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GPS在衛(wèi)星地面站的應(yīng)用及其接口電路的研制
摘要：文章重點(diǎn)介紹了衛(wèi)星地面站對(duì)時(shí)間的要求，GPS授時(shí)接收設(shè)備在廣州氣象衛(wèi)星地面站風(fēng)云一號(hào)地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用，及針對(duì)GPS授時(shí)接收設(shè)備時(shí)間碼輸出帶載能力不足所做的接口電路的研制。
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星地面站；時(shí)間；GPS；接口電路：研制
GPS(clobal Positioning System)是全球定位系統(tǒng)的英文縮寫與簡(jiǎn)稱，是美國(guó)繼子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)后發(fā)展起來(lái)的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、授時(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研制始于1973年，經(jīng)20余年3個(gè)階段的研制和試驗(yàn)，耗資200億美元，于1994年全面建成。它是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位定時(shí)和三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。早期僅限于美國(guó)軍方使用，現(xiàn)已對(duì)民間開(kāi)放。
1 GPS在國(guó)家衛(wèi)星氣象中心及地面站的應(yīng)用情況
20世紀(jì)80年代-90年代，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心及3個(gè)地面站(北京站、廣州站、烏魯木齊站)的時(shí)間源，來(lái)自于本地配置的銣原子頻牢標(biāo)準(zhǔn)和高精度及高穩(wěn)定度的晶體震蕩器，并通過(guò)短波接收機(jī)與陜西天文臺(tái)的氫鐘對(duì)時(shí)，使本地時(shí)間在相位上與陜西天文臺(tái)的氰鐘保持一致。
從1999年末開(kāi)始，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心及3個(gè)地面站的時(shí)間源都來(lái)自于GPS上的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。廣州站先后購(gòu)進(jìn)了3臺(tái)GPS授時(shí)型接收機(jī)。
GPS授時(shí)型接收機(jī)是在OEM(原始數(shù)據(jù)接收板)的基礎(chǔ)上制作而成。一般的GPS授時(shí)接收機(jī)僅提供串行時(shí)間碼，供本機(jī)顯示。
2 衛(wèi)星地面站對(duì)時(shí)間的要求
衛(wèi)星地面站對(duì)時(shí)間的要求非常高。因?yàn)闃O軌氣象衛(wèi)星在離地面860 km的高度上空以地心為同心作圓周運(yùn)動(dòng)，瞬時(shí)線速度為7.9km/s。衛(wèi)星進(jìn)入地面站上空時(shí)，伺服跟蹤天線要跟蹤衛(wèi)星直至衛(wèi)星出境。伺服跟蹤天線對(duì)極軌氣象衛(wèi)星的跟蹤和接收采用的是全時(shí)序制，即伺服跟蹤天線是根據(jù)軌道預(yù)報(bào)來(lái)運(yùn)行的，而軌道預(yù)報(bào)又是在時(shí)間的基礎(chǔ)上編制的，只有時(shí)間準(zhǔn)確，天線才能跟蹤準(zhǔn)確。從某種角度來(lái)說(shuō)，對(duì)極軌氣象衛(wèi)星的跟蹤精度取決于時(shí)間精度。因此，高穩(wěn)定度與高精度的時(shí)間對(duì)氣象衛(wèi)星地面站來(lái)說(shuō)非常重要，連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的時(shí)間是業(yè)務(wù)運(yùn)行的根本保證。
除伺服跟蹤需要高穩(wěn)定度與高精度的時(shí)間外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)行控制微機(jī)、云圖顯示、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)發(fā)微機(jī)也需要高精度及高穩(wěn)定度的時(shí)間。
