gps時間的同步處理和發(fā)送的研究--畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　時間統(tǒng)一技術(shù)是由導(dǎo)彈、航天試驗的需要而發(fā)展起來的一門技術(shù)，隨著現(xiàn)代武器裝備、導(dǎo)航、通信、電力等科學(xué)技術(shù)的進步，越來越多的工程和科學(xué)領(lǐng)域需要時間統(tǒng)一。國際標準的IRIG-B格式時間碼（簡稱B碼）作為時間同步標準，在靶場測量、控制、通信、氣象等設(shè)備廣泛采用。</p><p>　　本課題根據(jù)國際通用的IRI

2、G-B格式時間碼，并遵照IV型B碼終端設(shè)計的要求，以Atmel公司的ATmega128單片機作為解調(diào)控制單元，Atmel公司的大規(guī)模可編程器件ATF1508作為分頻鏈和計數(shù)鏈，輔以必要的模擬電路，設(shè)計出B碼時統(tǒng)終端。該終端可以解調(diào)B碼DC碼，AC碼GPS時間信號，將串行時間信息轉(zhuǎn)化為用戶要求的時間序列，并提供系統(tǒng)需要的各種同步信號。此系統(tǒng)同時帶有時間源發(fā)生器，并且內(nèi)部帶有B碼源，將時統(tǒng)終端的時間信息進行調(diào)制成AC碼和DC碼，通過傳輸信道

3、發(fā)回B碼時間分站，以供時間分站對終端設(shè)備進行修時和控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：時統(tǒng)終端 B碼 GPS DC碼 AC碼</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Timing system is a new technology accompanying with requirement ofmis

4、sile and spaceflight.With the developmeng of modern weapons,navigation,communication and electric power,more and more engineering and scientific fields need timing unification.International popular IRIG-B code is used as

5、 time synchronization standard,which,is adopted in device of testing inshooting range,contrlling, communication an weather. </p><p>　　The paper discusses the timing equipment according to format of IRIG-B

6、code and standard of IV timing equipment ,in which,ATmega128single chip computer of Atmel company is used as controlling unit ofdemodulation an ATF1508 FPGA is used as counter chain and frequency chain.The timing equipme

7、ntcan demodulate DC code,AC code of IRIG-B and GPS time,and then transfer serial time to the type that rser needs and give also the synchronization pulse that keep in phase with the time.The timing equipment </p>

8、<p>　　Key words: Timing Equipment B Code GPS DC code AC code</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論- 0 -</p><p>　　1.1時間的概念- 1 -</p><p>　　1.2時間統(tǒng)一

9、技術(shù)- 1 -</p><p>　　1.3論文研究的目的和內(nèi)容- 3 -</p><p>　　第二章 標準時統(tǒng)設(shè)備與IRIG-B碼- 5 -</p><p>　　2.1時統(tǒng)終端- 5 -</p><p>　　2.2 IRIG-B時間碼- 6 -</p><p>　　2.3 GPS- 8 -</p>

10、;<p>　　第三章 B碼時統(tǒng)終端的設(shè)計- 10 -</p><p>　　3.1總體設(shè)計- 10 -</p><p>　　3.2 B碼時間解調(diào)部分的設(shè)計- 13 -</p><p>　　3.3 B碼時間調(diào)制部分的設(shè)計- 19 -</p><p>　　3.4 GPS時間信息的解調(diào)- 21 -</p>&l

11、t;p>　　第四章 可靠性分析- 23 -</p><p>　　4.1 B碼解調(diào)精度分析- 23 -</p><p>　　4.2 B碼終端可靠性分析- 24 -</p><p>　　第五章 發(fā)展和展望- 25 -</p><p>　　5.1時間統(tǒng)一系統(tǒng)的發(fā)展方向- 25 -</p><p>　　5.2時

12、間統(tǒng)一技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用- 26 -</p><p>　　結(jié) 論- 28 -</p><p>　　參 考 文 獻- 29 -</p><p>　　致 謝- 30 -</p><p>　　附 錄1- 31 -</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p&

13、gt;<p><b>　　1.1時間的概念</b></p><p>　　在世界上的多種語言中，時間一詞有著幾種不同的含義。國際電信聯(lián)盟（ITU）在其所推薦的有關(guān)時間頻率的術(shù)語中這樣解釋和定義時間：“在英語中，時間一詞用于說明在一個選定的時間尺度上的一個瞬間?！痹谝环N時間尺度中，它指的是2件事件之間的或1個事件所持續(xù)時間的時間間隔的量度。顯然,時間是一種不可逆的順序事件的連續(xù)集,

14、這和漢語中有關(guān)時間的結(jié)論不謀而合【1】。</p><p>　　至于“時間標準”（Time Standard），ITU-R作了如下定義和解釋：“①用于實現(xiàn)時間單位的設(shè)備；②用于實現(xiàn)一個時間尺度的連續(xù)運轉(zhuǎn)設(shè)備，該時間尺度符合于秒定義和一個適當選擇的原點。”</p><p>　　顯然，其所定義的“時間標準”指的是“設(shè)備”。易于理解的是，這顯然是與無線電計量中的“頻率標準”類比而言的。不管是從其生

15、產(chǎn)的淵源的復(fù)雜性（頻率標準產(chǎn)生的尺度單位和天象決定的時刻的協(xié)調(diào)），還是從實際應(yīng)該的方便性上（時間尺度方便于量值傳遞），已遠遠超出上述設(shè)備含義而形成一個重要的研究和應(yīng)用領(lǐng)域了。</p><p>　　從一般原理上說，周期性的現(xiàn)象或物理過程可以用來計量時間。作為基準，要求這種周期現(xiàn)象必須是惟一的，穩(wěn)定的，可長期穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)的。</p><p><b>　　1.2時間統(tǒng)一技術(shù)</b&g

16、t;</p><p>　　時間統(tǒng)一技術(shù)是由于導(dǎo)彈，航天試驗的需要而發(fā)展起來的一門新技術(shù)，隨著現(xiàn)代武器裝備，導(dǎo)航，通信，電力等科學(xué)技術(shù)的進步，越來越多的工程和科學(xué)領(lǐng)域需要時間統(tǒng)一系統(tǒng)，并且在國防科研中應(yīng)用廣泛。</p><p>　　1.2.1時間統(tǒng)一系統(tǒng)</p><p>　　時間統(tǒng)一系統(tǒng)是向國防科研試驗提供標準時間和頻率信號，以實現(xiàn)整個實驗系統(tǒng)時間和頻率的統(tǒng)一，有各種

17、電子設(shè)備組成的一套完整的系統(tǒng)。完整的時間統(tǒng)一系統(tǒng)的組成由圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 時間統(tǒng)一系統(tǒng)的組成</p><p>　　其中，國家時間頻率基準根據(jù)各國不同情況，大多數(shù)位于天文臺，計量部門或時間頻率標準實驗室。對于某些工作地域較小的國防科研試驗，可不需要與國家時間頻率標準保持一致，可以根據(jù)實際的需要，確定該試驗中心的時間頻率標準作為本系統(tǒng)的時間頻率的統(tǒng)一標準。<

18、;/p><p>　　授時臺可以通過無線電的方式傳遞時間頻率量值，時間統(tǒng)一系統(tǒng)正是基于此，通過授時臺送至各個時統(tǒng)設(shè)備所在地，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的時間統(tǒng)一。對于某些工作地域較小的國防科研試驗，可不需要與國家時間頻率標準保持一致，可以根據(jù)實際的需要，可采用有線或無線信道，將該系統(tǒng)中心的標準時間頻率信號傳送到各個時統(tǒng)設(shè)備。</p><p>　　定時校頻接收機用來接收授時臺發(fā)布的標準時間頻率信號，以實現(xiàn)本地

