gps時鐘馴服晶振在南京大學成功案例

gps時鐘馴服晶振在南京大學成功案例

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

一、時鐘馴服晶振簡介

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

采用GPS授時接收機對高穩(wěn)晶振進行升級改造，研制高精度時間間隔計數(shù)器電路，測量GPS平均秒和高穩(wěn)晶振分頻秒之間的時差，采用馴服算法計算晶振的實時準確度，并通過電子頻率控制的方式反饋調整高穩(wěn)晶振的頻率信號，從而提高頻率信號的準確性和穩(wěn)定性。

二、GPS馴服晶振

利用高精度的時間間隔測量方法測得GPS信號和本地秒信號的相位差，并經(jīng)計算機處理后轉換成頻率差，然后通過高穩(wěn)晶振的壓控調諧對高穩(wěn)晶振輸出頻率進行調整, 由鎖相環(huán)回路進行控制使高穩(wěn)晶振鎖定到 GPS 時鐘的準確度, 從而完成對高穩(wěn)晶振的馴服校頻過程。

對輸入本地頻標和 GPS 秒脈沖信號的鑒相, 通過高精度時間間隔測量, 測量出兩信號的相位差, 并將轉換為電壓值。然后通過壓控 OCXO 端口對高穩(wěn)晶振進行壓控調整, 通過鎖相環(huán)使本地頻標鎖定到 GPS 時鐘上。

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)星測軌結果計算求得的，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、觀測值的數(shù)量及精度、軌道計算時所用的軌道模型及定軌軟件的程度等。它是GPS測量的重要誤差來源。

1.2 衛(wèi)星鐘差

GPS衛(wèi)星鐘時間與標準時間之間的誤差。主要起因于鐘漂移、漂移預測偏差、衛(wèi)星信號通道延遲及地面控制部分的檢測與校正偏差等的綜合結果。

1.3 衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心誤差

1.4 相對論效應的影響

衛(wèi)星鐘和接收機所處的狀態(tài)（運動速度和重力位）不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘之間的相對誤差。

2.與傳播路徑相關的誤差

2.1 電離層折射

當GPS信號通過電離層時，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信號的傳輸速度和時間。

2.2 中性層折射

由于對流層和平流層不同的物理特性，GPS信號在穿過其中時也會發(fā)生傳播路徑的改變，從而使測量距離產(chǎn)生偏差。

3 多路徑效應

測量站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號（反射波）進入接收機天線將和直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測值偏離，產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。當接收機天線除接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外，還收到天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號時，兩種衛(wèi)星信號疊加，將會引起測量參考點位置的變化，從而使觀測產(chǎn)生誤差。這種誤差隨天線周圍反射面的性質而異，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的影響。

3.1與接收設備有關的誤差

3.1.1 接收機鐘差

GPS接收機一般采用高精度的石英鐘，接收機的鐘面時與GPS標準時之間的差異稱為接收機鐘差。

3.1.2接收機的位置誤差

接收機天線相位中心對測量站標石中心位置的誤差叫接收機的位置誤差。

3.1.3 接收機天線相位中心偏差

gps馴服時鐘產(chǎn)品

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

最重要的一項功能就是實現(xiàn)高精度馴服功能，只需要外部輸入1PPS信號即可以實現(xiàn)高精度馴服功能，當斷開外部參考時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；

2)                      可通過串口數(shù)字調節(jié)頻率準確度；

3)                      1PPS輸入輸出同步馴服功能；

gps馴服晶振意義

對于GPS接收機，其產(chǎn)生的接收機1PPS由內(nèi)置普通晶振產(chǎn)生。晶振獨立產(chǎn)生秒脈沖（以下稱本秒），本秒的相位會隨其老化特性而逐漸漂移。而接收機內(nèi)部，存在一個反饋，通過每秒或者更高的速率將本秒與GPS衛(wèi)星CA碼進行實時比對，計算本地秒與GPS秒的相位差，并利用接收機內(nèi)部NCO或DDS進行相位調整。最終輸出的接收機1PPS即利用調整后的10M（接收機內(nèi)部實際頻率不一定為10M，但原理一致）產(chǎn)生。

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

結束語

利用GPS信號完成對高穩(wěn)晶振的鎖定，解決了準確度降低和長期穩(wěn)定性能差的問題，輸出高精度的頻率基準和時間同步信號，為各項任務提供更準確、可靠、精度更高的時間頻率信號。