1. 导言
在民用飞机飞翔实验中，为了确保图画测验数据的准确牢靠，机上图画测验体系中不同测验设备时刻需求严厉的一致。原子钟是一种十分安稳的时钟源，能够供给准确的时刻信息用于时刻同步。但是在机载环境下，装置空间狭小，装置方位受限，无法运用原子钟作为时钟源。
运用导航卫星对机载高速摄像机进行时刻同步，能够满意图画测验体系对时刻同步的精度要求。跟着我国斗极二代卫星导航体系一期组网完结和接口操控文件的发布，斗极卫星导航体系开端向亚太大部分地区正式供给接连无源定位、导航、授时等服务，本文研讨了运用斗极卫星导航体系对机载高速摄像机进行时刻同步的技能，规划了依据斗极卫星体系的机载高速摄像机时刻同步器。
2. 时刻同步技能计划
现在绝大多数机载高速摄像机外部同步时刻输入都支撑IRIG-B码，时刻同步器接纳斗极卫星时刻信息，将卫星发送的UTC时刻编码转化为IRIG-B时刻码需求的格局，并发生IRIG-B时刻码的波形输出，IRIG-B时刻码的开端方位有必要和整秒的开端方位严厉对齐。同步器内部逻辑框图如下图：
图1 时刻同步器计划框图
UM220-T接纳斗极二代卫星时刻信息，将时刻信息以NMEA-0183句子输出至STM32，STM32将解码UTC时刻，将其编码为IRIG-B需求的时刻信息，经过串行总线送入FPGA中，一起STM32经过SPI接口操控OLED显现屏，实时显现当时定位状况和时刻信息。FPGA将接纳的时刻信息编码为IRIG-B(DC)码和IRIG-B(AC)码输出，因为FPGA输出的IRIG-B(AC)码实际上为IRIG-B(AC)码的数字信号，需求经过高速DA转化以及运放信号调度来完结将数字IRIG-B(AC)码转化成模仿信号用于机载高速摄像机时刻同步。
2.1 UM220-T斗极卫星接纳模块
UM220-T 模块是针对授时运用范畴推出的斗极/GPS双体系精细授时产品,支撑静态授时，单星授时，集成度高、功耗低，合适斗极授时范畴的运用。选用先进的多路径按捺技能，以及优化的授时算法，供给准确的1PPS 输出。立异的多体系交融开放式架构，确保不同体系的可用卫星均可参加联合定位、授时，进步牢靠性，保证长时刻接连牢靠的授时输出。支撑单星授时功用，在仅有一颗可见卫星时，仍能坚持准确、安稳的 1PPS 输出。
2.2 STM32微操控器
STM32系列32位微操控器运用来ARM公司规划的Cortex-M3内核，该内核是专门规划于满意集高功用、低功耗、实时运用的嵌入式范畴的要求。Cortex-M3比较以往的微操控器在体系结构进步行了增强，运用的Thumb-2指令集带来了更高的指令功率和更强的功用;紧耦合的嵌套矢量中止操控器，对中止事情的呼应比以往更敏捷。
时刻同步器规划计划中运用STM32完结接纳UM220-T发送的时刻信息，从中解码出当时UTC时刻，将其转化为规范的IRIG-B时刻后经过自定义串行输出口输出至FPGA，一起STM32还担任驱动OLED显现屏，实时的显现当时的定位状况和时刻信息，计划规划中还增加了实时时钟芯片(RTC)，以便于在收星条件欠好时，为测验体系供给一个参阅时刻。
规划中运用的STM32F103RB具有扩展工业级的作业温度规模，可达72MHz的主频，能够完结在将UTC时刻编码为IRIG-B时刻的一起完结驱动OLED显现屏的功用。
2.3 FPGA芯片完结IRIG-B编码
当时绝大多数机载高速摄像机都支撑运用IRIG-B进行时刻同步，IRIG是美国靶场仪器组的简称。IRIG时刻规范有两大类：一类是并行时刻码格局，这类码因为是并行格局，传输间隔较近，且是二进制，因而远不如串行格局广泛;另一类是串行时刻码，共有六种格局，即A、B、D、E、G、H。它们的首要差别是时刻码的帧速率不同，IRIG-B即为其间的B型码。B型码的时帧速率为1帧/S。
斗极时刻同步器规划中运用FPGA直接数字频率组成技能完结时刻信息的IRIG-B码型发生。直接数字频率组成(DDS)是一种全数字化的频率组成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转化器和低通滤波器构成，它具有频率分辨率高、频率切换快、频率切换时相位接连等长处。
3 时刻同步器规划
3.1 硬件电路规划
3.1.1 供电部分电路
同步器内部规划中UM220-T、STM32、RTC供电电压为3.3V，FPGA的IO供电电压为3.3V，FPGA内核以及PLL供电电压为1.2V，高速DA运放供电为±5V，机上电源供给28V供电，故需求将28V电压转化为各个部分需求的电压， 规划中选用北京新雷能科技有限公司出产的DPB16-24D5-5EB电源，它具有18~36V的宽规模输入电压，输出±5V。经过LM1085-3.3的LDO芯片，将5V电压降压得到3.3V电压。此芯片最大电流支撑到3A。再经过AMS1117-1.2获取1.2V电压，因为1.2V电压是供给给FPGA内核的作业电压，以及FPGA内部PLL的作业电压，1.2V电压的纯洁程度要求比较高，需选用钽%&&&&&%滤波，规划中电源输入部分还加入了SS14二极管反接维护电路。
