gps晶体振荡器稳定性分析

gps晶体振荡器稳定性分析

1gps卫星同步系统gps是一个全球卫星广播系统。它可以连续实时为无限的用户提供高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点,因而已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。每个GPS卫星都携有一对铯原子和铷原子钟,它们的频率稳定性分别达到了10-14和10-13,同时地面监测站和主控站不断地对它们进行修正,以使卫星钟与GPS主钟之间保持精密的同步,因此GPS卫星能提供精确的时间信息,且具有很好的长期稳定性。随着数字通信的发展,数据传输具有更高的速度,相应对同步系统提出了更高的要求。传统做法是使用晶体振荡器产生参考频率以满足同步的需要,但晶体振荡器会由于温度、老化等因素产生频率的漂移,长期稳定性较差。氢钟、铯钟长期短期稳定性虽然都很好,但价格太昂贵,且对使用环境要求高。相比之下,GPS系统能提供精密的时间信息,因此我们考虑利用并不昂贵的GPS接收机产生一个稳定的当地时钟,即利用GPS秒信号锁定高稳定的晶体振荡器,从而获得一个短期及长期稳定度都比较优良的时间频率标准。2基于gps屏蔽的高稳定晶体振荡器设计原理2.1量化时延和压控技术利用GPS接收机,可以收到并产生准确的1pps信号。在此基础上,利用时间间隔测量技术,将它与本地频标的分频信号进行比对,按照相位差的变化速率计算出相对频差并和本地频标的压控灵敏度综合考虑,产生出对本地频标的控制修正电压。经过多个测量和控制反复,最终实现了把本地频标(高稳定性晶体振荡器)的准确度锁定在GPS标准的准确度上,其原理框图如图1所示。量化时延原理是通过CPLD技术实现的。处理和控制器部分包括单片机和输出补偿电路。单片机要参与控制高分辨力的时间间隔的测量,再根据计算出的时间间隔值,按照比对精度的要求给出取样时间,即用时间间隔测量器测量GPS信号和本地频标的分频信号之间的间隔(时差ΔT),相隔一段时间(取样时间τ)后再测量一次ΔT2,计算出相邻两次相位差的变化ΔT=ΔT2-ΔT1,则相对频率偏差可由下面公式得到Δff0=ΔTτ(1)Δff0=ΔΤτ(1)结合被校频标的压控灵敏度算出应给出的压控电压值。实际上单片机给出的是一脉宽可调的方波信号,此方波经输出补偿电路得到电压去控制压控晶体振荡器,达到调整频率的作用。2.2基于量化时延的时间间隔测量要实现用GPS秒信号锁定的高稳晶体振荡器,必须实现对GPS秒信号与本地频标的信号间相位差的高准确度测量,即提高时间间隔测量的分辨力。从而在较短时间内锁定高稳晶体振荡器,并达到要求的频率准确度。一般的时间测量中,用10MHz的填充脉冲频率只能获得100ns的测量分辨力。根据公式(1),要累积给出1·10-11的比对精度,就需要有10000s以上的比对时间。虽然通过倍频的方法提高填充脉冲的频率可以提高测量的分辨力,但提高的程度是有限的,且会对使用的器件提出更高的要求,并增加成本。因此,在仍采用10MHz的填充脉冲的情况下,只要能精确测出如图2所示的两个短时间间隔,就可提高测量分辨力。需注意的是,这里关门信号和填充脉冲来自同一个本地频标信号,所以是相关的。也就是我们只需考虑待测时间间隔(即闸门)的开门后的短时间间隔Δt1,而不必考虑关门后的短时间间隔Δt2。针对短时间间隔的测量,采用不同的测量方法可达到不同的测量分辨力。在现有的短时间间隔测量方法中,游标法和内差法都是用模拟的方法将时间间隔进行处理后再进行计数,应用这两种方法可以实现高精度的短时间间隔测量。但是这两种方法电路结构都很复杂,成本高,实现起来很困难。因此,我们采用基于量化时延原理的高准确度短时间测量方法。我们利用信号在媒体中传播的时延稳定性,通过将信号所产生的延时进行量化,实现了对短时间间隔的测量。其基本原理是:让信号通过一系列的延时单元,依靠延时单元的延时稳定性,在计算机的控制下对延时状态进行高速采集与数据处理,从而实现了对短时间间隔的精确测量。其原理如图3所示。量化时延的实现依赖于延时单元的延时稳定性,其分辨力取决于单位延时单元的延迟时间。作为延时单元的器件可以是无源导线,有源门器件或其它电路。其中,导线的延迟时间较短(接近光速传播的延迟),门电路的延迟时间相对较长。随着电子技术的快速发展,有人把计数器设计在ASIC中,实现对时间的直接数字编码,但其造价很高,而相对廉价得多的可编程逻辑器件的出现为我们提供了新的选择。我们选择了CPLD器件,用以设计实现基于量化时延原理的时间间隔测量。其原理图见图4。