CN110350998A - 一种高动态下站间高精度时频同步方法 - Google Patents

一种高动态下站间高精度时频同步方法 Download PDF

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Abstract

一种高动态下站间高精度时频同步方法，动站向基准站发送信息帧和同步码，基准站获得基准站到达时间；基准站向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第一次到达时间；基准站再次向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第二次到达时间；计算基准站和流动站之间的相对运动速度和多普勒频率；计算基准站和流动站之间的时差信息，流动站根据时差信息调整流动站本地时间，使得流动站与基准站达到时间同步；计算基准站和流动站之间的晶振频差信息，流动站根据晶振频差信息调整流动站的晶振频率，使得流动站与基准站达到频率同步。本发明获取高精度站间时差信息，并通过检测站间载波相位变化率，实现基准站和流动站的频率同步。

Description

一种高动态下站间高精度时频同步方法
技术领域
本发明涉及数字通信领域，尤其涉及一种高动态下站间高精度时频同步方法。
背景技术
多载体组网探测与协同控制已成为防空反导武器装备发展的重要方向，多载体协同探测体制可以有效提高作用距离和测量精度，受到国内外研究人员的重视。多载体间的协同组网通信和协同定位，需要将网络内部各个载体的时间和频率进行精确同步，才能实现对目标的高精度定位。现有技术一般通过导航卫星信号结合高精度原子钟对不同的设备进行时间同步，但该方法一方面对导航卫星信号依赖性较强，容易受到外界干扰，且启动预热时间较长，不适用于弹载***。采用基于双向通信的时频同步方法可以提高***抗干扰能力，在原有通信链路上进行一定的改进即可获得时频同步功能，可以在不增加硬件成本的情况下较好的适应弹载应用需求。
现有的文献对时频同步方法进行了研究。文献1(谢容平，孙凌枫，朱峰，时频中心时间同步方法[J].指挥信息***与技术，2016,7(1):58-62.)给出了多种时频同步方法，对比了各种方法所能达到的同步精度，并对基于卫星共视方法进行了详细介绍。卫星共视时频同步方法可以达到纳秒级时间同步精度，但该方法只适用与地面设备的时频同步，未提及高动态飞行情况下的同步性能。文献2(纪元法，梁涛，孙希延，严素清，卢伟军.伪卫星网络时频同步***设计与实现[J].嵌入式技术，2018,6(44):39-43)提出的伪卫星自组织网络时频同步方法，同样采用双向测量方法，但该方法未针对高动态情况进行改进，不适用于高动态场景，且该方法需要对信号进行持续跟踪，抗干扰能力较弱，功能较为单一。专利1(北斗可驯授时方法及装置，CN201811627948.4，2018)提供了一种北斗可驯授时方法及装置，该方法通过接收北斗卫星信号进行时间同步，但并未说明所能达到的时间同步精度。专利2(一种时钟时频一体传输方法及装置，CN201810916848.7，2018)提出了一种基于IRIG-B码进行时间及频率传递方法，该方法通过RS485、多模光纤、单模光纤等进行传输，不适用无线传输方式。
发明内容
本发明提供一种高动态下站间高精度时频同步方法，采用改进的RTT时间同步方法，获取高精度站间时差信息，并通过检测站间载波相位变化率，实现基准站和流动站的频率同步。
为了达到上述目的，本发明提供一种高动态下站间高精度时频同步方法，包含以下步骤：
基准站和流动站按照固定的时隙长度ΔT发送信息帧和同步码；
流动站向基准站发送信息帧和同步码，基准站获得基准站到达时间TOAI；
基准站向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第一次到达时间TOAR1；
基准站再次向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第二次到达时间TOAR2；
计算基准站和流动站之间的相对运动速度v和多普勒频率fd；
其中，fc为载波频率；
