gps基频率标准的发展与应用

gps基频率标准的发展与应用

1gps基频率标准gps基频率标准是指与gps系统相结合，具有自动调节频率的频率标准源。GPS基频率标准根据GPS卫星系统发射的信号不断测量、校准、同步本地振荡器的输出信号,使振荡器同步于GPS系统,从而能够得到更高准确度和长期稳定度的时间频率参考信号。GPS基频率标准也常被称作GPS驯服振荡器(GPS-DO,GPSDisciplinedOscillator)、GPS时间频率接收机(GPSTimeandFrequencyReceiver)、GPS同步时钟(GPSSynchronizedClock)等。由于以GPS为代表的卫星导航系统具有全地域、全天候、高精度、设备价格低廉等优点,已成为目前应用最广、精度较高的一种时间和频率传递技术手段。基于GPS授时技术的频率标准是以GPS为代表的卫星导航系统的又一个开创性应用,与传统的频率标准相比具有无频率漂移、低维护费用、可靠性高等特点,因此GPS基频率标准近年来在电信、3G通信、数字广播、航天测控、天文观测、计量校准等领域得到了广泛的应用。2gps基频率标准与长波、短波、罗兰C、广播电视等无线电授时技术相比,以GPS为代表的卫星导航系统是目前授时精度较高、应用最广的一种授时技术。GPS时间系统由守时钟组、星载原子钟、监测站、用户接收机等几部分组成。GPS时间基准是由美国海军天文台(USNO)几十台铯、氢原子钟组成的守时钟组维持的,并通过国际间的时间比对溯源到UTC时间。GPS时间系统具有世界上最优良的长期稳定性和平均准确度,能够达到10-14量级的日稳定度。用户接收机接收卫星信号并计算还原出GPS时间或UTC时间,从而实现GPS系统的单向授时。但GPS授时技术也存在一定局限性,由于受卫星星历误差、传播延迟误差、接收机算法、硬件技术等因素的影响,GPS定时脉冲信号抖动较大(一般有50~100ns),而且微弱的GPS卫星信号易受遮挡或干扰而影响授时的可靠性和自主性。一般的GPS接收机只能输出时间基准信号,而不能同时输出标准频率信号。目前应用最多的频率标准源有石英晶体振荡器、铷原子钟、铯原子钟、氢原子钟等类型。在实际工程中应用最多的还是晶体振荡器、铷原子钟两类振荡源,它们有较好的短期稳定性和性价比优势,但存在着频率漂移、复现性差等问题,需要进行周期性的计量校准。铯、氢原子钟具有较好的频率准确度和稳定性,但由于具有较高的价格和维护费用,因此通常只应用在电信、计量校准、守时实验室等关键部门。从上面分析可以看出,单纯的GPS接收机只能提供高精度的授时信号,而不能输出频率信号;单纯的频率标准只能提供高稳定度的频率信号或用作守时钟维持时间,并不能提供时间基准信号。因此融合了低价位GPS接收机和晶体振荡器组成的GPS基频率标准,则提供了一个更好的时间频率基准方案,具有以下特点:·优异的平均频率准确度,频率输出没有长期漂移;·使用寿命长,不存在铯束管更换的成本问题;·能同时输出多种时间和频率参考信号;·成本和维护费用低廉。2.1相位比较器时基辅助测量一般的GPS基频率标准至少包括晶体振荡器、GPS接收机、相位比较和同步模块等3部分,结构原理图如图1所示。GPS接收机主要用于提供1·10-6参考信号,为系统提供时间参考基准。目前市面上常见的低价位GPS接收机能够达到50~100ns的授时精度,有的专用授时型GPS接收机更能提供10~20ns的授时精度。振荡器用于输出高稳定度的频率信号,振荡器同时还应具备频率调节能力。一般的高稳晶振和铷原子钟输出5MHz或10MHz的参考信号。相位比较器包括了相位比对、时间同步等功能。振荡器输出的参考频率信号经分频后产生1·10-6信号,送到相位比较器与GPS秒脉冲信号比相。目前常采用时间间隔计数器(TIC)来实现相位测量功能,内部振荡器同时作为时间间隔测量的时基参考,测量振荡器秒脉冲与GPS秒脉冲的时间差。通过微处理器(单片机或DSP处理器)实时计算得到振荡器输出频率相对于GPS系统的准确度,通过闭环回路反馈调节振荡器的输出频率,从而能够提高振荡器输出频率的准确度,就像使振荡器“驯服”在GPS系统上一样。高稳晶振经过GPS驯服前后的频率准确度曲线如图2所示。另一路秒脉冲信号经与GPS秒脉冲同步后作为主时基输出,由于该信号是内置振荡器分频产生的,而又锁定同步于GPS系统,该时间基准能够大大降低GPS秒脉冲信号跳变带来的影响,同时又具有更高的长期稳定性能。GPS接收机输出的秒脉冲信号和GPS控铷钟分频秒脉冲信号分别相对于铷原子钟时间基准的时差变化曲线如图3所示。