系统的精确授时与同步是非常重要的工作，同时标校系统须完成自身的定位功能。广泛应用的全球定位系统（Global Positioning System），能够在全球范围内广播位置信息和高精度的时间基准[2]，同时信息便于采集。因此，基于GPS技术来同步授时标校系统的嵌入式设计方案具有重要的意义。

1 系统工作原理与组成

GPS模块工作时同时接收两种类型的信息，一种是包含UTC标准时间等卫星数据，另一种是GPS秒脉冲信号1PPS，每秒输出一个电平信号，高电平有效，处理器监听秒脉冲电平特性，以获取同步信号，处理器监听秒脉冲信号同时对卫星数据提取UTC标准时间，获取秒脉冲对应的时间信息，并对处理器时钟校时，完成授时功能[3-7]。因此工作原理框图如图1所示。

本文方案选型中，处理器选用现在流行的ARMv8处理器，是ARM公司首推的支持64位指令集的处理器，同时也支持32位的指令，主频1.2 GHz的四核ARM处理器构成整个系统的控制中心，采用5 V直流电供电，全速工作功耗小于3.5 W，搭配1 G的DDR内存，16G的SD卡存储。GPS模块接收芯片采用U-Blox公司的NEO-M8T，用来接收卫星数据与GPS秒脉冲和卫星数据，尺寸为12.2*16 mm，是U-Blox公司推出的高精度授时芯片，授时精度为20 μs。电源方面采用5 V直流电的蓄电池供电。

图1 系统原理图

2 系统硬件设计

2.1 稳压电源设计

GPS模块的稳定工作是整个系统稳定工作的基础，GPS模块是高灵敏度模块，对噪声容限度较低，因此对输入电源的稳定性与可靠性提出较高的要求。

本文设计一种稳压电源电路，稳压电路如图2所示。

图2 稳压电路图

将ARM处理器所在的微控制板输出5 V电压转换为3.3 V电压，给GPS模块供电，且能对GPS模块提供电源保护功能。选用的MIC5205芯片，是一种有效的噪声输出线性稳压器件，具有去噪和保护电路的优点。

2.2 前置放大电路设计

GPS接收模块接收卫星信号后，需有前置放大电路，用来改善信噪比，前置放大电路如图3所示。

前置放大器是宽带低噪载频放大器，本文选用MAX659ELT类型芯片，是GPS低噪声放大器，具有高增益、低噪声特性，增益19 dB，噪声系数0.8 dB，频率为1 575.42 MHz，可有效提高GPS模块的接收灵敏度[8-10]。

图3 前置放大电路设计

2.3 接口电路设计

本文的方案设计中，需要GPS模块通过串口将接收到的卫星数据传输至ARM处理器，在U-Blox引脚提供串口传输方式中，有UART接口、USB接口等可供选择。标校系统授时同步模块要求串口必须具备传输速率高，可靠性高、稳定性好的特点。在笔者设计的模块输出接口中，二者都有，UART接口的输出如图2所示，但软件设计上最终选择USB接口的输出方式，相比于UART接口，USB2.0接口全速可达12 Mbit/s，抗干扰性能较强，稳定性好[11]。USB接口电路如图4所示：

图4 USB接口电路图

为完成基本通信功能，只用到DN，DP，GND引脚即可，接口采用5 V直流电供电。

3 系统软件设计

ARM处理器操作系统为LINUX系统，系统的软件设计也是LINUX系统下编程来完成其授时同步功能[10]。

3.1 读取GPS模块信息

ARM处理器从GPS模块读取两种信息，一种是GPS秒脉冲，每秒输出脉冲信号，高电平有效，ARM处理器不断监听GPS模块的PPS引脚，获取GPS秒脉冲信号作为系统同步的时间基准。与此同时处理器不断通过USB接口接收卫星数据，提取GPS秒脉冲对应的UTC标准时间信息来对本地时钟校时，同时存储接收的卫星数据至文件中，以事后处理数据[11-16]。为完成上述功能，本文设计了一种多线程读取GPS模块输出信息完成的方式。其主要代码如下所示：

3.2 授时同步

3.2.1 UTC标准时间

GPS模块输出的卫星数据中，包括国际海洋电子协会提出的NMEA0183格式数据[13-16]。该协议采用 ASCII码，数据位 8 bit，开始位 1 bit，停止位 1 bit。GPS模块每秒输出这种格式数据，包含位置坐标信息和UTC标准时间信息。数据每行都以$开头，后面紧跟数据信息，对标校系统授时同步功能模块来说，最重要的是$GPGGA开头的语句，其数据格式为

$GPGGA，＜1>，＜2>，＜3>，＜4>，＜5>，＜6>，＜7>，＜8>，＜9>，＜10>，＜11>，＜12>，＜13>，＜14>*＜15>＜CR>＜LF>

其中重要的数据有：

＜1>UTC时间，格式为hhmmss.sss。（给出单位至毫秒的时间精度）

＜2>纬度，格式为ddmm.mmmm（前导位数不足则补0）。

＜3>纬度半球，N或S（北纬或南纬）。

＜4>经度，格式为dddmm.mmmm（前导位数不足则补0）。

＜5>经度半球，E或W（东经或西经）。

可提取UTC标准时间，对标校系统授时。

3.2.2 GPS秒脉冲

GPS秒脉冲是系统同步重要时间基准，同步精度很高，其脉冲前沿与国际标准时间的同步误差不超过1 ms，输出高电平有效3.3 V[17-19]，为检测设计的GPS模块输出GPS秒脉冲信号的特性，采用示波器读取所设计系统输出的GPS秒脉冲的波形，并进行分析，波形如图5所示。

图5 GPS秒脉冲波形

从波形图得知，笔者设计的GPS模块输出的GPS秒脉冲频率为1 Hz，高电平100 ms，低电平900 ms，频率稳定，可靠性高，能够作为标校系统同步的时间信号。

3.2.3 实验结果

处理器在监听到GPS秒脉冲信号后，分析语句$GPGGA开头的UTC标准时间，同时获取LINUX系统内核时钟，然后与本地时钟比较，得出时钟偏差并校正本地时钟，随着监听GPS秒脉冲次数的增加，最终使本地的时钟与UTC标准时间一致，完成系统的授时同步功能，测试的偏差量如表1所示。

表1 时间偏差量

在完成授时同步功能同时，处理器将GPS模块接收的卫星数据存储至SD卡中，以作后续的数据处理用，采集存储卫星数据实验结果如图所示6所示。

图6 GPS模块采集卫星数据图

4 结 论

文中针对基于无人机的标校系统中授时同步问题，结合应用的条件分析，提出基于GPS技术来授时同步的嵌入式设计方案，采用U-Blox公司芯片设计GPS模块，采用ARM处理器作为核心控制器完成GPS模块输出信息采集并对标校系统授时同步功能，采用嵌入式开发有关技术完成方案软硬件设计。实验结果表明：系统可靠性高，能够完成系统的授时同步功能。该方案具有体积小、架设方便、功耗低、便于无人机架设的优点。

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