GPS定位系統(tǒng)是靠車載終端內置SIM通過移動GPRS信號傳輸?shù)胶笈_來實現(xiàn)定位。在遠的地方定位人的行蹤。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的前身是美軍研制的一種“子午儀”導航衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS全球定位系統(tǒng)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航GPS定位系統(tǒng)。
GPS定位系統(tǒng)工作原理是由地面主控站收集各監(jiān)測站的觀測資料和氣象信息,計算各衛(wèi)星的星歷表及衛(wèi)星鐘改正數(shù),按規(guī)定的格式編輯導航電文,通過地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。測量定位時,用戶可以利用接收機的儲存星歷得到各個衛(wèi)星的粗略位置。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自身位置,由計算機選擇衛(wèi)星與用戶聯(lián)線之間張角較大的四顆衛(wèi)星作為觀測對象.

GPS接收機正常工作的條件是至少同時可以接收到4顆衛(wèi)星的有效信號,當接收到的衛(wèi)星個數(shù)少于4顆時,定位和定時信息是不準確的甚至是錯誤的。出現(xiàn)這樣的原因一般有:個別衛(wèi)星退出工作、天線安裝位置不當、衛(wèi)星故障等, 這些都有可能造成接收到有效信號的衛(wèi)星個數(shù)過少。

而且有實驗證明即使將接收天線從接收機上拔掉,在其后的很長一段時間內GPS接收機仍有PS輸出,但此時的1PS與UTC已經(jīng)有很大的差別,由此可見,GPS接收機完全有可能輸出錯誤的lPPS信號。另外,信號在傳遞過程中受到來自外界電磁信號的干擾,GPS接收機輸出的1PPS信號中可能含有毛刺,導致偽1PPS信號的產(chǎn)生,從而導致系統(tǒng)的誤動作,因此有必要采取抗干擾措施。這里采用硬件開窗方法消除干擾2,原理如圖4.1所示。

圖中的CLK信號由高穩(wěn)定度的恒溫晶振提供,在系統(tǒng)上電復位后,啟動單片機的串行通訊口,接收GPS信息,根據(jù)解碼信息中的工作狀態(tài)指示判斷PPS的有效性。當初始觸發(fā)分頻信號到來之后,通過控制信號設置FPGA中的計數(shù)器在接收到的GPS1PS上升沿的附近產(chǎn)生一個短時間的高電平窗口信號,相當于一個與門,過濾掉窗口外的干擾信號。

另外,通過單片機自帶的外部中斷模塊來對去掉干擾后的PPS信號的上升沿進行檢測,根據(jù)檢測結果判斷GPS接收機是否正常工作,來決定系統(tǒng)的工作模式是馴服模式還是保持模式,具體消除1PS中干擾脈沖的波形圖如圖4.2所示。

下面主要介紹處理干擾時的重點:

1.初始觸發(fā)分頻信號的判斷

系統(tǒng)初始化后,用單片機的外部中斷連續(xù)三次檢測來自GPS接收機的1PPS信號,如果三次都檢測到則給出初始觸發(fā)分頻信號。

2.設置合理的“窗口”信號

由于OCXO恒溫晶振的輸出頻率比較穩(wěn)定,當初始觸發(fā)分頻信號到來吋刻起,利用FPGA中的計數(shù)器和OCXO石英晶體振蕩器輸出的倍頻信號可以大致計算出下一個有效PPS脈沖的到來時刻,經(jīng)過(1-△)秒后打開“窗口”,在計算得到的第二個PPS脈沖的到來時刻

后的M秒后關閉該“窗口”,只要M選擇得足夠小,則抗干擾效果就非常的明顯。

3.GPS信號的失效檢測及處理

對于整個馴服系統(tǒng)來說,GPS信號丟失會產(chǎn)生嚴重的后果,原因可能是接收機接收到的衛(wèi)星個數(shù)少于四顆,如上面所說的天線的安裝問題等,使接收機處于非正常工作狀態(tài)。或者是GPS接收機與單片機模塊或者與門邏輯的接口出現(xiàn)問題,使GPS秒脈沖信號或時間狀態(tài)信息不能正常傳輸。

