基于北斗卫星的授时系统研制

论文摘要

“北斗一号”是我国第一代自主的卫星导航系统,可为分布在我国及周边地区的用户提供定位、短消息通信及定时服务。本文通过对“北斗一号”卫星导航定位系统的深入分析,结合当前国内时统领域的时间同步状况,提出了北斗卫星单向授时接收机设计方案和基于北斗+GPS的双系统互为备份的授时产品解决方案。文章通过对时间标准、时间同步技术、GPS系统原理、GPS卫星接收机设计原理和北斗导航卫星系统原理的介绍,给出了基于北斗导航卫星的以太网络、通信系统和电力系统的授时设备设计方案、北斗卫星信号接收天线和北斗卫星接收机的可行性设计方案。本文所给出的北斗授时型接收机设计方案采用了单向定时模式,单向定时属于被动方式,不占用系统容量,解决了北斗系统的用户数量的限制。作者在进行北斗卫星接收天线设计时,充分考虑了“北斗一号”工作频点为公用频段,干扰较多等特点,在进行大量的抗干扰试验和现场实践的基础上,给出了具有指导意义的天线架设方法。作者在深入研究北斗导航系统工作机制的前提下,进行深入市场调研,并给出了北斗授时型接收机模块化设计方案,提供基本的、必需的信号输出。在该方案中作者即充分了的考虑了后续授时产品开发的便利性,也可作为OEM板提供给设备厂商进行系统集成开发。作者在授时接收机设计中,承担了射频模块的设计、硬件平台设计和用户接口模块的应用程序设计。作者在基于北斗卫星的授时系统的研制过程中,同时考虑了北斗系统的可靠性和GPS系统的稳定性,提出了北斗+GPS双系统冗余备份的设计思路。作者在设计北斗+GPS卫星授时系统方案中,同样采用了模块化设计方案,核心部分采用相同的设计方案,将接口部分独立出来,以适应不同领域对输出接口需求的不同,加快产品开发周期。同时,本设计可配置不同等级的晶体钟或原子钟来满足不同的授时精度要求,使产品达到最高的性价比。作者在上述设计思路指导下,参与攻克了北斗+GPS双系统融合与无损切换技术、高精度时间维护技术、高精度网络授时处理技术和高精度时频标合成技术;承担并完成了北斗/GPS网络时间服务器协议解析、合成及液晶显示驱动设计;承担并完成了北斗/GPS网络时间服务器、北斗/GPS双系统电力同步时钟和北斗/GPS双系统CDMA基站时钟的系统设计方案研究和硬件平台设计实现。通过了科技成果鉴定,北斗/GPS网络时间服务器获得河南省科学技术进步一等奖。本课题所提出的北斗+GPS双系统卫星授时产品的成功研制,必将大大加快北斗导航系统有授时领域的民用化,增强时间同步领域的安全性、可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 主要研究工作
• 1.3 论文的主要研究成果
• 1.4 论文的组织
• 第二章 相关研究综述
• 2.1 时间标准及时间同步技术
• 2.1.1 时间标准
• 2.1.2 时间同步技术
• 2.1.3 卫星授时
• 2.2 全球定位系统（GPS）原理及接收机设计
• 2.2.1 全球定位系统的组成
• 2.2.1.1 空间卫星星座
• 2.2.1.2 地面监控系统
• 2.2.1.3 用户接收系统（GPS接收机）
• 2.2.2 GPS卫星信号的基本特性
• 2.2.2.1 频率和调制方式
• 2.2.2.2 功率电平
• 2.2.3 GPS接收机设计
• 2.2.3.1 GPS接收机的基本构成
• 2.2.3.2 SPS接收机
• 2.2.3.3 数字GPS接收机
• 2.3 "北斗一号"导航通信卫星系统原理及接收机设计
• 2.3.1 "北斗一号"系统介绍
• 2.3.2 "北斗一号"导航系统的定位、授时原理
• 2.3.2.1 "北斗一号"导航系统的定位原理
• 2.3.2.2 "北斗一号"导航系统的通信流程
• 2.3.2.3 "北斗一号"导航系统的单向定时原理
• 2.3.2.4 "北斗一号"导航系统的双向定时原理
• 2.3.2.5 双向定时和单向定时的对比
• 2.3.3 "北斗一号"卫星接收机设计概述
• 2.3.4 "北斗一号"导航系统与全球定位系统（GPS）相比的优势
• 第三章 基于"北斗一号"卫星的授时系统总体设计
• 3.1 北斗时间同步系统总体设计思路及方案
• 3.2 关键技术研究
• 3.2.1 北斗与GPS双系统融合与无损切换技术
• 3.2.2 高精度时间维护技术
• 3.2.3 高精度网络授时处理技术
• 3.2.4 高精度时频标合成技术
• 3.3 北斗/GPS网络时间服务器设计
• 3.3.1 北斗/GPS网络时间服务器功能特点和技术指标
• 3.3.2 北斗/GPS网络时间服务器系统组成
• 3.3.2.1 北斗授时型接收模块
• 3.3.2.2 GPS授时型接收模块
• 3.3.2.3 时频处理模块
• 3.3.2.4 应用接口模块
• 3.3.2.5 用户交互模块
• 3.4 北斗/GPS双系统电力同步时钟设计
• 3.4.1 北斗/GPS双系统电力同步时钟功能特点和技术指标
• 3.4.2 北斗/GPS双系统电力同步时钟系统组成
• 3.5 北斗/GPS双系统CDMA基站时钟设计
• 3.5.1 北斗/GPS双系统CDMA基站时钟功能特点和技术指标
• 3.5.2 北斗/GPS系统CDMA基站时钟系统组成
• 3.6 小结
• 第四章 "北斗一号"一体化接收天线设计与实现
• 4.1 接收天线的设计原理、主要特点和技术指标
• 4.2 微带天线设计
• 4.2.1 介质基板的选取
• 4.2.2 确定微带单元宽度W
• 4.2.3 确定单元长度L
• 4.2.4 基板尺寸WG和LG的确定
• 4.2.5 馈电方式的确定及阻抗匹配
• 4.2.6 微带天线调试过程
• 4.2.7 测试结果
• 4.3 低噪声放大器设计
• 4.3.1 低噪声放大器设计原理
• 4.3.1.1 低噪声放大器选型
• 4.3.1.2 带通滤波器设计及选型
• 4.3.1.3 低噪声放大器设计原理图
• 4.3.2 增益与噪声系数的理论计算
• 4.3.3 测试结果
• 4.4 工程施工中遇到的问题及解决方法
• 4.4.1 由于馈线过长引起的问题及解决
• 4.4.2 实际应用中接收北斗卫星信号的抗干扰问题
• 第五章 "北斗一号"授时接收模块设计与实现
• 5.1 "北斗一号"授时接收模块设计原理
• 5.2 射频模块设计
• 5.2.1 功能及主要技术指标
• 5.2.2 系统设计方案
• 5.2.2.1 器件选型
• 5.2.2.2 LC滤波器设计
• 5.2.2.3 通道增益计算
• 5.2.2.4 噪声系数计算
• 5.2.2.5 过流保护及欠流检测电路设计
• 5.2.3 本设计的优点和存在的待解决问题
• 5.3 中频数字接收单元
• 5.4 卫星数据处理单元
• 5.5 秒脉冲合成单元
• 5.6 用户接口单元
• 5.7 技术难点及解决方法
• 第六章 研究成果及其应用
• 6.1 攻读硕士期间的主要研究成果
• 6.2 网络时间服务器在河南网通的应用
• 第七章 结束语
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步的研究工作
• 缩略语
• 参考文献
• 致谢