北斗多模衛(wèi)星導(dǎo)航在電力系統(tǒng)中同步授時(shí)研究

高新玉　張繼宏　張遠(yuǎn)超

摘要：通過(guò)對(duì)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(shí)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(jì)，以高速芯片進(jìn)行控制的北斗多模授時(shí)設(shè)備。射頻通道全部采用芯片搭建，通過(guò)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(tái)上完成。定位解算處理功能在DSP平臺(tái)上完成。守時(shí)電路在單片機(jī)和FPGA上實(shí)現(xiàn)對(duì)晶振的馴服從而輸出同步時(shí)間信息。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出該設(shè)備能夠達(dá)到較高的授時(shí)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(shí)電路；FPGA；DSP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)、定位和測(cè)速能力，能夠提供遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，在軍事和民用各部門(mén)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(shí)間信息，可以建立標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度，實(shí)現(xiàn)高精度的守時(shí)和時(shí)間同步。近十多年來(lái)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)得到迅速發(fā)展，發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)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(kāi)時(shí)間記錄和統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。通過(guò)時(shí)鐘同步技術(shù)為每個(gè)系統(tǒng)發(fā)送的正確時(shí)鐘信號(hào)，結(jié)合自動(dòng)化運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路故障的檢測(cè)、對(duì)相量和功角動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、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(yàn)的準(zhǔn)確性[1]，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制的全天候、全時(shí)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(shí)、定位、通信三大功能。為構(gòu)建我國(guó)完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航平臺(tái)奠定了堅(jiān)實(shí)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(duì)時(shí)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(shí)間同步裝置的是電力系統(tǒng)各自動(dòng)化設(shè)備。目前我國(guó)的時(shí)間同步裝置大都是基于GPS （Global Positioning System）技術(shù)的，而GPS是由美國(guó)軍方控制的軍民公用系統(tǒng)，雖然現(xiàn)在對(duì)全世界開(kāi)放，但是并未承諾我國(guó)可以無(wú)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(zhēng)美國(guó)調(diào)整甚至關(guān)閉GPS信號(hào)，將給我們帶來(lái)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(hù)端三部分組成，具有短信報(bào)文通信、精密授時(shí)、精確定位、容納用戶(hù)量大四大功能。從1983年“北斗一號(hào)”方案提出，到現(xiàn)在“北斗二號(hào)”的飛速發(fā)展，達(dá)到了定位精度優(yōu)于20m，授時(shí)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(guó)獨(dú)立自主研制開(kāi)發(fā)，不受他國(guó)的控制和限制，其可用性、可依賴(lài)性和安全性更有保障[4]。北斗衛(wèi)星信號(hào)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(guó)大陸、臺(tái)灣等島嶼和海域及我國(guó)周邊的部分國(guó)家和地區(qū)，在此范圍內(nèi)能夠全天候全天時(shí)地提供高精度定位、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。北斗衛(wèi)星信號(hào)的服務(wù)范圍已完全覆蓋了我國(guó)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(duì)衛(wèi)星的可工作仰角范圍為10°-75°，遮蔽角小，信號(hào)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(guó)一些高山地區(qū)的變電站同步授時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于我國(guó)電力系統(tǒng)授時(shí)領(lǐng)域前景廣闊[4]。

2 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)選用高精度授時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并采用智能“學(xué)習(xí)”馴服算法馴服晶振，使守時(shí)電路輸出的時(shí)間同步信號(hào)精密同步在GPS/北斗/外部B碼時(shí)間基準(zhǔn)上，輸出短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定度都十分優(yōu)良的高精度同步信號(hào)。采用全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其輸入、輸出、電源等均可靈活配置，并具有豐富的各類(lèi)模塊及板卡供選擇，對(duì)時(shí)信號(hào)的種類(lèi)和數(shù)量都可根據(jù)需要靈活選擇配置。總體原理框圖如下圖1所示，主要由四個(gè)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(shí)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(hào)包含有GPS/GLONASS/BD-2（B1）衛(wèi)星信號(hào)。根據(jù)頻率的不同，接收信道對(duì)GPS/GLONASS/BD-2（B1）分別進(jìn)行下變頻，成為所需的中頻信號(hào)。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(guò)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(gè)獨(dú)立的接收通道，該系統(tǒng)有36個(gè)衛(wèi)星通道。每一個(gè)通道均可以完成C碼、P碼的捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)和測(cè)距功能。其過(guò)程是利用中頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前可視衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤，并獲取相關(guān)的碼、載波信息，在與衛(wèi)星信號(hào)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(tái)上完成。

2.3 定位解算處理模塊

定位解算處理模塊通過(guò)接收來(lái)自基帶處理模塊的觀察量，解析基帶輸出的導(dǎo)航電文，實(shí)現(xiàn)BD-2（B1）、GPS、GLONASS三系統(tǒng)單獨(dú)或任意組合定位和測(cè)速。該部分功能在DSP（Demand-Side Platform）平臺(tái)上完成。采用TI公司的定點(diǎn)型高速DSP芯片TMS320C6416實(shí)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(hào)處理器，工作時(shí)鐘頻率高達(dá)1GHz，運(yùn)算速度高達(dá)8000MIPS，擁有64個(gè)獨(dú)立通道的EDMA控制器，3個(gè)多通道同步緩沖串口McBSP，兩個(gè)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口EMIFA和EMIFB。該DSP的處理能力和速度完全滿(mǎn)足BD-2（B1）、GPS、GLONASS三系統(tǒng)定位解算功能的實(shí)現(xiàn)需求，且外設(shè)資源豐富方便接口設(shè)計(jì)，也便于在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能升級(jí)和功能擴(kuò)展[5]。

TMS320C6416芯片原理框圖如圖4所示，F(xiàn)PGA 通過(guò)接收的中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤處理，計(jì)算觀測(cè)量并解析出導(dǎo)航電文同時(shí)傳送給DSP，接下來(lái)DSP提取導(dǎo)航電文中包含的衛(wèi)星號(hào)和時(shí)間信息、估計(jì)可見(jiàn)星，并對(duì)FPGA 進(jìn)行通道配置和時(shí)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(shí)間信息等。最后，DSP以NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式將定位結(jié)果通過(guò)UART接口輸出。

2.4 守時(shí)電路模塊

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

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)更新率為1Hz，根據(jù)圖6 GPS模式授時(shí)可知應(yīng)用GPS單模式授時(shí)其授時(shí)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(shí)其授時(shí)精度能夠達(dá)到56ns。守時(shí)精度優(yōu)于0.4μs/min，同時(shí)接口具備報(bào)文和1PPS輸出的特性，滿(mǎn)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(yǔ)

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可以看出在電力系統(tǒng)中應(yīng)用北斗多模授時(shí)設(shè)備不僅可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)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(lèi)模塊及板卡供選擇，對(duì)時(shí)信號(hào)的種類(lèi)和數(shù)量都可根據(jù)需要靈活選擇配置。最重要的是對(duì)于國(guó)家安全和國(guó)計(jì)民生提供了保障，使我國(guó)在以后的各方面發(fā)展不再受限于美國(guó)的GPS。

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