2.2保持模式和性能GPS基频率标准可分为以下几种工作模式:驯服模式:当GPS和振荡器均预热工作正常后,GPS基频率标准进入驯服模式。GPS基频率标准按照一定的校准周期根据测量结果不断调节振荡器输出频率,当振荡器输出频率偏差进入到一定小的范围内或者系统调节完成后,系统停止调节振荡器。当振荡器老化过快或者GPS重新锁定后,系统重新进入驯服模式。学习模式:该模式常适用于高性能的GPS驯服晶振类频率标准。由于高稳晶振本身存在着近似线性老化的现象,系统在驯服过程中会不断测量、“学习”晶振的老化趋势,并记录于板载存储器中。保持模式:当GPS接收机工作异常时(卫星信号受遮挡或干扰等),GPS接收机授时精度下降很多。系统自动进入保持模式,依靠振荡器稳定的守时性能继续提供高稳定度、高准确度的时间和频率信号输出。一般来说,刚刚切换至保持模式时的GPS基频率标准具有最佳的准确度和短、中期稳定度。具备“学习”算法的GPS驯服高稳晶振会根据记录的晶振老化特性,继续在一定时间内调节晶振频率,从而具有更优良的保持性能,这种保持特性对于CDMA基站、测控设备等关键应用来说十分重要。当GPS重新锁定工作正常后,系统重新进入驯服模式。2.3gps基频率标准国外在GPS基频率标准类设备方面的研究和应用比较早,目前在市场上见到的也多是国外产品。商用GPS基频率标准产品说明书中通常给出的指标有日平均准确度、短期稳定度、保持精度等,其含义分别是指:日平均准确度:输出频率信号1d内的相位变化量,一般在1·10-11~1·10-12量级;授时精度:相对于UTC时间的授时精度;保持精度:GPS失锁24h后的频率和时间漂移;稳定度:描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量,数学表征用Allan方差的平方根值;相位噪声:频率稳定度在频域特性的表征,一般用单边带相位噪声表示;面向电信部门应用的GPS基频率标准还会提供MTIE、TDEV等参数指标。在实际应用中,不同厂商、不同型号的GPS基频率标准的性能是不同的,我们应当综合考虑以上指标。例如大部分商用GPS基频率标准产品只给出日平均准确度,但该指标并不能代表该产品的实时准确度性能。部分内置普通高稳晶振的GPS时钟虽然给出平均准确度是1·10-12,但秒稳定度只有5·10-11甚至更差,也就是说其实时准确度在10-11量级。有的产品给出一个准确度统计概率值,例如<1·10-10(90%)的GPS基频率标准是指在90%的置信区间内准确度<1·10-10,这种表述方法就比较严谨科学。3gps基频率标准GPS基频率标准是近些年来才得到认可和广泛应用的一类时间频率设备,这类设备不同于传统的晶振、原子钟等频率标准,因此如何对GPS基频率标准进行全面的计量与测试,就成为了时频计量校准领域一个崭新的课题。首先分析一下影响GPS基频率标准输出不确定度的主要因素有:卫星星历数据。商用GPS基频率标准使用的是GPS卫星发播的1.1575GHz频率的标准定位服务(SPS)数据,使用的时间信息可溯源到美国海军天文台(USNO)。卫星星历数据中包含卫星位置误差和卫星钟差。GPS卫星发播的星历数据实时定轨精度为2~5m,而采用IGS发布的预测或事后精密轨道数据能够得到10cm甚至更高的定轨精度。星载原子钟钟差通过模型预算得到3m(即10ns)左右的精度。大气延迟误差。GPS卫星信号经过大气传播时,易受电离层、对流层等大气传播延迟误差的影响,不同时间、不同天气所产生的大气延迟是不同的。普通商用GPS接收机采用模型修正的方法能够修正部分大气传播误差达到10ns以内的精度。GPS接收机。GPS接收机可以采用多种方法来跟踪和选择卫星,以及采用不同的电离层修正、卫星时钟修正、世界时修正等测量处理算法和设计准则,从而得到的定位或授时结果精度是不同的。目前已有专用授时型GPS接收机支持自动平均定位、位置保持工作模式等功能,以提高授时精度。振荡器的特性。尽管GPS频率标准所使用的GPS数据是一致的,但是频率精度的提高却与振荡器的性能直接相关,不同类型的振荡器将直接决定了GPS基频率标准产品的性能和价格。一个商用GPS基频率标准,即使装备同样的GPS接收机、处理算法和控制模块,也会因为振荡器的不同而产生不同的频率输出性能。一般来说采用铯原子钟、铷原子钟、高稳晶振、温补晶振作内置振荡器的GPS基频率标准性能依次下降。不同类型振荡器对GPS基频率标准指标的影响如表1所示。频率控制算法。