（测试计量技术及仪器专业论文）基于gps信号锁定二级频标技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文研究了一种基于g p s 信号锁定二级频标的技术，该技术以g p s 秒脉冲 ( 1 p p s ) 信号为基准来校准本地二级频标，将g p s 信号的长期稳定度和准确度与 二级频标的短期稳定度相结合，得到性能优良且廉价的频率源。 在该技术中，设计采用时间一幅度转换法和直接计数法相结合的高精度时间 间隔测量方法，对g p s 的1 p p s 信号与本地二级频标信号的相位差进行测量，测 量分辨率达到1 2 0 p s ，测量范围达到秒级，有效地消除了士1 个字计数误差的影响。 同时采用了k a l m a n 滤波算法对时间间隔测量数据进行处理，对1 p p s 信号抖动引 入的误差进行消除，将误差减d 、n + 2 n s 。通过产生占空比可控的p w m 波信号并 结合外围积分电路的方法实现了高精度的d a 转换，完成了对本地二级频标的频 率校准。 本文完成了锁定系统样机的设计实现，阐述了系统硬件电路和软件的设计， 并对系统的性能进行了测试验证，分析了系统的误差来源，给出了误差修正的方 法。经此技术校准的晶体振荡器秒级稳定度优于l x l 0 。1 1 s ，频率准确度优于 5 1 0 。1 1 ，频率漂移约为3 5 1 0 3 日。 关键词：频率校准 g p s 二级频标时间间隔测量k a l m a n 滤波 a b s t r a c t a b s t r a c t a s t u d yo nt e c h n o l o g yo fl o c ks e c o n d c l a s sf r e q u e n c ys t a n d a r d sb a s e do ng p s s i g n a l si sg i v e ni n t h i sp a p e r f r e q u e n c ys t a n d a r d ss u c ha sc r y s t a lo s c i l l a t o ra n d r u b i d i u ma t o m i cc l o c ka r ec a l i b r a t e d b yg p sp u l s e s - p e r - s e c o n ds i g n a l i nt h i s t e c h n o l o g y , w h i c hc a l lc o m b i n es h o r t - t e r ms t a b i l i t yo ff r e q u e n c ys t a n d a r d sw i t hg p s t i m i n gs i g n a l sl o n g t e r ms t a b i l i t ya n da c c u r a c y t h u sf r e q u e n c ys o u r c e 谢t hh i 曲 a c c u r a c ya n dl o w c o s tc a nb eo b t a i n e d am e t h o do fh i g hp r e c i s i o nt om e a s u r et i m ei n t e r v a li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sm e t h o dc o m b i n e st i m e - a m p l i t u d ec o n v e r t e rw i t hd i r e c tc o u n t i n gm e t h o dt o m e a s u r et h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e n1p p sa n dl o c a lf r e q u e n c ys t a n d a r d ss i g n a l t h e r e s o l u t i o no ft h em e t h o di s12 0 p sa n di t sm e a s u r e m e n tr a n g ei su pt os e c o n d c l a s s ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ee f f e c to f 士le r r o r i no r d e rt or e d u c et h ee f f e c to f 1p p s j i a e r k a l m a nf i l t e ra l g o r i t h mi su s e dt op r o c e s st i m e i n t e r v a lm e a s u r e m e n td a t a t h ea l g o r i t h mc a nr e d u c et h ee r r o ri n t r o d u c e db y1p p sj i t t e rt o 士2 n s i ns t u d yo ft h e v o l