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GPS在衛星地面站的應用及其接口電路的研制
摘要：文章重點介紹了衛星地面站對時間的要求，GPS授時接收設備在廣州氣象衛星地面站風云一號地面數據接收系統中的應用，及針對GPS授時接收設備時間碼輸出帶載能力不足所做的接口電路的研制。
關鍵詞：衛星地面站；時間；GPS；接口電路：研制
GPS(clobal Positioning System)是全球定位系統的英文縮寫與簡稱，是美國繼子午儀衛星導航系統后發展起來的第二代衛星導航、定位、授時系統。該系統的研制始于1973年，經20余年3個階段的研制和試驗，耗資200億美元，于1994年全面建成。它是具有在海、陸、空進行全方位定時和三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。早期僅限于美國軍方使用，現已對民間開放。
1 GPS在國家衛星氣象中心及地面站的應用情況
20世紀80年代-90年代，國家衛星氣象中心及3個地面站(北京站、廣州站、烏魯木齊站)的時間源，來自于本地配置的銣原子頻牢標準和高精度及高穩定度的晶體震蕩器，并通過短波接收機與陜西天文臺的氫鐘對時，使本地時間在相位上與陜西天文臺的氰鐘保持一致。
從1999年末開始，國家衛星氣象中心及3個地面站的時間源都來自于GPS上的銣原子頻率標準。廣州站先后購進了3臺GPS授時型接收機。
GPS授時型接收機是在OEM(原始數據接收板)的基礎上制作而成。一般的GPS授時接收機僅提供串行時間碼，供本機顯示。
2 衛星地面站對時間的要求
衛星地面站對時間的要求非常高。因為極軌氣象衛星在離地面860 km的高度上空以地心為同心作圓周運動，瞬時線速度為7.9km/s。衛星進入地面站上空時，伺服跟蹤天線要跟蹤衛星直至衛星出境。伺服跟蹤天線對極軌氣象衛星的跟蹤和接收采用的是全時序制，即伺服跟蹤天線是根據軌道預報來運行的，而軌道預報又是在時間的基礎上編制的，只有時間準確，天線才能跟蹤準確。從某種角度來說，對極軌氣象衛星的跟蹤精度取決于時間精度。因此，高穩定度與高精度的時間對氣象衛星地面站來說非常重要，連續、穩定、可靠的時間是業務運行的根本保證。
除伺服跟蹤需要高穩定度與高精度的時間外，計算機系統中的運行控制微機、云圖顯示、儲存、轉發微機也需要高精度及高穩定度的時間。
有了高穩定度與高精度的時間源，地面站就可實現站內各在線設備間在時間上的同步、站與衛星中心在時間上的同步、站與衛星在時間上的同步。在這個基礎上就能很好地完成衛星的跟蹤及衛星云圖數據的接收和轉發。
3 衛星地面站使用的時間格式
衛星地面站使用的時間格式有兩種，即并行碼與串行碼。在20位時間并行碼中，時、分、秒是按BCD碼來編碼及輸出，其中時有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，這種時間碼提供給極軌接收機伺服跟蹤系統使用。在時間串行碼中，時、分、秒按ASCLL碼格式編碼及輸出，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶效驗，碼數率為4800bps，為RS232電平，僅需用1根輸出線。這種時間碼提供給微機對時使用。
4 接口電路研制背景
4.1 并行碼輸出接口電路
一般的GPS授時設備只輸出一路時間串行碼。由于沒備的特殊要求，供應商特意加了兩路20位時間并行碼的輸出。但這兩路輸出驅動能力不強，帶載能力弱，主要表現為20位時間并行碼輸出接到我們的接收機后，在接收跟蹤天線轉動時，伺服單片機上的時間顯示有閃爍現象。此時，天線Y軸會出現收藏，造成軌道跟蹤不正常。我們打開GPS授時設備機箱看，發現GPS并碼輸出驅動僅采用了單級74HC574驅動，驅動后分兩路輸出。如果僅提供給譯碼顯示，驅動是措措有余的，但我們的接收天線在收圖轉動時，驅動電流較大，此時單片74HC 574驅動顯然有些臨界。因此，迫切需要研制20位并行碼驅動電路，使得每臺GPS授時設備輸出的兩路20位時間并行碼能同時穩定、可靠地帶兩臺接收機同時工作。
