基于 GPS 的以太网授时系统

1. 基于GPS的以太网授时系统 报告人:吴善兵 导 师: 罗家融 时 间:2008年1月9日

2. 报告的主要内容 一、系统概述 二、调研的相关资料和各个部分的实现 三、计划按排 四、重点与难点 五、存在的问题

3. 系统概述 　准确时间的重要性 系统的时钟对系统来说是非常重要的，系统运行时各种文件的产生，错误日志报告的生成，以及各种状态信息报错的时间等，为了为系统提供一个相对较准的基准时钟，以判断各种错误产生的先后顺序，进而对发生的错误进行准确的定位，我们设计了这样的授时系统。该系统主要包括三个部分：第一GPS受时模块，主要是接收GPS信号并对此进行解码得出时间信息；第二基于单片机的网络传输系统，其目的是考虑到整个系统的工作环境，各个厅之间是相互屏蔽的，参考国家受时中心所采用的受时方案，多极受时服务器。他所采用的服务器是PC机。在本系统中考虑到环境和资源的因素，采用单片机作为受时服务器第三USB部分，要求通过USB口传送到各个设备上，同时在USB开发部分还要求运行在不同的平台下，初步确定为WINDOWS、UNIX、VAXWORKS。

4. 调研相关资料 GPS部分 1．GPS基本知识 • GPS工作原理 • 基本的信号结构及准确率 • GPS应用 • 其他导航系统

5. GPS工作原理 一般民用GPS使用的是GPS系统的L1载波，频率为1575.42 MHz。在这个载波频率上面以调相方式加载了两种不同的伪随机噪声码：C/A码和P码 接收机“知道”了自己与卫星的距离，并不能计算出自己的位置，因为它不知道卫星在发射电波时的位置，因此在卫星载波上面，还加载了一个50Hz的导航电文，这个导航电文包括了：卫星的轨道参数、时钟参数、轨道修正参数、大气对GPS信号折射的修正值等等 GPS接收机在计算前进速度的时候，用的是多普勒效应

6. GPS工作原理 GPS是NAVSTAR/GPS（Navigation SatelliteTiming and Ranging/Global Positioning System）的简称，是由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星等间隔分布在6个互成60度的轨道面上，这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。GPS由三部分构成：一是GPS卫星（空间部分）：21颗工作卫星，3颗备用卫星；二是地面支撑系统（地面监控部分）：1个主控站，3个注入站，5个监测站；三是GPS接收机（用户部分）：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 GPS接收机的定位实际是就是通过计算接收机距不同卫星的距离来完成的. 第四颗卫星的用处是提供时间基准，给GPS接收机用来计算接收机距离其他三颗卫星的距离：有了时间基准，接收机就可以测量从其他三颗卫星到达接收机的时间，然后把时间转换成距离。

7. 基本的信号结构及准确率 若设（x，y，z）为接收机的位置，（xn，yn，zn）为已知卫星的位置，则列解下列方程就可以得到x，y，z和标准时间T： (x-x1)2 +(y-y1)2 +(z-z1)2=C2(T+ΔT-T1-τ1) (x-x2)2 +(y-y2)2 +(z-z2)2=C2(T+ΔT-T2-τ2) (x-x3)2 +(y-y3)2 +(z-z3)2=C2(T+ΔT-T3-τ3) (x-x4)2 +(y-y4)2 +(z-z4)2=C2(T+ΔT-T4-τ4) 其中：ΔT为用户时钟与GPS主钟标准时间的时差；Tn为卫星n所发射信号的发射时间；τn为卫星n上的原子钟与GPS主钟标准时间的时差。

8. GPS应用 GPS接收机由接收模块和天线组成。接收机能同时接收4～8颗卫星的信号，其内部硬件电路和处理软件通过对接收信号的解码和处理，能从中提取并输出两种时间信号：一是间隔1 s的脉冲信号，即1 PPS，其脉冲前沿与国际标准时间(格林威治时间)的同步误差不超过1 μs；二是经RS-232串行口输出的与1 PPS脉冲前沿相对应的国际标准时间和日期代码(年-月-日，时∶分∶秒)。

