星载光谱仪本地时钟源设计与研发

摘要

空气质量和气候改变与大气环境状态密切相关。每种污染物都有自己的光谱特征，通过光谱数据库和多组分光谱气体数值算法可以实现污染物的定量分析。星载光谱仪可以实现全球覆盖，反演空气污染的形成、演变和输送过程。
　　遥感卫星环绕地球高速运行，微小的时间误差会导致巨大的观测误差，因此遥感设备需要设计本地时钟源对卫星平台时钟进行跟踪和倍频，输出的高精度本地时钟记录星载光谱仪起始曝光时刻。另一方面，工作在太阳同步轨道的遥感卫星由于通讯误码等原因导致卫星时钟不正常翻转造成的错误需要设计本地时钟源通过纠错策略进行校正。
　　数字锁相环设计是时钟同步和倍频的关键技术，而长周期输入信号和大倍频系数从两方面增加了设计难度。基于卫星时钟和本地时钟授时误差互补的特点，本文提出了一种针对GPS秒脉冲同步和10000倍倍频条件下快速锁定的数字锁相环设计方法，晶振的累积误差通过相位跟踪被有效抑制。在经典数字锁相环的基础上增加了可调增益的放大模块，通过基于双D触发器型数字鉴相器改进的时序数字鉴相器和比例积分滤波器实现了对输入GPS秒脉冲的快速捕获和跟踪。通过建立时域、Z域和S域近似模型分析了数字锁相环的响应特性，用现场可编程门阵列予以实现。
　　针对GPS秒脉冲和广播时间包随机出现的不正常翻转、丢失等问题，提出了一种基于现场可编程门阵列的星载设备光谱仪本地时钟源纠错策略。通过本地晶振计数产生本地秒脉冲和本地时间包分别与GPS秒脉冲和广播时间包比较，通过差值判断GPS秒脉冲和广播时间包状态，根据连续接收正常状态GPS秒脉冲和广播时间包个数判断其是否可信，进而做出决策决定本地秒脉冲和本地时间包是否与GPS秒脉冲和广播时间包同步，实现本地时钟的稳定输出。
　　通过上位机和单片机模拟卫星平台，使用FPGA完成上述星载光谱仪本地时钟源设计，搭建实验室测试平台完成测试。通过运12机载试验飞机平台和机载光谱仪完成机载遥感平台的测试。
　　实验表明，本设计实现的数字锁相环最短可以在5个输入时钟周期内进入锁定状态，稳定工作时每秒累积误差小于0.1ms，在实际应用中可以稳定输出高频时钟，满足遥感设备时钟同步和倍频的需求。发生异常时，本地时钟可以使用惯性数据流实现稳定输出，卫星时钟恢复正常后，本地时钟亦可以在5个时钟周期内与其同步。对机载遥感图像的帧号和成像时间进行线性拟合，得到其校正决定系数为1，斜率误差在10-7数量级，具有良好的线性度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．1．1 卫星的时间系统

1．1．2 成像光谱数据格式

1．1．3 遥感卫星轨道参数

1．1．4 1553B总线协议

1．1．5 GPS秒脉冲和广播时间包数据格式

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要工作

1．3．1 纠错模块

1．3．2 数字锁相环

1．3．3 多路时钟输出模块

1．4 论文的组织结构

第2章 时钟同步的数字锁相环基础

2．1 反馈控制系统的分析方法

2．2 锁相环的基本工作原理

2．3 锁相环的分类

2．4 时域和变换域分析及变换域稳定性判据

2．4．1 线性时不变系统

2．4．2 拉普拉斯变换及S域稳定性分析

2．4．3 Z变换及Z域稳定性分析

2．5 本章小结

第3章 数字锁相环设计及变换域分析

3．1 数字锁相环设计

3．1．1 整体设计

3．1．2 数字鉴相器

3．1．3 数字环路滤波器

3．1．4 数控振荡器

3．1．5 分频模块

3．2 数字锁相环的程序实现

3．2．1 数字锁相环的整体设计

3．2．2 基于鉴频鉴相器的时序数字鉴相器的程序实现

3．2．3 比例积分滤波器的程序实现

3．2．4 N分频计数器型数控振荡器的程序实现

3．2．5 分频模块的程序实现

3．3 数字锁相环的时域及变换域分析

3．3．1 时域分析

3．3．2 Z域及小信号模型分析

3．3．3 S域近似及稳定性分析

3．4 实验测试及结果分析

3．5 本章小结

第4章 卫星时钟纠错策略及时钟输出

4．1 错误分析

4．1．1 GPS秒脉冲和广播时间包正常工作模式

4．1．2 GPS秒脉冲和广播时间包异常状态

4．2 纠错策略

4．2．1 GPS秒脉冲的纠错方法

4．2．2 广播时间包的纠错

4．3 时钟输出电路模块设计

4．4 纠错策略及时钟输出的程序实现

4．4．1 整体设计

4．4．2 GPS秒脉冲纠错的程序实现

4．4．3 时间包纠错的程序实现

4．4．4 分频模块的程序实现

4．5 实验测试及结果分析

4．6 本章小结

第5章 系统测试平台及结果分析

5．1 实验室测试平台

5．1．1 上位机

5．1．2 单片机

5．1．3 FPGA

5．2 遥感测试平台

5．3 测试数据及分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果