t a g e - c o n t r o l l e dp r o p e r t i e so fl o c a lf r e q u e n c ys t a n d a r d ，p w ms i g n a lo fc o n t r o l l a b l e d u t yc y c l ei sg e n e r a t e dt or e a l i z eh i g h p r e c i s i o nd ac o n v e r t e rc o m b i n e dw i t hi n t e g r a l c i r c u i t t h u sf r e q u e n c yo fl o c ks e c o n d - c l a s sf r e q u e n c ys t a n d a r di sc a l i b r a t e d t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e st h ed e s i g na n da c h i e v e m e n to ft h ep t o t o t y p eo fl o c k i n g s y s t e m s y s t e ms t r u c t u r e ，t h ed e s i g no fs y s t e mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s y s t e m p e r f o r m a n c et e s t ，e r r o ra n a l y s i sa n dc o r r e c t i o nm e t h o d sa r eg i v e ni nt h i sp a p e r o fa c r y s t a lo s c i l l a t o rc a l i b r a t e db yt h i sw a y , b e t t e rt h a n1 10 。11 ss e c o n d - c l a s s 仔e q u e n c y s t a b i l i t y , 5x10 一f r e q u e n c ya c c u r a c y a n d3 5 10 1 3 d a y f r e q u e n c y d r i f ta r e e x p e c t e d k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc a l i b r a t i o n g p ss e c o n d c l a s sf r e q u e n c ys t a n d a r d t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tk a l m a nf i l t e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：翅查丛： 日期：丝鲣幽纽 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后使用本授权书。 本人签名：堑盥 导师签名：髀 日期：丝缝绳2 墅 日期：彩矽歹、i ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 时间的基本概念及时间基准的发展 时间是三大基本物理量( 长度、质量和时间) 之一，频率是和时间密切相关 的物理量，他们是描述周期性运动现象的两个不同的侧面，在数学上互为倒数关 系，所以时间和频率往往共用一个基准。在所有的物理量中，时间和频率量具有 最高的精度和稳定度，己远远超过了其他所有物理量的测量精度【i 】。因此对其标 准的建立和准确测量就具有十分显著的意义和影响。 在现实生活中，人们用时间标准来表征和计量时间。时间标准必须具有两个 条件 2 1 ：一是稳定性，即时间标准的运动周期要稳定；二是复现性，即时间标准 的周期运动在任何地方和任何时候都能重复观察或实验。许多世纪以来，人类是 通过天文观测和计算的方法获得准确的时间标准。随着科学技术等生产力的发展 和进步，人类对时间准确度的要求越来越来高，时间标准先后经历了世界时、历 书时和原子时1 2 。 世界时是以地球自转为基础建立起来的，在十九世纪二十年代，法国的一些 学者出于对地球自转均匀性的信赖，将地球自转周期的1 8 64 0 0 定义为时间的单 位。然而，由于地球的自转是不均匀的，在不同的年代得到的世界时秒长并不一 致，因此世界时作为计时标准其准确度只能达到1 0 罐左右。历书时是以地球公转 为基础建立起来的，在1 9 6 0 年的第1 1 届国际计量大会上决定采纳历书时秒定义， 其精度比世界时略有提高，但是观测比较困难，而且需要成年累月地进行，利用 对太阳和月亮综合观测三年的资料才能得到1 0 母的精度。原子时是以原子能级的 跃迁为基础建立起来的。随着量子理论和电子学的发展，人们认识到，原子和分 子只能处于一定的量子能级。当它从一个能级跃迁到另一个能级时，将辐射或吸 收一定频率的电磁波，而这种电磁波的频率稳定性相当高，远远超过世界时和历 书时所依据的天文标准。