CN106054589B - 一种导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其步骤为：S1：对来自星载时频单元的1PPS进行整秒检测；S2：由星载时频单元提供一路模拟参考时钟信号，与1PPS保持相位严格一致，星间链路设备通过对参考时钟信号相位的跟踪测量获得本地时钟的精细刻度；S3：对本地时钟进行模糊度处理，生成与卫星***时间精确同步的本地时间。本发明具有原理简单、易实现、能够提高精确度等优点。

Description

一种导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法
技术领域
本发明主要涉及到卫星通信与精密测量领域，特指一种导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法。
背景技术
全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System，GNSS)能够为地球及近地空间的任意地点提供全天候的精密位置和时间信息。在全球卫星导航***中，维持较高的卫星轨道确定精度和钟差确定精度是确保导航接收终端获得大***要求的定位或授时精度的关键。
导航卫星精密定轨与时间同步对星间测距功能的需求催生出了导航星座星间链路的概念。一旦通过星间链路在导航卫星间建立联系，导航***的空间段将不再是孤立卫星的组合，成为相互协同的一个整体。通过星地链路的配合，整个导航***的控制段和空间段真正形成了一个全天候全天时的无缝网络，这为导航***的业务运行管理提供了巨大的发挥空间。星间链路可实现卫星导航***在仅配置少数监测站的情况下通过星间链路的精密测量获得轨道上其它弧段的测量信息，从而达到获得精密轨道参数的能力。
导航卫星星间链路的精密定轨与时间同步功能需要星间链路设备的时钟准确度优于亚纳秒量级。理想条件下，星载设备通过同步卫星***时频单元1PPS即可实现时间的统一溯源，其中，1PPS的同步依靠跳沿检测实现，在高精度条件下则需要设备完成宽带检测，亚纳秒级的跳沿检测精度对星载设备提出了巨大挑战。利用与1PPS相位严格一致的参考时钟信号，则有助于实现1PPS跳沿的精确检测以及本地时间的精细表达，但仍需要解决好两方面问题：一是通过提高参考时钟信号相位的测量精度，实现1PPS跳沿的高精度检测；二是避免对参考时钟信号相位的测量出现整周模糊。实际情况下，参考信号相位测量的不确定度、1PPS跳沿检测的不确定度以及两者之间相位差的不确定度均会引起整周模糊。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、能够提高精确度的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其步骤为：
S1：对来自星载时频单元的1PPS进行整秒检测；
S2：由星载时频单元提供一路模拟参考时钟信号，与1PPS保持相位严格一致，星间链路设备通过对参考时钟信号相位的跟踪测量获得本地时钟的精细刻度；
S3：对本地时钟进行模糊度处理，生成与卫星***时间精确同步的本地时间。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中，整秒检测的过程为：星间链路设备采用工作时钟对数字1PPS进行上升沿检测，在工作时钟前一节拍检测1PPS信号为低电平，当前节拍检测为高电平即认为检测到1PPS上升沿，星间链路设备同时完成整秒计数N。
作为本发明的进一步改进：所述工作时钟的频率为fw，周期为Tw。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中，对参考时钟信号相位的跟踪测量过程为：星间链路设备对模拟参考时钟信号进行采样，并采用数字相位锁定环路实现参考时钟信号的相位测量，其相位值由参考时钟周期计数及周内相位组成。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，模糊度处理的过程为：星间链路设备采集1PPS上升沿检测时刻的参考时钟信号跟踪测量相位，统计得到1PPS与参考时钟信号的初始相位差值，根据其所在相位区间确定本地时钟的参考时钟周期计数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，借助参考时钟信号的跟踪测量，实现了1PPS的精准同步以及本地时钟的精细表达，避免了针对1PPS的复杂宽带检测。
2、本发明的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，通过整秒检测以及连续跟踪参考时钟信号，星间链路设备能够适应导航卫星对1PPS的调整以及1PPS与工作时钟之间的相位相对变化。
3、本发明的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，通过统计1PPS与参考时钟信号的初始相位差，并进行模糊度处理，使得星间链路设备能够自动适应电路延迟的任意变化，避免设备或设备连接关系变化情况下的零值标定。