19、時間和標準時間信號的同步和本地頻率信號與標準頻率信號的校準。條件允許時，時統(tǒng)設(shè)備應(yīng)配置2種精度相當?shù)亩〞r校頻接收機。</p><p>　　頻率標準是向時碼產(chǎn)生器提供標準頻率信號，以讓時碼產(chǎn)生器產(chǎn)生標準時間信號的源，其頻率準確度和頻率穩(wěn)定度直接影響標準時間信號的質(zhì)量。</p><p>　　時碼產(chǎn)生器將頻率標準送來的標準頻率信號通過分頻就可以得到秒、分、時、天等時間標志，但這時的時間并未和標準

20、時間同步。與標準時間對時的過程稱為定時，即用定時接收機送來的標準時間信號同步時碼產(chǎn)生器的時間。時統(tǒng)設(shè)備與用戶設(shè)備的接口稱為標準時碼信號。時碼產(chǎn)生器完成將標準時間編碼成標準時碼信號，為了保證其工作的可靠性均進行冗余設(shè)計。</p><p>　　時碼分配放大器將時碼產(chǎn)生器送來的標準時碼信號，根據(jù)接口標準的規(guī)定，變換為與用戶設(shè)備接口的標準化的時碼信號并經(jīng)分路、放大后送給用戶設(shè)備[9]。</p><p&

21、gt;　　用戶部分采用國際通用的標準時碼信號作為時統(tǒng)設(shè)備和用戶間的標準接口信號，用戶所需的各類時間信號不是由時統(tǒng)設(shè)備直接提供，而是由用戶內(nèi)的時碼接口終端將標準時碼信號作為同步信號來產(chǎn)生自己所需的各類時間信號。</p><p>　　1.2.2時間統(tǒng)一系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標的要求</p><p><b>　　(1)時間同步誤差</b></p><p>　

22、　時間同步誤差可以說是對時間統(tǒng)一系統(tǒng)最基本的也是最關(guān)鍵的要求。時間同步誤差可分為絕對時間同步誤差（即時間統(tǒng)一系統(tǒng)的時間與時間基準之差）和相對時間同步誤差（即時間統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)部各站同步時間誤差）2種。從國防科研試驗測量的機理來看，對測量誤差起主要影響的是相對時間同步誤差。</p><p>　　(2)測量準確度和頻率誤差</p><p>　　當測量設(shè)備的本振頻率需要用時統(tǒng)設(shè)備的頻率標準來校準時，

23、就會對頻率標準的頻率準確度提出要求。此時對頻率準確度的要求是應(yīng)比欲校準的頻率準確度高1個數(shù)量級。</p><p><b>　　(3)頻率穩(wěn)定度</b></p><p>　　頻率穩(wěn)定度表征標準頻率信號噪聲的大小?，F(xiàn)在趨向于測速設(shè)備自配穩(wěn)定度滿足要求的本振源，其頻率準確度可用時統(tǒng)設(shè)備的頻率設(shè)備來校準。</p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備本省出于對保證頻率

24、準確度和所提供時間信號穩(wěn)定性要求等的考慮，也會提出相應(yīng)的對頻率穩(wěn)定度的要求</p><p>　　(4)取樣信號周期抖動</p><p>　　取樣信號的周期應(yīng)該準確、均勻，而且必須與秒信號保持嚴格的同步關(guān)系。大多數(shù)情況下，測量系統(tǒng)僅關(guān)心取樣信號的時刻是否準確，即前面提到的時間同步誤差。但對于測速設(shè)備來說，對取樣信號周期的一致性提出了很高的要求。</p><p>　　1

25、.3論文研究的目的和內(nèi)容</p><p>　　在靶場的許多設(shè)備中，其監(jiān)控系統(tǒng)需要實時記錄各種數(shù)據(jù),同時要打上正確的時間標記。實現(xiàn)的方法是在監(jiān)控系統(tǒng)中配置適當規(guī)模的B碼時統(tǒng)終端，它接收時統(tǒng)主站輸出的IRIG—B碼,產(chǎn)生出適合測控系統(tǒng)使用的時間信號。該終端設(shè)備，往往具備以下3種技術(shù)要求: ①能夠?qū)涣鰾碼和直流B碼進行處理，最終將時、分、秒、毫秒等時間信息以串行BCD碼的形式送入計算機；②能夠準確提取出和主站同步的幀

26、參考點，并提供各種同步脈沖；③在無B 碼的情況下,通過鍵盤預(yù)置時間,最終仍將時、分、秒、毫秒信息及同步脈沖送出。</p><p>　　本論文出于此目的，設(shè)計了基于ATmega128和FPGA技術(shù)的新型B碼解調(diào)終端和接口電路。在本設(shè)計中，采用高速的單片機、超大規(guī)?？删幊碳呻娐泛蜕倭磕M解調(diào)電路相配合的方法，不僅大大減小了B碼終端設(shè)備的體積,而且增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。本論文主要的工作點如下：</p>&l

27、t;p>　　(1)研究了國際通用的IRIG—B格式時間碼，并遵照IV型B碼終端設(shè)計的要求，設(shè)計出的時統(tǒng)終端可以接收B碼DC碼，AC碼和GPS時間信號，將串行時間信息轉(zhuǎn)化為用戶可以接受的時間序列，并提供系統(tǒng)需要的各種同步信號。</p><p>　　(2)該系統(tǒng)同時可以進行時間源選擇，并內(nèi)部帶有時間源發(fā)生器，將時統(tǒng)系統(tǒng)的時間信息進行調(diào)制，調(diào)制成DC碼和AC碼，通過無線信道發(fā)回B碼時間分站，以供時間分站對終端設(shè)備

28、進行修時。</p><p>　　第二章 標準時統(tǒng)設(shè)備與IRIG-B碼</p><p><b>　　2.1時統(tǒng)終端</b></p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備送給用戶的是標準格式的時間編碼信號。然而只有很少的用戶是直接使用這種時間編碼信號的，絕大多數(shù)用戶所需要的各種時間頻率信號都不能從時統(tǒng)設(shè)備直接獲得的。用戶設(shè)備需將接收到的時間編碼信號經(jīng)過譯碼后，使自

29、己產(chǎn)生的各種時間信號與標準時間信號實現(xiàn)同步，完成這一個功能的設(shè)備稱為時統(tǒng)設(shè)備。時統(tǒng)設(shè)備是時間統(tǒng)一系統(tǒng)的重要組成，它是國防科研試驗的重要設(shè)備之一。時統(tǒng)設(shè)備是向國防科研試驗各個參試設(shè)備提供標準時間信號和標準頻率信號的設(shè)備。由于參試各站的設(shè)備實現(xiàn)了時間統(tǒng)一，從而使整個國防科研試驗系統(tǒng)也實現(xiàn)了時間統(tǒng)一。因此時統(tǒng)設(shè)備是國防科研試驗重要設(shè)備之一。時統(tǒng)設(shè)備的組成如圖2.1所示[2]。</p><p>　　圖2.1 時統(tǒng)設(shè)備的組