有了高穩(wěn)定度與高精度的時(shí)間源，地面站就可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各在線設(shè)備間在時(shí)間上的同步、站與衛(wèi)星中心在時(shí)間上的同步、站與衛(wèi)星在時(shí)間上的同步。在這個(gè)基礎(chǔ)上就能很好地完成衛(wèi)星的跟蹤及衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。
3 衛(wèi)星地面站使用的時(shí)間格式
衛(wèi)星地面站使用的時(shí)間格式有兩種，即并行碼與串行碼。在20位時(shí)間并行碼中，時(shí)、分、秒是按BCD碼來(lái)編碼及輸出，其中時(shí)有6位，分有7位，秒有7位，共有20路TFL電平輸出，另加l根地線，需21根并行輸出線，這種時(shí)間碼提供給極軌接收機(jī)伺服跟蹤系統(tǒng)使用。在時(shí)間串行碼中，時(shí)、分、秒按ASCLL碼格式編碼及輸出，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶效驗(yàn)，碼數(shù)率為4800bps，為RS232電平，僅需用1根輸出線。這種時(shí)間碼提供給微機(jī)對(duì)時(shí)使用。
4 接口電路研制背景
4.1 并行碼輸出接口電路
一般的GPS授時(shí)設(shè)備只輸出一路時(shí)間串行碼。由于沒(méi)備的特殊要求，供應(yīng)商特意加了兩路20位時(shí)間并行碼的輸出。但這兩路輸出驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，帶載能力弱，主要表現(xiàn)為20位時(shí)間并行碼輸出接到我們的接收機(jī)后，在接收跟蹤天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，伺服單片機(jī)上的時(shí)間顯示有閃爍現(xiàn)象。此時(shí)，天線Y軸會(huì)出現(xiàn)收藏，造成軌道跟蹤不正常。我們打開(kāi)GPS授時(shí)設(shè)備機(jī)箱看，發(fā)現(xiàn)GPS并碼輸出驅(qū)動(dòng)僅采用了單級(jí)74HC574驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)后分兩路輸出。如果僅提供給譯碼顯示，驅(qū)動(dòng)是措措有余的，但我們的接收天線在收?qǐng)D轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流較大，此時(shí)單片74HC 574驅(qū)動(dòng)顯然有些臨界。因此，迫切需要研制20位并行碼驅(qū)動(dòng)電路，使得每臺(tái)GPS授時(shí)設(shè)備輸出的兩路20位時(shí)間并行碼能同時(shí)穩(wěn)定、可靠地帶兩臺(tái)接收機(jī)同時(shí)工作。
4.2 串行碼輸出接口電路
GPS接收授時(shí)沒(méi)備提供的串行碼輸出也是僅有一路。一路時(shí)間串行碼輸出僅能供一臺(tái)微機(jī)對(duì)時(shí)，而我們?cè)诰�的業(yè)務(wù)系統(tǒng)微機(jī)多達(dá)10臺(tái)，顯然時(shí)間串行碼輸出路數(shù)太少。因此也迫切需要研制兩臺(tái)一轉(zhuǎn)十六串行碼驅(qū)動(dòng)器，徹底解決原GPS授時(shí)沒(méi)備串行碼驅(qū)動(dòng)能力弱、驅(qū)動(dòng)輸出路數(shù)不夠的問(wèn)題。
5 接口電路的制作
5.1 20位時(shí)間并行碼接口電路
20位時(shí)間并行碼接口又稱20位時(shí)間并行碼驅(qū)動(dòng)器。該電路原理見(jiàn)圖1。
5.2 電路說(shuō)明
20位并行碼驕動(dòng)器采用了二級(jí)驅(qū)動(dòng)，時(shí)、分、秒分別對(duì)應(yīng)一塊馳動(dòng)芯片74LS244，共使用了9片74LS244 芯片，對(duì)20位并行碼中的每位信號(hào)進(jìn)行了兩級(jí)放大。電路合理地采用了先總驅(qū)動(dòng)后分驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，這對(duì)電路的接入和今后故障的排查及確認(rèn)都非常有利。例如：當(dāng)兩路并行碼輸出的時(shí)位(或分位或秒位)有故障，那么故障肯定出在兩路共有的驅(qū)動(dòng)級(jí)上，而當(dāng)僅有一路并行碼輸出的時(shí)位(或分位或秒位)有故障，那么故障就肯定出在最后一級(jí)驅(qū)動(dòng)級(jí)上，只要將對(duì)應(yīng)的芯片換掉即可。
電路中的驅(qū)動(dòng)芯片未采用原GPS授時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路中采用的驅(qū)動(dòng)芯片74HC574，而是采用長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器74LS244，主要是考慮輸出線比較長(zhǎng)。
