星载光谱仪本地时钟源设计与研发

发布时间：2020-11-10 03:07

　　 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10 000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。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V447;TN911.8
【部分图文】：

１５５３Ｂ总线有更高的灵活性完成添加或去除节点操作，便于管理。１５５３Ｂ可以适??应温度改变较大的场合、恶劣的工作环境。１５５３Ｂ总线的具有实时的可确定性。??终端、子系统和通信介质三部分构成了?ＭＩＬ－ＳＴＤ－１５５３Ｂ网络。图１．４为??１５５３Ｂ总线网络拓扑结构图。??ＢＵＳ?Ａ???????ＢＵＳ?Ｂ??????总线控制器?远程终端?总线监控器??子系统?子系统??图１．４?１５５３Ｂ总线网络拓扑结构??总线控制器负责１５５３Ｂ的控制和管理，发起所有通信指令。远程终端负责??响应通信命令，发送状态字，执行相关操作。总线监视器受控制器控制，不参与??任何传输，只负责监控命令和终端。??１５５３Ｂ消息构成１５５３Ｂ的信息流。１５５３Ｂ消息包括命令字、数据字、状态字。??１５５３Ｂ的消息长度为２０?ｂｉｔ，包括３?ｂｉｔ的同步头，１６?ｂｉｔ的数据位或命令位或状??态位，１?ｂｉｔ的奇偶校验位。１５５３Ｂ的标准速率可以达到１Ｍｂｐｓ，工作方式为半??双工。［丨??１．１．５?ＧＰＳ秒脉冲和广播时间包数据格式??ＧＰＳ接收机输出４路秒脉冲信号，接口形式为ＲＳ－４２２，信号频率为１?Ｈｚ，??低电平有效，低电平持续时间为ｌ±〇．ｌｍｓ，秒脉冲的前沿即整秒时刻，前沿下降??时延小于等于５０?ｎｓ。图１．５为ＧＰＳ秒脉冲时序

整秒时刻?整秒时刻??图１．５秒脉冲时序图??ＧＰＳ接收机????５６?Ｑ?Ｉ?????Ｉ???ＲＳ－４２２接口芯片?丨?．．￣Ｆ???????５６Ｑ?｜??Ｉ??图１．６秒脉冲接口电路??星上的系统时钟通过１５５３Ｂ总线每隔一秒广播一次，星上的系统时钟按照??Ｊ２０００标准，２０００年１月１日１２时为起始０时刻，时间码分辨率０．１?ｍｓ。广播??时间包包括周数、周内秒数和秒内百微秒数。??１．２?国内外研究现状??卫星平台如果对所有载荷设备实现精确授时，并行输出高分辨率时钟需要连??接大量线缆。而卫星空间有限，且大量的线缆不仅浪费资源而且难以保证可靠性。??采用卫星平台广播授时配合载荷设备本地守时的方案可以实现高分辨率的时钟??输出。卫星平台等间隔交替广播ＧＰＳ秒脉冲和串行广播时间包向各载荷设备授??８??

用数字锁相环输出的高频同步时钟驱动本地计数器配合纠错处理后的本地时间??包产生本地时间。多路时间输出模块在接收到载荷的锁存信号时记录当时的时间??信息并串行输出。星载光谱仪本地时钟源如图１．７。整个系统包括纠错模块，数??字锁相环和多路输出模块三部分组成。??１０??
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本文编号：2877379