基本信息
- 项目名称：
- 基于北斗卫星和ZigBee通信技术的广播电视授时系统研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 标准时间是广播电视安全播出的前提条件，在广播电视系统中具有重要的地位。目前，我国的广播电视中心常利用 GPS 授时来获取标准时间，但是GPS授时存在手段单一和没有自主控制权两方面问题，不仅短期稳定性差，而且安全性不强。 基于我国自主研发的北斗授时系统不仅能获取标准时间,同时以CCTV及广播电台为辅助授时源并与系统本地时间进行校准，可以彻底摆脱对GPS授时的依赖。ZigBee通信技术是近年来刚刚兴起的一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术，同时ZigBee通信技术具有双向传输的特性，具有低成本、低功耗的特点，具有很好的发展前景。 目前北斗授时技术和ZigBee通信技术在广播电视系统中的应用还是空白。本作品将两种前沿技术紧密结合，通过北斗卫星授时和ZigBee无线组网，实现广播电视系统全台时间同步。此项研究对改变国外的卫星授时系统对我国市场的垄断，保证我国的信息安全，具有重要的意义。
- 详细介绍：
- 标准时间是广播电视安全播出的前提条件，在广播电视系统中具有重要的地位。目前，我国的广播电视中心常利用 GPS 授时来获取标准时间，但是GPS授时存在手段单一和没有自主控制权两方面问题，不仅短期稳定性差，而且安全性不强。 基于我国自主研发的北斗授时系统不仅能获取标准时间,同时以CCTV及广播电台为辅助授时源并与系统本地时间进行校准，可以彻底摆脱对GPS授时的依赖。ZigBee通信技术是近年来刚刚兴起的一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术，同时ZigBee通信技术具有双向传输的特性，具有低成本、低功耗的特点，具有很好的发展前景。 目前北斗授时技术和ZigBee通信技术在广播电视系统中的应用还是空白。本作品将两种前沿技术紧密结合，通过北斗卫星授时和ZigBee无线组网，实现广播电视系统全台时间同步。此项研究对改变国外的卫星授时系统对我国市场的垄断，保证我国的信息安全，具有重要的意义。 【创新点】 （1）以我国自主开发的北斗授时系统为基础，以CCTV及广播电台为辅助授时源为我国广播电视系统提供精确时间源，提高了广播电视授时的安全性； （2）ZigBee无线通信技术应用于广播电视系统中，将卫星系统的精确时间发送到各个时钟接收点，实现了无线传输时延的同步自动补偿，实现了广播电视系统全台时间同步，无线连网、无须布线，提高了授时系统的抗干扰性、可移动性和可靠性； （3）基于温度补偿时钟芯片基础上二次数据补偿的方法，解决了温度影响晶体频率偏差的问题。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：标准时间是广播电视安全播出的前提条件，在广播电视系统中具有重要的地位。通过北斗授时系统获取标准时间，ZigBee无线组网，实现全台时间同步，替代目前广播电视中心普遍使用的GPS授时来获取标准时间的方法，同时利用ZigBee无线组网很好解决了广播电视系统中需要标准时间装置数量众多且分布散乱等问题。 基本思路：在深入探讨和研究北斗授时原理的基础上，采用基于北斗授时模块设计主节点硬件平台实时获取标准时间，通过ZigBee技术组网，实现广播电视中心时间同步。同时各从节点，通过基于单片机和无线射频芯片CC2240的模块硬件及相配套的底层软件，接收主节点发送的标准时间。 创新点：（1）以我国自主开发的北斗授时系统为基础，为我国广播电视系统提供精确时间源，提高广播电视授时的安全性；（2）ZigBee无线通信技术应用于广播电视系统中，将卫星系统的精确时间发送到各个时钟接收点，实现了广播电视系统全台时间同步，无线连网、无须布线，提高了卫星授时系统的可移动性；（3）基于温度补偿时钟芯片基础上的二次数据补偿的方法，解决了温度影响晶体频率偏差的问题。 技术关键：⑴对北斗授时系统工作模式、秒脉冲和本地钟的协同处理等进行了深入的探讨，提出了精确授时的方案；⑵对从节点的无线射频芯片CC2240的模块的设计及网络协议进行研究，解决广播电视系统中无线传输的时延问题；⑶晶体频率偏差的多样性与温度特性补偿的研究。 主要技术指标：授时精度优于20ms；传输距离≤600M；无校时源时授时精度优于1秒/月。
科学性、先进性
