gps晶體振蕩器穩(wěn)定性分析

gps晶體振蕩器穩(wěn)定性分析

1gps衛(wèi)星同步系統(tǒng)gps是一個全球衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。它可以連續(xù)實時為無限的用戶提供高精度的三維位置、三維速度和精確的時間信息。由于GPS定位技術(shù)具有精度高、速度快、成本低的顯著優(yōu)點,因而已成為目前世界上應(yīng)用范圍最廣、實用性最強的全球精密授時、測距和導航定位系統(tǒng)。每個GPS衛(wèi)星都攜有一對銫原子和銣原子鐘,它們的頻率穩(wěn)定性分別達到了10-14和10-13,同時地面監(jiān)測站和主控站不斷地對它們進行修正,以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘之間保持精密的同步,因此GPS衛(wèi)星能提供精確的時間信息,且具有很好的長期穩(wěn)定性。隨著數(shù)字通信的發(fā)展,數(shù)據(jù)傳輸具有更高的速度,相應(yīng)對同步系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)做法是使用晶體振蕩器產(chǎn)生參考頻率以滿足同步的需要,但晶體振蕩器會由于溫度、老化等因素產(chǎn)生頻率的漂移,長期穩(wěn)定性較差。氫鐘、銫鐘長期短期穩(wěn)定性雖然都很好,但價格太昂貴,且對使用環(huán)境要求高。相比之下,GPS系統(tǒng)能提供精密的時間信息,因此我們考慮利用并不昂貴的GPS接收機產(chǎn)生一個穩(wěn)定的當?shù)貢r鐘,即利用GPS秒信號鎖定高穩(wěn)定的晶體振蕩器,從而獲得一個短期及長期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時間頻率標準。2基于gps屏蔽的高穩(wěn)定晶體振蕩器設(shè)計原理2.1量化時延和壓控技術(shù)利用GPS接收機,可以收到并產(chǎn)生準確的1pps信號。在此基礎(chǔ)上,利用時間間隔測量技術(shù),將它與本地頻標的分頻信號進行比對,按照相位差的變化速率計算出相對頻差并和本地頻標的壓控靈敏度綜合考慮,產(chǎn)生出對本地頻標的控制修正電壓。經(jīng)過多個測量和控制反復(fù),最終實現(xiàn)了把本地頻標(高穩(wěn)定性晶體振蕩器)的準確度鎖定在GPS標準的準確度上,其原理框圖如圖1所示。量化時延原理是通過CPLD技術(shù)實現(xiàn)的。處理和控制器部分包括單片機和輸出補償電路。單片機要參與控制高分辨力的時間間隔的測量,再根據(jù)計算出的時間間隔值,按照比對精度的要求給出取樣時間,即用時間間隔測量器測量GPS信號和本地頻標的分頻信號之間的間隔(時差ΔT),相隔一段時間(取樣時間τ)后再測量一次ΔT2,計算出相鄰兩次相位差的變化ΔT=ΔT2-ΔT1,則相對頻率偏差可由下面公式得到Δff0=ΔTτ(1)Δff0=ΔΤτ(1)結(jié)合被校頻標的壓控靈敏度算出應(yīng)給出的壓控電壓值。實際上單片機給出的是一脈寬可調(diào)的方波信號,此方波經(jīng)輸出補償電路得到電壓去控制壓控晶體振蕩器,達到調(diào)整頻率的作用。2.2基于量化時延的時間間隔測量要實現(xiàn)用GPS秒信號鎖定的高穩(wěn)晶體振蕩器,必須實現(xiàn)對GPS秒信號與本地頻標的信號間相位差的高準確度測量,即提高時間間隔測量的分辨力。從而在較短時間內(nèi)鎖定高穩(wěn)晶體振蕩器,并達到要求的頻率準確度。一般的時間測量中,用10MHz的填充脈沖頻率只能獲得100ns的測量分辨力。根據(jù)公式(1),要累積給出1·10-11的比對精度,就需要有10000s以上的比對時間。雖然通過倍頻的方法提高填充脈沖的頻率可以提高測量的分辨力,但提高的程度是有限的,且會對使用的器件提出更高的要求,并增加成本。因此,在仍采用10MHz的填充脈沖的情況下,只要能精確測出如圖2所示的兩個短時間間隔,就可提高測量分辨力。