附图说明
图1是本发明的应用实例中导航卫星星间链路设备时钟同步的原理示意图。
图2是本发明的应用实例中1PPS上升沿检测的原理示意图。
图3是本发明的应用实例中参考时钟信号相位跟踪测量方法的原理示意图。
图4是本发明的应用实例中模糊度处理的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其步骤为：
S1：对来自星载时频单元的1PPS进行整秒检测；
S2：由星载时频单元提供一路模拟参考时钟信号，与1PPS保持相位严格一致，星间链路设备通过对参考时钟信号相位的跟踪测量获得本地时钟的精细刻度；
S3：对本地时钟进行模糊度处理，生成与卫星***时间精确同步的本地时间。
在上述步骤S1中，整秒检测的过程为：星间链路设备采用工作时钟(频率为fw，周期为Tw)对数字1PPS进行上升沿检测，在工作时钟前一节拍检测1PPS信号为低电平，当前节拍检测为高电平即认为检测到1PPS上升沿，星间链路设备同时完成整秒计数N。
整秒检测实现了以秒为单位的计时，但对于整秒内的小尺度精细计时则通过参考时钟信号相位表示。在上述步骤S2中，对参考时钟信号相位的跟踪测量过程为：星间链路设备对模拟参考时钟信号进行采样，并采用数字相位锁定环路实现参考时钟信号的相位测量，其相位值由参考时钟周期计数及周内相位组成。
星间链路设备工作时钟与1PPS并非保持严格相位同步，而是存在相位的相对变化，当这种变化造成参考时钟信号测量相位跨周，便会引起整周模糊。在上述步骤S3中，模糊度处理的过程为：星间链路设备采集1PPS上升沿检测时刻的参考时钟信号跟踪测量相位，统计得到1PPS与参考时钟信号的初始相位差值，根据其所在相位区间确定本地时钟的“参考时钟周期计数”。
基于上述本发明的方法，构建了如图1所示的导航卫星星间链路设备时钟同步的原理示意图。星载时频单元提供1PPS、一路模拟参考时钟信号以及工作时钟给星间链路设备，其中，1PPS与参考时钟信号保持相位严格一致，即1PPS跳沿对应的参考信号相位恒定。参考时钟信号由模数转换器(ADC)进行采样，采样后的信号通过数字锁相环路跟踪测量参考时钟相位，在驱动直接数字频率合成器(DDS)产生本地参考信号的同时，连续输出周期计数以及相位整秒检测模块对1PPS上升沿进行检测，并进行整秒累加计数，在检测到上升沿的同时采集参考时钟相位，并用于后续模糊度处理。模糊度处理模块根据初始阶段“上升沿时刻”采集的参考时钟相位，统计得到1PPS与参考时钟信号的初始相位差值，并根据其所在相位区间确定本地时钟的“参考时钟周期计数”。最终，由整秒计数、参考时钟周期计数以及参考时钟相位构成本地时钟。
如图2所示，为1PPS上升沿检测的原理示意图。当工作时钟边沿检测到电平由低至高的变化后即认定检测到上升沿，在检测到上升沿的同时进行整秒计数并记录下参考时钟测量相位。如图所示，受设备信号传输带宽限制，1PPS跳沿的上升过程并非垂直变化，使得上升沿的检测存在一个检测区域，当工作时钟当前脉冲位于该检测区域内，而前一脉冲位于检测区域外时便会检测出上升沿。由于工作时钟与1PPS之间存在相位的相对变化，在检测区域内上升沿的检测时刻会随之变化。图中“实线”表示的一组工作时钟脉冲以及“虚线”表示的另一组工作时钟脉冲均在检测区域内检测到上升沿，但对应的检测时刻却不同，分别为t0和t1，其中，t0由N0,表示，t1则由N1,表示。
由于检测到同一个1PPS上升沿，因此，整秒计数相同，即N0＝N1。对于参考时钟信号整周计数，当出现图中所示的参考时钟跨周(实线表示的参考信号)，满足但若未出现跨周(虚线表示的参考信号)，则满足在模糊度处理环节需要对是否可能出现跨周做出准确判断，否则会引起整周模糊。
如图3所示，是本发明中参考时钟信号相位跟踪测量方法的示意图。星间链路设备利用数字锁相环(PLL)实现参考信号相位的跟踪测量，其理论模型是一个s域上PLL环的数学模型，其中φ(s)表示需要测量的参考时钟信号的相位，表示经过环路滤波的估计值；包括了鉴相器、环路滤波器(F(s))，压控振荡器等环节。采用跟踪环路测量静态参考时钟信号相位，跟踪精度主要受到热噪声影响，取决于环路带宽BL及信噪比。当环路带宽BL取20Hz，信噪比大于0的情况下，对于通常采用的频率为10.23MHz的参考时钟，相位测量精度在50ps以内。
如图4所示，是本发明中进行模糊度处理的流程示意图。根据整秒计数N、参考信号整周计数以及参考信号相位可以表达任意时刻的本地时间，其中，1PPS上升沿检测时刻，由于参考信号整周计数为0，可表示为：
其中，T0表示参考时钟周期，Φ表示整周最大相位值。由于工作时钟与1PPS之间存在不确定性，1PPS上升沿检测时刻相对整秒时刻N存在最大两个工作时钟周期的变化，其变化范围介于之间，对于若干个工作时钟周期(mTw)后的某个时刻，相对整秒时刻的变化范围将介于之间，对应的参考时钟周期计数其中，[·]表示向下取整。
