gps時(shí)鐘馴服晶振在南京大學(xué)成功案例

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gps時(shí)鐘馴服晶振在南京大學(xué)成功案例

2017年10月初，我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的gps時(shí)鐘馴服晶振在南京大學(xué)投入使用，這套馴服晶振已穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)月，已將我公司納為合格供應(yīng)商。

一、時(shí)鐘馴服晶振簡(jiǎn)介

時(shí)鐘馴服的基本原理是利用衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)提供的固定頻率信號(hào), 與本地振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)行比對(duì), 獲得頻率差；再通過對(duì)本地振蕩器的調(diào)節(jié)，使振蕩頻率與衛(wèi)星的振蕩頻率基本一致，在頻率調(diào)整過程中, 還需要對(duì)本地振蕩器的相位進(jìn)行補(bǔ)償, 使本地振蕩器輸出的分頻秒信號(hào)與接收機(jī)輸出的秒信號(hào)差值在一定范圍內(nèi). 衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)由于信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)，易受干擾等特點(diǎn)，其輸出的 1 pps 具有一定的抖動(dòng)，秒信號(hào)包含多種誤差成分，如：衛(wèi)星時(shí)鐘誤差：星歷誤差：電離層的附加延時(shí)誤差：對(duì)流層的附加延時(shí)誤差：多路徑誤差：接收機(jī)本身的誤差。

采用GPS授時(shí)接收機(jī)對(duì)高穩(wěn)晶振進(jìn)行升級(jí)改造，研制高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器電路，測(cè)量GPS平均秒和高穩(wěn)晶振分頻秒之間的時(shí)差，采用馴服算法計(jì)算晶振的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確度，并通過電子頻率控制的方式反饋調(diào)整高穩(wěn)晶振的頻率信號(hào)，從而提高頻率信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

二、GPS馴服晶振

利用高精度的時(shí)間間隔測(cè)量方法測(cè)得GPS信號(hào)和本地秒信號(hào)的相位差，并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后轉(zhuǎn)換成頻率差，然后通過高穩(wěn)晶振的壓控調(diào)諧對(duì)高穩(wěn)晶振輸出頻率進(jìn)行調(diào)整, 由鎖相環(huán)回路進(jìn)行控制使高穩(wěn)晶振鎖定到 GPS 時(shí)鐘的準(zhǔn)確度, 從而完成對(duì)高穩(wěn)晶振的馴服校頻過程。

對(duì)輸入本地頻標(biāo)和 GPS 秒脈沖信號(hào)的鑒相, 通過高精度時(shí)間間隔測(cè)量, 測(cè)量出兩信號(hào)的相位差, 并將轉(zhuǎn)換為電壓值。然后通過壓控 OCXO 端口對(duì)高穩(wěn)晶振進(jìn)行壓控調(diào)整, 通過鎖相環(huán)使本地頻標(biāo)鎖定到 GPS 時(shí)鐘上。

影響誤差分析

其中主要影響是GPS引入誤差。又可分為以下幾方面的誤差：

1.1 與GPS衛(wèi)星相關(guān)的誤差

1.1 衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置和衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差，由于衛(wèi)星空間位置是由地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星測(cè)軌結(jié)果計(jì)算求得的，所以又稱為衛(wèi)星軌道誤差。它是一種起始數(shù)據(jù)誤差，其大小取決于衛(wèi)星跟蹤站的數(shù)量及空間分布、觀測(cè)值的數(shù)量及精度、軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及定軌軟件的完善程度等。它是GPS測(cè)量的重要誤差來源。

1.2 衛(wèi)星鐘差

GPS衛(wèi)星鐘時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。主要起因于鐘漂移、漂移預(yù)測(cè)偏差、衛(wèi)星信號(hào)通道延遲及地面控制部分的檢測(cè)與校正偏差等的綜合結(jié)果。

1.3 衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心誤差

1.4 相對(duì)論效應(yīng)的影響

衛(wèi)星鐘和接收機(jī)所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和重力位）不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘之間的相對(duì)誤差。

