高新玉　張繼宏　張遠(yuǎn)超

摘要：通過對在電力系統(tǒng)中應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位、授時等的迫切性和可行性進(jìn)行分析；提出了采用大規(guī)模集成電路和模塊化設(shè)計，以高速芯片進(jìn)行控制的北斗多模授時設(shè)備。射頻通道全部采用芯片搭建，通過選型，選用了MAXIM公司的MAX2769ETI+芯片作為射頻芯片。數(shù)字基帶處理主要在大容量的FPGA平臺上完成。定位解算處理功能在DSP平臺上完成。守時電路在單片機(jī)和FPGA上實現(xiàn)對晶振的馴服從而輸出同步時間信息。最后，通過實驗室測試得出該設(shè)備能夠達(dá)到較高的授時精度。

關(guān)鍵詞：北斗；射頻解調(diào)；數(shù)字基帶處理；定位解算；守時電路；FPGA；DSP

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）16-3929-04

Abstract： Through the application of power system Beidou satellite navigation and positioning system， urgency and feasibility of timing， etc. are analyzed； proposed Compass multimode timing device uses LSI and modular design， high-speed chip control . RF channel all use chips to build， through the selection， use the MAXIM's MAX2769ETI + chips as the RF chip. Digital baseband mainly done on large-capacity FPGA platforms. Positioning solution processing is done on DSP platform. Punctuality circuit implementation of crystal tame the microcontroller and FPGA to output synchronous time information. Finally， through laboratory tests showed that the device can achieve high timing accuracy.

Key words： Beidou； RF demodulation； digital baseband； positioning solver； punctuality circuits； FPGA； DSP

衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有高精度的授時、定位和測速能力，能夠提供遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)時間信息，在軍事和民用各部門得到了廣泛的應(yīng)用。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)時間信息，可以建立標(biāo)準(zhǔn)時間尺度，實現(xiàn)高精度的守時和時間同步。近十多年來電力系統(tǒng)的自動化技術(shù)得到迅速發(fā)展，發(fā)電廠自動化控制系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、變電站綜自系統(tǒng)、PMU、微機(jī)繼電保護(hù)裝置、故障錄波裝置等的廣泛應(yīng)用都離不開時間記錄和統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)。通過時鐘同步技術(shù)為每個系統(tǒng)發(fā)送的正確時鐘信號，結(jié)合自動化運(yùn)行設(shè)備的實時測量功能，實現(xiàn)了對線路故障的檢測、對相量和功角動態(tài)監(jiān)測、提高在電網(wǎng)事故中分析和判斷故障的準(zhǔn)確率，提高了在電網(wǎng)運(yùn)行中控制機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準(zhǔn)確性[1]，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制的全天候、全時提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，具有授時、定位、通信三大功能。為構(gòu)建我國完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航平臺奠定了堅實的基礎(chǔ)[2]。

1 北斗在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的迫切性和可行性

電力系統(tǒng)對時間同步的需要主要體現(xiàn)在電網(wǎng)故障分析與電網(wǎng)調(diào)度上，直接使用時間同步裝置的是電力系統(tǒng)各自動化設(shè)備。目前我國的時間同步裝置大都是基于GPS （Global Positioning System）技術(shù)的，而GPS是由美國軍方控制的軍民公用系統(tǒng)，雖然現(xiàn)在對全世界開放，但是并未承諾我國可以無限期免費(fèi)使用，這便存在著重大的安全隱患，一旦GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常工作或者發(fā)生戰(zhàn)爭美國調(diào)整甚至關(guān)閉GPS信號，將給我們帶來巨大影響[3]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端、和用戶端三部分組成，具有短信報文通信、精密授時、精確定位、容納用戶量大四大功能。從1983年“北斗一號”方案提出，到現(xiàn)在“北斗二號”的飛速發(fā)展，達(dá)到了定位精度優(yōu)于20m，授時精度優(yōu)于100ns的先進(jìn)水平。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由我國獨(dú)立自主研制開發(fā)，不受他國的控制和限制，其可用性、可依賴性和安全性更有保障[4]。北斗衛(wèi)星信號覆蓋范圍是北緯5°-55°和東經(jīng)70°-140°之間的區(qū)域，包括我國大陸、臺灣等島嶼和海域及我國周邊的部分國家和地區(qū)，在此范圍內(nèi)能夠全天候全天時地提供高精度定位、授時和短報文通信服務(wù)。北斗衛(wèi)星信號的服務(wù)范圍已完全覆蓋了我國電力系統(tǒng)所包含的區(qū)域。此外，由于北斗衛(wèi)星位于赤道上空36000km的靜止軌道，接收機(jī)相對衛(wèi)星的可工作仰角范圍為10°-75°，遮蔽角小，信號不易被接收機(jī)附近的高大物體遮蔽，該特點(diǎn)特別適合于我國一些高山地區(qū)的變電站同步授時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于我國電力系統(tǒng)授時領(lǐng)域前景廣闊[4]。