30、成</p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備提供給用戶設(shè)備的應(yīng)該是標準時間和標準頻率信號。時統(tǒng)與用戶設(shè)備的關(guān)系如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 時統(tǒng)設(shè)備向用戶設(shè)備發(fā)送標準時間碼信號</p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備向各個用戶設(shè)備送出的是與標準時間同步的標準時間碼信號，這個信號既應(yīng)該有用戶設(shè)備所需要的標準時間信號，還應(yīng)該有與標準時間保持高精度同步的時間信號，如秒信號。&

31、lt;/p><p>　　保證系統(tǒng)的時間統(tǒng)一是時統(tǒng)設(shè)備的最根本的任務(wù)。絕大多數(shù)情況下國家時頻基準對系統(tǒng)時間統(tǒng)一的誤差是可以忽略不計的，只有當系統(tǒng)的時間統(tǒng)一的精度達到10ns量級時才需考慮國家時頻基準對時間統(tǒng)一的影響。</p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備設(shè)計或配置也需根據(jù)系統(tǒng)對時間同步精度的要求來確定。尤其是時統(tǒng)設(shè)備中的頻率標準對現(xiàn)實系統(tǒng)的時間同步精確度起十分關(guān)鍵的作用。守時就是設(shè)備保持精密時間的能力。

32、守時的能力是時統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)時間統(tǒng)一關(guān)鍵的指標。</p><p>　　2.2 IRIG-B時間碼 </p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備的體制標準化的關(guān)鍵，是使時統(tǒng)設(shè)備向用戶設(shè)備發(fā)送的時間信號實現(xiàn)標準化。標準化的時間信號應(yīng)是含有時間信息編碼的串行時間碼，該碼應(yīng)有與標準時間精確同步的時間信號，適應(yīng)于信道傳輸，起碼位最好留有適當空位，以便于特殊情況的需要和為今后的發(fā)展留有余地。常見的標準時間碼有IRIG

33、-A時間碼，IRIG-B時間碼, IRIG-G時間碼，NASA36時間碼，XR3時間碼【15】。下面著重對IRIG-B碼進行介紹。</p><p>　　IRIG-B時間碼的實際應(yīng)用廣泛，IRIG-B時間碼中控制功能有27個碼元可供使用?？刂乒δ苁窃谥贫ň幋a標準時保留一些碼元用于各種控制、識別和其他特殊目的的功能編碼，規(guī)定了它僅用于靶場內(nèi)部而不應(yīng)用靶場間。IRIG-B時間碼的時幀周期為1s，每刷新1次時間信息，用戶

34、可每秒與時統(tǒng)設(shè)備同步一次，或每秒鐘1次監(jiān)視同步情況，一般情況下這已滿足系統(tǒng)的要求，因此選用每秒1幀的時間碼是較為合適的。IRIG-B時間碼由于速率適中，編碼的信息量較為豐富，因而是國外大多數(shù)時統(tǒng)設(shè)備采用IRIG-B時間碼的主要原因。</p><p>　　IRIG-B(DC)碼是每秒一幀的時間串碼，每個碼元寬度為10ms，一個時幀周期包括100個碼元，為脈寬編碼。碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿，時幀的參考標志由一

35、個位置識別標志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8ms；每10個碼元有一個位置識別標志：P1、P2、P3、…、P9、P0，它們均為8ms寬度；PR為幀參考點；“1”和“0”分別代表寬為5ms和2ms． </p><p>　　一個時間格式幀從幀參考標志開始。因此連續(xù)兩個8ms寬脈沖表明秒的開始，如果從第2個8ms開始對碼元進行編碼，分別為第0，1，2，…，99個碼元。在B碼時間格式中含有天、時、分、秒，時序為

36、秒－分－時－天，所占信息位為秒7位、分7位、時6位、天10位，其位置在P0～P5之間，P6～P0包含其他控制信息。其中“秒”信息：第1，2，3，4，6，7，8碼元；“分”信息：第10，ll，12，13，15，16，17碼元；“時”信息：第20，21，22，23，25，26，27碼元；第5，14，24碼元為索引標志，寬度為2ms。時、分、秒均用BCD碼表示，低位在前，高位在后，個位在前，十位在后。圖2-3為IRIG-B格式時間碼原始碼.

37、</p><p>　　圖2.3 IRIG-B格式碼原碼</p><p>　　對遠離時統(tǒng)設(shè)備而只有窄帶信道相聯(lián)系的用戶，可以采用B(DC)碼調(diào)制的方法，即將B(DC)碼調(diào)制成B(AC)碼(交流碼也是沿用IRIG標準的稱呼)再進行傳輸【10】。</p><p>　　圖2.4 B(DC)碼與B(AC)碼</p><p>　　B(DC)碼調(diào)制成B(

38、AC)碼的方法如圖2.4所示。它是用B(DC)碼對1kHz正弦信號進行幅度調(diào)制，但是由于B(AC)碼傳送的是精確時間信號，因此與一般的幅度調(diào)制不同：一是1kHz正弦信號必須與產(chǎn)生B(DC)碼的信號共源，這樣可以保持兩者的時間關(guān)系一直不變；二是為了使用戶能得到精確的時間信號，要求B(AC)碼從低幅到高幅的正弦信號的正交過零點(如圖2.4中的A點)與B(DC)碼的準時點(即脈沖前沿)嚴格保持一致。這樣用戶可從對B(AC)碼從低幅到高幅的正交

39、過零點的精密檢測得到精確的時間信號。B(AC)碼高幅與低幅之比，稱為調(diào)制比。</p><p><b>　　2.3 GPS</b></p><p>　　2.3.1 GPS介紹</p><p>　　1973年，為了建立安全的衛(wèi)星導(dǎo)航裝置，美國批準 Timation項目，開始GPS (Global Positioning System)系統(tǒng)的建設(shè)工作

40、。1978年，第一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射成功。到1993，共發(fā)射了24顆衛(wèi)星，建成了新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)。它由分布在6條軌道上距地球大約2萬公里的24顆衛(wèi)星組成，能全球覆蓋、全天候工作、全天24小時連續(xù)實時地向地面用戶提供高精度位置、速度和時間信息。GPS傳遞的時間能在全球范圍內(nèi)與世界協(xié)調(diào)時(UTC) 保持高精度同步，是迄今為止傳播范圍最廣、精度最高的無線電時鐘信號源。</p><p>　　GPS的設(shè)計目的是

41、用于美國的軍事領(lǐng)域，具有很高的可靠性,同時在降低精度的條件下兼供全世界民用領(lǐng)域。因此，在一定意義上講，GPS已成為一項全球共享的高技術(shù)資源。</p><p>　　GPS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星和五個地面站組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆備用，可以保證地球上每一個地點在任何時刻都有四顆衛(wèi)星覆蓋。每一顆衛(wèi)星上都裝有一個精確到十億分之一秒的原子鐘，GPS衛(wèi)星不斷發(fā)射包含其位置和精確時間的數(shù)字無線電信號，同時，每當衛(wèi)星飛越地面站

42、，地面站就對其位置和時間進行校正。GPS接收裝置和當?shù)氐臉藴蕰r間構(gòu)成了一個四維方程，因此，利用四顆衛(wèi)星的信號，便可以精確確定接收裝置的位置和時間。假設(shè)GPS接收裝置的位置為P0 (x, y, z)，接收到第一顆衛(wèi)星的時間和地點信息為T1和P1的當?shù)貥藴蕰r間為t0，接收到第二顆衛(wèi)星時間和地點信息T2和P2的當?shù)貥藴蕰r間為t0+dtl，接收到第三顆衛(wèi)星時間和地點信息T3和P3的當?shù)貢r間為t0+dt2，接收到第四顆衛(wèi)星時間和地點信息T4和P4