我們將GPS授時(shí)設(shè)備機(jī)箱內(nèi)器件進(jìn)行了重新排布，騰出了12cm×14cm的空間，故將20位并行碼電路板尺寸設(shè)計(jì)為12cm×14cm，以便安裝在GPS授時(shí)設(shè)備機(jī)箱內(nèi)，用回機(jī)箱內(nèi)的電源及輸出接頭。
5.3 時(shí)間串行碼接口電路的制作
(1)時(shí)間串行碼接口電路又稱為一轉(zhuǎn)十六串行碼驅(qū)動(dòng)器。原理圖見(jiàn)圖2。
(2)電路說(shuō)明：電路采用四線接收器MCl489及四線驅(qū)動(dòng)器MCl488共同完成。該電路不但完成了信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，而且還完成了信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。在普通的微機(jī)串行通訊口COMI或COM2上，只要接上一轉(zhuǎn)十六串行碼驅(qū)動(dòng)器，啟動(dòng)超級(jí)終端程序及設(shè)置好碼速率、通訊口等。便能收到GPS下發(fā)的原始串行數(shù)據(jù)，其中包括年、月、日、時(shí)、分、秒、經(jīng)緯度及高程等信息。 該電路的調(diào)試頗費(fèi)周折，原因是從MCl489的芯片接線圖上看，使能端2，5，9，12腳為高電平有效端，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)這個(gè)高電平時(shí)，是通過(guò)電源接口電阻后提供的，但這樣，MCl489的三態(tài)門輸出始終為低電平，即輸出不會(huì)隨著輸入的變化而變化。最后，我們將使能端2，5，9，12腳全都懸空(懸空也為邏輯高電平)，MCl489的輸出才正常。
由于該電路用到三組電源(+5V、±12V)，有1個(gè)輸入，16個(gè)輸出，所以我們定制了機(jī)箱，將電路板安裝在定制的機(jī)箱內(nèi)。為了直觀地觀察信號(hào)的輸入、輸出狀況，我們?cè)跈C(jī)箱的前面板增加了信號(hào)指示燈，并將輸入、輸出線引至機(jī)箱前面板的指示燈上，其中第+燈為輸入指示，第二個(gè)至第十七個(gè)燈為輸出指示，每片MCl488對(duì)應(yīng)四路輸出，4片MCl488對(duì)應(yīng)十六路輸出。通過(guò)輸出指示燈的亮、滅指示，我們很容易判斷每片芯片的工作情況。
6 GPS授時(shí)設(shè)備接口電路投入使用情況
GPS授時(shí)設(shè)備接口電路研制成功后，馬上投入了業(yè)務(wù)使用。其中，20位并行碼驅(qū)動(dòng)器的投入使用，使每臺(tái)GPS授時(shí)系統(tǒng)能同時(shí)、可靠地帶兩臺(tái)接收設(shè)備正常工作，增加了每臺(tái)GPS授時(shí)系統(tǒng)并行碼輸出的備份能力；兩臺(tái)一轉(zhuǎn)十六串行碼驅(qū)動(dòng)器的投入使用，使得原來(lái)不足的對(duì)時(shí)接口一下子變得措措有余，為接收A，B兩套系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)A，B兩套系統(tǒng)(共十余臺(tái)微機(jī))完全分開(kāi)工作，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為業(yè)務(wù)正常運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。
針對(duì)新購(gòu)買的GPS授時(shí)系統(tǒng)無(wú)現(xiàn)成的串行碼對(duì)時(shí)程序，我們按串行碼輸出格式及碼速率，用VB語(yǔ)言自編了可在WIN—DOWS 2000下運(yùn)行的對(duì)時(shí)程序，使32臺(tái)微機(jī)能通過(guò)兩臺(tái)一轉(zhuǎn)十六串行碼驅(qū)動(dòng)器同時(shí)與GPS授時(shí)設(shè)備對(duì)時(shí)。
7 加接口電路后的GPS授時(shí)設(shè)備信號(hào)流程框圖
8 結(jié)束語(yǔ)
GPS授時(shí)設(shè)備接口電路即并行碼驅(qū)動(dòng)器和一轉(zhuǎn)十六串行碼驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)合理，功能齊全，性能穩(wěn)定，工作連續(xù)、可靠，故障率低；串行碼對(duì)時(shí)程序功能完善。該電路的投入使用為業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行提供了保證，為廣州站極軌風(fēng)云一號(hào)系統(tǒng)有較高的成功率貢獻(xiàn)了一份力量。
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