- 目前的卫星授时同步技术主要有美国的全球卫星导航系统GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS、中国的北斗一号导航定位系统。目前，北斗系统的应用水平与国外卫星导航定位系统相比还存在相当的差距。将北斗卫星授时系统应用于广播电视中心获取精密时间，可消除长久以来使用GPS作为唯一同步时钟源而存在的风险，解决时钟源可靠性问题。通过北斗授时系统获取标准时间，同时与CCTV和电台的时间源互备授时，增强了广播电视中心获取精密时间灵活性和可扩充性。 在广播电视系统中需要标准时间设备很多，分散在广播电视中心大楼内, 而全台的时间都要同步、准确，因此需要组网管理。ZigBee无线通信技术无线组网、无需布线，具有低功耗、低成本、通讯距离远、组网简单灵活等优点，运用此技术能够实现全台时间精确同步，加快了无线组网方式取代有线组网的步伐。 目前北斗授时系统与ZigBee无线通信技术在广播电视系统中应用研究方面还是空白。此项研究将改变国外的卫星授时系统我国市场的垄断状况，对保证我国的信息安全具有重大的意义。
获奖情况及鉴定结果
- 1、作品获得第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。（附件9） 2、鉴于前期研究成果，已与安徽天虹数码技术有限公司签订技术开发合同。（附件6） 3、作品已于2009年3月在安徽省巢湖市电视台得到试用。（附件7） 4、申报者以第一作者发表相关学术论文数篇。（附件12）
作品所处阶段
- 中试阶段 作品已于2009年3月在安徽省巢湖市电视台得到试用。（附件7）
技术转让方式
- 委托开发 拥有自主知识产权
作品可展示的形式
- 实物、图纸、现场演示、图片、录像、PPT
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 系统使用说明：见附件4 作品的技术特点和优势: 以我国自主开发的北斗授时系统为基础，提高了广播电视授时的安全性。相比较有线授时系统，本系统控制精度高、移动性强、维护容易、成本低，在技术上具有明显优势，同时对提高播出安全、播出质量提供了保证。 作品的适应范围及推广前景：目前我国正处于数字电视高速发展时期,全国有3000多家县级以上广播电视台,还有几千家企业电视台，未来二年,对该设备将有2000-3000套的需求。同时，该研究关键技术也可应用到通信、电力等领域，还会带来更大的经济和社会效益。 作品的市场分析和经济效益预测：北斗卫星导航定位系统的应用水平与国外卫星导航定位系统相比明显处于劣势，特别是民用方面,还远远未达到产业化、市场化的水平，必须大力推广。如按一年生产1000套计算，可创造产值5000万元。同时带动了产品配件行业的同步发展，形成完整的产业链，每年可为上、下游配套行业新增产值数千万元，也可为当地创造就业机会。总体来看，该研究成果符合国家高科技产业创新方向，市场前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 在广播电视系统中，精密的时间是安全播出的前提条件,是不同节目之间播出切换的同步基础。目前国内广播电视中心获取精密时间主要从三个方面获取，利用无线电广播的整点报时信号进行校时；利用中央电视台CCTV-1或CCTV-2电视场逆程第16行中的时间信号进行校时；利用GPS卫星接收数据中的标准时间进行校时。 GPS授时的连续性和抗干扰性对于广播电视系统稳定控制而言仍显得比较薄弱，主要表现在：①GPS接收机输出的时间信号长期稳定性好、短期稳定性差；②GPS接收机的抗干扰性能差，可能出现卫星失锁的情况；③卫星试验或调试可能造成GPS时钟跳变。除上述GPS授时技术方面的问题外，更重要的问题是GPS时钟源在我国的不可依赖性。GPS可用性和授时精度受制于美国的政策。2000年1月美国关于“局部屏蔽GPS信号”的技术试验获得成功，即在需要的时候可以局部关闭GPS信号。 2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，我国成功发射了三颗定位于赤道上空的同步卫星，完成了“北斗一号”卫星导航系统的建设。该卫星导航系统由我国独立自主研制开发，不受他国的控制和限制，其可用性、可依赖性和安全性有保障。自2004年北斗卫星导航系统正式向军、民用户开放以来，已逐渐在舰船监控、水文测报等领域中得到应用。 在广播电视系统需要标准时间设备很多，分散在广播电视中心大楼内，全台的时间都要同步，准确，因此需要组网管理。现有的播出管理系统主要以有线网络为主，需要铺设电缆，布线复杂、干扰原有预埋的其他管线，日后的维护保养也十分不便。 现有的无线通讯技术主要有红外线技术、蓝牙技术等。红外线技术设备简单，价格低廉，很容易推广，但是，红外线控制方式的作用距离短，又属于点对点的通信方式，因此，红外使用具有局限性。蓝牙技术是一种低成本、短距离、支持点对点和点对多点通信的无线通信技术，广播电视系统需要标准时间设备节点的数量将会越来越多，蓝牙有限的网络容量将会限制其在低速控制网络中的应用。 ZigBee是一种新兴的低功耗、低成本的无线网络技术。具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性。传输范围一般介于10～100m，在增加RF发射功率后，可增加到1～3km。因此以授时器为主节点，其它需要时间的设备为从节点组成ZigBee无线网络系统，可以很好解决广播电视系统需要标准时间设备很多、分散性的问题。