需注意的是,這里關(guān)門信號和填充脈沖來自同一個本地頻標信號,所以是相關(guān)的。也就是我們只需考慮待測時間間隔(即閘門)的開門后的短時間間隔Δt1,而不必考慮關(guān)門后的短時間間隔Δt2。針對短時間間隔的測量,采用不同的測量方法可達到不同的測量分辨力。在現(xiàn)有的短時間間隔測量方法中,游標法和內(nèi)差法都是用模擬的方法將時間間隔進行處理后再進行計數(shù),應(yīng)用這兩種方法可以實現(xiàn)高精度的短時間間隔測量。但是這兩種方法電路結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜,成本高,實現(xiàn)起來很困難。因此,我們采用基于量化時延原理的高準確度短時間測量方法。我們利用信號在媒體中傳播的時延穩(wěn)定性,通過將信號所產(chǎn)生的延時進行量化,實現(xiàn)了對短時間間隔的測量。其基本原理是:讓信號通過一系列的延時單元,依靠延時單元的延時穩(wěn)定性,在計算機的控制下對延時狀態(tài)進行高速采集與數(shù)據(jù)處理,從而實現(xiàn)了對短時間間隔的精確測量。其原理如圖3所示。量化時延的實現(xiàn)依賴于延時單元的延時穩(wěn)定性,其分辨力取決于單位延時單元的延遲時間。作為延時單元的器件可以是無源導線,有源門器件或其它電路。其中,導線的延遲時間較短(接近光速傳播的延遲),門電路的延遲時間相對較長。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,有人把計數(shù)器設(shè)計在ASIC中,實現(xiàn)對時間的直接數(shù)字編碼,但其造價很高,而相對廉價得多的可編程邏輯器件的出現(xiàn)為我們提供了新的選擇。我們選擇了CPLD器件,用以設(shè)計實現(xiàn)基于量化時延原理的時間間隔測量。其原理圖見圖4。結(jié)合填充脈沖,其短時間間隔計算公式為T=n1*t1+n2*t2(2)式(2)中,n1為對填充脈沖的計數(shù)值;t1為填充脈沖的周期,即100ns;n2為量化延遲的器件個數(shù);t2為量化延遲的器件單位延遲量。GPS秒信號和100k信號(由10M分頻得到)經(jīng)過鑒相得到的相位差即為待測的時間間隔。此時間間隔采用10M填充脈沖進行填充,得到的計數(shù)值對應(yīng)上面公式(2)中的n1;GPS信號的上升沿作為延時鏈的輸入信號,而它與10M信號同步后的信號,作為延時鏈的鎖存信號,由此可得到延時狀態(tài),也就得到了對應(yīng)上面公式(2)的n2,而t2的值我們事先知道。這樣,我們就完成了對時間間隔T的測量。時間間隔的測量過程是由單片機來控制的。此時間間隔測量的分辨力可達到4.3ns。這樣,理論上,達到1·10-11的比對精度,只要400多秒的時間,這是指對原子鐘的比對和鎖定準確度;如果把高穩(wěn)定度晶體振蕩器鎖定和比對在1·10-11的比對精度,只要40多秒的時間就足夠了。在此基礎(chǔ)上我們作了部分實驗以檢驗測量效果,數(shù)據(jù)如表1。2.3基于卡爾曼濾波的時間間隔濾波GPS接收機產(chǎn)生的秒信號包含有幾種誤差因素:衛(wèi)星時鐘誤差;星歷誤差;電離層的附加延時誤差;對流層的附加延時誤差;多路徑誤差;和接收機本身的誤差。這些誤差大都屬于隨機誤差,都會對秒信號的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。Kalman濾波是解決最佳線性過濾和估計的問題,并且以最小均方誤差為準則的,它用前一個估計值和最近一個觀測數(shù)據(jù)來估計,用狀態(tài)方程和遞推方法進行估計,適用于實時處理。因此,采用了Kalman濾波算法對所測定時間間隔進行濾波處理。Kalman濾波算法應(yīng)用在此處,連續(xù)兩個測量數(shù)據(jù)的時間間隔為1s,狀態(tài)向量Xk表示的是第k時刻的時間間隔真值,即第k秒的時間間隔值,而且Xk是一個一維向量。