原子时的准确度直接依赖于原子频标的准确度和稳定度， 而原子频标的准确度和稳定度在2 0 世纪5 0 年代得到了极大的发展，而且几乎是 每五年就提高一个数量级【3 】。现在最好的原子频标的准确度和稳定度可以达到 1 0 。1 ，以此建立起来的国际原子时也可以达到相同的数量级。同时，各国的光频 标研究工作亦在开展，其目标是准确度和稳定度均优于微波量子频率标准的“光子 钟”。 1 2g p s 卫星定位系统简介 1 9 7 3 年1 2 月，美国国防部批准陆海空三军联合研制新的卫星导航系统 2 基于g p s 信号锁定二级频标技术的研究与实现 n a v s t a r g p s ，是英文 n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ”的缩写词，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称g p s 。g p s 是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统，可连续、实时地为无限多用户提 供服务。由于g p s 定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而己成 为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统。 这个系统向全球范围用户提供高精度的三维位置、三维速度和精密时间信息，并 且还广播一种形式的协调世界时t c ) h j 。 图i 1g p s 卫星全球定位系统组成示意图 全球定位系统( g p s ) 由3 个部分组成：卫星星座，地面控制监视网络和用 户接收设备，也称其为空间部分、地面支撑系统、用户设备部分，其系统组成示 意图如图1 1 所示。 ( 1 ) 空间部分g p s 工作卫星 g p s 系统的空间部分由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星星座组成，记作 ( 2 1 + 3 ) g p s 星座。每颗卫星都装有铯钟、铷钟或氢钟，由它们提供与地面主控 站保持时间同步的星上时间和高精确度的发射频率。运行控制部门周而复始地每 天至少一次对卫星监测和加注，以便卫星钟与g p s 主钟之间保持精确同步1 4 。 在g p s 系统中，g p s 卫星的功能为：( 1 ) 接收和储存来自地面监控站的导航 信息，接收并执行监控站的控制指令。( 2 ) 通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精 密的时间标准。( 3 ) 卫星上设有微处理机，进行必要的数据处理工作。( 4 ) 向用 户发送导航和定位信息。( 5 ) 在地面监控站的指令控制下，通过推进器调整卫星 姿态和启动备用卫星【4 j 。 ( 2 ) 地面监控系统 g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 主控站位于科罗拉多州的联合空间执行中心，三个注入站分别设在大西洋的阿松 森岛、印度洋的狄哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰，五个监控站设在主控站、三个 第一章绪论3 注入站和夏威夷岛。图1 2 为g p s 时间系统示意图。 图1 2g p s 时间系统不意图 主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每个卫星 的星历和g p s 时间系统，将预测的卫星星历、钟差以及状态数据编制成导航电文 传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫 星取代失效的工作卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给 卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。 三个注入站的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每 天注入三次，每次注入1 4 天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每 分钟报告一次自己的工作状态。 五个监测站的主要任务是对每个卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。 每个监控站配有g p s 接收机，对每个卫星进行常年连续不断的测量，每6 秒进行 一次伪距测量和多普勒观测、采集气象要素等数据。监测站是一个无人值守的数 据采集中心，受主控站的控制，定时将观测的数据传送到主控站。五个监控站分 布在全球范围，保证了g p s 精密定轨的要求。 ( 3 ) 用户设备部分一p s 信号接收机 g p s 信号接收机的任务是，能够捕获到一定卫星高度截止角所选择的待测卫 星信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理， 以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解释出g p s 卫星所发送 的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成了完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。