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1、安徽大学硕士论文 基于北斗系统的授时技术研究及其实现 ii Abstract Precise time-service is the safty insurance in the military, electric power, communications, transportation and other industry security system operation.Developing the satellite system of Chinas independent intellectual property effects the economic development
2、 and national security. At present, the majority of industries in China use GPS navigation systems, in order to break the monopoly of GPS, for the benefit of our economic and national security, in 2003 China established “Compass I“ satellite navigation systems,that is Beidou system. Beidou satellite
3、 navigation system is built independently by China and it provides a regional all-weather, high precision navigation service with three basic functions of positioning, communication, and time-service. This paper based the “Compass I“ time-service receiver project of some navigation department. I had
4、 the cpportunity to participate in the development of a one-way direction of Beidou system time-sevice receiver. The main contents of this paper is as follows: First, Make a brief overview of the global satellite navigation system , Specifically descripts Beidou satellite system structure,Beidou nav
5、igation data structure, the receiver hardware circuit, one-way direction timing principle, these are the fundamentals of understanding satellite signal processing techniques and timing Solution. Next, the processing of baseband signal after the antenna and the RF module,mainly introduces the digital
6、 matched filter acquisition, Costas tracking loop, and Viterbi decoding, CRC check, to get satellite navigation message.This part of the technology is the Key part not only in the timing receiver but also in a navigation receiver. Finally, Describes the Solution Process of signal sending time ,the d
7、elay of signal transmission,the correction method of up-down link delay, Abstract iii tropospheric and ionospheric delay, ultimately to achieve the Beidou system time in an allowable error less than 100ns. I design an optimized PPS model which integrate with the sub-frame count and high-precision lo
8、cal oscillator counter. In the end，I proposes a Chebyshev polynomial fitting algorithm to Estimate satellite position to improve timing accuracy. Project successfully worked out the timing receiver with high precision and stability, and the error less than 100ns. Keywords: Beidou system， timing-rece
9、iver，one-way timing，Chebyshev polynomial 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景和意义 1.1 课题研究背景和意义 卫星授时不仅在基础研究领域有重要的作用， 如地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫星动力学测地等；而且在国防和国民经济建设中也有普遍的应用，如航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等。随着现代社会的高速发展，对高精度时间频率提出了更高要求，特别是现代数字通信网的发展、信息高速公路建设，各种政治、文化、科技和社会信息的协调都是建立在严格的时间同
10、步基础上的。 高精度时钟源对国家的经济运行、通信网络是十分重要的。目前国内多数行业普遍采用 GPS 作为时钟源，而由于 GPS 信号精度受美国军方控制，如果我们仅通过依靠国外卫星系统作为时钟源，授时的安全性将无法得到保证。所以必须充分利用具有我国自主知识产权的北斗卫星系统作为我国高精度时钟源。 1.2 授时的发展历史 1.2 授时的发展历史 1905 年，美国首先实现了短波无线电授时，精度达到毫秒(ms)级。很多国家建立自己的短波授时系统，短波无线电授时得到了广泛应用和推广。 在此后半个多世纪， 时钟源从天文摆钟发展到石英钟、 氨分子钟、 铯原子钟，时钟源的特性有了数量级的提高，短波无线授时不
11、再适应授时精度的发展要求。20 世纪 40 年代，美国国防部开始研制 LORAN 远程无线电导航系统，LORAN 系统主要用于军事上导航定位，它使用原子钟控制，100KHZ 载频上多脉冲、相位编码得到地基无线电通信方式，授时精度达到微秒(s)级。 自从 1957 年前苏联第一颗人造卫星上天，人们就探讨用卫星装载的原子钟进行授时的可能性。美国等很多国家纷纷进行试验，以 1962 年美国海军天文台(USNO)和日本综合研究所(CRL)做了横跨太平洋的时间比对试验，比对精度在0.1s1.0s之间。1994 年 3 月，美国陆海空三军经过 20 年的研究实验，耗安徽大学硕士论文 基于北斗系统的授时技术
12、研究与实现 2 资 300 亿美元研联合制建成全球覆盖的卫星导航定位系统 GPS(Global Navigation Satellite System)。70 年代中期，前苏联筹建本国的全球卫星导航系统 GLONASS(Global Navigation Satellite System 的俄语缩写)，1993 以后由俄罗斯继续建设 GLONASS 系统，计划在 2007 年开始运营。二者在卫星上都用了，频率稳定度优于 1.7410-14 /天的高性能星载 Rb 原子钟1，因此卫星授时比以往的无线电授时在精度得到了很大的提高，误差达到纳秒级，卫星授时成为高精度授时应用的主要方式。 此外，网络授
13、时也是一种应用广泛的授时技术。1982 年，美国 Delaware 大学的 Mills 教授设计实现了网络时间协议(NTP，Network Time Protocol)，具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，以提高准确度。这种网络授时在计算机网络时代得到了迅速的发展，成为国际互联网上传递统一、标准的时间。网络授时的精确度能达到了毫秒级。 1.3 全球导航卫星系统 1.3 全球导航卫星系统 目前，全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)主要包括美国的 GPS、 俄罗斯的 GLONA
14、SS、 中国的 Compass(北斗)、 欧盟的 Galileo系统四大系统。其他国家也在积极研制本国的区域性卫星导航定位系统，作为GPS 导航的增强系统。2006 年 7 月，印度空间研究组织宣布印度将筹划研发本国卫星导航系统“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）。日本于 2007 年 2 月先后发射 4 颗卫星，发展导航与通信广播相结合的准天顶卫星系统23。在全球导航卫星系统中以 GPS 系统应用最为广泛。 下面对四大卫星导航卫星系统4作简单的介绍。 (1)美国的 GPS 系统于 1973 年 12 月被认可。1978 年发射第一颗卫星，直至1994 年 2 月，联邦航空局宣布 GPS 投
15、入使用。GPS 系统共有 24 颗卫星，其中 21颗工作星和 3 颗备份，卫星分布在距地表 20,200km 上空的 6 个轨道平面上，每个轨道面 4 颗，轨道倾角为 55。 理论上，在地球上的任何位置的任何时间 ，GPS 接收机应能接受 4 至 11 颗卫星的信号， 因此该系统能向具有适当接收机的全球范围内的用户提供精确的连第一章 绪论 3 续的三维位置、速度、时间信息。GPS 系统使用两个卫星载波频率，L1 频率为1575. 42MHz , L2 频率为 1227.60MHz，通过采用 C/A(Coarse/Acquisition Code)码和 P 码(Precise Code)两种不同
16、扩频码调制方式，分别提供民用和军用两种不同的服务，民用标准定位服务(SPS)的精度为 100 米，精确定位服务(PPS)是制定为军方和政府机构使用的服务，其精度为 8 米。 (2)俄罗斯的GLONASS是苏联国防部70年代中期独立研制和控制的军用卫星导航系统, 其原理和方案都与美国的 GPS 相似。 GLONASS 星座由 27 颗工作星和 3颗备份星组成。卫星均匀分布在 3 个近圆形的轨道平面上，每个轨道平面相隔120， 轨道高度 2.36 万公里， 运行周期 11 小时 15 分， 轨道倾角 56。 与 GPS系统不同的是，GLONASS 系统采用频分多址(FDMA)调制方式，根据载波频率来区分不同卫星(GPS 是码分多址(CDMA)， 根据调制码来区分卫星信号)。 每颗 GLONASS卫 星 发 播 的 两 种 载 波 的 频 率 分 别 为L1=1602+0.56
