用于雷电探测系统基于GPS的时钟频率单元

论文摘要

雷电对人类造成的灾害巨大，但是同时蕴藏着丰富的能量。雷电定位，对于灾害预防和新能源利用都有重要意义。对雷电定位一般通过多站时差空间解算法，时间频率信号的精度直接关系到定位的精度，因此研制高精度高稳定的时钟频率源十分重要。多站间的时钟同步有很多方法，本课题选取了GPS时钟同步法。利用GPS输出的时钟长期稳定性好与恒温压控晶振输出的时钟短期稳定性好的特点，将晶振分频得到的1PPS’与GPS输出的1PPS比对，在校准的过程中，最终实现了输了时钟和频率的长期稳定性和短期稳定性都较好。本论文的研究工作如下：(1)介绍了常用的时钟同步技术方法，对GPS授时的理论进行了分析，并根据雷电探测系统的特点做了适当改进，理论说明了单星授时的原理和可行性。详细设计了GPS时钟频率单元的系统结构。(2)对GPS时钟频率单元的硬件部分，分GPS模块、晶振与时钟分配模块、鉴相计数模块、控制模块、电源、信号完整性进行了详细的理论分析与设计。(3)对GPS时钟频率单元的软件部分，分析设计了MCU和FPGA程序的流程。研究了MCU程序的卡尔曼滤波和PID算法。从时序上仿真了FPGA程序的鉴相模块。FPGA鉴相值送入MCU后，经过滤波、PID算法再设置DA，得到恒温晶振的压控电压，微量调节频率校准。(4)搭建了测试系统，对输出的时钟、频率信号进行了测试。对数据进行了分析，得出本基于GPS的时钟频率单元输出的1PPS’异站同步信号精度可达到64ns，频率输出也满足使用需求。此时钟频率单元，长期稳定性和短期稳定性较好，授时精度高可以用于雷电探测中定位的用途，达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 时钟同步技术及最新进展
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 2 时钟频率技术基础及系统方案
• 2.1 时钟信号
• 2.2 频率信号
• 2.3 GPS 时钟同步法原理
• 2.4 基于GPS的雷电授时方案
• 2.5 时钟频率单元的详细设计
• 2.6 本章小结
• 3 硬件部分设计
• 3.1 GPS模块
• 3.2 晶振与时钟分配
• 3.3 鉴相与计数
• 3.4 主控制模块
• 3.5 电源设计
• 3.6 信号完整性设计
• 3.7 本章小结
• 4 软件部分设计
• 4.1 MCU 程序设计
• 4.2 FPGA程序设计
• 4.3 本章小结
• 5 调试及测试
• 5.1 软硬件调试
• 5.2 测试系统
• 5.3 测试结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献