根据g p s 用户 的要求不同，所需的g p s 设备不同。随着g p s 定位技术的迅速发展和应用领域 的同益壮大，许多国家都在研制开发适应不同要求的g p s 接收机和数据处理软 4 基于g p s 信号锁定二级频标技术的研究与实现 件。 g p s 为时间和位置提供前所未有的精度。时间和时间间隔的准确测量是g p s 系统的核心。整个系统是基于卫星上原子频标的准确时间的，这些卫星是由美国 海军天文台( u s n o ) 监控的。u s n o 的主控钟是所有系统时钟的时间和频率标 准，这个时钟系统在时间准确度上至少高一等级。g p s 卫星上装备高准确度的便 携的原子钟，它们用来使海军基地及国防部门的时间与主控时钟同步。目前g p s 信号的频率稳定度达到l o 。5 d ，它能使测定卫星的轨道精度优于l m l 5 j 。因此，使 用锁定于卫星的g p s 接收机可为用户提供非常准确，廉价的，可追踪的时间。 g p s 是一个基于卫星的无线电导航系统，只要装备g p s 接收机的用户，便能 全天候，实时地接收g p s 空间卫星发播的信号，从而获得精确的导航定位信息和 精确的时间信息。时间信息包含年，月，日，时，分以及1 p p s 信号，其中获得 的1 p p s 信号的时刻准确度可达5 0 n s l l a s 。因此，g p s 系统不仅是一个全天候 的导航定位系统，而且是一个高准确度的定时系统，可连续、实时的为多用户提 供高精度精密时间信息；利用g p s 信息中的标准时间和定时信号，能实现标准时 间尺度的建立和高准确度的时间( 频率) 统一和同步以及高准确度时间频率比对。 1 3g p s 信号锁定二级频标技术的研究意义及发展现状 目前常用的频率标准有一级频率标准( 包括氢原子频率标准和铯原子频率标 准等) ，以及二级频率标准( 包括高稳定度晶体振荡器和铷原子频率标准等) 。表 1 1 列出了常用频率标准的频率准确度。 表1 1 常用频率标准的准确度 频率标准类型频率准确度 石英普通型 1 0 。5 晶体 温度补偿型 1 0 - e _ 1 0 。8 频率 单层恒温型 1 0 7 1 0 。9 标准 双层恒温型 1 0 - s 1 0 。l o 原子铷原子( s 7 r b ) 频率标准 1 0 - 1 0 1 0 1 1 频率氢原子( 1 h ) 频率标准 1 0 。1 2 标准 商品型铯原子( 1 3 3c s ) 频率标准1 0 - 1 2 1 0 。1 3 实验室型铯原子( 1 3 3c s ) 频率标准 1 0 - 1 4 1 0 。1 5 在各种高精度的频率标准中，氢钟、铯钟等一级频标的长期和短期稳定度都 很好，但价格非常昂贵，而且对使用环境要求很高，因此通常用于国家守时实验 室，其应用范围非常有限【6 】。铷钟和高稳定度晶体振荡器等二级频标虽然频率稳 定度不如一级频标，但由于价格低廉，体积较小，应用范围非常广泛。它们被广 第一章绪论 泛用于通信、计量、应用电子技术、电子仪器、航空航天、雷达和国防军工等各 个领域，作为关键器件发挥着重要的作用。近年来由于通信业和军工方面的发展 和需求，我国精密晶体和原子频率标准的需求也有了明显的增长。 利用g p s 信号锁定二级频标的技术有着广泛的应用领域与广阔的应用前景， 将对守时、星载原子钟等技术领域产生深远的影响。众所周知，晶体振荡器由于 受晶体老化和温度等因素的影响，其输出频率有较大的漂移率，并且其重现性也 较差。而铷原子频标的重现性是原子频标中最差的，具有明显的漂移特性，典型 的频漂特性约为5 1 0 1 月。所以这类频率标准需要每隔一两个月，送到具有高 一级频率计量能力的计量站，对其频率进行校准1 7 j 。这样非常耗费人力、物力， 有时由于时间和位置的限制甚至是不可能送检校准的。而g p s 卫星通常携有铯原 子钟或者铷原子钟，同时地面监测站和主控站不断地对它们给出修正信息。因此 g p s 系统能够提供廉价的可远距离传输的高精度标准时间信号，具有高准确度， 长期稳定度较好的特点。 利用g p s 系统远程传输的时间频率信号( 如1 p p s 信号) 来锁定二级频标，能 输出高精度的频率信号，其短期稳定度能保持本地二级频标的水平，并能在本地 被控二级频标上有效地复现接收的标准时间频率信号的长期稳定度和准确度。二 级频标的锁定技术可以用于地面守时系统，经过一级频标的锁定校准后，能在很 长时间内通过驯服技术保持很高的稳定度和准确度。美国的a t & t 的通信网同步 所用的就是g p s 可驯铷钟系统。而另一个方面这种技术又可应用于卫星上的二级 频率源。我国正在建设的二代导航系统，目前卫星上使用的是铷原子频标，通过 地面监测和注入站对卫星的基准时间信号进行校准，这样做极大地保证了卫星定 位的精度8 1 。 经过g p s 锁定的二级频标具有高准确度、高稳定度、低漂移的特点，能够解 决二级频标老化准确度下降和长期稳定性能差的问题，输出高精度的频率基准和 时间同步信号，但价格却远远低于氢钟、铯钟等原子钟，易于推广应用，对广大 相关用户的精度保障具有显著的作用。