结合填充脉冲,其短时间间隔计算公式为T=n1*t1+n2*t2(2)式(2)中,n1为对填充脉冲的计数值;t1为填充脉冲的周期,即100ns;n2为量化延迟的器件个数;t2为量化延迟的器件单位延迟量。GPS秒信号和100k信号(由10M分频得到)经过鉴相得到的相位差即为待测的时间间隔。此时间间隔采用10M填充脉冲进行填充,得到的计数值对应上面公式(2)中的n1;GPS信号的上升沿作为延时链的输入信号,而它与10M信号同步后的信号,作为延时链的锁存信号,由此可得到延时状态,也就得到了对应上面公式(2)的n2,而t2的值我们事先知道。这样,我们就完成了对时间间隔T的测量。时间间隔的测量过程是由单片机来控制的。此时间间隔测量的分辨力可达到4.3ns。这样,理论上,达到1·10-11的比对精度,只要400多秒的时间,这是指对原子钟的比对和锁定准确度;如果把高稳定度晶体振荡器锁定和比对在1·10-11的比对精度,只要40多秒的时间就足够了。在此基础上我们作了部分实验以检验测量效果,数据如表1。2.3基于卡尔曼滤波的时间间隔滤波GPS接收机产生的秒信号包含有几种误差因素:卫星时钟误差;星历误差;电离层的附加延时误差;对流层的附加延时误差;多路径误差;和接收机本身的误差。这些误差大都属于随机误差,都会对秒信号的稳定性产生影响。Kalman滤波是解决最佳线性过滤和估计的问题,并且以最小均方误差为准则的,它用前一个估计值和最近一个观测数据来估计,用状态方程和递推方法进行估计,适用于实时处理。因此,采用了Kalman滤波算法对所测定时间间隔进行滤波处理。Kalman滤波算法应用在此处,连续两个测量数据的时间间隔为1s,状态向量Xk表示的是第k时刻的时间间隔真值,即第k秒的时间间隔值,而且Xk是一个一维向量。观测向量Yk也是一维向量,观测向量Yk是我们测量得到的含噪声的时间间隔数据序列,即真实的时差值+观测噪声。这样,动态系统维数、观测系统维数均为1。相应的各个矩阵维数降为一维,将会大大简化计算复杂程度,也为我们用单片机实现对时间间隔值的卡尔曼滤波算法提供了可能性。经推导,可得到如下的滤波的递推公式及算法过程。动态系统由此差分方程描述:Xk=Φk,k-1Xk-1+Wk-1k=1,2...。观测系统由此差分方程组描述:Yk=HkXk+Vkk=1,2...。式中:Φk,k-1称为系统的状态转移矩阵,它反映了系统从第k-1个取样时刻的状态到第k个取样时刻的状态的变换;Wk为高斯白噪声序列,具有已知的零均值和协方差阵Qk;Hk为状态量Xk到观测量Yk的转换;Vk是观测噪声为高斯白噪声序列,具有已知的零均值和协方差阵Rk。实际应用中,状态转移矩阵Φk,k-1=,观测矩阵Hk=;模型噪声协方差矩阵Q和观测噪声协方差矩阵R的估计,一般采用经验估计。实践表明,观测噪声协方差矩阵R必须为,否则会引起滤波结果中的相位差数据整体变大或变小。对模型噪声协方差阵Q,我们进行尝试取值,其依据是所测结果的频稳特性最优。为了卡尔曼滤波的迭代递推,我们需对时间间隔值首先作初步的估计,比如对一系列观察数据进行简单的平均计算得到的平均值X˜X˜0,用这个值对滤波器进行初始化,会使滤波器的收敛速度加快。此时,估计误差的协方差矩阵初值取为C0=E[(X0−X˜0)(X0−X˜0)T]=var(X0)C0=E[(X0-X˜0)(X0-X˜0)Τ]=var(X0)在数据处理的过程中,滤波过程如图5所示,我们给定初始值C0,循环执行第1步～第4步,X˜X˜k即处理后的时间间隔值。3s界面软件设计本系统是由INTEL80C196KC单片机作为主控制器的软、硬结合的闭环控制系统。系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括:GPS接收机、整形放大器、时间间隔测量器、主控电路、压控电路、信号输出、显示器和电源。软件部分采用INTEL8096汇编语言编写,包括:主程序、数据采集处理子程序、输出控制电压子程序、浮点基本运算子程序和显示子程序。系统开机自动进入主程序,子程序采用中断方式。数据采用了在IEEE单精度标准上扩展了字节的5字节浮点数,为保证运算过程中不损失精度,参与运算的数据和运算结果,都需转化为规格化浮点数。4模拟实验测试结果本系统振荡器输出的标称频率值是10MHz,在正确接收GPS信号的情况下,可以在较短时间内把机内频标校正到高的频率准确度。为了对上述测控系统的本身引入误差进行判断,我们在模拟实验情况下进行了反复测试,这时的1pps信号是从本地频标分频得到的,此时被锁振荡器准确度达到1·10-9的时间不长于30s;准确度优于1·10-10的时间不长于5min;准确度达到1·10-11的时间不长于45min。所用的压控高稳定度晶体振荡器的日老化率优于5·10-10/d,秒级稳定度优于5·10-12/s。在