43、的當?shù)貢r間為t0+dt3，其中dtl, dt2, dt3由GPS接收裝置本身較為精確的時鐘源提供，通常只需要這個時鐘源的精度同普通石英手表類似就能滿足要求，則可以列出四個方程：</p><p>　　(P1-P0)/(t0-T1)=光速 (2.1)</p><p>　　(P2-P0)/(t0+dtl-T2)=光速

44、 (2.2)</p><p>　　(P3-P0)/(t0+dt2-T3)=光速 (2.3)</p><p>　　(P4-P0)/(t0+dt3-T4)=光速 (2.4)</p><p>　　由此四個方

45、程，可以非常方便地求解出GPS 接收器位置的時間和地點信息。因此，利用GPS 信號，可以非常方便地構(gòu)成一個精確的標準時間同步方法。</p><p>　　2.3.2 GPS授時的優(yōu)勢</p><p>　　GPS不僅是高精度的全球定位系統(tǒng)，也是高精度的實時時間信號源。分散數(shù)千米之遙的各GPS接收機輸出的時間信號1PPS（秒脈沖）與標準時間的最大誤差不超過1uS,授時型OEM板1PPS精度可達5

46、0ns ，所以可以認為是同步的。另外，GPS授時具有抗干擾能力強，保密性好的優(yōu)點。GPS接收機有秒脈沖、毫秒脈沖及時間信息、方位信息輸出，具有標準RS－232串行接口，可供計算機及其它設(shè)備使用。它也能為遙測站的合理布局提供定位依據(jù)[11]。</p><p>　　因此，若分散在各地的各測控設(shè)備都采用GPS時間，則可免去各測控設(shè)備與測控中心之間的時間信息傳遞，減少通訊線路傳遞各種信號的負擔，簡化測控設(shè)備的構(gòu)成，實現(xiàn)高

47、精度的時間同步，而且現(xiàn)在許多靶場測控設(shè)備都采用移動方式，有的甚至沒有傳輸通道，所以GPS授時是靶場測控設(shè)備在未來發(fā)展中的需要，具有良好的應(yīng)用價值。</p><p>　　第三章 B碼時統(tǒng)終端的設(shè)計</p><p><b>　　3.1總體設(shè)計</b></p><p>　　3.1.1系統(tǒng)功能模塊劃分</p><p>　　時統(tǒng)

48、終端為系統(tǒng)提供絕對時間和各種同步脈沖信號。該終端接受中心時統(tǒng)的IRIG-B碼，如果加裝GPS授時板，具備GPS天文授時功能。同時，該系統(tǒng)回送一路AC碼和DC碼作為修時用，向各單元送出各種同步脈沖。系統(tǒng)通過按鍵與液晶顯示與用戶進行交互。</p><p>　　時統(tǒng)終端由主機板、顯示板、接口板、GPS授時板組成，可根據(jù)機箱結(jié)構(gòu)需要靈活組裝。如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1時統(tǒng)終端硬

49、件框圖</p><p>　　各個模塊完成的功能如下：</p><p><b>　　(1)主控板 </b></p><p>　　解調(diào)IRIG-B碼；</p><p><b>　　接收GPS時間；</b></p><p>　　延時修正，修時范圍±999999µ

50、s；</p><p>　　產(chǎn)生秒脈沖以及各種頻率同步脈沖；</p><p>　　產(chǎn)生終端解調(diào)后調(diào)制的回送B碼；</p><p><b>　　(2)顯示板</b></p><p>　　顯示時間、工作方式、工作狀態(tài)等信息；</p><p><b>　　掃描鍵盤；</b></

51、p><p>　　與通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；</p><p><b>　　設(shè)置工作方式。</b></p><p>　　(3)接口板完成TTL-RS485接口的轉(zhuǎn)換功能。</p><p>　　(4)GPS授時板產(chǎn)生GPS時間。</p><p>　　(5)電源模塊采用穩(wěn)壓電源輸入，通過穩(wěn)壓模塊得到+12，-1

52、2,+5，-5伏各種電壓，并自帶濾波電路，保證電壓的穩(wěn)定度。</p><p><b>　　3.1.2原理框圖</b></p><p>　　時統(tǒng)終端原理框圖如圖3.2所示。其中，解調(diào)單片機為ATmega128,利用單片機的內(nèi)部A/D口將AC碼轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，實現(xiàn)數(shù)字化處理，進行數(shù)字化解調(diào)。該單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器有三個，利用其定時器1的輸入捕獲功能可以完成DC碼的解調(diào)。在

53、解調(diào)單片機完成時間同步碼元的檢測后，發(fā)出粗解調(diào)信號給FPGA,以提供精確的準時時刻。</p><p>　　接口電路完成差分信號和TTL電平的轉(zhuǎn)換，并帶有保護功能，保護整個系統(tǒng)的工作不受外界干擾的侵入。</p><p>　　總之，該系統(tǒng)將解調(diào)單元和控制單元進行合理的功能劃分，主控單元完成用戶的按鍵輸入和時間信息的顯示；解調(diào)單元完成時間的解調(diào)和調(diào)制，并給出各種同步脈沖。該系統(tǒng)以國軍標中對B碼終

54、端的要求為藍本，實現(xiàn)了B碼AC碼、DC碼、GPS時間的解調(diào)，并產(chǎn)生與時間同步的各種脈沖，統(tǒng)一了測控系統(tǒng)的時間和頻率標準。</p><p>　　圖3.2 時統(tǒng)終端原理框圖</p><p>　　3.1.3總體軟件設(shè)計</p><p>　　解碼程序放在解調(diào)單片機ATmega128內(nèi)部程序內(nèi)，能夠完成對FPGA的解碼控制和粗解調(diào)脈沖的發(fā)出，以及GPS時間的解碼處理。其解碼程

55、序流程圖如圖3.3所示。 </p><p>　　圖3.3 解碼程序流程圖</p><p>　　3.1.4 B碼時統(tǒng)終端的技術(shù)指標</p><p>　　(1)具有守時功能，一小時漂移≤300µs</p><p><b>　　(2)輸入接口</b></p><p&

56、gt;　　(a) IRIG-B交流 （AC） 碼</p><p>　　幅度：0.5Vp_p～10Vp_p</p><p>　　調(diào)制比：2：1～6：1</p><p>　　負載：600Ω平衡輸入</p><p>　　(b) IRIG-B（DC）碼</p><p>　　RS-485接口和GB11014-90標準</p

57、><p><b>　　(c) GPS授時</b></p><p>　　信息：異步通訊接口，TTL電平</p><p>　　授時秒（1Hz）：接口，TTL電平</p><p>　　種類：定位和定時信號</p><p><b>　　(d) 頻標</b></p><

58、p>　　5MHz高精度頻標；</p><p><b>　　精度優(yōu)于10-7</b></p><p><b>　　穩(wěn)定度優(yōu)于10－7</b></p><p>　　(3)同步精度及延時修正</p><p>　　IRIG-B（AC）≤10µs</p><p>　　I

59、RIG-B（DC）≤1µs</p><p><b>　　GPS授時≤1µs</b></p><p>　　延時修正：±999999µs</p><p>　　(4)輸出信號及接口</p><p>　　輸出采樣頻率為25Hz絕對時間碼，RS-232接口，串行異步通</p>