觀測向量Yk也是一維向量,觀測向量Yk是我們測量得到的含噪聲的時間間隔數(shù)據(jù)序列,即真實的時差值+觀測噪聲。這樣,動態(tài)系統(tǒng)維數(shù)、觀測系統(tǒng)維數(shù)均為1。相應(yīng)的各個矩陣維數(shù)降為一維,將會大大簡化計算復(fù)雜程度,也為我們用單片機實現(xiàn)對時間間隔值的卡爾曼濾波算法提供了可能性。經(jīng)推導,可得到如下的濾波的遞推公式及算法過程。動態(tài)系統(tǒng)由此差分方程描述:Xk=Φk,k-1Xk-1+Wk-1k=1,2...。觀測系統(tǒng)由此差分方程組描述:Yk=HkXk+Vkk=1,2...。式中:Φk,k-1稱為系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,它反映了系統(tǒng)從第k-1個取樣時刻的狀態(tài)到第k個取樣時刻的狀態(tài)的變換;Wk為高斯白噪聲序列,具有已知的零均值和協(xié)方差陣Qk;Hk為狀態(tài)量Xk到觀測量Yk的轉(zhuǎn)換;Vk是觀測噪聲為高斯白噪聲序列,具有已知的零均值和協(xié)方差陣Rk。實際應(yīng)用中,狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φk,k-1=,觀測矩陣Hk=;模型噪聲協(xié)方差矩陣Q和觀測噪聲協(xié)方差矩陣R的估計,一般采用經(jīng)驗估計。實踐表明,觀測噪聲協(xié)方差矩陣R必須為,否則會引起濾波結(jié)果中的相位差數(shù)據(jù)整體變大或變小。對模型噪聲協(xié)方差陣Q,我們進行嘗試取值,其依據(jù)是所測結(jié)果的頻穩(wěn)特性最優(yōu)。為了卡爾曼濾波的迭代遞推,我們需對時間間隔值首先作初步的估計,比如對一系列觀察數(shù)據(jù)進行簡單的平均計算得到的平均值X?X?0,用這個值對濾波器進行初始化,會使濾波器的收斂速度加快。此時,估計誤差的協(xié)方差矩陣初值取為C0=E[(X0?X?0)(X0?X?0)T]=var(X0)C0=E[(X0-X?0)(X0-X?0)Τ]=var(X0)在數(shù)據(jù)處理的過程中,濾波過程如圖5所示,我們給定初始值C0,循環(huán)執(zhí)行第1步～第4步,X?X?k即處理后的時間間隔值。3s界面軟件設(shè)計本系統(tǒng)是由INTEL80C196KC單片機作為主控制器的軟、硬結(jié)合的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括:GPS接收機、整形放大器、時間間隔測量器、主控電路、壓控電路、信號輸出、顯示器和電源。軟件部分采用INTEL8096匯編語言編寫,包括:主程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、輸出控制電壓子程序、浮點基本運算子程序和顯示子程序。系統(tǒng)開機自動進入主程序,子程序采用中斷方式。數(shù)據(jù)采用了在IEEE單精度標準上擴展了字節(jié)的5字節(jié)浮點數(shù),為保證運算過程中不損失精度,參與運算的數(shù)據(jù)和運算結(jié)果,都需轉(zhuǎn)化為規(guī)格化浮點數(shù)。4模擬實驗測試結(jié)果本系統(tǒng)振蕩器輸出的標稱頻率值是10MHz,在正確接收GPS信號的情況下,可以在較短時間內(nèi)把機內(nèi)頻標校正到高的頻率準確度。為了對上述測控系統(tǒng)的本身引入誤差進行判斷,我們在模擬實驗情況下進行了反復(fù)測試,這時的1pps信號是從本地頻標分頻得到的,此時被鎖振蕩器準確度達到1·10-9的時間不長于30s;準確度優(yōu)于1·10-10的時間不長于5min;準確度達到1·10-11的時間不長于45min。所用的壓控高穩(wěn)定度晶體振蕩器的日老化率優(yōu)于5·10-10/d,秒級穩(wěn)定度優(yōu)于5·10-12/s。在