所以这方面的研究工作具有广泛的影响， 是值得大力发展的。此研究领域，在国外，加拿大的北方电信就此技术已经初步 进行了研究，美国的s p e c i a lt i m e 等公司已经实现了卫星信号锁定二级频标的技 术，并且将晶体振荡器分频得到的秒信号和g p s 输出的1 p p s 信号同步起来，同 步精度达到了1 5 n s 。通过卫星信号锁定二级频标的技术在国外已经产品化，我国 现在和西方发达国家相比在这项技术上还有较大的差距，目前国内基本都还处于 起步阶段，已经有包括西安电子科技大学和中国电子科技集团公司第十研究所等 单位在从事这方面的研究和开发工作，其中西安电子科技大学在五年前用纯硬件 的方法实现了对晶体振荡器老化影响的驯服保持补偿。 6 基于g p s 信号锁定二级频标技术的研究与实现 1 4 本论文的主要工作和内容安排 1 4 1 本论文的主要工作 本文以应用为导向，研究了通过g p s 信号锁定二级频标的技术和方法，并采 用数字锁相环的原理设计实现了基于g p s 信号锁定二级频标的系统。本系统具有 精度高，结构简单，成本相对低廉也易于实现等优点。具体来说，本课题所做的 工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过研究了g p s 系统的工作原理及其信号的特点，根据易于构建、成本 低廉及安全可靠的应用设计原则，提出了利用g p s 信号锁定二级频标系统的设计 方案，构建并划分了该锁定系统的各功能模块，并对这些功能模块实现的硬件方 案进行了比较与选择，从总体上设计了系统软件。 ( 2 ) 在g p s 接收机接收到1 p p s 信号的情况下，本文设计了基于时间一幅度 转换法和直接计数法相结合的高精度时间间隔测量方法，对输入的1 p p s 信号与 本地二级频标分频得到的秒信号之间不同步部分的时问间隔进行测量，有效的消 除了士1 个字计数误差的影响。在此方法基础上，设计了高精度的时间间隔测量模 块，测量分辨率达到1 2 0 p s ，测量范围达到秒级。 ( 3 ) 由于接收到的1 p p s 信号存在+ 5 0 n s 的抖动，影响系统的锁定精度和锁定 后晶体振荡器输出频率的稳定性，本文采用了k a l m a n 滤波的方法对1 p p s 信号的 抖动进行消除，k a l m a n 滤波可以对g p s 信号与本地晶振的时差数据在大噪声中 进行平滑，对g p s 接收机获得的授时信号作出最佳估计。滤波算法可将抖动减小 至l j + 2 n s ，大大降低了1 p p s 信号抖动的影响，提高了锁定后晶体振荡器输出频率 的稳定性。 ( 4 ) 在研究本地二级频标压控特性的基础上，设计了通过产生占空比可控的 p w m 波并结合外围积分电路的方法实现了高精度的d a 转换，得到了对二级频 标进行校准的控制电压，完成了对本地二级频标的频率校准。 ( 5 ) 根据本文所研究的基于g p s 信号锁定二级频标的技术，搭建了一种基于 可编程逻辑器件f p g a 与m s p 4 3 0 单片微处理器的锁定系统，完成了锁定系统样 机的设计实现，阐述了系统硬件电路和软件的设计，并对系统的性能进行了测试 验证，分析了系统的误差来源，给出了误差修正的方法。 1 4 2 内容安排 本文共分五章。本章是第一章，首先介绍了时间的基本概念及时间基准的发 展，然后对g p s 卫星定位系统做了简要的介绍，接着探讨了g p s 信号锁定二级 频标技术的研究意义及国内外发展现状，最后介绍了本论文所做的工作以及本文 第一章绪论 7 的章节安排。 第二章主要介绍了基于g p s 信号锁定二级频标系统的总体设计。首先提出了 该锁定系统的技术指标，然后构思了利用g p s 信号实现锁定二级频标系统的总体 方案并阐述了系统的工作原理，最后介绍了硬件的选择以及软件的总体实现。 第三章为基于g p s 信号锁定二级频标系统的详细研究设计。重点阐述了包括 时间间隔测量、1 p p s 信号抖动的处理和频率校准等系统主要功能模块的技术方 法、硬件电路设计及软件实现流程。 第四章为系统测试验证及其误差分析，主要叙述了对g p s 信号锁定二级频标 系统的测试，给出了测试结果，根据测试结果分析了系统的性能，研究了系统的 误差来源，并给出了误差修正的方法。 第五章主要为总结与展望。主要内容包括：总结了本文的主要工作，并对需 要改进的地方提出了改进意见，展望了今后的工作。 1 5 小结 本章主要介绍了时间的基本概念及时间基准的发展，并对g p s 卫星定位系统 做了简要介绍，探讨了g p s 信号锁定二级频标技术的研究意义及国内外发展现 状，然后对本论文所做的工作以及本文的章节安排进行了全面的介绍。 第二章g p s 信号锁定二级频标系统的总体设计 9 第二章g p s 信号锁定二级频标系统的总体设计 在理解和掌握时间频率有关基本概念，g p s 卫星定位系统基本原理的基础上， 根据实际需要，本文提出了基于g p s 信号锁定二级频率标准系统的整体设计方案 并且进行了初步论证。下面，将根据该系统的指标参数，对系统的整体设计方案， 工作原理，硬件的选择以及软件的总体实现等要点加以说明。 2 1 频率标准的技术指标 在介绍系统的整体方案以前，先对表示二级频标频率性质的技术指标进行说 明。