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GPS在卫星地面站的应用及其接口电路的研制
摘要：文章重点介绍了卫星地面站对时间的要求，GPS授时接收设备在广州气象卫星地面站风云一号地面数据接收系统中的应用，及针对GPS授时接收设备时间码输出带载能力不足所做的接口电路的研制。
关键词：卫星地面站；时间；GPS；接口电路：研制
GPS(clobal Positioning System)是全球定位系统的英文缩写与简称，是美国继子午仪卫星导航系统后发展起来的第二代卫星导航、定位、授时系统。该系统的研制始于1973年，经20余年3个阶段的研制和试验，耗资200亿美元，于1994年全面建成。它是具有在海、陆、空进行全方位定时和三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。早期仅限于美国军方使用，现已对民间开放。
1 GPS在国家卫星气象中心及地面站的应用情况
20世纪80年代-90年代，国家卫星气象中心及3个地面站(北京站、广州站、乌鲁木齐站)的时间源，来自于本地配置的铷原子频牢标准和高精度及高稳定度的晶体震荡器，并通过短波接收机与陕西天文台的氢钟对时，使本地时间在相位上与陕西天文台的氰钟保持一致。
从1999年末开始，国家卫星气象中心及3个地面站的时间源都来自于GPS上的铷原子频率标准。广州站先后购进了3台GPS授时型接收机。
GPS授时型接收机是在OEM(原始数据接收板)的基础上制作而成。一般的GPS授时接收机仅提供串行时间码，供本机显示。
2 卫星地面站对时间的要求
卫星地面站对时间的要求非常高。因为极轨气象卫星在离地面860 km的高度上空以地心为同心作圆周运动，瞬时线速度为7.9km/s。卫星进入地面站上空时，伺服跟踪天线要跟踪卫星直至卫星出境。伺服跟踪天线对极轨气象卫星的跟踪和接收采用的是全时序制，即伺服跟踪天线是根据轨道预报来运行的，而轨道预报又是在时间的基础上编制的，只有时间准确，天线才能跟踪准确。从某种角度来说，对极轨气象卫星的跟踪精度取决于时间精度。因此，高稳定度与高精度的时间对气象卫星地面站来说非常重要，连续、稳定、可靠的时间是业务运行的根本保证。
除伺服跟踪需要高稳定度与高精度的时间外，计算机系统中的运行控制微机、云图显示、储存、转发微机也需要高精度及高稳定度的时间。
有了高稳定度与高精度的时间源，地面站就可实现站内各在线设备间在时间上的同步、站与卫星中心在时间上的同步、站与卫星在时间上的同步。在这个基础上就能很好地完成卫星的跟踪及卫星云图数据的接收和转发。
3 卫星地面站使用的时间格式
卫星地面站使用的时间格式有两种，即并行码与串行码。在20位时间并行码中，时、分、秒是按BCD码来编码及输出，其中时有6位，分有7位，秒有7位，共有20路TFL电平输出，另加l根地线，需21根并行输出线，这种时间码提供给极轨接收机伺服跟踪系统使用。在时间串行码中，时、分、秒按ASCLL码格式编码及输出，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶效验，码数率为4800bps，为RS232电平，仅需用1根输出线。这种时间码提供给微机对时使用。
4 接口电路研制背景
4.1 并行码输出接口电路
一般的GPS授时设备只输出一路时间串行码。由于没备的特殊要求，供应商特意加了两路20位时间并行码的输出。但这两路输出驱动能力不强，带载能力弱，主要表现为20位时间并行码输出接到我们的接收机后，在接收跟踪天线转动时，伺服单片机上的时间显示有闪烁现象。此时，天线Y轴会出现收藏，造成轨道跟踪不正常。我们打开GPS授时设备机箱看，发现GPS并码输出驱动仅采用了单级74HC574驱动，驱动后分两路输出。如果仅提供给译码显示，驱动是措措有余的，但我们的接收天线在收图转动时，驱动电流较大，此时单片74HC 574驱动显然有些临界。因此，迫切需要研制20位并行码驱动电路，使得每台GPS授时设备输出的两路20位时间并行码能同时稳定、可靠地带两台接收机同时工作。
