基于GPS的1PPS的二级频标驯服技术

论文摘要

GPS的1PPS信号具有很高的长期平均准确度和稳定度,而二级频标具有较好的短期稳定度和低廉的成本。为了结合这两者的优点,本文研究了一种以GPS的1PPS信号作为基准的二级频标驯服技术。在驯服技术中,采用了将直接计数法和时间-幅度转换法相结合的方法来测量GPS的1PPS信号和二级频标分频1PPS信号之间的时间间隔,其测量分辨率可达100ps,测量范围达到秒级。之后,采用Kalman滤波算法对时间间隔测量数据进行处理,以消除GPS的1PPS信号中的相位抖动对驯服过程的影响。滤波后,利用PID控制算法计算出频率校正量,而后通过高分辨率DAC和相应的信号调理电路来实现二级频标的精密驯服。与此同时,该技术还对二级频标分频得到的1PPS信号和GPS的1PPS信号进行了简单的时间同步,使得两者之间的偏差在容许范围如内。在最后,本文还探讨了如何在GPS的1PPS信号失效的情况下,依靠对历史数据的分析来伺服二级频标,使其输出在此期间可以保持一定的精度。基于上述技术,本文设计了一个驯服系统样机,简要论述了该系统的软硬件设计方案,并对其驯服性能进行了测试。测试结果表明,利用该技术驯服后的VCOCXO的短期稳定度基本保持了其原本的指标,而其长期平均准确度和长期稳定度指标得到了一定程度的改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 频率标准的重要性
• 1.2 频率标准的发展
• 1.3 基于GPS的1PPS信号的二级频标驯服技术的意义及其可行性
• 1.4 基于GPS的1PPS信号的二级频标驯服技术的国内外发展现状
• 1.5 论文的工作及内容安排
• 1.6 本论文内容的新颖性
• 1.7 小结
• 第二章 GPS的误差分析和晶振模型的分析
• 2.1 GPS的噪声特性分析
• 2.1.1 GPS系统简介
• 2.1.2 GPS定时校频原理
• 2.1.3 GPS授时的主要误差因素
• 2.1.4 GPS接收机输出时钟信号的误差分析
• 2.2 晶振处理模型的分析
• 2.2.1 晶振相关的数学定义
• 2.2.2 晶振数学模型随机频率偏差分析
• 2.2.3 晶振老化率数学模型
• 2.2.4 晶振的频率温度特性
• 2.3 小结
• 第三章 锁相环基本原理及其在GPS驯服二级频标系统中的应用
• 3.1 锁相环的基本原理
• 3.2 锁相环的失锁与相位捕获过程
• 3.2.1 锁相环的失锁和锁定状态
• 3.2.2 锁相环的相位捕获过程
• 3.3 PLL的新类型和在驯服系统中的应用
• 3.4 GPS驯服二级频标的原理
• 3.5 小结
• 第四章 系统的设计方案及各功能模块的说明
• 4.1 GPS驯服VCOCXO系统的总体设计方案
• 4.2 GPS驯服VCOCXO系统的硬件选择
• 4.3 GPS驯服VCOCXO系统实现概述
• 4.4 GPS驯服VCOCXO系统的具体实现
• 4.4.1 GPS接收模块设计以及其输出1PPS的有效性判断
• 4.4.2 时间间隔测量模块
• 4.4.3 DAC1220 的外围电路及后续调理电路的实现
• 4.4.4 晶振输出分频控制模块
• 4.4.5 相关数字控制逻辑实现
• 4.4.6 单片机协调控制及数据处理功能的实现
• 4.5 小结
• 第五章 基于Kalman滤波的PID控制算法和失效保持算法
• 5.1 Kalman滤波器的原理和具体实现
• 5.1.1 Kalman滤波器的原理
• 5.1.2 Kalman滤波器的迭代公式
• 5.1.3 Kalman滤波器的具体实现
• 5.2 PID控制器的原理和具体实现
• 5.2.1 PID控制器的基本原理
• 5.2.2 PID控制器在系统中的具体实现
• 5.3 基于Kalman滤波的PID控制器
• 5.4 GPS信号失效后的驯服保持算法
• 5.4.1 老化和温度影响的分离
• 5.4.2 老化率的预测模型
• 5.4.3 频率温度系数的预测模型
• 5.4.4 保持模型的具体实现
• 5.5 小结
• 第六章 系统的实验结果及分析
• 6.1 系统驯服能力的测试
• 6.2 保持性能的简单测试
• 6.3 系统的误差分析及改进
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作的总结
• 7.2 后续工作的展望
• 7.3 驯服系统应用前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 附录A 系统的实物图