60、<p>　　訊方式波特率9600bps。</p><p>　　輸出各分系統(tǒng)工作需要的同步脈沖，RS-232接口,信號為負脈沖，脈寬3～10µs</p><p>　　3.2 B碼時間解調(diào)部分的設(shè)計</p><p><b>　　3.2.1解調(diào)原理</b></p><p>　　(1)直流碼的解調(diào) &l

61、t;/p><p>　　直流碼采用RS—485電平接口輸入與輸出．經(jīng)TTL～RS—485電平轉(zhuǎn)換芯片輸入，經(jīng)一或非門送給選擇及延時修正FPGA，經(jīng)選擇后(直流碼中斷DCINT)反送到解碼ATmega128單片機的ICP入口。Atmega128利用ICP功能，通過定時器1測量直流碼高電平的寬度，解出時間信息和秒頭脈沖，產(chǎn)生解調(diào)秒，供控制電路清零分頻鏈，使之與B碼的基準秒頭同步。</p><p>　

62、　(2)交流碼的解調(diào) </p><p>　　設(shè)計的新型時統(tǒng)終端采用Atmega128單片機進行數(shù)字解調(diào)，解調(diào)IRIG-B交流碼，采用自動增益控制電路，將輸入AC碼的幅值進行調(diào)整，利用Atmega128單片機的AD口，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將IRIG-B碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進行數(shù)字化解調(diào)處理，簡化了硬件電路。</p><p>　　IRIG—B交流碼(AC)經(jīng)標準接口后，分為兩路，一路輸入給單片機的AD

63、口；一路經(jīng)過零檢測電路形成時間基準脈沖，供單片機中斷采樣。硬件示意圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 AC碼解碼硬件圖</p><p>　　3.2.2輸入接口單元電路的設(shè)計</p><p>　　(1)DC碼接口單元電路設(shè)計</p><p>　　直流碼有兩種接口，一種是TTL接口，另一種是485接口。本系統(tǒng)中采用485接口輸入，，

64、用戶選擇DC碼后送入單片機解調(diào)。 (2)AC碼接口單元電路設(shè)計。</p><p>　　交流碼通過變壓器隔離輸入，一路經(jīng)LM393過零比較產(chǎn)生1KHZ脈沖信號，一路經(jīng)數(shù)字電位器控制的LM324絕對值放大器，形成0～5V的正弦信號，并把輸入的B碼信號分檔進行放大，將AC碼分為ACC1，ACC2（兩者相位差180度），選擇Atmega128不同的AD口進行采集，拓寬對B碼輸入更寬范圍的適應(yīng)。</p>&l

65、t;p>　　3.2.3 AC碼解碼電路</p><p>　　(1)過零檢測單元電路的設(shè)計</p><p>　　過零檢測單元電路的功能是產(chǎn)生2KHZ的AC碼時間基準脈沖和1KHZ的識別各種信息內(nèi)容的定位信號。交流碼通過變壓器隔離輸入后，經(jīng)LM393過零比較產(chǎn)生1 KHZ連續(xù)方波脈沖信號，作為識別各種信息內(nèi)容的定位信號。過零比較產(chǎn)生的1KHZ信號，上升沿經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123觸發(fā)，

66、產(chǎn)生250μs寬的脈沖信號AC1，下降沿經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123觸發(fā)產(chǎn)生250μs寬的脈沖信號AC2，兩路信號經(jīng)過FPGA控制相或后取反，形成2KHZ的時間基準脈沖。硬件連線圖如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 AC碼過零比較單元電路</p><p>　　(2) AC碼幅值調(diào)整電路</p><p>　　一路經(jīng)LM324組成的放大器，形成0-5V

67、的正弦信號，并把輸入的IRIG-B交流碼信號通過數(shù)字電位計進行縮放，調(diào)整AC碼的幅值，拓寬對IRIG-B交流碼輸入更寬范圍的適應(yīng)。其中ACC1,ACC2為1：1輸出，相位相差180，進入單片機的ADC口進行采集，電路圖見圖3.6。 </p><p>　　圖3.6 AC碼幅值調(diào)整電路</p><p>　　(3)基于TL431A的基準電壓模塊</p><p>　　在本設(shè)

68、計中,解碼單片機和AC碼調(diào)制電路中，具有AD變換模塊，需要精確的參考電壓，由此，設(shè)計了基于TL431A的基準電壓電路。</p><p>　　TL431A 為三端可調(diào)節(jié)精密基準源。通過兩個外接電阻，輸出電壓可在 Vref ( 約 2.5 V )到 20V 連續(xù)調(diào)節(jié)。該電路輸出阻抗小（0.2Ω）。開啟特性好，在許多應(yīng)用場合，它能較好地替換齊納二極管。硬件示意圖如圖3.7。</p><p>　　

69、圖3.7 基準電壓模塊</p><p>　　其中，Vref為參考極和陽極之間的電壓差，其值為2.5V，一般將陽極接地，則Vref=2.5V。利用歐姆定律，由Vo=(1+R1/R2)Vref，R2為固定電阻，R1可調(diào)，調(diào)整R1，使V0輸出為5V。</p><p>　　3.2.4 AC碼解調(diào)程序分析</p><p>　　本系統(tǒng)中，利用單片機的AD口進行AC幅值的提取。

70、AC碼的幅值最小值為：高幅VHmin＝0．25V，低幅：Vlmin=0．25V／6＝0.042V?？紤]到Atmega128的A／D為l0位，參考電壓為5V，分辨率為5mV，對應(yīng)B碼最低幅度的轉(zhuǎn)換結(jié)果為：高幅對應(yīng)50(Dec),低幅對應(yīng)8(Dec)。由上述結(jié)果可見，高低幅度很容易。由于采用數(shù)字電位器，可以首先對AC碼的幅值進行判斷，如果幅值較低，可以調(diào)整數(shù)字電位器將AC碼進行放大。</p><p>　　圖3.8 A

71、C碼解碼流程圖</p><p>　　AC碼幅值是在2KHZ的ACINT中獲得的，ACINT的下降沿對準AC碼的峰值點，計算兩個采樣值之間的差值(或解調(diào)出峰值的最大值和最小值，計算出中間值，根據(jù)中間值解調(diào)出高幅個數(shù))，解調(diào)出高幅個數(shù)，單片機根據(jù)高幅個數(shù)解調(diào)出IRIG-B交流碼(AC)的基準秒頭，產(chǎn)生解調(diào)秒。程序流程圖如圖3.8所示。</p><p>　　3.2.5 DC碼解調(diào)程序</p

72、><p>　　DC碼的基本解調(diào)原理為測脈寬法，在本設(shè)計中，充分利用了新型Atmega128單片機的功能，利用其輸入捕獲功能，通過翻轉(zhuǎn)捕獲邊沿，測到DC碼的脈寬，解調(diào)出DC碼時間。其程序流程圖如圖3.9所示。</p><p>　　圖3.9 DC解碼流程圖</p><p>　　3.2.6 FPGA模塊在解碼中的應(yīng)用</p><p>　　在解碼模塊中，

73、單片機負責幀頭的判讀和發(fā)出粗解調(diào)脈沖，F(xiàn)PGA在接收粗解碼脈沖后，利用高精度溫補晶振，發(fā)出清零秒脈沖，來裝載清零分頻鏈，形成與清零秒脈沖下降沿同步的同步脈沖輸出[7]。</p><p>　　粗解調(diào)脈沖形成清零秒脈沖的波形仿真圖如圖3.10所示。其中，jsec是單片機發(fā)出的粗解調(diào)脈沖，clrsec是FPGA發(fā)出的清零秒脈沖，其脈寬為0.2us。</p><p>　　圖3-10解調(diào)秒形成清零秒

