an face="新宋体">an style="font-size:19px">an style="font-size:16px">在前面的文章中我们了解到了GPS的应用以及高精密石英晶体振荡器在GPS内部所提供到的作用,GPS晶振的工作原理等等。晶振的作用随着科技的发展到如今已是无处不在,各种大大小小的智能科技产品都会用到石英贴片晶振.接下来我们要说到的是GPSan>an style="font-size:16px;font-family:新宋体">信号失效后保持算法的研究以及与晶振之间的联系.an>an>an>
an style="font-family:新宋体;font-size:16px">从前面文中介绍an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">GPSan>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">接收机的相关介绍可知an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,1PPSan>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">信号可能在多种因素的作用下丢失。如果通过解码发现失效an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">应立即停止以它作为基准来驯服an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">OCXO晶振,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">否则可能对an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">OCXO晶振an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">产生误调整an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">使系统产生很大的误差an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">但是这时an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">OCXO晶振an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">的输出频率精度会由于老化和温度等因素的影响而不断降低。为了解决这一问题an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">采用保持算法an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">, an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">即在正常锁定过程中an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">实时记录晶振的频率随时间的漂移率an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">即确定石英晶体老化率曲线an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">再利用温度传感器an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">建立温度和频率漂移率的函数关系。当an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">GPSan>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">信号失效后an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">根据以前正常驯服状态下记录的历史数据an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">通过合理的算法对an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">OCXO晶振an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">输出频率的变化趋势做出准确预测an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">进而在此基础上实现对频率误差的实时校正an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">以保证输出频率精度在可容忍的精度范围内an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">,an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">直到an>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">GPSan>an style="font-family:新宋体;font-size:16px">信号恢复后再继续锁定晶振。an>
an style="font-size:16px;font-family:新宋体">OCXO石英晶体振荡器an>an style="font-size:19px;font-family:新宋体">an style="font-size:16px">的老化模型是非线性的an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">而其频率温度变化模型则可认为是线性的an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">并且可以利用an>an style="font-size:16px"> Kalmanan>an style="font-size:16px">滤波器来对这两种模型的参数进行估计an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">进而可以实现an>an style="font-size:16px">GPSan>an style="font-size:16px">信号失效后an>an style="font-size:16px">OCXO晶振an>an style="font-size:16px">频率的预测校正。然而老化率的非线性是对于较长时间而言的an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">在短时间内比如说一天an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">老化模型也可以被简化为线性an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">这大大方便了算法上的处理关于an>an style="font-size:16px">OCXO石英晶体振荡器an>an style="font-size:16px">的驯服保持模型的原理框图如图an>an style="font-size:16px">5.3an>an style="font-size:16px">所示an>an>
an style="font-size:19px;font-family:新宋体">an style="font-size:16px">图中的三个开关an>an style="font-size:16px">S1an>an style="font-size:16px">、an>an style="font-size:16px">S2an>an style="font-size:16px">、an>an style="font-size:16px">S3an>an style="font-size:16px">在卫星工作状态正常时均处于开启状态an>an style="font-size:16px">,OCX0石英晶体振荡器an>an style="font-size:16px">直处于驯服状态an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">并且预测模型一直处于工作模式。如果系统经过判断确定卫星信号丢失an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">而且当时已经完成锁定an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">系统便会处于保持模式an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">三个开关均闭合an>an style="font-size:16px">, an>an style="font-size:16px">这样老化和温度预测模型可以根据其预测的结果并以自己本身的输出作为观测量的输入来实现频率偏差的预测。预测模型的最终输出是出四项叠加而成an>an style="font-size:16px">:an>an style="font-size:16px">驯服的初始校正量、老化模型的预测输出、温度影响模型的预测输出和温度模型的延迟补偿量an>an style="font-size:16px">.an>an>
