基于GPS的授时服务器的设计

引言

全球定位系统（global positioning system, GPS）自从建成以来，得到了广泛的应用，在航天、军事、经济、通信、电力、交通等领域发挥了巨大的作用。授时系统的功能是使钟表或测量仪器的时钟与国际标准时间达到精确同步。通常可用原子钟来保证仪器的时间与国标时间达到精确同步，但是原子钟价格昂贵。常用的授时方法主要有无线电授时、卫星授时、网络授时等。其中利用导航卫星进行物体定位、时钟授时与同步数据采集控制,可以达到传统测量控制手段所不及的精确程度，同时可以获得本地定位信息等数据。这种卫星定位授时同步技术在航空航海、陆上交通、科学考察、极地探险、地理测量、气象预报、设备巡检、系统监控等方面得到广泛应用。GPS时钟采用世界协调时-UTC，在GPS卫星上载有与UTC时间同步的铯原子钟，成为一种空间的时间基准，用户可接收GPS卫星的时间服务信号，校正本机时钟，与GPS时钟同步，完成时间传递任务，称为GPS授时。

2 工作原理

GPS授时服务器主要由AT89S52单片机、LCM显示模块和GPS OEM 模块 GPS25-LVS以及输出模块等组成。它能够显示经纬度、北京时间、速度等实时信息，其系统原理见图1。

单片机作为主控制器，对GPS25-LVS模块进行初始化，GPS25-LVS模块接收卫星传送的信号，输出NMEA-0183格式语句，经过单片机的解算处理，最后送至LCM液晶显示模块进行显示，同时由输出模块提供多种电气特性的秒脉冲（1PPS）信号。

3 硬件设计

3.1 GPS OEM模块的选择

GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM板[4]采用单一5V供电，内置保护电池，RS232、TTL两种电平自动输出NMEA 0183 2.0格式(ASCII字符型)语句，是目前应用最广泛的GPS接收处理板之一，能满足各种导航和授时领域的需求。具有很高的性价比和强有力的市场竞争力，其主要性能特点如下：

并行12通道，可同时接收12颗卫星

定位时间：重捕<2sec，热启动为15sec，冷启动45sec，自动搜索90sec

定位精度：15mRMS/差分时<5m

可接收实时差分信号用于精确定位，信号格式为RTCM SC-104，波特率自适应。

1PPS秒脉冲信号输出，精度指标高达10-6秒

双串口（TTL）输出，波特率可由软件设置(1200～9600)

灵敏度：-166Dbw

天线接口：50ohm MCX 接头有源天线(5V)

3.2 GPS25-LVS 模块的数据输出格式

GPS25-LVS的通信波特率默认值为4800，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。通常使用NMEA-0183格式输出，数据代码为ASCII码字符。NMEA-0183是美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，目前广泛使用V2.0版本。由于该格式为ASCII码字符串，比较直观和易于处理，在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离，以提取用户所需要的数据。GPS25-LVS系列OEM板可输出12句语句，分别是GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，GPGLL。

来源：仪器仪表学报