假如是第一種情況,接收模塊可通過GPS接收機串口輸出的狀態(tài)信息判斷其輸出信號是否失效,后面的軟件程序作出相應的處理。假如是第二種情況,屬于兩種功能模塊之間的通信故障,系統(tǒng)相關模塊不可能從GPS接收模塊獲得GPS的工作狀態(tài)信息或者秒脈沖信號,GPS_1PPS秒脈沖入口處的電平不會出現(xiàn)任何變化。

此時,相關模塊必須有獨自判斷GPS是否失效的能力?？梢栽?/span>“窗口”信號開通期間使用單片機相關外部中斷模塊,如果沒有檢測到正確跳變,說明GPS信號失效;如果“窗口”信號開通期間相關中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說明GPS信號可能已恢復正常,此時系統(tǒng)可以繼續(xù)對恒溫晶體振蕩器OCXO進行校準。

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1880年法國物理學家居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應。當在石英晶體的某個固定的方向加上壓力后,晶體的內部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,并且在對應的兩個表面上分別產(chǎn)生正負電荷。當去除所加的壓力后,石英晶振晶體表面的正負電荷又會消失,恢復到原來沒有加壓力的狀態(tài);當所加的壓力改為拉力后,晶體表面產(chǎn)生的正負電荷的極性也會隨之改變。石英晶振晶體表面所產(chǎn)生的電荷量與所加的壓力或拉力的大小成正比。這種將機械能轉化為電能的現(xiàn)象就稱為正壓電效應。

相反,如果在石英晶體的極化方向上外加交變電場時,就會使晶體產(chǎn)生膨脹或縮小的機械變形。當去掉所加的交變電場后,該石英晶振晶體的機械變形也隨之消失,恢復到原來的狀態(tài)。這種電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”.自然界中雖然有很多晶體都具有上述壓電效應,但是石英貼片晶振晶體結構簡單,做成的振蕩器精度高,頻率穩(wěn)定,因此是比較理想的材料。

圖2-1是正壓電效應和逆壓電效應的示意圖。表示某一非中心對稱的壓電石英晶體在某一平面上的投影,當其兩側受到一定外力時的情況。其中(a)表示當石英晶振晶體不受外力時,正電荷與負電荷的中心重合。晶體的電極化強度為0,晶體表面就不帶電荷。(b) 表示在(a)中的晶體兩側加上壓力后,產(chǎn)生電極化現(xiàn)象。即晶體發(fā)生壓縮變形使得正電荷與負電荷的中心分離。為此,石英晶振晶體就顯示有電偶極距,電極化強度就不再等于0晶體表面分別出現(xiàn)了正、負電荷。(c)中則表示將晶體兩側的壓力改為拉力后,因為石英貼片晶振晶體產(chǎn)生膨脹變形后正電荷與負電荷的中心分離方向與(b)中的正好相反,所以晶體兩側表面所帶的正、負電荷情況也正好相反。

如果在石英晶振晶體兩側的表面鍍上金屬電極后, 當在其表面加上壓力或拉力時,都可以利用儀表測得晶體兩側表面的電位差。只是金屬電極上由于靜電感應產(chǎn)生的電荷與石英晶體表面出現(xiàn)的束縛電荷極性相反。如(d)、(e) 所示,它們分別表示(b)、(c)在加壓力的面或加拉力的面鍍上金屬電極的情況。當施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向一致時,稱為縱向壓電效應。也有一些壓電材料,施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向是垂直的,這種現(xiàn)象則被稱為橫向壓電效應。相反,如果壓電石英晶體在電場中,出于電場的作用,使石英晶振晶體正電荷與負電荷的中心發(fā)生分離。這種極化現(xiàn)象則會導致石英晶體,石英晶體振蕩器的變形,這就是電致變形,也就是逆壓電效應.