an style="font-size:19px;font-family:新宋体">an style="font-size:16px">为了实现an>an style="font-size:16px">1PPSan>an style="font-size:16px">信号失效后的保持an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">必须先将由老化和温度变化引起的影响量分离开来an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">而分离算法的确定与这两种影响的性质有密切关系。一般认为老化的影响属于慢变an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">而温度的影响则相对变化较快an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">即在频域an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">老化的影响处于低频段an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">温度的影响处于较高的频段an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">这样就可以将它们分离开来an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">即采用不同类型和带宽的数字滤波器就可以实现这两种影响的分离国an>an style="font-size:16px">,ⅢRFan>an style="font-size:16px">、an>an style="font-size:16px">IRF2an>an style="font-size:16px">和an>an style="font-size:16px">RFan>an style="font-size:16px">为滤波器an>an style="font-size:16px">, an>an style="font-size:16px">其中an>an style="font-size:16px">IRFan>an style="font-size:16px">和an>an style="font-size:16px">IRF3an>an style="font-size:16px">为an>an style="font-size:16px">1an>an style="font-size:16px">阶的低通滤波器an>an style="font-size:16px">,IRF2an>an style="font-size:16px">为an>an style="font-size:16px">3an>an style="font-size:16px">阶的低通椭圆滤波。an>an>
an style="font-size:19px;font-family:新宋体">an style="font-size:16px">图中的an>an style="font-size:16px">IRF1an>an style="font-size:16px">是用来同时通过锁定状态下由温度变化引起的校正量中的高频变化部分和老化引起的低频变化部分an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">其带宽应该由高频分量确定。在一般的应用环境下an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">温度的最大变化率可以达到an>an style="font-size:16px">10℃h,an>an style="font-size:16px">而这里所采用的an>an style="font-size:16px">OCXO贴片晶振an>an style="font-size:16px">的线性频率温度系数为an>an style="font-size:16px">6~8ppb/40℃,an>an style="font-size:16px">于是可以得到最大温度变化率引起的频率漂移率达到an>an style="font-size:16px">4.17~5.56×10an>an style="vertical-align:baseline">an style="font-size:16px">-4an>an>an style="font-size:16px">ppb/san>an style="font-size:16px">。所以an>an style="font-size:16px">IRFan>an style="font-size:16px">的带宽被设计为an>an style="font-size:16px">3×10an>an style="vertical-align:baseline">an style="font-size:16px">-3an>an>an style="font-size:16px">ppb/s(3mHz),an>an style="font-size:16px">即是最大频率温度漂移率的an>an style="font-size:16px">5.4an>an style="font-size:16px">倍an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">这样就可以通过所需要的信号an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">并且针对校正信号中由an>an style="font-size:16px">GPSan>an style="font-size:16px">接收机引入的高频噪声an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">进行每an>an style="font-size:16px">10an>an style="font-size:16px">倍频an>an style="font-size:16px">10dBan>an style="font-size:16px">的衰。an>an>
an style="font-size:16px;font-family:新宋体">IRF2an>an style="font-size:19px;font-family:新宋体">an style="font-size:16px">用于从经过an>an style="font-size:16px">RFan>an style="font-size:16px">滤波后的校正量中分离出老化的影响an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">那么其带宽由反映老化的低频分量决定。这里采用的an>an style="font-size:16px">OCXO晶振an>an style="font-size:16px">的老化率为an>an style="font-size:16px">0.5ppbdan>an style="font-size:16px">或者an>an style="font-size:16px">58×10an>an style="vertical-align:baseline">an style="font-size:16px">-6an>an>an style="font-size:16px">ppb/s,an>an style="font-size:16px">所以an>an style="font-size:16px">IIRF2an>an style="font-size:16px">的带宽被设计为an>an style="font-size:16px">3×10an>an style="vertical-align:baseline">an style="font-size:16px">-5an>an>an style="font-size:16px">ppbs(0.03mHz),an>an style="font-size:16px">即为秒老化率的an>an style="font-size:16px">5.2an>an style="font-size:16px">倍an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">并且其阻带衰减最小为an>an style="font-size:16px">50dB,an>an style="font-size:16px">带内波动为an>an style="font-size:16px">1.5dB,an>an style="font-size:16px">这样可以较好的过滤掉温度的影响。an>an style="font-size:16px">IRF2an>an style="font-size:16px">的输出直接输入给了老化的an>an style="font-size:16px"> Kalmanan>an style="font-size:16px">预测模型an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">并且将其从an>an style="font-size:16px">IRFlan>an style="font-size:16px">的输出中减掉an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">可以提取出温度的影响。an>an>
an style="font-size:16px;font-family:新宋体">IRFan>an style="font-size:19px;font-family:新宋体">an style="font-size:16px">用和an>an style="font-size:16px">RFan>an style="font-size:16px">完全相同的设计an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">主要用来进一步抑制an>an style="font-size:16px">GPSan>an style="font-size:16px">接收机引入的噪声和消除an>an style="font-size:16px">IRF2an>an style="font-size:16px">输入输出信号的数字相减带来的毛刺。由于an>an style="font-size:16px">IRF1an>an style="font-size:16px">和an>an style="font-size:16px">IRF2an>an style="font-size:16px">处于温度影响预测模型的输入通道上an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">会使得校正量的预测产生延迟an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">使预测滞后于an>an style="font-size:16px">IRFlan>an style="font-size:16px">的输入信号。因此有必要在温度预测模型的输出加上一个延迟补偿模块an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">由它在保持模式时计算出相应的补偿量an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">并叠加到预测模型的输出信号上来消除延迟的影响。这里的延迟补偿量由温度预测模型输出的变化率和滤波器的延迟量相乘来得到an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">而滤波器的延迟量的最优估计为个小时an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">温度预测模型输出变化率由其输出对于时间的一阶微分的an>an style="font-size:16px">100an>an style="font-size:16px">点滑动平均来得到an>an style="font-size:16px">,an>an style="font-size:16px">其中每秒采集一个数据。an>an>