2 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

該系統(tǒng)選用高精度授時型GPS 接收機(jī)/北斗接收機(jī)/外部B碼為基準(zhǔn)，提供高可靠性、高冗余度的時間基準(zhǔn)信號，并采用智能“學(xué)習(xí)”馴服算法馴服晶振，使守時電路輸出的時間同步信號精密同步在GPS/北斗/外部B碼時間基準(zhǔn)上，輸出短期和長期穩(wěn)定度都十分優(yōu)良的高精度同步信號。采用全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，其輸入、輸出、電源等均可靈活配置，并具有豐富的各類模塊及板卡供選擇，對時信號的種類和數(shù)量都可根據(jù)需要靈活選擇配置?？傮w原理框圖如下圖1所示，主要由四個模塊組成射頻解調(diào)模塊、數(shù)字基帶處理模塊、定位解算模塊和守時電路模塊。

2.1 射頻解調(diào)模塊

有源天線接收的衛(wèi)星信號包含有GPS/GLONASS/BD-2（B1）衛(wèi)星信號。根據(jù)頻率的不同，接收信道對GPS/GLONASS/BD-2（B1）分別進(jìn)行下變頻，成為所需的中頻信號。原理框圖如圖2所示。為了降低功耗和縮小體積，射頻通道全部采用芯片搭建，通過選型，選用了MAXIM公司的MAX2769ETI+芯片作為射頻芯片。

2.2 數(shù)字基帶處理模塊

數(shù)字基帶處理原理框圖如圖3所示，基帶處理單元包括多個獨(dú)立的接收通道，該系統(tǒng)有36個衛(wèi)星通道。每一個通道均可以完成C碼、P碼的捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)和測距功能。其過程是利用中頻信號實現(xiàn)對當(dāng)前可視衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤，并獲取相關(guān)的碼、載波信息，在與衛(wèi)星信號同步的基礎(chǔ)上輸出導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，送給定位解算模塊處理。這部分工作主要在大容量的FPGA （Field-Programmable Gate Array）平臺上完成。

2.3 定位解算處理模塊

定位解算處理模塊通過接收來自基帶處理模塊的觀察量，解析基帶輸出的導(dǎo)航電文，實現(xiàn)BD-2（B1）、GPS、GLONASS三系統(tǒng)單獨(dú)或任意組合定位和測速。該部分功能在DSP（Demand-Side Platform）平臺上完成。采用TI公司的定點(diǎn)型高速DSP芯片TMS320C6416實現(xiàn)，完成復(fù)雜的導(dǎo)航處理任務(wù)。

TMS320C6416是TI公司推出的高性能定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，工作時鐘頻率高達(dá)1GHz，運(yùn)算速度高達(dá)8000MIPS，擁有64個獨(dú)立通道的EDMA控制器，3個多通道同步緩沖串口McBSP，兩個擴(kuò)展存儲器接口EMIFA和EMIFB。該DSP的處理能力和速度完全滿足BD-2（B1）、GPS、GLONASS三系統(tǒng)定位解算功能的實現(xiàn)需求，且外設(shè)資源豐富方便接口設(shè)計，也便于在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能升級和功能擴(kuò)展[5]。

TMS320C6416芯片原理框圖如圖4所示，F(xiàn)PGA 通過接收的中頻信號進(jìn)行捕獲跟蹤處理，計算觀測量并解析出導(dǎo)航電文同時傳送給DSP，接下來DSP提取導(dǎo)航電文中包含的衛(wèi)星號和時間信息、估計可見星，并對FPGA 進(jìn)行通道配置和時間設(shè)定，完成定位解算得到接收機(jī)的地理位置信息以及時間信息等。最后，DSP以NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式將定位結(jié)果通過UART接口輸出。

2.4 守時電路模塊

為了使晶振信號與衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時間信號保持高精度同步，根據(jù)高精度同步守時鐘的產(chǎn)生原理，守時模塊的原理圖如圖5所示。10MHZ晶振脈沖計數(shù)器是在衛(wèi)星時間信號秒脈沖的范圍內(nèi)對晶振頻率進(jìn)行計數(shù)；單片機(jī)主要是將晶振時間信息逐漸的同步到衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時間信號上[6]，其中通過智能“學(xué)習(xí)”馴服算法進(jìn)行修正。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

該系統(tǒng)測試時數(shù)據(jù)更新率為1Hz，根據(jù)圖6 GPS模式授時可知應(yīng)用GPS單模式授時其授時精度能夠達(dá)到43ns，根據(jù)圖7所示應(yīng)用BD-2（B1）、GPS、GLONASS組合模式進(jìn)行授時其授時精度能夠達(dá)到56ns。守時精度優(yōu)于0.4μs/min，同時接口具備報文和1PPS輸出的特性，滿足NMEA-0183格式輸出。其TOD格式記錄如下所示：

$GPRMC，080616，A，，，，，，，270211，，*22

$GPRMC，080617，A，，，，，，，270211，，*2H

$GPRMC，080618，A，，，，，，，270211，，*2B

$GPRMC，080619，A，，，，，，，270211，，*24

$GPRMC，080620，A，，，，，，，270211，，*25

$GPRMC，080621，A，，，，，，，270211，，*2E

4 結(jié)束語

通過上述測試結(jié)果可以看出在電力系統(tǒng)中應(yīng)用北斗多模授時設(shè)備不僅可以滿足電力系統(tǒng)對時間同步的更高要求，而且其輸入、輸出、電源等均可靈活配置，并具有豐富的各類模塊及板卡供選擇，對時信號的種類和數(shù)量都可根據(jù)需要靈活選擇配置。最重要的是對于國家安全和國計民生提供了保障，使我國在以后的各方面發(fā)展不再受限于美國的GPS。

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