恒溫晶振在衛星導航中的作用
來源:http://www.11ed.cn 作者:技術部 2014年02月26
無線衛星導航系統,它為什么要選擇使用恒溫晶振呢?其實道理很簡單,恒溫晶振的作用就是使晶振發出的頻率保持一定的精確度,保持穩定不變的頻率來供應CPU的工作,而導航系統在長時間的工作之中,會產生一定的熱量,熱量會使晶振頻率發生變化,而要使晶振產品在高溫度的時候產生穩定的頻率,那么使用恒溫晶振是最好的選擇,下面我們來一起了解恒溫晶振在GPS之中扮演的作用。
摘要:針對目前廣泛對高精度頻率源的需求,利用FPGA設計一種恒溫晶振頻率校準系統。系統以GPS接收機提供的秒脈沖信號為基準源,通過結合高精度恒溫晶振短期穩定度高與GPS長期穩定特性好、跟蹤保持特性強的優點,設計數字鎖相環調控恒溫晶振的頻率。詳細闡述系統的設計原理及方法,測試結果表明,恒溫晶振的頻率可快速被校準到10 MHz,頻率偏差小于0.01Hz,具有良好的長期穩定性,適合在多領域中作為時間頻率的標準。
時鐘技術在現代科學技術中有著廣泛的應用,許多領域對時間指標的要求越來越高,如電力、通訊、軍事、航空航天等,都需要高精度的同步時鐘作為參考,協調整個系統的正常運行。GPS是目前世界上應用范圍最廣、實用性最強的全球精密授時、測距和導航定位系統。高精度頻標目前主要有銣鐘、銫鐘、氫鐘等原子鐘以及高精度晶體振蕩器。其中,高精度晶體振蕩器以其使用壽命長、價格較為便宜等優點,獲得了廣泛應用,但是石英晶體振蕩器會由于溫度、老化等因素產生頻率的漂移,長期穩定性較差。為了獲得一個短期及長期穩定度都比較優良的時間頻率標準,本系統以授時型GPS秒信號為參考,通過數字鎖相環對高穩晶振的頻率進行控制與修正,此方法具有便攜、廉價等優勢。
1 GPS接收機測試及恒溫貼片晶振選型
1.1 GPS接收機測試
系統選用并行12通道,正常接收衛星時,秒脈沖(1PPS)時間精度優于100 ns,并且輸出與秒脈沖完全同步的10 kHz信號的Jupiter授時型GPS接收機。由于天線角度、電離層、對流層、多徑效應、接收機自身特性的影響,GPS會產生失鎖或者雖然鎖定但秒信號抖動較大,此時測得的時差數據有很大的噪聲分量。在同一地點,當兩臺Jupiter授時型GPS接收機都正常接收衛星時,連續10小時以一臺GPS的1PPS作為基準,對比另一臺GPS的1PPS到達時刻,繪出到達時間差的柱狀統計圖,從圖1中可得出,兩臺GPS接收機正常運行時,兩個1PIPS信號的時間差99%以上集中在0~100 ns之間,時間差的均值是54 ns,主要是由GPS天線引起;計算出均方差為7.64 ns,可以看出兩臺Jupiter GPS接收機的1PPS信號一致性很高,抖動較小。但是對于隨機誤差引起的1PPS跳變或者GPS接收機偶然鎖星失敗,雖然也輸出1PPS信號,但其精度較低不能作為基準源。
1.2 恒溫晶振選型
GPS接收機輸出的1PPS信號存在較大的隨機誤差,但是沒有累計誤差,而恒溫溫補晶振時鐘信號的隨機誤差較小,不過由于自身老化和外界溫度等一些因素的影響,存在頻率漂移現象,具有較大的累計誤差。如果恒溫晶振長期不問斷的運行,頻率無法滿足工作所需的準確度與穩定度,因此需要通過實時的自動調控壓控端電壓來進行頻率校準。根據衛星時鐘信號和恒溫晶振時鐘信號精度互補這一特點,通過調控恒溫晶振的壓控端,使其輸出頻率隨之改變,以維持短期和長期的時間精度和穩定性。
摘要:針對目前廣泛對高精度頻率源的需求,利用FPGA設計一種恒溫晶振頻率校準系統。系統以GPS接收機提供的秒脈沖信號為基準源,通過結合高精度恒溫晶振短期穩定度高與GPS長期穩定特性好、跟蹤保持特性強的優點,設計數字鎖相環調控恒溫晶振的頻率。詳細闡述系統的設計原理及方法,測試結果表明,恒溫晶振的頻率可快速被校準到10 MHz,頻率偏差小于0.01Hz,具有良好的長期穩定性,適合在多領域中作為時間頻率的標準。
時鐘技術在現代科學技術中有著廣泛的應用,許多領域對時間指標的要求越來越高,如電力、通訊、軍事、航空航天等,都需要高精度的同步時鐘作為參考,協調整個系統的正常運行。GPS是目前世界上應用范圍最廣、實用性最強的全球精密授時、測距和導航定位系統。高精度頻標目前主要有銣鐘、銫鐘、氫鐘等原子鐘以及高精度晶體振蕩器。其中,高精度晶體振蕩器以其使用壽命長、價格較為便宜等優點,獲得了廣泛應用,但是石英晶體振蕩器會由于溫度、老化等因素產生頻率的漂移,長期穩定性較差。為了獲得一個短期及長期穩定度都比較優良的時間頻率標準,本系統以授時型GPS秒信號為參考,通過數字鎖相環對高穩晶振的頻率進行控制與修正,此方法具有便攜、廉價等優勢。
1 GPS接收機測試及恒溫貼片晶振選型
1.1 GPS接收機測試
系統選用并行12通道,正常接收衛星時,秒脈沖(1PPS)時間精度優于100 ns,并且輸出與秒脈沖完全同步的10 kHz信號的Jupiter授時型GPS接收機。由于天線角度、電離層、對流層、多徑效應、接收機自身特性的影響,GPS會產生失鎖或者雖然鎖定但秒信號抖動較大,此時測得的時差數據有很大的噪聲分量。在同一地點,當兩臺Jupiter授時型GPS接收機都正常接收衛星時,連續10小時以一臺GPS的1PPS作為基準,對比另一臺GPS的1PPS到達時刻,繪出到達時間差的柱狀統計圖,從圖1中可得出,兩臺GPS接收機正常運行時,兩個1PIPS信號的時間差99%以上集中在0~100 ns之間,時間差的均值是54 ns,主要是由GPS天線引起;計算出均方差為7.64 ns,可以看出兩臺Jupiter GPS接收機的1PPS信號一致性很高,抖動較小。但是對于隨機誤差引起的1PPS跳變或者GPS接收機偶然鎖星失敗,雖然也輸出1PPS信號,但其精度較低不能作為基準源。
1.2 恒溫晶振選型
GPS接收機輸出的1PPS信號存在較大的隨機誤差,但是沒有累計誤差,而恒溫溫補晶振時鐘信號的隨機誤差較小,不過由于自身老化和外界溫度等一些因素的影響,存在頻率漂移現象,具有較大的累計誤差。如果恒溫晶振長期不問斷的運行,頻率無法滿足工作所需的準確度與穩定度,因此需要通過實時的自動調控壓控端電壓來進行頻率校準。根據衛星時鐘信號和恒溫晶振時鐘信號精度互補這一特點,通過調控恒溫晶振的壓控端,使其輸出頻率隨之改變,以維持短期和長期的時間精度和穩定性。
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