基于北斗和GPS授时系统的研制

论文摘要

在现代信息社会发展的今天,高精度的时钟在电力、通信、铁路、航空等领域尤为重要。为了满足苛刻的时间精度要求,普遍采用GPS授时。其具有授时精度高,稳定性好,覆盖范围广等优点。但GPS为美国军方所开发,受到意识形态和政治因素的影响,用GPS时钟做为唯一时钟源对于时钟系统安全性和稳定性存在一定安全隐患。“北斗一号”卫星是我国自主研发的卫星导航系统,授时精度也优于GPS,但缺点是卫星数量少,没有GPS稳定。针对此种情况,本文采用以北斗、GPS双模卫星互备授时的方式授时,同时接收北斗和GPS卫星信号,采用先进的时间控制处理算法,实现双时间源智能切换,既克服了GPS授时存在的安全隐患,又解决了北斗授时存在的稳定性问题。同时,考虑到北斗、GPS会出现同时失去锁定的情况,所以,该系统还配备了守时功能模块。即便北斗、GPS同时失锁,授时系统仍能在一段时间内保持失锁前的稳定度和准确度。在完成授时的过程中,时间同步精度是一个重要的标准,它直接决定授时质量的好坏。本文从软件和硬件的角度详细地分析了影响时间同步精度的因素,以微处理器为核心,配以最小开销的硬件电路,采用以软件和硬件相结合的设计方法。既节约了设计成本,又克服了纯软件设计延时大的缺点。该系统采用模块化的设计思路,且各模块之间具有相对的独立性。本文首先从整体的角度介绍了该授时系统的结构框图,然后以章节为单位介绍各个子模块的设计。从设计原理,具体实现过程,硬件设计、软件设计、实验结果、误差分析等方面做了详细论述。经工程实践验证,该系统安全、稳定可靠,授时精度高。时间同步精度在100ns以内,信号的沿跳变在80ns以内,完全满足中国授时系统的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 授时技术现状
• 1.3 研究成果
• 第二章 时间同步系统介绍
• 2.1 时间同步系统结构
• 2.2 授时信号类型及传输介质
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统总体架构
• 3.1 系统总体结构方案
• 3.2 本课题的特色及创新点
• 第四章 IRIG-B 码模块的设计
• 4.1 IRIG-B 码规范
• 4.2 IRIG-B 码技术现状
• 4.3 IRIG-B 码硬件设计
• 4.3.1 IRIG-B 编码器的总体设计
• 4.3.2 相位同步单元电路的设计
• 4.3.3 IRIG-B 码时间同步精度时序分析
• 4.3.4 正弦波产生电路
• 4.3.5 IRIG-B 交流码调制电路
• 4.3.6 IRIG-B 交流码调制电路
• 4.4 IRIG-B 码软件设计
• 4.4.1 IRIG-B 码的编码实现
• 4.4.2 软件设计流程图
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 守时模块的设计
• 5.1 守时技术现状
• 5.2 恒温晶体振荡器OC50 简介
• 5.3 芯片 DAC7512 简介
• 5.4 守时模块的总体设计
• 5.5 相位超前/滞后检测单元的设计
• 5.5.1 相位滞后/超前检测电路
• 5.5.2 相位滞后/超前检测原理
• 5.6 相位超前/滞后处理及分频单元电路
• 5.7 软件设计流程图
• 5.8 调频、调相的具体实现过程
• 5.9 调频算法分析
• 5.10 实验结果分析
• 5.11 本章小结
• 第六章 CPU 模块的设计
• 6.1 CPU 模块简介
• 6.2 CPU 模块总体设计
• 6.3 时标信号无损切换处理单元的设计
• 6.4 时间存储单元的设计
• 6.5 CPU 模块软件设计
• 6.6 本章小结
• 第七章 脉冲板模块的设计
• 7.1 脉冲信号简介
• 7.2 脉冲板模块总体设计
• 7.3 脉冲信号相位同步单元的设计
• 7.3.1 脉冲信号相位同步电路
• 7.3.2 脉冲信号相位同步精度分析
• 7.4 隔离单元的设计
• 7.4.1 光耦合器6N137 简介
• 7.4.2 隔离电路
• 7.5 脉冲选择处理单元
• 7.5.1 脉冲选择处理电路
• 7.5.2 脉冲选择处理单元具体实现
• 7.6 脉冲板模块的软件设计
• 7.7 结果分析
• 7.8 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