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晶振作為測量元件時的重要性能參數(shù)

石英晶振本身具有很多性能參數(shù),除了前面所提及的串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率外,還有制造公差、拐點溫度等,已經(jīng)有很多文獻對此作了論述但對于測量來說,選用石英晶體的重要原因是因為它的高頻穩(wěn)定性和極小的振幅。所以本文只對晶體的品質因數(shù)、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進行了論述。

  晶體的品質因數(shù)Q是晶體的最重要參數(shù)。在一定程度上,當其他條件相同時,Q值越高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高,石英晶振晶體的品質因數(shù)Q是由晶體的動態(tài)參數(shù)決定的,即：

其中ω為測試系數(shù)。

晶振的品質因數(shù)通常不作規(guī)定,對于標準部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達5×10°,這比傳統(tǒng)的微懸臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶體諧振器的頻率一電流特性,就是激勵電平和諧振頻率的關系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵電平通常以晶振的耗散的功率、流過晶振的電流以及晶振兩端的電壓來量度,晶振電流的變化使其串聯(lián)諧振頻率發(fā)生交化。石英晶振的諧振頻率相對變化與晶振電流的關系,可以用下面的近似關系表示：

其中D是振的電流常數(shù)

從上述關系式可以看出,當激勵電平增大時,產(chǎn)生了以下影響:(1)頻率產(chǎn)生了漂移,長期穩(wěn)定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數(shù)發(fā)生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵電流增高,晶振的頻率穩(wěn)定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當晶振的激勵電平過高時,使得石英貼片晶振被加熱到熱平衡的溫度也引起了頻率變化。(3)產(chǎn)生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內部分子運動加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實際測量中,當激勵電流過大時,石英貼片晶振振蕩的幅值過大,導致測量的精度下降,同時不易控制樣品表面與針尖之間的距離,所以一般不能采用較高的激勵電流。但是激勵電平也不能過小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態(tài)穩(wěn)定性變壞,這樣獲得的圖像質量就比較差。

晶振的另外一個值得注意的參數(shù)是晶振的頻率一溫度特性,所謂晶振的頻率一溫度特性就是石英晶振的諧振器的頻率隨溫度變化而變化的特性。晶振的工作溫度變化時,晶格變形,從而使得其串聯(lián)諧振電路發(fā)生變化。石英晶體諧振器在溫度較窄的范圍中,具有較小的溫度系數(shù),這就是說頻率受溫度的變化的影響比較小。但隨著溫度變得較低(<50°C)和變得較大時(>80°C)時,石英諧振器的頻率隨著溫度的變化有較大的變化。在國外的文獻中已經(jīng)有報道將晶振放在真空、低溫、強磁場的環(huán)境下進行測量,這時晶振的頻率將與常溫時有

明顯的不同,而且石英晶體諧振器切型不同,晶振頻率的變化方向也不同,所以在實驗室應該對測試溫度和環(huán)境加以控制。同時由于測試環(huán)境的變化,如何保持儀器的穩(wěn)定性, 也是一個值得注意的問題。

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恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩(wěn)定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好,作為精密的時頻信號源被廣泛用于全球定位系統(tǒng)通信、計量、頻譜及網(wǎng)絡分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數(shù)高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法,使用精密的恒溫控制槽,將槽內溫度調節(jié)到晶體諧振器的零溫度系數(shù)點上。這樣,能最大限度地克服溫度對晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標準頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個基本組成部分。

1.高精密的石英諧振器

石英諸振器是振蕩電路的核心元件。正確選擇切角是制作頻率溫度系數(shù)好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內使用的石英晶體諧振器更是如此。目前恒溫晶體振蕩器中常用的石英諧振器有AT切和SC切兩種。它們具有頻率溫度系數(shù)小,Q值高,老化效應小等特點。

2.穩(wěn)定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩(wěn)定度高,除了在控溫電路方面要達到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩(wěn)定性也是起決定性作用的。恒溫晶體振蕩器中振蕩電路的基本功能就是把直流電能轉變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩(wěn)定的交流電能,這種轉換是在石英諧振器的參與下進行的。其中最突出的問題就是頻率的穩(wěn)定性。所以分析、設計振蕩電路都以此為前提。