图2 电源供电部分规划电路
3.1.2 FPGA编码部分电路
FPGA运用EP2C5T144I8首要完结IRIG-B时刻同步码的编码作业，STM32将解码到的时刻信息编码成天、时、分、秒的8421码，在数据有用脉冲的使能下将数据送入FPGA，FPGA准确检测秒脉冲(PPS)的上升沿，在秒脉冲的上升沿开端时开端一整秒B码时刻数据的发送。本规划FPGA将数据编码输出的数据为12位的并行数字信号，需求运用DA信号将并行的数字信号转化成模仿信号，本规划中咱们选用美信公司的MAX7541，它具有0.6us的转化时刻和12位的分辨率，MAX7541输出数据经运OPA690放信号调度和阻抗改换后发生规范的IRIG-B(AC)码。
IRIG-B(AC)码实际上是用IRIG-B(DC)码对规范正弦波载频进行起伏调制，规范正弦波载频的频率与码元速率严厉相关，一般为码元速率的十倍。B码的规范正弦波载频频率为1KHz。一起，其正交过零点与所调制格局码元的前沿相符合，规范的调制比为10:3。
正弦波的发生是选用FPGA来发生的，运用Quartus自带的LMP模块来进行ROM建模，存储了256个点的SIN函数的波形值，首要核算256个SIN函数的值。因为点数比较多，咱们运用MATLAB东西发生一个完好周期的SIN函数的256个点的值。因为FPGA处理整数相对简略因而需求对SIN函数值进行整数化。
3.1.3 STM32编解码显现电路
STM32解码UM220-T的输出的NMEA-0183句子，从中解算出当时的UTC时刻，将其编码后送入FPGA，STM32经过I2C接口与RTC时钟芯片SD2400通讯，供给当无法接纳卫星时刻时的参阅时刻输出。
OLED显现技能作为下一代显现，因为OLED显现屏为全固态器材，因而具有高低温规模宽，抗震特性好的特色。本规划中选用的并行接口驱动OLED显现，完结时刻、定位状况的显现功用。STM32接口电路如下图所示：
图4 OLED显现驱动电路3.2 软件程序规划
3.2.1 NMEA-0183解码
NMEA 0183 是美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)为海用电子设备拟定的规范格局.现在业已成了 GPS 导航设备一致的 RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)规范协议。
NMEA-0183 常用命令如下表所示：
每条句子都有固定的格局，输出的各个参数之间运用逗号离隔。UM220-T斗极卫星接纳模块也运用这些规范句子进行导航数据的输出。本规划首要用于时刻同步，所以仅需求对数据中的时刻信息解码，因而仅需求对GPRMC句子中的定位状况进行解码。
STM32F103RCT6先在内存中拓荒两块缓冲区A和B， 运用中止形式接纳到UM220-T发送的数据，当接纳到$符号表明数据帧开端，接下来将数据存入在内存中拓荒的数据缓冲区A中，当接纳到回车换行符表明一条数据帧接纳完结，置A区数据完结标志位，等候下一帧数据到来时选用相同的方法存入数据缓冲区B。
当主程序检测到缓冲区接纳完结标志方位位时，从缓冲区中取出数据完结数据解码[6]，解算出当时UTC时刻，清空数据缓冲区和标志位，将时刻信息编码成串行数据送入FPGA中，编码时需求留意闰年B码天数的处理，主程序完结的流程图如下图：
图5 NMEA-0183数据解码程序流程图
3.2.2 FPGA完结IRIG-B时刻码
IRIG-B码是每秒一帧的时刻串码，每个码元宽度为10ms，一个时帧周期包含100个码元，为脉宽编码。码元的“按时”参阅点是其脉冲前沿，每一帧的参阅标志由一个方位辨认标志和相邻的参阅码元组成，其宽度为8ms;每10个码元有一个方位辨认标志：P1,P2,P3，…，P9,P0，它们均为8ms宽度;二进制”1″和”0″的脉宽为5ms和2ms。
运用Verilog言语进行编码逻辑的规划，首要依据STM32输出的时刻，发生相应的IRIG-B(DC)码，再运用DC码调制正弦载波，发生AC码信号，运放调度电路完结对DA输出的信号低通滤波以及分配为多路的功用。
4 实验成果与运用
为了验证斗极时刻同步器时刻同步精度，课题组将斗极时刻同步器输出的波形与中国科学院国家授时中心的规范时码发生器进行了比照实验，实验成果表明斗极时刻同步器的同步精度很高，满意规划要求，比照实验成果如下图所示。
图6 与规范时码发生器时序比照
课题组将斗极时刻同步器用于机载高速摄像机和模仿视频收集记录器进行时刻同步，成果表明斗极时刻同步器输出的IRIG-B(AC)码能够完结对机载高速摄像机的时刻同步功用,同步时刻精度优于10us。
5 定论
依据我国自主知识产权的斗极卫星导航体系，运用依据FPGA的数字频率组成技能，规划了斗极卫星时刻同步器，用于对机载高速摄像机进行准确的时刻同步，并将其运用于飞翔实验中，为飞翔实验高速摄像机时刻同步供给了一种新的方法，具有广泛的运用远景。