计算基准站和流动站之间的时差信息ε，流动站根据时差信息ε调整流动站本地时间，使得流动站与基准站达到时间同步；
其中，td1为基准站计时起始时刻至信号发射时刻的时间，tp1是流动站向基准站发送信息帧和同步码时的信号传播时间，tp2是基准站第一次向流动站发送信息帧和同步码时的信号传播时间；
计算基准站和流动站之间的晶振频差信息Δf，流动站根据晶振频差信息Δf调整流动站的晶振频率，使得流动站与基准站达到频率同步；
其中，fo为晶振频率，fn为载波频差， 为载波相位，i和q分别为对射频信号进行正交下变频后得到的同相支路I和正交支路Q的信号。
本发明通过一个基准站与其它流动站之间相互通信，使得流动站获取与基准站的时间差信息，从而调整本地时间，达到与基准站时间同步，时间同步精度达到纳秒级水平，此外在通信过程中，还可以获取流动站与基准站间的频率差信息，从而调整本地晶振频率，达到与基准站频率同步，频率同步精度达到10-9量级。
附图说明
图1是本发明提供的一种高动态下站间高精度时频同步方法的流程图。
图2是本发明提供的一种高动态下站间高精度时频同步方法的实施例示意图。
具体实施方式
以下根据图1和图2，具体说明本发明的较佳实施例。
常用的站间时间同步方法有往返计时(RTT，Round Trip Time)方法，往返计时RTT同步是一种基于到达时间(TOA：Time of Arrival)进行测量的双向比对方法。双向比对的工作原理是，利用参与时间同步双方TOA的双向对传来抵消无线信号在路径传输中的误差，通过计算得出准确的双方时差。但是在高动态情况下，由于基准站和流动站间的相对运动，造成时差测量存在误差，同时还会因多普勒效应而造成频差测量误差。因此，本发明在原有RTT方法基础上增加一次测量过程，消除高动态下的时差和频差。
本发明采用改进的RTT时间同步方法，获取高精度站间时差信息，并通过检测站间载波相位变化率，实现基准站和流动站的频率同步。
基准站和流动站间通过无线射频链路交互信息，物理层采用TDMA(时分复用)方式工作，每个基准站和流动站按照固定的时隙长度发送相应长度的信息帧，信息帧采用扩频调制。此外，在每个信息帧后还发送用于精确计算到达时间的同步码。
如图1所示，本发明提供一种高动态下站间高精度时频同步方法，包含以下步骤：
步骤S1、流动站向基准站发送信息帧和同步码，基准站获得基准站到达时间；
流动站向基准站发送信息帧和同步码，基准站接收信息帧，并利用同步码计算该信息帧的到达时间，记为基准站到达时间；
步骤S2、基准站向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第一次到达时间；
基准站向流动站发送信息帧和同步码，该信息帧中包含了步骤S1中计算出的基准站到达时间，流动站接收信息帧并获得基准站到达时间，同时利用同步码计算该信息帧的到达时间，记为流动站第一次到达时间；
步骤S3、基准站再次向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第二次到达时间；
基准站再次向流动站发送信息帧和同步码，流动站接收信息帧，并利用同步码计算该信息帧的到达时间，记为流动站第二次到达时间；
步骤S4、计算基准站和流动站之间的相对运动速度和多普勒频率；
通过流动站第一次到达时间和流动站第二次到达时间计算得到当前基准站和流动站之间的相对运动速度和多普勒频率；
步骤S5、计算基准站和流动站之间的时差信息；
通过相对运动速度信息、基准站到达时间、流动站第一次到达时间计算得到基准站和流动站之间的时差信息，调整流动站本地时间即可使得流动站与基准站达到时间同步；
步骤S6、计算基准站和流动站之间的晶振频差信息；
流动站在对信息帧进行解扩解调过程中，将AD(模数转换)芯片采集的IQ(对射频信号进行正交下变频后得到的同相支路I和正交支路Q的信号)信号与本地存储的扩频码进行相关累积操作，最终分别得到IQ的积分值，通过该积分值计算出当前载波相位信息；
流动站每间隔一定时间计算载波相位信息，根据载波相位随时间的变化率，计算出载波频差信息，该载波频差减去由速度引起的多普勒信息并除以倍频值(载波频率与晶振频率比值)即得到基准站和流动站之间的晶振频差；
根据晶振频差信息调整流动站的晶振频率即可使得流动站与基准站达到频率同步。
