基于单片机的GPS授时系统设计分析

基于单片机的GPS授时系统设计分析

摘 要 随着科学技术的进步，增强型单片机的出现，使很多领域发生的革命，其作用使仪表向微型化、智能化、数字化发展，同时也提高仪表的精度、速度和自动化程度。本文通过GPS授时原理的分析，设计出了利用单片机把GPS的时间信号转化成GPS时间并显示在显示屏上的过程，既经济又有效，同时也为生产生活提供精确时间。

关键词 GPS授时；单片机；精确时间 0 引言

随着人类在各行各业取得进步，科学技术也得到最大限度的发展，原子钟的使用可以使时间精度达到纳秒级，同时精确的时间也为科学技术的发展提供最基本的保障。GPS授时系统就是利用一定的接收设备接收卫星上的原子钟的精确时间信号，传送给单片机，单片机处理后并发往显示设备，为人们的生产生活提供精确的时间。

GPS全球定位系统是通过美国通讯卫星高精度、可连续、实时定位模式下的定位系统，它可以同时向用户发送用户的三维坐标和精确定时。能为全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统等服务。GPS由三个系统组成：空间卫星系统、地面监控系统和用户接收系统。

目前，单片机主要应用于工业领域，单片机除了具有数值计算能力，还有相当强大的控制功能，用于实时监测和实时控制，在各个领域具有非常重要的作用。

本文利用单片机和普通的接收机设计GPS授时系统，获得精确的GPS时间,既可以对设备进行精确控制，也可以使系统内的所有设备时间同步，比之当前价格昂贵的授时型接收机经济、实用，更容易使公众接受。

1 GPS授时系统原理

GPS系统分3大部分：一是空间卫星系统，有工作卫星21颗，备用卫星3颗；二是地面监控系统，主控站1个，注入站3个，监测站5个；三是GPS用户接收系统，包括接收机、单片机、显示屏。

1.1空间卫星系统

GPS系统中有工作卫星21颗，备用卫星3颗．每颗卫星上都有4台高精度原子钟（铆钟和艳钟各2个），这也是GPS卫星的核心设备。它发射出标准频率，为GPS定位提供精度非常高的时间信号。这些卫星都是等间隔地分布在6个轨道面上，轨道面夹角为60°，这样分布方式可以保证了地球上的所有位置均有4颗以上的GPS卫星同时存在。 GPS卫星定位精度高，虽然在地面无线电波定位精度受到的干扰比较大，而且受电离层和对流层的影响，但是通过人们对电离层和对流层的传播规律的认识，也找到了解决办法，建立起了误差修正模型，可以获得精确的时间信息。

1.2地面监控系统

地面监控系统包括主控站、监测站和注入站，主控站位于加利福尼亚州科罗拉多的Falcon空军基地联合航天工作中心．主控站主要接收GPS卫星信号，以及协调和管理所有地面监控系统的工作。

1.3 GPS用户系统

GPS用户接收系统主要有用户接收机、控制部分（单片机）和显示设备。接收机接收GPS卫星发送的星历参数和时间信号，然后把这些数据传送给单片机，

单片机经过一定模式的分析与计算，可以得到精确的时间信息，最后通过输出端输出时间信号，提供给用户。原理框图如下图。

GPS用户系统中GPS信号接收、处理模块是核心，接收机和单片机类型比较多，随着电子技术的发展，其功能也越来越强大，接收机用于接收卫星时间信息，具有较低的功耗和较强的抗干扰能力；无论是户外勘测，还是室内监测都可以得到有效的保障。由于GPS信号接收机与单片机的I/O的电平大多都是TTL电平，所以可直接通信。GPS接收机传送的时间数据的波特率有多种：9 600bps、4 800bps、2 400bps，可任意选择，一般使用4800bps就已经足够。其过程是，GPS接收机获取准确的GPS卫星时间信息，通过GPS的串行通信端口发送时间数据到单片机上，单片机经过一定的处理，把时间信号发到显示端。程序原理如图：

显示设备则可以选择的是LMB102DDC液晶显示屏。该设备不但小巧而且成本低，配合该GPS授时系统使用较好，而且适用普通用户。LMB102DDC液晶显示屏的内核指令比较丰富，既有初始化显示屏的指令，也有基本功能控制指令，本系统中，主要利用其写数据到可读写寄存器中，以显示到显示屏上。

当导航系统在工作时，单片机将时间信息按一定的模型处理后，通过P0串行端口输出，显示在LMB102DDC液晶屏上。

1.4 GPS授时工作原理

由于接收机时钟与GPS卫星的时钟不同步，以及GPS信号在通过电离层和对流层时，由于折射等原因，造成传播的速度不等于真空速度，发生微小的变化，引起时间误差。接收机的时钟与GPS卫星时钟之间的钟差主要有两个原因引起：一是信号以光速传播到达接收机引起的时延；二是信号通过地球电离层和对流层时引起传播速度发生变化。为了获得真实的时间，可以用下面的方法计算GPs卫星与接收机之间的钟差，通过接收机的坐标与GPS卫星的坐标计算接收机与GPS卫星之间真实距离，其值等于“伪距离”减去真空光速时延以及电离层和对流层速度变化引起的误差，从而推算出钟差，本模块采用下面的数学模型，推算钟差，调整接收机的时钟，达到与GPS卫星同步的目的。其数学模型是：

S真=S伪-c∮-△→∮=1/c（S伪-S真-△）

其中：S真为通过坐标计算出的GPS卫星与接收机之间的距离；S伪是利用GPS卫星发出的“测距码”信号（取真空光速），加上信号的传输时延计算出GPS卫星与接收机之间的“伪距离”；c为真空光速；∮为接收机与GPS卫星时钟钟差；△为电离层与对流层因为传播速度发生变化而引起的误差。其中△可根据导航电文中的修正参数进行推算，当然也可以采用高级双频GPS信号接收机双频测算精确的修正电离层和对流层的误差。

2 时间信号处理设计 2.1 GPS时间

GPS卫星时间信号不同于通常表示年月日的时间表示法，GPS时间是从1980年1月6日0点0分0秒开始的世界协调时间，主要由星期数和当前星期的日期数组成。日期数是一个用13位C/A码或P码表示的，每过8192个星期（157年）重置一次零，要知道准确的年月日以及时间信息，必需准确换算出GPS时间信号。主体程序流程图。