74、的波形圖</p><p>　　在解調(diào)秒下降沿同步下發(fā)出的同步脈沖波形仿真圖如圖3-11所示。</p><p>　　圖3.11 清零秒與同步脈沖關(guān)系波形圖</p><p>　　3.3 B碼時間調(diào)制部分的設(shè)計</p><p><b>　　3.3.1設(shè)計原理</b></p><p>　　B碼調(diào)制單元電路

75、的功能是將目前系統(tǒng)時間調(diào)制成DC碼和AC碼，通過有線或無線信道發(fā)回B碼基站，供時統(tǒng)中心站進行延時檢查和解調(diào)檢查用。該模塊分為DC碼調(diào)制和AC碼調(diào)制。DC碼調(diào)制通過調(diào)制FPGA取到目前系統(tǒng)的時間信息，并利用FPGA內(nèi)部的電路將時間信息調(diào)制成DC碼。與此同時，調(diào)制FPGA產(chǎn)生AC碼波形數(shù)據(jù)的地址，與DC碼配合，將存儲在EEPROM數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)輸入到DAC0832,進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一路標準的1KHZ IRIG—B碼的交流信號，經(jīng)變壓器回送

76、給時統(tǒng)分站或總站[8]。下面分別予以介紹。</p><p>　　3.3.2 DC碼調(diào)制</p><p>　　內(nèi)部時間的產(chǎn)生是用9個十進制計數(shù)器級聯(lián)組成時鐘電路，用以產(chǎn)生內(nèi)部時間信號：天、時、分、秒信號。四種信號經(jīng)過緩存后順序送入并串轉(zhuǎn)換單元，將并行碼串行輸出，由7個產(chǎn)生時序脈沖的4017級聯(lián)產(chǎn)生B碼所需的三種脈沖形式，經(jīng)過邏輯門的控制將輸出的時間碼轉(zhuǎn)化成B碼。內(nèi)部電路示意圖如圖3.12所示

77、。</p><p>　　圖3.12 DC碼調(diào)制電路示意圖</p><p>　　經(jīng)過內(nèi)部模塊的合理劃分，將365進制計數(shù)器和緩沖電路封裝為一個模塊，其輸出是100ms內(nèi)部對應(yīng)的碼元并行序列；將并串轉(zhuǎn)換和時序脈沖發(fā)生器封裝為1個模塊，其輸出為三種碼元，參考碼元，位置識別標志和時間碼元，將這三個碼元經(jīng)過一個或門，就會得到實際的B碼輸出。最終的輸出合成的情況如圖3.13所示[4]。</p&

78、gt;<p>　　圖3.13 合成的DC碼信號</p><p>　　三種碼元輸出如圖3.14所示。其中,pluse8是脈寬為8ms 的脈沖pulse5是脈寬為5ms的脈沖，pulse2是脈寬為2ms的脈沖。</p><p>　　圖3.14 三種碼元輸出</p><p>　　3.3.3 AC碼調(diào)制</p><p>　　單片機A

79、Tmega128根據(jù)解調(diào)出的時間信息和基準秒信號，控制調(diào)制FPGA產(chǎn)生直流碼和EEPROM的低12位地址信號，直流碼控制EEPROM 的最高位地址信號，將存貯在2764中的波形數(shù)據(jù)取出，送入DAC0832，在1MHz的脈沖控制下進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進行電流到電壓的轉(zhuǎn)化，再進行有源濾波，經(jīng)變壓器耦合后送出。在DC碼為高的情況下，A12=1,對應(yīng)地址范圍為0x1000～0x1fff；在DC碼為低的情況下，A12=0,對應(yīng)地址范圍為0x0000

80、～0x0fff。考慮到一個波形為1ms，DAC0832的轉(zhuǎn)化時間為1us，所以一個正弦波形占據(jù)1024個數(shù)據(jù)點，由此,DC碼高電平對應(yīng)的地址分別為0x1000～0x13ff，DC碼低電平對應(yīng)地址為0x0000～0x03ff。調(diào)制FPGA需要產(chǎn)生10個地址線[3]。AC調(diào)制電路見附錄1。</p><p>　　3.4 GPS時間信息的解調(diào)</p><p><b>　　3.4.1解調(diào)原

81、理</b></p><p>　　GPS時間由解調(diào)單片機通過串口接收GPS接收機的時間信息和秒脈沖來完成。GPS秒脈沖在整形后送入選擇及延時修正FPGA，GPS輸出信息業(yè)進入選擇及延時修正FPGA。在用戶選擇GPS時間后，GPS時間標志置1，接收單片機使能串口接收，接收GPS接收機發(fā)出NMEA1083語句并完成GPS語句的解析，得到UTC時間和跟蹤的衛(wèi)星的數(shù)目。單片機解調(diào)成功，通知FPGA已解調(diào)成功，F(xiàn)

82、PGA對GPS秒脈沖進行同步整形，以形成解調(diào)秒脈沖，在此脈沖下，內(nèi)部25Hz脈沖啟動，利用前面板單片機的串口發(fā)送得到B碼解調(diào)后的時間信息。</p><p>　　3.4.2 GPS模塊介紹</p><p>　　GPS模塊選用GARMIN公司的OEM接收板，具有以下特點:</p><p>　　(1)并行12通道瞬間鎖定可視衛(wèi)星 (2)長壽命后備鋰電使重捕速度更快

83、 (3)全屏敝封裝具備優(yōu)秀抗電磁干擾特點 (4)1PPS秒脈沖輸出精度可達到士1us (5)標準NMEA0183語句可選擇輸出 (6)二進制格式輸出和motoroLa格式兼容 (7)多種供電模式、電平輸出模式可供選擇 (8)輸出電壓 3.6V－6V (9)電平輸出： RS232 (10)差分精度可達5米</p><p>　　3.4.3 GPS解調(diào)流

84、程圖</p><p>　　GPS接收采用中斷方式，并利用單片機內(nèi)部的RAM做出一個接收隊列，利用隊列的指針將GPS數(shù)據(jù)依次接收，實時處理。根據(jù)GPS規(guī)定的語法進行判讀，得到時間信息，發(fā)出解調(diào)秒，解調(diào)流程圖，如圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15 GPS時間解調(diào)流程圖</p><p><b>　　第四章 可靠性分析</b></p

85、><p>　　4.1 B碼解調(diào)精度分析</p><p>　　4.1.1 直流（DC）碼解調(diào)精度</p><p>　　DC碼解調(diào)精度示意圖如圖5.1所示，解碼單元的單片機根據(jù)B碼找到基準秒頭（兩個連續(xù)的8ms），發(fā)出解調(diào)秒送給解調(diào)單元的FPGA，同直流碼相與形成清零秒，再形成0.2µs寬的清零秒脈沖對修時分頻鏈進行裝載，使其與B碼基準秒同步。直流碼的解調(diào)精度就是

86、直流碼的基準秒前沿和清零秒脈沖寬度。</p><p>　　圖4.1 直流碼清零秒的形成過程</p><p>　　4.1.2 交流（AC）碼解調(diào)精度</p><p>　　AC碼解調(diào)精度示意圖如圖4.2所示，解碼單元的單片機根據(jù)B碼（AC碼）找到基準秒頭（兩個連續(xù)的8個高幅），發(fā)出解調(diào)秒送給控制單元，同AC碼過零比較的AC1和AC2相或后的2KHZ脈沖信號相與形成清零秒