常用的描述频率的技术指标有以下三种。 ( 1 ) 频率准确度 频率准确度是指二级频标频率的实际值与标称值的相对误差。如果二级频标 的实际频率为六，其标称频率为，则频率准确度的定义为： 铲孚 ， 值得指出的是，在实际测量中，由于用于比对的标准频率振荡器( 频标) 的频 率只是接近但不可能严格地等于二级频标的标称频率，所测得的仅是实际频率与 标准频率的偏差a u = 六一，( 工为标准频率) ，而非实际频率与标称频率的偏差 六一厂。当所采用的频标的等级( 精度) 较高时，f 和厂极为相近，故可以近似地 认为： 铲孚 协2 ， 频率准确度是二级频标的一个重要指标。严格地说，由于二级频标长期工作 时存在系统性频率漂移，故在不同时期其准确度也不同。因此，完整的准确度说 明除了应包括大小和正负，还应包括测量的时刻。这样，一方面可以说明被测频 率与标准频率偏离的情况；另一方面，当二级频标连续工作时，从不同时间测出 的准确度可以获得二级频标的系统漂移特性，而漂移特性是反映频率长期稳定性 的特征量【1 1 。 ( 2 ) 频率稳定度 频率稳定度是指在一定时间间隔内，二级频标频率准确度的变化。它也是二 级频标性能的最重要指标之一，表征二级频标维持其输出频率恒定的能力。 由于有些信号源中存在调频闪变噪声和调频随机游动噪声，使得频率的不稳 定性不像一般的随机误差那样遵守高斯分布。它的统计平均值随着时间变化，随 1 0 基于g p s 信号锁定二级频标技术的研究与实现 着计量次数的增加，它的随机误差总和不是越来越小，趋近于零，而是越来越发 散。因此不能用经典的统计方法即用标准偏差来表征频率稳定度。在时频测量领 域，频率稳定度目前普遍采用阿伦方差来表征，这种表示方式克服了上述不收敛 的问题。 一台稳定的标准频率源的瞬时输出电压u ( t ) 可以表示为 u ( ，) = 【u o + e ( t ) s i n 2 a f o ，+ 妒o ) 】 ( 2 - 3 ) 式中，砜为标称振幅；e ( t ) 为振幅起伏，般s ( ，) 砜，故可以忽略；厶为标 称频率；妒( ，) 为相位起伏，通常驴( ，) 2 a f o t 。 通常使用y ( ，) 来表示对于标称频率五的瞬时相对频率起伏： 胁器 泣4 ) 在时域，用计数器进行实际测量时，得不到y ( t ) ，只能得到它在一段时间f 内 的平均值y ，即平均相对频率起伏： i ：t p ( t + r ) - 9 ( 0( 2 5 ) 。 2 7 吮f 阿伦方差的定义为 咖，： 协6 ， 式中符号 表示无穷取样的统计平均，y 和少。为相邻两次测量得到的平均相对 频率起伏。 对于m 个取样，阿伦方差的估计值为 仃= 面1 缶m 【少川一对 ( 2 - 7 ) 其平方根为 仃，o ) = 1 m - ) 2 ( 2 - 8 ) 要使上述估计值逼近真值，m 要足够大。而计算阿伦方差时所用的取样时间 f 常常是规范的i m s ，1 0 m s ，l o o m s ，l s ，1 0 s 等【，相对应的测量组数是m = 1 0 0 ， 1 0 0 ，1 0 0 ，1 0 0 ，3 0 等。 ( 3 ) 频率漂移率 单位时间内平均频率的相对漂移量称为漂移率，在晶体振荡器中一般称为老 化率，而在原子频标中一般称为漂移率。晶体振荡器的老化是指振荡器在连续运 行过程中，频率值随时问的单方向漂移。振荡器经过足够长时间的预热以后，在 第二章g p s 信号锁定二级频标系统的总体设计 l l 不太长的时间内，这种频率漂移大多司近似为时i 剐的线性函数。 最常用的频率老化率指标是日老化率，即以1 日为单位时间测得的频率老化 率。每天测量两次，测量h 天的日老化率k 删用式( 2 9 ) 计算： 2 ( z 一万) ( ，一万) k 删= l 可一 ( 2 9 ) 厶( f ，一种 式中，为第f 次测量的频率值，i 取1 ，2 ，3 ，n ； 7 ，= 万1 善nz ，为n 次测量的平均频率值； 厶为频率源的标称频率； f ，2 专善，为n 个测量时序的平均值； t ；为测量时序，f 取l ，2 ，3 ，n 。 原子频标的日漂移率远远小于晶体振荡器，因此一般按月漂移率给出。由于 漂移率呈线性规律，因此月漂移率可以用同漂移率来推算，也就是 k m = 3 0 k d ( 2 1 0 ) 又由于从更长的时间刻度来观察高稳定度晶体振荡器的老化率，呈现了随着 加热时间的延续越来越小的特点，因此国外在考察高稳定度晶体振荡器的年老化 率时，常常是在日老化率的基础上乘以系数1 0 0 1 1 。 2 2 系统的整体设计方案 根据二级频标的技术指标，制订了基于g p s 信号锁定二级频标系统的研制目 标，其研制目标为该系统在4 0 + 7 0 的工作温度范围内，能够在较短的时间 内锁定本地被控二级频标，在本系统中二级频标选用高稳定度晶体振荡器。锁定 后被控晶体振荡器能输出高精度的频率信号，其短期稳定度能保持本地振荡器的 水平，优于l 1 0 卅1 s ，并能在本地被控振荡器上有效地复现接收的标准时间频率 信号的长期稳定度和准确度，锁定状态下频率准确度优于5 1 0 叫1 ，日漂移率达到 1 0 叫3 量级。 根据系统的研制目标及易于构建、成本低廉、安全可靠的应用设计原则，提 出了系统的整体设计方案。