模糊度处理的原理在于：通过调整m，使得某一时刻的为确定值，即满足：
从而确保后续的本地时间不存在整周模糊。
接下来，给出关于m的确定方法。令整数并将表示为以下形式：
式中，M为整数，其中，0≤δ1<K，那么，
令式中，0≤ε<K，那么，
使公式(2)成立，即等价为通过调整m，进而改变δ1,δ2，使得
等式成立的充要条件为：
根据(3),(4)，显然满足δ2≤δ1+2,因此，式(10)等价为
0≤ε+δ1<K-2 (11)
或者
K≤ε+δ1<2K-2 (12)
分两种情况讨论：
1)为满足公式(11)，当ε<K-3，选取m，使得δ1至区间[0,1]，此时：
2)为满足公式(12)，将ε分成3个区间，当K-3≤ε<K-2，选取m，使得δ1至区间[3,K]；当K-2≤ε<K-1，选取m，使得δ1至区间[2,K-1]；当K-1≤ε<K，选取m，使得δ1至区间[1,K-2]，三种情形下：
显然，1),2)成立需满足K>3，即工作时钟频率是参考时钟信号频率3倍以上。
根据上述过程，得出模糊度处理的流程如下：
S301：在星间链路设备开机后，在检测到1PPS上升沿时刻记录参考时钟信号相位，统计平均值为φ0；
S302：计算并根据计算ε；
S303：当ε<K-3，按照情况1)选取m，并固化周期计数为然后，进入步骤S305，否则，进入S304；
S304：按照情况2)，根据ε所在3个不同区间选择m，并固化周期计数为然后，进入S305；
S305：本地时间中的整周计数将以当前固化的周期计数为起点，之后每经过一个参考时钟周期，整周计数加1，每当周期计数达到1秒便对清零。
最终，得到精确的星间链路设备本地时间：
以一个具体应用实例为例，参考时钟信号频率为10.23MHz，工作时钟频率为50MHz，因此，K＝4，可以按照1)，2)将参考信号相位分成4个区间。假设由16位的相位累加器表示参考信号测量相位，那么，Φ值为65536，参考信号相位对应的4个区间为{0,16383},{16384,32767},{32768,49151},{49152,65535}，那么，在设备开机统计出后，按照其所在区间，模糊度处理结果如下：
●若位于{0,16383}，选取m＝2，设定对应的秒内时间区间为[0ns,97.75ns]，完全覆盖φ0的变化区间[20ns,84.4ns]，不存在整周模糊；
●若位于{16384,32767}，选取m＝5，设定对应的秒内时间区间为[97.75ns,195.5ns]，完全覆盖φ0的变化区间[104.4ns,168.9ns]，不存在整周模糊；
●若位于{32768,49151}，选取m＝4，设定对应的秒内时间区间为[97.75ns,195.5ns]，完全覆盖φ0的变化区间[108.9ns,173.3ns]，不存在整周模糊；
若位于{49152,65535}，选取m＝3，设定对应的秒内时间区间为[97.75ns,195.5ns]，完全覆盖φ0的变化区间[113.3ns,177.8ns]，不存在整周模糊。
因此，对于具有固定相位关系的1PPS与参考时钟，无论在星间链路设备内的初始相位差大小如何，本发明的方法都能自适应的确定参考时钟测量周期计数，并通过对参考时钟锁相跟踪实现对***时间的精准同步。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其特征在于，步骤为：
S1：对来自星载时频单元的1PPS进行整秒检测；
S2：由星载时频单元提供一路模拟参考时钟信号，与1PPS保持相位严格一致，星间链路设备通过对参考时钟信号相位的跟踪测量获得本地时钟的精细刻度；
S3：对本地时钟进行模糊度处理，生成与卫星***时间精确同步的本地时间；
所述步骤S3中，模糊度处理的过程为：星间链路设备采集1PPS上升沿检测时刻的参考时钟信号跟踪测量相位，统计得到1PPS与参考时钟信号的初始相位差值，根据其所在相位区间确定本地时钟的参考时钟周期计数。
2.根据权利要求1所述的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其特征在于，所述步骤S1中，整秒检测的过程为：星间链路设备采用工作时钟对数字1PPS进行上升沿检测，在工作时钟前一节拍检测1PPS信号为低电平，当前节拍检测为高电平即认为检测到1PPS上升沿，星间链路设备同时完成整秒计数N。
3.根据权利要求2所述的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其特征在于，所述工作时钟的频率为fw，周期为Tw。
4.根据权利要求1或2或3所述的导航卫星星间链路设备自适应精准时间建立方法，其特征在于，所述步骤S2中，对参考时钟信号相位的跟踪测量过程为：星间链路设备对模拟参考时钟信号进行采样，并采用数字相位锁定环路实现参考时钟信号的相位测量，其相位值由参考时钟周期计数及周内相位组成。
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