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小型天文测量计时器研究

作　者: 杨宇飞
导　师: 郑勇
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 天体测量与天体力学
关键词: 天文测量计时器晶振嵌入式系统时间同步钟差预报 GPS授时
分类号: P128.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

天文大地测量是通过观测天体在天球上的位置进行定位定向的。地球的自转运动和天体自身位置的不断变化，天文大地测量在观测目标位置时必须精确地记录相应的时间。新型野外天文测量系统利用计算机内部石英晶振守时，晶振的稳定性较低，只能进行短时间守时，每次测量前都必须重新利用GPS接收机接收高精度UTC时间。一旦无法正常接收GPS卫星信号，测量就无法正常进行，极大地影响了天文测量的自主性和可靠性。因此本文提出了以高稳数字温补晶振作为频率源，以嵌入式系统为平台的新型野外天文测量计时器用于长时间守时的方案，以解决天文测量时间基准的长时间自主维持问题。根据这一方案设计了计时器的总体结构和工作流程，解决了计时器相关关键技术，研制了两台计时器原理样机，实现了天文测量时间基准的长时间自主维持，同时也实现了温湿度和大气压强等环境参数的自动测量，研宄了时间同步理论，设计了以计算机为平台的时间比对方法，并进行了20天的时间比对测试实验，分析了计时器的精度和稳定性。论文的主要工作及研宄成果总结如下：1.分析了国内外守时技术的发展现状和目前天文测量时间获取及时间基准维持的现状，分析了研宄小型数字化天文测量计时器的现实意义。2.研宄了与天文测量相关的时间系统及其相互转换关系，研宄了天文测量的时间计算步骤及不同时间在天文测量中的应用。3.设计了计时器的总体方案。研宄了晶振的结构，计时原理，不同晶振的类型、特点及用途。以高稳数字温补晶振为频率源，以嵌入式系统为平台设计了计时器的总体结构、电路连接和工作流程，编制了计时器微处理器的内嵌控制程序。4.研宄了计时器的定时/计数器设置方法，串口通讯方式的实现，温湿度传感器，气压传感器，断电保护模块的实现等关键技术，设计了计时器PCB印刷版，实现了天文测量时间基准的长时间自主维持，计时器时间、温湿度和大气压强等信息的数字化输出，以及计时器意外断电后时间信息的保存与恢复。5.比较了不同时间同步技术的特点，设计以计算机为平台GPS时间与计时器时间的比对方法，实现了高精度时间基准的获取。研宄了计算机内部时间的提取，高精度GPS接收机时间和坐标信息的获取，测试了时间比对平台的性能，编制了时间比对软件并研宄了钟差外推算法。6.研宄了计算机内部时间的提取精度和守时稳定性，测试了计时器断电保护模块的性能，测试并分析了计时器时间的提取精度、钟速稳定性和守时精度，分析了计时器时间的外推精度。7.通过论文研宄，成功研制出两台野外天文测量计时器原理样机，编制了时间比对软件，钟差改正和时间化算程序，实现了天文大地测量时间相关计算的自动化。

全文目录

目录  4-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-15
  1.1 研究背景及意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-13
  1.3 主要内容及创新点  13-15
    1.3.1 主要内容  13-14
    1.3.2 创新点  14-15
第二章计时器基本理论  15-23
  2.1 常用的时间系统  15-18
    2.1.1 恒星时(ST)  15-16
    2.1.2 太阳时  16
    2.1.3 世界时(UT)  16-17
    2.1.4 原子时(AT)  17
    2.1.5 协调世界时(UTC)  17-18
    2.1.6 力学时  18
  2.2 钟差改正  18-19
    2.2.1 钟差  18-19
    2.2.2 钟速  19
    2.2.3 钟差改正  19
  2.3 频率相关参数指标  19-20
    2.3.1 频率准确度  19
    2.3.2 频率稳定度  19-20
    2.3.3 钟速与频率的关系  20
  2.4 天文测量中的时间计算  20-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章总体方案设计  23-38
  3.1 计时原理  24
  3.2 频率源的选型  24-28
    3.2.1 晶振结构  24-25
    3.2.2 晶振的选型  25-28
  3.3 计时器硬件结构  28-34
    3.3.1 微处理器  29-30
    3.3.2 分频器  30
    3.3.3 电源模块  30-31
    3.3.4 晶振模块  31
    3.3.5 接口模块  31-32
    3.3.6 监测模块  32-33
    3.3.7 显示模块  33
    3.3.8 掉电保护模块  33
    3.3.9 报警模块  33-34
  3.4 计时器工作流程  34-37
    3.4.1 系统初始化  34-36
    3.4.2 时间更新流程  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章关键技术研究  38-51
  4.1 分频器设置  38-40
  4.2 串口通信  40-42
    4.2.1 通讯协议  40
    4.2.2 串口设置  40-42
  4.3 温湿度传感器  42-43
  4.4 气压传感器  43-46
    4.4.1 SPI接口  44
    4.4.2 大气压强计算  44-46
  4.5 掉电保护模块实现  46-48
  4.6 PCB印刷板设计  48-49
  4.7 本章小结  49-51
第五章时间同步技术研究  51-69
  5.1 时间同步技术  51-54
    5.1.1 无线电波授时  51-52
    5.1.2 电视授时  52
    5.1.3 卫星授时  52-53
    5.1.4 其他手段  53-54
  5.2 时间比对原理  54-55
  5.3 GPS时间提取  55-59
    5.3.1 GPS授时原理  55-56
    5.3.2 接收机数据格式  56-59
    5.3.3 利用接收机精确授时  59
  5.4 计算机时间提取  59-60
  5.5 时间对比的实现  60-64
    5.5.1 PCI多串口卡  60-63
    5.5.2 时间比对软件  63-64
  5.6 时间外推算法  64-68
    5.6.1 多项式模型  64-65
    5.6.2 灰色系统模型  65-66
    5.6.3 切比雪夫多项式模型  66-68
  5.7 本章小结  68-69
第六章实验及精度分析  69-86
  6.1 计算机时间精度分析  69-71
    6.1.1 时间提取精度  69-70
    6.1.2 钟速稳定性  70-71
  6.2 断电保护模块精度分析  71-75
    6.2.1 短期稳定性  72
    6.2.2 钟速稳定性  72
    6.2.3 长期守时精度  72-73
    6.2.4 时间初始化  73-75
  6.3 计时器精度测试及分析  75-84
    6.3.1 短期稳定性  75-76
    6.3.2 钟速稳定性  76
    6.3.3 长期守时精度  76-78
    6.3.4 钟差外推精度  78-83
    6.3.5 温湿度影响  83-84
  6.4 本章小结  84-86
第七章结束语  86-88
  7.1 研究成果  86-87
  7.2 可进一步开展工作  87-88
致谢  88-89
参考文献  89-92
作者简历  92

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