基于卫星授时的高精度时间同步方法研究

摘要

时间的重要意义不言而喻。随着科技的快速进步，在通信、军事和空间探索等领域对时间同步的精度要求越来越高，如何能够实现高精度的时间同步也成为了学者研究的热点和重点。本文研究了基于卫星授时的高精度时间同步方法，该方法综合考虑了卫星授时信号具有的全球性、全天时、全天候覆盖的特点，卫星接收机输出的1PPS信号具有较高的长期平均准确度和稳定度的特点，并且恒温晶振的输出频率具有较高的短期稳定性的特点。使用卫星授时信号对恒温晶振进行驯服，驯服后的恒温晶振作为频率源能够输出高精度的频率信号，从而可以构成基于卫星授时的高精度时间同步系统。
　　本文在基于卫星授时的高精度时间同步方法研究中，利用卫星接收机锁定卫星后输出1PPS信号，将该信号作为参考频率信号；在FPGA中实现倍频，分频和时间间隔测量功能，FPGA中对恒温晶振进行倍频和分频处理，时间间隔测量方法使用脉冲计数法，测量恒温晶振分频1Hz信号和1PPS信号之间的时间间隔差值，测量完成后产生中断；数据处理模块从 FPGA中读取时间间隔差值，通过滑动中位数算法剔除数据序列中的异常值，然后采用无偏 FIR滤波算法对时间间隔差值进行处理，消除毛刺和减弱随机抖动，得到相对真实的时间差值，最后使用数字 PID控制算法计算出控制量；通过高性能的DA转换模块将控制量转换成模拟电压输入到恒温晶振的压控输入端，调节恒温晶振输出稳定，最终实现1PPS信号与恒温晶振的分频信号保持高度同步，误差在30ns以内。最后，考虑到卫星信号容易受到干扰或丢失，无法作为参考频率信号使用，本文论述了利用预测控制算法依靠历史数据对晶振进行调节，使其输出频率在一段时间保持较高的精度。在基本原理的基础上设计了一个基于卫星授时的时间同步系统的样机，介绍了系统的相关硬件设计和软件设计流程，以及滤波和控制算法的实现等。设计了上位机软件对系统进行了测试，通过分析实验的数据，利用该方法可以在一定程度上改善恒温晶振的长期平均准确度和长期稳定度，作为高精度时间同步系统的频率源。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 高精度时间同步应用现状

1.3 国内外研究现状

1.4 课题研究内容及文章组织结构

1.5 本章小结

2 基于卫星授时的时间同步技术

2.1 时间系统

2.2 卫星授时时间同步

2.3 晶振原理及特性

2.4 本章小结

3 系统总体设计和晶振模型建立

3.1 总体设计

3.2 时间间隔测量方法

3.3 晶振模型的建立

3.4 本章小结

4 数据处理算法分析和性能评估

4.1 滑动中位数算法

4.2 无偏FIR滤波算法

4.3 PID控制器

4.4 基于无偏FIR滤波的PID控制器

4.5 守时算法

4.6 本章小结

5 系统实验结果与分析

5.1 系统工作原理

5.2 上位机测试

5.3 系统性能测试

5.4 本章小结

6 结论

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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