基于北斗卫星系统的高速摄像机时间同步器设计

1. 引言
       在民用飞机飞行试验中，为了保证图像测试数据的准确可靠，机上图像测试系统中不同测试设备时间需要严格的统一。原子钟是一种非常稳定的时钟源，可以提供精确的时间信息用于时间同步。但是在机载环境下，安装空间狭小，安装位置受限，无法使用原子钟作为时钟源。
       使用导航卫星对机载高速摄像机进行时间同步，可以满足图像测试系统对时间同步的精度要求。随着我国北斗二代卫星导航系统一期组网完成和接口控制文件的公布，北斗卫星导航系统开始向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，本文研究了使用北斗卫星导航系统对机载高速摄像机进行时间同步的技术，设计了基于北斗卫星系统的机载高速摄像机时间同步器。

2. 时间同步技术方案
       目前绝大多数机载高速摄像机外部同步时间输入都支持IRIG-B码，时间同步器接收北斗卫星时间信息，将卫星发送的UTC时间编码转换为IRIG-B时间码需要的格式，并产生IRIG-B时间码的波形输出，IRIG-B时间码的起始位置必须和整秒的起始位置严格对齐。同步器内部逻辑框图如下图：

图1 时间同步器方案框图

        UM220-T接收北斗二代卫星时间信息，将时间信息以NMEA-0183语句输出至STM32，STM32将解码UTC时间，将其编码为IRIG-B需要的时间信息，通过串行总线送入FPGA中，同时STM32通过SPI接口控制OLED显示屏，实时显示当前定位状态和时间信息。FPGA将接收的时间信息编码为IRIG-B(DC)码和IRIG-B(AC)码输出，由于FPGA输出的IRIG-B(AC)码实际上为IRIG-B(AC)码的数字信号，需要通过高速DA转换以及运放信号调理来实现将数字IRIG-B(AC)码转换成模拟信号用于机载高速摄像机时间同步。
 

2.1 UM220-T北斗卫星接收模块
       UM220-T 模块是针对授时应用领域推出的北斗/GPS双系统精密授时产品,支持静态授时，单星授时，集成度高、功耗低，适合北斗授时领域的应用。采用先进的多路径抑制技术，以及优化的授时算法，提供精确的1PPS 输出。创新的多系统融合开放式架构，保证不同系统的可用卫星均可参与联合定位、授时，提高可靠性，保障长时间连续可靠的授时输出。支持单星授时功能，在仅有一颗可见卫星时，仍能保持精确、稳定的 1PPS 输出。

2.2 STM32微控制器
       STM32系列32位微控制器使用来ARM公司设计的Cortex-M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用的嵌入式领域的要求。Cortex-M3相比以往的微控制器在系统结构上进行了增强，使用的Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能;紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速。
时间同步器设计方案中使用STM32完成接收UM220-T发送的时间信息，从中解码出当前UTC时间，将其转换为标准的IRIG-B时间后通过自定义串行输出口输出至FPGA，同时STM32还负责驱动OLED显示屏，实时的显示当前的定位状态和时间信息，方案设计中还增加了实时时钟芯片(RTC)，以便于在收星条件不好时，为测试系统提供一个参考时间。
       设计中使用的STM32F103RB具有扩展工业级的工作温度范围，可达72MHz的主频，可以实现在将UTC时间编码为IRIG-B时间的同时完成驱动OLED显示屏的功能。

2.3 FPGA芯片实现IRIG-B编码
        当前绝大多数机载高速摄像机都支持使用IRIG-B进行时间同步，IRIG是美国靶场仪器组的简称。IRIG时间标准有两大类：一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛;另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B即为其中的B型码。B型码的时帧速率为1帧/S。
北斗时间同步器设计中使用FPGA直接数字频率合成技术实现时间信息的IRIG-B码型产生。直接数字频率合成(DDS)是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成，它具有频率分辨率高、频率切换快、频率切换时相位连续等优点。