采用了数字锁相环的原理，整个系统由高稳定度晶体 振荡器、g p s 接收机、时间问隔测量模块、频率校准模块、分频模块和微处理器 1 2基于g p s 信号锁定二级频标技术的研究与实现 模块等部分构成，在控制软件( 包括f p g a 、单片机两部分) 的控制下协调工作。 其组成框图参见图2 1 。 g p s 接收机 1 h z 叫时间间隔测最i测量结果i 蝴h k 坷b g 士昔轴1f 辐勘坊噼措曲 厂叫 模块 7 i 吼”8 ”1 犬叭l7 i ”“ 【 分频模块 原始频率 高稳定度晶体 振荡器 控制电压 图2 1 基于g p s 信号锁定二级频标系统原理框图 系统的基本工作原理为，利用g p s 接收机，收到并产生准确的1 p p s 信号。 在此基础上，利用时间间隔测量模块，对1 p p s 信号输入与本地被控晶体振荡器 分频得到的秒信号不同步部分的时间间隔进行测量，而后在微处理器模块中用 k a l m a n 滤波算法对测量值进行滤波，消除1 p p s 信号的抖动，取相隔采样周期f 的 两个滤波值a t , 和乃，利用滤波值的差得到相位差丁= 乃一a t , ，结合采样时 间f ，按照相位差的变化速率，用式( 2 11 ) 计算相对频差， 笪：坚 ( 2 1 1 ) 一= 一 z 一_ _ ， 厶 f 在式( 2 1 1 ) 中，厶为被校准晶体振荡器的标称频率，为晶体振荡器的测 量频率与标称频率的差值。 在计算出相对频差后，结合本地晶体振荡器的压控灵敏度系数k 综合考虑， 计算出对本地被校晶体振荡器控制电压的数字量，进而通过高精度的d a 转换得 出对本地晶体振荡器的控制修正电压，达到控制晶体振荡器输出频率的目的。经 过多个测量和控制反复，最终实现了把本地晶体振荡器的准确度锁定在g p s 卫星 星载钟的准确度和稳定度上。 2 3 硬件方案的选择 2 3 1 二级频标和g p s 接收机的选型 在本设计中，考虑到成本，选用西安华伟公司生产的恒温晶体振荡器作为本 地二级频标，其输出频率为1 0 m h z ，频率调整范围为1 0 m h z a ：1 5 h z ，控制电压 为0 5 v ，秒级频率稳定度优于1 1 0 。1 1 秒，日老化率为优于5 1 0 一o 天。 第二章g p s 信号锁定二级频标系统的总体设计 1 3 g p s 接收机选用t r i m b l e 公司的l a s s e ni qg p s 接收机，该接收机工作电 压为3 0 v 3 3 v ，操作温度为- 4 0 - - - + 8 5 ，工作电流8 5 m a 。该g p s 接收机可以 在任何动态条件下实时的提供完整的位置、速度和时间信息，并能在静态模式下， 提供准确的定时信号，即1 p p s 信号。用户可以设置接收机为静态和动态两种模 式。该g p s 接收机还包含一个有源微带磁吸天线。该有源天线一般架设在户外， 如果在室内或有屏蔽的地方可能造成信号不易接收，而方向选择垂直向上效果最 佳。在本系统中，只利用接收机输出的1 p p s 信号。在给接收机供电约5 8 分 钟之后，接收机开始输出正常的l p p s 信号，该1 p p s 信号的宽度约有l m s ， 其输出的1 p p s 信号存在+ 5 0 n s 的时钟抖动，其长期频率稳定性与星载原子钟一致， 所以频率稳定度很高。 2 3 2 可编程逻辑器件和单片机的选型 要实现高精度的g p s 信号锁定二级频标的系统，精确时间间隔测量和 二级频标的精确校正是整个系统的关键所在。因此将该系统中除了本地二级 频标和g p s 接收机以外的其他模块，如时间间隔测量和频率校正等模块采用 目前比较流行的“f p g a c p l d + 单片机体系结构”作为基本构架构成的单片电 路板上加以实现。 在“f p g a c p l d + 单片机体系结构”下，通过f p g a c p l d 和单片机配合工 作具有很多好处。首先，单片机具有很强的时序控制能力、设计简单快捷，但是 端口数目有限、系统硬件连线复杂、可靠性不够。而相对于单片机来说， f p g a c p l d 具备真正并行执行的机制，能够大大提高系统的效率，易于实现逻 辑功能，可靠性高，但f p g a c p l d 自身不具备寄存器、时序控制能力不强。由 此可见，单片机和f p g a c p l d 有很强的互补性，将两者相结合的设计能够有效 克服单纯以单片机或是f p g a c p l d 为控制核心的系统的缺点，把两者的长处最 大程度的发挥出来了。f p g a 和m s p 4 3 0 单片机相互配合、协调工作是该系统得 以顺利完成的关键。 ( 1 ) 可编程逻辑器件的选型 基于系统高集成度的原则，为了减小系统的面积和体积，要求系统的设计应 该尽量少的使用各种分立元器件，最理想的办法是能让这些元器件都集中到一种 芯片里面去，而可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 的发展正好为系统的设计提供 了方便。通过与传统方案比较，采用可编程逻辑器件方案的优点体现在【7 】【9 1 1 1 0 】： ( i ) 通用性：可编程逻辑器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和实现 功能进行重构，它采用先进的j t a g i s p 在线系统配置编程模式，可对可编程逻 辑器件进行全部或部分地在线系统编程配置，这给调试和系统升级带来了方便。 