4.2 串行碼輸出接口電路
GPS接收授時沒備提供的串行碼輸出也是僅有一路。一路時間串行碼輸出僅能供一臺微機對時，而我們在線的業務系統微機多達10臺，顯然時間串行碼輸出路數太少。因此也迫切需要研制兩臺一轉十六串行碼驅動器，徹底解決原GPS授時沒備串行碼驅動能力弱、驅動輸出路數不夠的問題。
5 接口電路的制作
5.1 20位時間并行碼接口電路
20位時間并行碼接口又稱20位時間并行碼驅動器。該電路原理見圖1。
5.2 電路說明
20位并行碼驕動器采用了二級驅動，時、分、秒分別對應一塊馳動芯片74LS244，共使用了9片74LS244 芯片，對20位并行碼中的每位信號進行了兩級放大。電路合理地采用了先總驅動后分驅動的設計理念，這對電路的接入和今后故障的排查及確認都非常有利。例如：當兩路并行碼輸出的時位(或分位或秒位)有故障，那么故障肯定出在兩路共有的驅動級上，而當僅有一路并行碼輸出的時位(或分位或秒位)有故障，那么故障就肯定出在最后一級驅動級上，只要將對應的芯片換掉即可。
電路中的驅動芯片未采用原GPS授時設備驅動電路中采用的驅動芯片74HC574，而是采用長線驅動器74LS244，主要是考慮輸出線比較長。
我們將GPS授時設備機箱內器件進行了重新排布，騰出了12cm×14cm的空間，故將20位并行碼電路板尺寸設計為12cm×14cm，以便安裝在GPS授時設備機箱內，用回機箱內的電源及輸出接頭。
5.3 時間串行碼接口電路的制作
(1)時間串行碼接口電路又稱為一轉十六串行碼驅動器。原理圖見圖2。
(2)電路說明：電路采用四線接收器MCl489及四線驅動器MCl488共同完成。該電路不但完成了信號電平的轉換，而且還完成了信號的驅動。在普通的微機串行通訊口COMI或COM2上，只要接上一轉十六串行碼驅動器，啟動超級終端程序及設置好碼速率、通訊口等。便能收到GPS下發的原始串行數據，其中包括年、月、日、時、分、秒、經緯度及高程等信息。 該電路的調試頗費周折，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，我們在設計這個高電平時，是通過電源接口電阻后提供的，但這樣，MCl489的三態門輸出始終為低電平，即輸出不會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個輸入，16個輸出，所以我們定制了機箱，將電路板安裝在定制的機箱內。為了直觀地觀察信號的輸入、輸出狀況，我們在機箱的前面板增加了信號指示燈，并將輸入、輸出線引至機箱前面板的指示燈上，其中第+燈為輸入指示，第二個至第十七個燈為輸出指示，每片MCl488對應四路輸出，4片MCl488對應十六路輸出。通過輸出指示燈的亮、滅指示，我們很容易判斷每片芯片的工作情況。
6 GPS授時設備接口電路投入使用情況
GPS授時設備接口電路研制成功后，馬上投入了業務使用。其中，20位并行碼驅動器的投入使用，使每臺GPS授時系統能同時、可靠地帶兩臺接收設備正常工作，增加了每臺GPS授時系統并行碼輸出的備份能力；兩臺一轉十六串行碼驅動器的投入使用，使得原來不足的對時接口一下子變得措措有余，為接收A，B兩套系統及計算機A，B兩套系統(共十余臺微機)完全分開工作，打下了堅實的基礎，為業務正常運行提供了強有力的保障。
針對新購買的GPS授時系統無現成的串行碼對時程序，我們按串行碼輸出格式及碼速率，用VB語言自編了可在WIN—DOWS 2000下運行的對時程序，使32臺微機能通過兩臺一轉十六串行碼驅動器同時與GPS授時設備對時。
7 加接口電路后的GPS授時設備信號流程框圖
8 結束語
GPS授時設備接口電路即并行碼驅動器和一轉十六串行碼驅動器電路設計合理，功能齊全，性能穩定，工作連續、可靠，故障率低；串行碼對時程序功能完善。該電路的投入使用為業務的正常運行提供了保證，為廣州站極軌風云一號系統有較高的成功率貢獻了一份力量。
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