为解决在井下或者隧道内这些完全没有GPS信号的环境下，地球物理仪器也能进行分布式勘探这一问题，本文首先对分布式算法LSTS（Least Square Estimation Based Time Synchronization）进行改进得到一种常增益的LSTS算法，记为LSTS-CG （LSTS with Constant Gain），然后基于该算法设计出一种全新的不依赖GPS的分布式时钟同步系统。LSTS算法最开始是针对无线传感网提出的，但对地球物理仪器具有极强的借鉴意义。改进后的LSTS-CG算法不仅具有同步误差小，同步效果稳定，还具有计算量少，存储量小等优点，所以十分适用于分布式勘探系统。在实际设计中，本文在FPGA芯片中实现了LSTS-CG算法，包括设计实现相对斜率估计算法，低通滤波器，斜率补偿算法和相位补偿算法，并且解决了该类电路设计的一些普遍的关键性问题，如连续离散的虚拟时钟的产生和兼容GPS授时方式的设计等。这些问题的解决很好地确保了本系统的高效性和实用性，使得本系统被大规模应用成为了可能。本文在一片FPGA内就完成了所有功能模块的设计，最大程度地简化了电路结构，提升了系统的稳定性。通过对本系统的同步误差进行测试，结果表明，即使是采用普通晶振，该系统的同步误差也能达到亚微秒级，并且还具有功耗低，成本低廉等优点。最后，本文从通信时延，拓扑和周期这三个方面，测试了本系统的性能，所得结果具有一定的规律性，能为野外施工方案的设计提供指导意见。