87、，再形成0.2µs寬的清零秒脈沖對修時分頻鏈進行裝載，使其與B碼基準秒同步。交流碼的解調(diào)精度就是過零比較的精度。</p><p>　　圖4.2 交流碼清零秒的形成過程</p><p>　　4.1.3 GPS解調(diào)精度</p><p>　　在GPS授時狀態(tài)下的對時精度由GPS授時板輸出的秒信號精度決定，其形成清零秒的過程如圖4.3所示。</p>

88、<p>　　圖4.3 GPS清零秒的形成過程</p><p>　　4.2 B碼終端可靠性分析</p><p><b>　　可靠性分析：</b></p><p>　　(1)傳輸線路的可靠性分析</p><p>　　B碼DC碼必須通過有線信道傳輸，AC碼可以通過有線或無線信道傳輸。AC通過信道傳輸?shù)浇K端時，經(jīng)常容易

89、造成波形失真和波形畸變，甚至誤碼,要求時統(tǒng)終端必須有一定的糾錯能力。同時，由于GPS工作的不可預(yù)知性，GPS信號可能出現(xiàn)時有時無的現(xiàn)象，要求系統(tǒng)有守時能力。</p><p>　　(2)接口電路的可靠性分析</p><p>　　DC碼輸入輸出均采用雙線，傳輸距離可達1千米。同時DC碼接收采用max485接口芯片使DC碼傳輸距離更遠，使DC碼盡量恢復(fù)原貌。</p><p&g

90、t;　　AC碼采用變壓器輸入和輸出，提高了AC碼的抗干擾能力。</p><p>　　(3)解調(diào)模塊的可靠性分析</p><p>　　解調(diào)模塊盡量采用較少的模擬器件，同時FPGA內(nèi)部電路合理劃分</p><p>　　功能，盡量提高系統(tǒng)的可靠性。電路設(shè)計時，每個芯片電源和地之間連接1個0.1uF和10uF的濾波電容，減少電源波動對芯片工作的影響。由于采用溫度補償晶振，具

91、有很高的頻率穩(wěn)定度，使同步脈沖的周期抖動性很低，守時能力提高。為滿足國軍標對IV型B碼時統(tǒng)終端的低溫要求，所有芯片均為軍品。</p><p>　　(4)調(diào)制模塊的可靠性分析</p><p>　　DC碼調(diào)制由FPGA內(nèi)部電路完成，與清零秒的同步精度很高。同時，AC碼采用數(shù)字電路+模擬電路產(chǎn)生，減少了模擬器件，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。</p><p><b>

92、　　第五章 發(fā)展和展望</b></p><p>　　5.1時間統(tǒng)一系統(tǒng)的發(fā)展方向</p><p>　　時間統(tǒng)一系統(tǒng)是隨著國防科研試驗的需要而誕生的，幾十年來從無到有，已經(jīng)有了指標越來越先進、性能越來越完善的時間統(tǒng)一系統(tǒng)。經(jīng)過這些年的發(fā)展，時統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，時間統(tǒng)一系統(tǒng)所實現(xiàn)的時間和頻率統(tǒng)一的精度已可滿足絕大多數(shù)試驗的需要。隨著國防科研試驗的飛速發(fā)展，對時間統(tǒng)一系統(tǒng)必然會提出越來

93、越高的要求。半個世紀來科學(xué)技術(shù)和國防科研得到了迅猛的發(fā)展，越來越多的民用和軍事部門甚至日常生活十分需要時間和頻率的統(tǒng)一，時間統(tǒng)一系統(tǒng)已不再是國防科研試驗專用的系統(tǒng)，它在國防、國民經(jīng)濟、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　5.1.1在導(dǎo)彈、航天實驗中的應(yīng)用擴展</p><p>　　(1) 時統(tǒng)設(shè)備從靜態(tài)到動態(tài) </p><p>　　以往的時統(tǒng)設(shè)

94、備無論是固定站使用的還是車載或船載的，在使用時都是靜態(tài)的。隨著導(dǎo)彈機動作戰(zhàn)能力的提高，需要時統(tǒng)設(shè)備能夠適應(yīng)動態(tài)工作條件，如在車載和機載的工作環(huán)境中可靠的工作；而對航天器的測量正在由陸基向天基發(fā)展，要求時統(tǒng)設(shè)備能適應(yīng)星載條件下工作。</p><p>　　(2）納秒量級時間同步的實現(xiàn)為采用新測量體制創(chuàng)造條件 </p><p>　　一種新的測量體制要求相距幾十公里的站間時間同步誤差達到納秒量級。

95、如果站間的時間同步能達到納秒量級，目標發(fā)出的信號同時被幾個站所接收，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后就可精確的測量其位置。這種測量機制會使原本較難實現(xiàn)的多目標跟蹤測量迎刃而解[13]。</p><p>　　(3)深空測量將開辟時間統(tǒng)一應(yīng)用的新領(lǐng)域</p><p>　　隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，深空測量甚至星際旅行也提到議事日程，而要實現(xiàn)航天器從近空到深空的發(fā)展，必須解決深空目標的測量。深空測量要求時間統(tǒng)一系統(tǒng)能

96、實現(xiàn)相距遙遠的測量站間的時間同步達到ns量級。</p><p><b>　　(4）天地時間統(tǒng)一</b></p><p>　　天地時間統(tǒng)一并不是現(xiàn)在才提出來的，時間上在導(dǎo)彈、衛(wèi)星試驗的初級階段已經(jīng)有了天地時間統(tǒng)一的要求。隨著導(dǎo)彈、遙感等應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)展，對天地時間統(tǒng)一提出了越來越高的要求。要實現(xiàn)天地時間統(tǒng)一，要解決兩個問題：歷元和時間尺度[14]。 </p>

97、<p>　　5.1.2新技術(shù)在時間統(tǒng)一系統(tǒng)中的應(yīng)用 </p><p>　　(1)新型工程化頻率標準</p><p>　　頻率標準是時統(tǒng)設(shè)備的心臟，由于對站間時間同步誤差要求和時統(tǒng)設(shè)備守時能力要求的提高，對用于時統(tǒng)設(shè)備的頻率標準的要求越來越高。以往時統(tǒng)設(shè)備多數(shù)配置高穩(wěn)石英晶體頻率標準，由于受頻率準確度的限制以及需要較長的開機過程，已越來越不適用工程的需要。近年來，出現(xiàn)了銣原子頻

98、率標準，氫原子頻率標準，銫原子頻率標準和組合型頻率標準，實用化的步伐正在加快，相信不久可應(yīng)用于工程。</p><p>　　(2)方便實用的定時校頻手段</p><p>　　傳統(tǒng)的時統(tǒng)設(shè)備采用長、短波定時校頻手段，近年來GPS定時校頻也以用于時統(tǒng)設(shè)備。目前還有如下的授時手段：北斗一號 ，第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，冗余型定時校頻設(shè)備。</p><p>　　(3)遠距離特高精度

99、時間同步方法</p><p>　　隨著原子鐘的研制取得了突飛猛進的發(fā)展，各國研制的準確度和穩(wěn)定度越來越高的原子鐘急需解決遠距離的對比。目前技術(shù)上較為成熟的遠距離特高精度時間同步的方法有衛(wèi)星雙向時間傳遞方式和激光時間傳遞方法。 </p><p>　　(4)時統(tǒng)設(shè)備新技術(shù)</p><p>　　時統(tǒng)設(shè)備目前的發(fā)展趨勢是智能化，數(shù)字化，高精度。高精度體現(xiàn)在低損耗頻標切換技術(shù)