采用不同的频率控制算法和驯服周期对GPS基频率标准的性能影响很大,也真实反映了各研制厂商的技术能力。一般来说驯服周期太短,将会造成输出频率的波动太大;驯服周期越长,对短期频率稳定度影响越小,但平均准确度可能会下降,常见GPS驯服晶振的驯服周期在几十秒至几万秒之间。根据驯服原理的不同,GPS基频率标准又可以分为频率调节和相位调节两种,前者主要侧重于频率准确度的同步,后者则更侧重于秒脉冲信号的相位同步精度。4gps卫星-usno溯源链溯源性是指“通过具有不确定度的不间断的比较链,使测量结果或测量标准的量值能够与规定的参照标准、国防最高标准、国家标准乃至国际标准联系起来的特性。”GPS基频率标准的溯源链如图4所示。过程一:美国NIST和USNO,以及其他国家标准实验室溯源到BIPM,不确定度很小(1·10-14过程二:NIST跟踪GPS卫星信号,并每天发布卫星溯源数据,不确定度较小(1·10-13过程三:GPS传播产生一定的不确定度,包括卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应、接收机测量误差等,不确定度与平均周期有关(<1·10-12,24小时平均)。GPS卫星-USNO溯源链参见/gps_datafiles.html数据。过程四:GPSDO频标产生的不确定度,包括振荡器性能、驯服算法等。溯源链示意图如图4所示。通过BIPM公布的CircularT月刊数据使NIST和USNO的原子钟溯源到UTC时间基准;而NIST公布NISTGPSDataArchive数据文件,得到每天GPS卫星相对于NIST频率的溯源性。以上数据都可以从互联网上公开得到,从而使GPS卫星溯源到国际协调时上,同时这个不确定度是十分微小的。尽管来自卫星的GPS数据可溯源到公认的基准,但仅依靠卫星数据的GPS溯源路径是间断的,它还要依赖于GPS接收机的运行、振荡器等固件性能、相关的算法和频率控制方法。因此有必要对GPS基频率标准和测试产品进行计量校准。对GPS基频率标准的计量校准过程中应当注意以下问题:4.1gps基频率标准是指断开GPS天线状态下内置振荡器自由运行状态的测试,包括频率稳定度(时域和频域)、日老化率(漂移率)等。频率稳定度:GPS基频率标准输出频率主要对内置振荡器输出参考频率分频、倍频或合成后输出各种时间和频率信号,因此内置振荡器的频率稳定性直接决定了GPS基频率标准输出频率的稳定性。另外GPS基频率标准常提供多路时间和频率编码分配输出,分配输出电路设计也会降低最终频率输出的稳定度。老化特性:当GPS接收机受到遮挡或者干扰不能正常工作时,GPS基频率标准进入保持工作模式,主要依靠内置振荡器继续守时,内置振荡器的老化特性直接决定GPS基频率标准的保持精度。4.2测试指标和方法指GPS接收机正常工作、GPS基频率标准处于驯服状态下的性能测试,应包括平均准确度、频率稳定度、保持精度等测试项,考核由GPS接收机、频率控制算法等引入的不确定度因素。频率稳定度:GPS基频率标准是按照一定的驯服周期校准内置振荡器的,调节控频过程中提高了内置振荡器的准确度,同时会降低振荡器输出频率的稳定性。商用GPS基频率标准的驯服周期在几十秒至几万秒之间,如HP58503GPS时间频率接收机的默认校准周期约700s,而按照晶振测试项目仅仅测试其10s以下的短期频率稳定度是不能全面反映设备性能的。由于GPS基频率标准能够将振荡器输出频率准确度提高一个数量级,因此在实际测试时可以参照铷、铯原子钟的检定规程测试其长期稳定性能,即GPS驯服晶振参照铷原子钟的检定要求,GPS控铷原子钟参照铯原子钟的检定要求。平均准确度:日平均准确度指频标输出频率信号1日内的相位变化量。由于GPS基频率标准不断的调节内置振荡器的输出使之同步到GPS系统上,因此应当具有和GPS系统等量级的平均准确度和日稳定度。但是不同厂家、不同型号的产品采用了不同的内置振荡器、GPS固件、频率控制算法,其频率控制能力是不同的,因此需要测量多天相位变化量结果进行统计,参考文献中给出了GPS控石英晶振日平均准确度的计算方法,连续测量7日相位变化量,取7个日平均准确度的最大值。保持精度:保持精度是指GPS失锁24h后的频率和时间漂移量,该指标对于电信、广播等应用来说比较重要。但作者认为该指标是由内置振荡器本身的老化特性决定的,无保持精度指标的GPS基频率标准给出老化特性测试结果应更加科学。授时性能:GPS基频率标准输出的时间基准信号虽然同步于GPS系统,但是同样会因为振荡器、频率控制算法的不同而引入不确定度因素。建立时间基准的实