9. GPS应用 由蚌埠机务段研制的“ＧＰＳ卫星同步标准授时系统”,通过接收ＧＰＳ全球卫星定位系统的信息,读取ＧＰＳ输出的ＮＭＥＡ０１８３格式原始数据,进行加工后提取其中的时间及相关信息,并转换为北京标准时间送到网络服务器,用于联网计算机的同步标准时间,同时通过液晶显示屏和ＬＥＤ数码管对外进行显示。

10. GPS应用 NTP协议(网络时间协议) • Ts1＝Tc1＋tQ＋ΔT • Tc2＝Ts2＋tR－ΔT 若tQ=tR 则 • ΔT＝（Ts1－Tc1）/2－（Tc2－Ts2）/2

11. GPS应用

12. GPS应用

13. 其他的导航系统 • 欧洲“伽利略” 确定30颗卫星总投资为35亿欧元。预计系统于2008年投入运行。

14. 其他导航系统 • 俄罗斯GLONASSGLONASS (格洛纳斯)系统的卫星星座由24颗卫星组成与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)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）。

15. 其他导航系统 • 中国“北斗星” 　和GPS，伽利略不同，北斗星是区域性的导航系统，只能覆盖中国全境和亚洲的大部分地区，如日本和韩国，印度的部地区均可涵盖。 　北斗星系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十ns的同步精度，其精度与GPS相当。北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。“有源定位” 北斗星除了能作导航用途外，还可以进行简单的通讯功能，这是其他系统所不具备的。

16. 接收机的选择，以及几种可实现方式的比较 • 典型的GPS接收器结构如图1所示。信号送给MRFIC1502前,经过放大和两次滤波。下文将讨论GPS接收器的各个功能部分。

17. 接收机的选择，以及几种可实现方式的比较 • XJ-GPS6价格高RS232输出 数码显示GPS时钟 • GPSOEM板 价格适中，RS232S输出，需要二次开发（接收GPS信号解码提取时间信息并送显或作进一步的处理GPS25-LVS）

18. GPS授时系统的硬件组成 • GPS卫星时钟接收机由GPS接收天线(5MHz，3V)、GPS OEM接收板(GARMIN公司的GPS25-Lvs)、单片机 (Atmega168)硬件结构如图所示。 GPS25-LVS Atmega168 CP2200 RJ45 以太网模块 GPS模块

19. GPS授时系统的软件设计 GPS时间提取流程图: 是否为GPRMC帧 初始化UART 设置波特率4800 提取时间信息 设置数据通讯格式 转化为北京时间 指向片内RAM的首地址 将数据送出 读接收状态 接收数据就绪否 继续下一秒的查询

20. 以太网部分 • Uip协议 • 单片机atmega168 • 网卡芯片CP2200（非复用方式）

21. UIP协议 • Uip协议栈接口

22. UIP协议 • Uip协议的体系结构

23. 以太网部分 • 硬件框图(服务器端) RJ45接口 变压器 PRJ45 ATmega 168 MAX 232 RX+ RX— TX+ TX— RX CP2200 RXD RS232接口 TX TXD

24. 以太网部分 • 硬件框图(客户端) RJ45接口 变压器 PRJ45 CYWUSB 6935 ATmega 168 CP2200

25. 以太网部分 　系统提供RJ45接口连接Ethernet网络，并且提供一个串口给用户使用。系统板可以将从Ethernet上过来的IP数据报解包后送给串口，也可将从串口过来的数据封装为IP包送到局域网中 ．

26. 以太网部分

27. 以太网部分 • 单片机 • CP2200

28. USB部分 • 无线收发 • USB 驱动

29. 计划安排 • 2008年1月10日-2008年3月初 　完成UIP的移植 • 到2008年４月完成以太网部分 • 到2008年7月完成无线收发和USB部分 • 到2008年8月完成整个系统

30. 重点与难点 • UIP移植 • USB驱动 • 软件工具

31. 存在的问题 • 资料不全 • 各种工具软硬件知识需要学习

32. 谢谢！