3.結構完善、溫控良好的精密恒溫箱

精密恒溫箱是由恒溫槽,溫度控制電路及其它輔助裝置組成的恒溫系統(tǒng)。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩(wěn)定在石英諧振器的拐點溫度處,從而充分發(fā)揮拐點溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數(shù)小的特性,使其得到合理使用。設計一個符合要求的恒溫槽和選擇一個性能良好的溫度控制電路對穩(wěn)定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器,不但應具有穩(wěn)定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩(wěn)定,兩者缺一不可。隨著對晶體振蕩器穩(wěn)定度要求的逐步提高,對恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩(wěn)定度在100~10量級的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應在0.001℃以內。

隨著通信技術的不斷提高,對恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩(wěn)定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動、小型化方向發(fā)展。

晶振的相關數(shù)學定義

假設晶振輸出信號為正弦波,其數(shù)學模型可以表示為:

式中VO為標稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,fr為標稱頻率。

瞬時頻率為:

相對頻率偏移為：

式中x(t)=為時間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時頻率的常用公式為:

式中f(t)為t時刻的瞬時頻率值,fO為t=0時刻的頻率值,fr為標稱頻率,D(t)為頻率漂移率。

由式(2-7)和(2-9)可推導出:

式中,y為初始相對頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時間偏差,也叫做同步誤差。

一般性能比較好的石英晶振,日老化率近似為常數(shù),特別是對于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對實際頻率的影響。很多晶振的老化指標用的是年老化率,如±0.05ppm( Part per Million),一般情況下我們可以近似得出日老化率, 大概為年老化率的百分之一。

假設晶振老化率為常數(shù),式(210)變?yōu)椋?/span>

其中當|Bt|<<1時,有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變?yōu)槭?/span>(2-12)的形式:

y(t)=C+ ABt                              式(2-18)

圖2.4給出了典型的老化率數(shù)學模型?？梢钥闯?b>石英晶振的老化率可以為正數(shù)可以為負數(shù),也可能會產(chǎn)生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標的老化曲線,由于測試曲線的后半段存在參考和被測之間因漂移方向相同的現(xiàn)象,從而導致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數(shù),參數(shù)aj(n),j=1,2,…,M由當前數(shù)據(jù)輸入和上次數(shù)據(jù)輸出迭代估計得到,價值函數(shù)為

通過最小化價值函數(shù),可以得到參數(shù)a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時刻的ao a1…aM后,t(n+l)時刻的相對頻率偏差預測值為:

系列實驗表明,估計性能對d0、d和M的取值不是很敏感,建議取值為d=1~05d(M-1),d=0.1~1.0,M=5~10。加權對數(shù)函數(shù)模型的缺點是計算比較復雜。

2.2.4晶振的頻率溫度特性

除過老化的影響,溫度也是影響頻率變化的主要因素,而不同切型的晶體的頻率一溫度特性是不一樣的,一般AT切基頻晶體的頻率一溫度變化關系都是三次曲線,存在若干個零溫度系數(shù)點,如圖2.6所示。

因此對其進行溫度補償時要采用具有非線性函數(shù)擬合能力的數(shù)學模型。然而由于OCXO恒溫晶振中一般采用SC切晶體,雖然其頻率一溫度變化曲線也是非線性的, 但是其頻率一溫度穩(wěn)定度在寬溫度范圍內較AT切晶體有很大改善,并且由于它將石英晶體、振蕩電路以及部分其它線路置于精密恒溫槽中,恒溫槽的工作溫度選擇在所用晶體的零溫度系數(shù)點處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數(shù)非常小。當恒溫槽的工作溫度波動被控制在很小范圍內時,如優(yōu)于百分之一攝氏度時,其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內,而且正是由于這種恒溫作用,其頻率溫度變化曲線非常接近于線性。所以對OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預測可以采用線性數(shù)學模型, 而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計器,因此用它來擬合OCXO恒溫晶振的頻率溫度特性曲線是合適的。