2.與傳播路徑相關(guān)的誤差

2.1 電離層折射

當(dāng)GPS信號(hào)通過電離層時(shí)，電離層中大量的自由電子和正離子使其傳播路徑發(fā)生改變，影響GPS信號(hào)的傳輸速度和時(shí)間。

2.2 中性層折射

由于對(duì)流層和平流層不同的物理特性，GPS信號(hào)在穿過其中時(shí)也會(huì)發(fā)生傳播路徑的改變，從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差。

3 多路徑效應(yīng)

測(cè)量站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）進(jìn)入接收機(jī)天線將和直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離，產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。當(dāng)接收機(jī)天線除接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還收到天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，兩種衛(wèi)星信號(hào)疊加，將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)位置的變化，從而使觀測(cè)產(chǎn)生誤差。這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。目前一般通過選擇合理的天線位置避免多路徑效應(yīng)的影響。

3.1與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

3.1.1 接收機(jī)鐘差

GPS接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘，接收機(jī)的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異稱為接收機(jī)鐘差。

3.1.2接收機(jī)的位置誤差

接收機(jī)天線相位中心對(duì)測(cè)量站標(biāo)石中心位置的誤差叫接收機(jī)的位置誤差。

3.1.3 接收機(jī)天線相位中心偏差

gps馴服時(shí)鐘產(chǎn)品

SYN3102A型低相噪銣原子鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)采用小尺寸封裝，直流供電，只需要6分鐘即可以快速鎖定，采用先進(jìn)的濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高的二三次諧波抑制，去除各種環(huán)境影響實(shí)現(xiàn)超低的相位噪聲和優(yōu)秀的雜波抑制，具有簡(jiǎn)單的數(shù)字頻率調(diào)節(jié)功能，只需要通過串口發(fā)送指令即可以實(shí)現(xiàn)精密準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)，鎖定指示燈更是方便用戶判斷銣鐘工作狀態(tài)。

最重要的一項(xiàng)功能就是實(shí)現(xiàn)高精度馴服功能，只需要外部輸入1PPS信號(hào)即可以實(shí)現(xiàn)高精度馴服功能，當(dāng)斷開外部參考時(shí)具有超高的保持能力，

產(chǎn)品功能

1) 提供1路超低相噪的10MHz正弦信號(hào)；

2) 可通過串口數(shù)字調(diào)節(jié)頻率準(zhǔn)確度；

3) 1PPS輸入輸出同步馴服功能；

gps馴服晶振意義

對(duì)于GPS接收機(jī)，其產(chǎn)生的接收機(jī)1PPS由內(nèi)置普通晶振產(chǎn)生。晶振獨(dú)立產(chǎn)生秒脈沖（以下稱本秒），本秒的相位會(huì)隨其老化特性而逐漸漂移。而接收機(jī)內(nèi)部，存在一個(gè)反饋，通過每秒或者更高的速率將本秒與GPS衛(wèi)星CA碼進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，計(jì)算本地秒與GPS秒的相位差，并利用接收機(jī)內(nèi)部NCO或DDS進(jìn)行相位調(diào)整。最終輸出的接收機(jī)1PPS即利用調(diào)整后的10M（接收機(jī)內(nèi)部實(shí)際頻率不一定為10M，但原理一致）產(chǎn)生。

由于存在相位調(diào)整，故接收機(jī)1PPS的長(zhǎng)期相位特性與內(nèi)置普通晶振的長(zhǎng)期漂移特性不再相關(guān)，取而代之與GPS衛(wèi)星時(shí)間直接相關(guān)，因此，可利用其長(zhǎng)期穩(wěn)定的特性對(duì)晶振進(jìn)行馴服。

結(jié)束語

利用GPS信號(hào)完成對(duì)高穩(wěn)晶振的鎖定，解決了準(zhǔn)確度降低和長(zhǎng)期穩(wěn)定性能差的問題，輸出高精度的頻率基準(zhǔn)和時(shí)間同步信號(hào)，為各項(xiàng)任務(wù)提供更準(zhǔn)確、可靠、精度更高的時(shí)間頻率信號(hào)。

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關(guān)鍵詞：天線相位中心 時(shí)間間隔測(cè)量 本地振蕩器 授時(shí)接收機(jī) 高穩(wěn)晶振