100、，精密實踐同步技術(shù)。實踐證明，B碼只能適用微妙量級時間同步誤差的應(yīng)用場合。當時間同步誤差為10ns量級時，可采用IRIG-G格式時間碼。</p><p>　　5.2時間統(tǒng)一技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p><b>　　5.2.1 國防</b></p><p>　　現(xiàn)代國防對時間頻率統(tǒng)一的需要十分迫切。眾所周知，無線電導(dǎo)航和定位離不開高精度

101、的時間和頻率，地面遠程雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)——羅蘭—C導(dǎo)航系統(tǒng)就是根據(jù)測得的到羅蘭—C導(dǎo)航鏈主、副站的精密時差來確定艦船的位置。在這些主、副站上都配置有原子鐘，它們發(fā)播的導(dǎo)航信號都保持嚴格的時間同步。星基導(dǎo)航定位系統(tǒng)如GPS，它的每一顆衛(wèi)星上都有原子鐘組，它們的時間和頻率都由地面主控站控制保持統(tǒng)一，正因為如此才使接收機隨時知道自己的位置成為可能。</p><p>　　除航天和戰(zhàn)略武器試驗需要時間統(tǒng)一系統(tǒng)外，常規(guī)兵器(包

102、括戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、火炮、航彈等)試驗都離不開時間統(tǒng)一系統(tǒng)。與航天和戰(zhàn)略武器試驗相比，常規(guī)兵器試驗的場地要小得多，但其試驗的頻度卻高得多。因此要求時間統(tǒng)一系統(tǒng)能適應(yīng)這種試驗的特點：快速、機動、自成體系。這種常規(guī)兵器試驗對時間統(tǒng)一更關(guān)心的是在試驗場范圍內(nèi)保持一定精度的時間同步。</p><p>　　雷達對目標參數(shù)的測量無論是速度參數(shù)還是位置參數(shù)都是建立在精密頻率或精密時間間隔測量的基礎(chǔ)上。大部分雷達單套設(shè)備就可以獨立工作，

103、但也有些雷達需要不在同一地點的多臺設(shè)備聯(lián)合工作，此時這些不同站的設(shè)備的頻率和時間的統(tǒng)一就是一件十分關(guān)鍵的工作。</p><p>　　戰(zhàn)略導(dǎo)彈的發(fā)射、預(yù)警、核爆炸的探測、自動化指揮等關(guān)系到國家安全的重大活動都需要時間統(tǒng)一。</p><p><b>　　5.2.2 通信</b></p><p>　　通信部門十分關(guān)心時間頻率的統(tǒng)一，過去作為主要的長途

104、通信手段——載波通信就是通過導(dǎo)頻的發(fā)送和接收實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率統(tǒng)一，因為只有這樣才能將調(diào)制在載波上的各路信號加以區(qū)分?，F(xiàn)代通信事業(yè)發(fā)展迅速，尤其是數(shù)字通信在采用了光纖信道后碼速率越來越高。正因為碼速率越來越高，高速數(shù)字通信對網(wǎng)同步的要求也就越來越高。網(wǎng)同步是建立在嚴格的時間同步基礎(chǔ)上的，為此數(shù)字通信網(wǎng)根據(jù)需要已在不同級別的站點配置銫原子鐘、銣原子鐘和高穩(wěn)石英晶體鐘。目前洲際網(wǎng)間的時間同步已提出了優(yōu)于1ns的要求。數(shù)字網(wǎng)的網(wǎng)同步有4種方式，第

105、1種為主從同步方式。網(wǎng)內(nèi)設(shè)置基準鐘，網(wǎng)內(nèi)其余的鐘為從鐘，它用鎖相技術(shù)使其輸出信號的相位鎖定在由基準鐘控制的同步信號的相位上，從而實現(xiàn)全網(wǎng)的同步。第2種為準同步方式。網(wǎng)內(nèi)各鐘獨立運行，互不控制，它們的同步是靠各自所采用的高精度鐘自身的質(zhì)量來保證。它省去了鐘的控制問題，但存在著周期性的滑碼現(xiàn)象。第3種為混合同步方式。它實際上是上述2種方式的結(jié)合，即區(qū)域內(nèi)為主從同步方式，而區(qū)域間為準同步方式。第4種為互同步方式。網(wǎng)內(nèi)不設(shè)基準鐘，各個鐘通過鎖相

106、環(huán)路受所有接收到的同步信號加權(quán)控制。在各個鐘的相互作用下，如果網(wǎng)絡(luò)參數(shù)</p><p>　　與國防科研試驗的時間統(tǒng)一系統(tǒng)相比，通信網(wǎng)的網(wǎng)同步系統(tǒng)有著其得天獨厚的與優(yōu)越條件——豐富的通信信道資源。正因此，它成為了現(xiàn)實網(wǎng)同步時同步信號傳輸?shù)闹饕侄巍?lt;/p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計，根據(jù)國際通用的

107、IRIG—B格式時間碼，并遵照IV型B碼終端設(shè)計的要求，以Atmel公司的ATmega128單片機作為解調(diào)控制單元，設(shè)計出B碼時統(tǒng)終端。該終端以數(shù)字方法解調(diào)B碼DC碼，AC碼和GPS時間信號，通過解調(diào)單片機和FPGA的配合，將串行時間信息轉(zhuǎn)化為用戶可以接受的時間序列，并提供系統(tǒng)需要的各種同步信號。此系統(tǒng)同時可以進行時間源選擇，并在FPGA內(nèi)部設(shè)計了B碼源發(fā)生器，將時統(tǒng)系統(tǒng)的時間信息進行調(diào)制，調(diào)制成AC碼和DC碼，通過傳輸信道發(fā)回B碼時間

108、分站，以供時間分站對終端設(shè)備進行修時。</p><p>　　目前，時間統(tǒng)一的精度要求越來越高，應(yīng)用的場合也越來越多。對需要準確時間的場合，需要利用更為準確的授時手段和守時手段。對于本設(shè)計，可以采用DSP技術(shù)提高解調(diào)的速度，也可采用FPGA技術(shù)進一步縮小電路板的面積，對于更復(fù)雜的應(yīng)用需要對本設(shè)計進行完善和改良。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b><

109、/p><p>　　[1] 童寶潤.時間統(tǒng)一系統(tǒng)．北京：國防工業(yè)出版社，2003：50～150</p><p>　　[2] 中華人民共和國國家軍用標準GJB2997-97．北京：國防科工委均表出版發(fā)行部出版，1997.</p><p>　　[3] 孟敏.基于CPLD的IRIG-B碼解碼器的設(shè)計．電子技術(shù)，2002，12.</p><p>　　[4]

110、 李頡.一種新型的IRIG-B碼解碼器．無線電工程：2001，21（8）.</p><p>　　[5] 張履效.略述時統(tǒng)信息[J]．現(xiàn)代通信，1995 ，12（6）.</p><p>　　[6] 金功偉，金雪雁.GPS技術(shù)在常規(guī)兵器遠程遙測中的應(yīng)用。遙測遙感：2002，9.</p><p>　　[7] 蘇守寶，方厚加.一種基于異步串口的B碼解調(diào)技．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：