4.2 串行码输出接口电路
GPS接收授时没备提供的串行码输出也是仅有一路。一路时间串行码输出仅能供一台微机对时，而我们在线的业务系统微机多达10台，显然时间串行码输出路数太少。因此也迫切需要研制两台一转十六串行码驱动器，彻底解决原GPS授时没备串行码驱动能力弱、驱动输出路数不够的问题。
5 接口电路的制作
5.1 20位时间并行码接口电路
20位时间并行码接口又称20位时间并行码驱动器。该电路原理见图1。
5.2 电路说明
20位并行码骄动器采用了二级驱动，时、分、秒分别对应一块驰动芯片74LS244，共使用了9片74LS244 芯片，对20位并行码中的每位信号进行了两级放大。电路合理地采用了先总驱动后分驱动的设计理念，这对电路的接入和今后故障的排查及确认都非常有利。例如：当两路并行码输出的时位(或分位或秒位)有故障，那么故障肯定出在两路共有的驱动级上，而当仅有一路并行码输出的时位(或分位或秒位)有故障，那么故障就肯定出在最后一级驱动级上，只要将对应的芯片换掉即可。
电路中的驱动芯片未采用原GPS授时设备驱动电路中采用的驱动芯片74HC574，而是采用长线驱动器74LS244，主要是考虑输出线比较长。
我们将GPS授时设备机箱内器件进行了重新排布，腾出了12cm×14cm的空间，故将20位并行码电路板尺寸设计为12cm×14cm，以便安装在GPS授时设备机箱内，用回机箱内的电源及输出接头。
5.3 时间串行码接口电路的制作
(1)时间串行码接口电路又称为一转十六串行码驱动器。原理图见图2。
(2)电路说明：电路采用四线接收器MCl489及四线驱动器MCl488共同完成。该电路不但完成了信号电平的转换，而且还完成了信号的驱动。在普通的微机串行通讯口COMI或COM2上，只要接上一转十六串行码驱动器，启动超级终端程序及设置好码速率、通讯口等。便能收到GPS下发的原始串行数据，其中包括年、月、日、时、分、秒、经纬度及高程等信息。 该电路的调试颇费周折，原因是从MCl489的芯片接线图上看，使能端2，5，9，12脚为高电平有效端，因此，我们在设计这个高电平时，是通过电源接口电阻后提供的，但这样，MCl489的三态门输出始终为低电平，即输出不会随着输入的变化而变化。最后，我们将使能端2，5，9，12脚全都悬空(悬空也为逻辑高电平)，MCl489的输出才正常。
由于该电路用到三组电源(+5V、±12V)，有1个输入，16个输出，所以我们定制了机箱，将电路板安装在定制的机箱内。为了直观地观察信号的输入、输出状况，我们在机箱的前面板增加了信号指示灯，并将输入、输出线引至机箱前面板的指示灯上，其中第+灯为输入指示，第二个至第十七个灯为输出指示，每片MCl488对应四路输出，4片MCl488对应十六路输出。通过输出指示灯的亮、灭指示，我们很容易判断每片芯片的工作情况。
6 GPS授时设备接口电路投入使用情况
GPS授时设备接口电路研制成功后，马上投入了业务使用。其中，20位并行码驱动器的投入使用，使每台GPS授时系统能同时、可靠地带两台接收设备正常工作，增加了每台GPS授时系统并行码输出的备份能力；两台一转十六串行码驱动器的投入使用，使得原来不足的对时接口一下子变得措措有余，为接收A，B两套系统及计算机A，B两套系统(共十余台微机)完全分开工作，打下了坚实的基础，为业务正常运行提供了强有力的保障。
针对新购买的GPS授时系统无现成的串行码对时程序，我们按串行码输出格式及码速率，用VB语言自编了可在WIN—DOWS 2000下运行的对时程序，使32台微机能通过两台一转十六串行码驱动器同时与GPS授时设备对时。
7 加接口电路后的GPS授时设备信号流程框图
8 结束语
GPS授时设备接口电路即并行码驱动器和一转十六串行码驱动器电路设计合理，功能齐全，性能稳定，工作连续、可靠，故障率低；串行码对时程序功能完善。该电路的投入使用为业务的正常运行提供了保证，为广州站极轨风云一号系统有较高的成功率贡献了一份力量。
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