如图2所示，以2个站(1个基准站、1个流动站)为例说明本发明的计算过程，实际情况下可以向1个基准站和多个流动站推广。每个流动站和基准站都以固定3ms的时隙发送信息帧，流动站与基准站初始时差记为ε。
步骤S1、首先由流动站向基准站发送信息帧和同步码，基准站测得的基准站到达时间为TOAI，其中信号传播时间记为tp1。
步骤S2、基准站向流动站发送信息帧和同步码，流动站测得的流动站第一次到达时间为TOAR1，其中信号传播时间记为tp2。
步骤S3、基准站再次向流动站发送信息帧和同步码，流动站测得的流动站第二次到达时间为TOAR2，其中信号传播时间记为tp3。
步骤S4、计算基准站和流动站之间的相对运动速度和多普勒频率；
从图2中可以看出：
TOAR2-TOAR1＝td2-td1-tp2+tp3 (1)
其中，td1为基准站计时起始时刻至信号发射时刻的时间，td2为基准站计时起始时刻至第二次信号发射时刻的时间，td2-td1＝3ms，基准站两次向流动站发送信息帧的传播时间tp2、tp3的不同主要受站间相对运动所影响，假设相对运动速度为v，则两次信号传输距离的变化为v*3ms，则有：
tp3-tp2＝(v*3ms)/c (2)
其中c为光速，结合公式(1)、(2)可以解算出相对运动速度：
则站间多普勒频率为：
其中fc为载波频率。
步骤S5、计算基准站和流动站之间的时差信息ε；
从图2中可以看出：
ε+TOAR1＝td1+tp2 (5)
ε+tp1＝TOAI (6)
则由式(5)、(6)可得：
通常在进行RTT之前，基准站和流动站间会先进行一次粗同步过程，同步精度根据传输距离不同而变化，通常在us量级，该时间造成的信号传播距离误差可以忽略不计，因此，可以认为tp3-tp2≈(v*3ms)/c，其中v可以通过公式(3)计算得到。
通过计算得到的站间时差ε调整流动站时间计数即可使得基准站和流动站时间对齐。
步骤S6、计算基准站和流动站之间的晶振频差信息；
流动站在信息帧解扩解调过程中，将AD采集的IQ信号与本地存储的扩频码进行相关累积操作，最终分别得到IQ的积分值，通过该积分值计算出当前载波相位信息。
载波相位为：
流动站每间隔一定时间(记为T)按公式(8)计算载波相位信息，记为则测得的载波频差为：
其中，n为测量次数，则流动站与基准站间的晶振频差为：
其中，fo为晶振频率。
通过计算得到的站间晶振频差Δf调整流动站晶振(一般为压控晶振)频率可使得基准站和流动站频率对齐。
本发明通过一个基准站与其它流动站之间相互通信，使得流动站获取与基准站的时间差信息，从而调整本地时间，达到与基准站时间同步，时间同步精度达到纳秒级水平，此外在通信过程中，还可以获取流动站与基准站间的频率差信息，从而调整本地晶振频率，达到与基准站频率同步，频率同步精度达到10-9量级。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种高动态下站间高精度时频同步方法，其特征在于，包含以下步骤：
基准站和流动站按照固定的时隙长度ΔT发送信息帧和同步码；
流动站向基准站发送信息帧和同步码，基准站获得基准站到达时间TOAI；
基准站向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第一次到达时间TOAR1；
基准站再次向流动站发送信息帧和同步码，流动站获得流动站第二次到达时间TOAR2；
计算基准站和流动站之间的相对运动速度v和多普勒频率fd；
其中，fc为载波频率；
计算基准站和流动站之间的时差信息ε，流动站根据时差信息ε调整流动站本地时间，使得流动站与基准站达到时间同步；
其中，td1为基准站计时起始时刻至信号发射时刻的时间，tp1是流动站向基准站发送信息帧和同步码时的信号传播时间，tp2是基准站第一次向流动站发送信息帧和同步码时的信号传播时间；
计算基准站和流动站之间的晶振频差信息Δf，流动站根据晶振频差信息Δf调整流动站的晶振频率，使得流动站与基准站达到频率同步；
其中，fo为晶振频率，fn为载波频差， 为载波相位，i和q分别为对射频信号进行正交下变频后得到的同相支路I和正交支路Q的信号。
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