1 4 基于g p s 信号锁定二级频标技术的研究与实现 而由模拟器件实现逻辑功能，一旦电路板做好，其功能就基本确定，如果要更改 或调整就只好从硬件入手，这样就增加了设计和维护的周期，而且成本也显著提 高。 ( i i ) 可靠性：可编程逻辑器件几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而 大大缩小了体积，易于实现电磁屏蔽，故它的可靠性极高。而用传统模拟器件实 现强大功能所需器件数量多、体积大、走线复杂，由此带来的故障隐患大、可靠 性低，故障诊断也困难。 ( i i i ) 可移植性：由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程 几乎与所用的可编程逻辑器件的硬件结构没有关系，所以设计的各类逻辑功能模 块都有很好的兼容性和可移植性，几乎可用于任何型号的可编程逻辑器件中，而 传统的模拟器件不具有可移植性。 ( i v ) 开发周期：由于开发可编程逻辑器件的e d a 软件功能完善而强大，仿 真方式便捷而实时，开发过程形象而直观，兼之硬件因素涉及很少，因此可以在 很短时间内完成十分复杂的系统设计。而采用传统的模拟器件，从确定器件、设 计原理图、局部试验、画印制板图到制板、调试就至少要花几周时间，再加上修 改电路功能，重新布板，做板，调试成功所花的时间可能长达数月之久。因此采 用可编程逻辑器件可大大缩短开发周期。 综上所述，可编程逻辑器件具有能够代替普通的数字逻辑电路、取代传统7 4 系列的逻辑器件、可重新配置、适用于高速信号的处理以及集成度高等优点，可 以缩短开发周期，节省开发成本，适用于本系统的设计。因此在本系统中，采用 可编程逻辑器件来实现数字逻辑电路的大部分功能。具体到器件上，基于成本和 系统要求的考虑，选择了a l t e r a 公司的f p g a 中c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 5 t 1 4 4 c 6 芯片，这种芯片价格低廉，具有1 0 0 多个i o 接口，逻辑资源丰富，可与单片机 及外围模块进行数据传递，满足此系统设计的需求，所以选择该f p g a 芯片作为 此系统实现逻辑功能的主芯片。 ( 2 ) 单片机的选型 随着计算机和微电子技术的迅猛发展，单片机技术在各个行业得到了广泛的 应用。由于单片机集成度高、体积小、功能强、功耗低、使用方便、价格低廉等 一系列优点，被广泛的应用在各种智能仪表、工业控制及家电控制领域【1 1 1 。根据 系统设计的要求，单片机是整个系统的控制和数据处理中心，需要丰富的i o 资 源实现点阵液晶显示并与f p g a 等芯片进行数据传输，需要串口完成与p c 机通 信的功能，需要该单片机具有片上a d ( 模数) 转换功能配合f p g a 芯片完成时 间间隔测量，需要i o 口中断、串口中断和a d 转换完成中断等中断资源满足设 计中需要大量用到的中断处理，而且系统还需要在单片机上实现k a l m a n 滤波等 算法，需要芯片具有硬件乘法器，具有一定的数据处理能力。综合以上要求，选 第二章g p s 信号锁定二级频标系统的总体设计 1 5 择t i 公司的m s p 4 3 0 系列中的m s p 4 3 0 f 2 4 7 型单片机作为整个系统的控制中枢。 m s p 4 3 0 系列中的m s p 4 3 0 f 2 4 7 型单片机【1 1 1 ，该单片机采用的是“冯一诺依曼” 结构，具有1 6 位结构的c p u ，采用r i s c 指令集，最高工作频率8 m ，片上集成 了6 4 k 的f l a s hr o m 和1 k 的r a m ，通过它的j t a g 接口，可以方便的实现 在线编程和调试，非常利于软件程序的调试。它具有丰富的i o 资源具有六 个8 位的i o 端口，其中所有的i o 位可以独立编程，任何输入输出和中断条件 的组合都是可能的。丰富的i o 资源可实现点阵液晶显示并与f p g a 等芯片进行 数据传递。 p 1 、p 2 端口的所有8 位都可以选择为边缘中断工作模式，所有指令支持对端 口控制寄存器的读写。由于p l 、p 2 口的8 位都具有中断能力，同时该单片机还 具有串口接收、发送中断，a d 转换完成中断等中断模式，所以此款单片机的中 断能力得到大大提高，符合此系统设计需要用到中断处理的要求。 同时，这款单片机具有丰富的外围模块：8 路1 2 位的a d 输入可实现a d 转换的功能，2 个u s a r t 串行接口可实现与p c 机通信的功能，同时该芯片还具 有硬件乘法器，大大的提高了数据处理的能力，可实现k a l m a n 滤波等算法。此 类型的单片机拥有丰富的外设资源，不仅完全满足了此系统设计的需求，而且非 常利于系统的扩展升级。 2 4 软件总体设计 该系统的软件应该包括两部分：一部分是f p g a 的软件，另外一部分是单片 机的软件。软件部分采用v e r i l o g 硬件描述语言以及c 语言编写。因为f p g a 部 分的软件一旦下载配置，此时f p g a 就成为实现确定逻辑功能的硬件芯片了。因 此在总体软件设计里，暂不考虑f p g a 软件程序，于是，总体软件设计就只涉及 到单片机部分的