CN114866215B - 一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，涉及相位同步与配准技术领域，解决了现有方案应用条件限制导致的同步精度不高的技术问题，本发明通过基于高稳定基准源的初同步以及基于锁相环的精同步相结合解决了上述问题；本发明提供了一种多层级多节点分组的分布式相位同步技术，提高了相位同步精度和同步效率；本发明中分布式同步方式选择锁相环与独立频率源综合同步法，提升了***的鲁棒性；本发明采用高精度的频域数字鉴相技术，有效解决了传统锁相环硬件电路复杂、易受环境干扰、锁相精度不高等问题。

Description

一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法

技术领域

本发明属于相位同步与配准技术领域，具体是一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法。

背景技术

无人机队列在分布式地执行任务时，依赖各机组之间和机组内部严格的同步，同步精度的高低将直接影响分布式***的性能。在同步问题中，尤为重要的是时间同步和相位同步，其中相位同步要求收发机之间相位保持一致或在***允许的范围内。

相位同步的方法主要有以下三种：直接同步法、频率源同步法和自同步法。

直接同步法是将发射机的频率基准信号(也叫做导频信号)直接发送到接收机，接收机收到导频信号后再进行解调、放大和整形处理，或者是直接用频率基准信号去解调接收机需要处理的信号。直接同步法理论上应有很高的同步精度，但是实际中除了会受到收发平台相位运动的影响外，还要受频率基准信号信噪比、多径效应以及电磁环境等因素的影响，因此同步精度有限。

频率源同步方法是在发射平台和接收平台各自设置相同的高稳定度本振基准源，靠本振基准源的高稳定性和频率一致性来维持相位同步的要求，但是需要保证两个本振基准源高度一致，实现难度较大。

自同步法是利用接收机接收到的数据，通过一定的算法，例如多普勒中心估计等来实现收发间的软相位同步。自同步法主要以收发独立的高稳定的基准源为基础，同时还依赖算法的精度和实时性。

发明内容

本发明提供了一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，用于解决现有方案应用条件限制导致的同步精度不高的技术问题，本发明通过基于高稳定基准源的初同步以及基于锁相环的精同步相结合解决了上述问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，包括：

将运动平台的节点划分为节点组；其中，每个节点组由1个主节点和5个从节点构成，且运动平台的节点数量不少于30个；

通过基准时钟源对主节点和从节点进行相位粗同步；

再通过软件锁相环对主节点和从节点进行相位精同步，所述相位精同步包括：

由主节点向从节点发射载波信号，从节点接收载波信号后，通过载波跟踪环恢复载波，并将恢复的载波作为接收本振，并采用软件锁相环与独立频率源相结合的方法实现相位同步。

优选的，所述软件锁相环由数字鉴相器、环路滤波器和软件数控振荡器组成，且软件数控振荡器的输出频率通过环路滤波器的累加器输出控制。

优选的，所述数字鉴相器包括基本数字鉴相器和频域数字鉴相器。

优选的，所述基本数字鉴相器通过正交分解获取信号的相位信息。

优选的，所述频域数字鉴相器的工作步骤包括：

将待测信号和参考信号通过快速傅里叶变换转换到频域，获取频域中待测信号和参考信号幅频响应最大值对应的频率，并分别标记为第一频率和第二频率；

将第一频率和第二频率做相相频差后转换到[0,2π]范围内，得到相位差。

优选的，在相位同步过程中，首先使第一小组的主机与其他小组的主机进行相位同步，再将标定后的各小组主机相位作为锚定主相位，在各组中分别进行从机标定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种多层级多节点分组的分布式相位同步技术，提高了相位同步精度和同步效率。

2、本发明中分布式同步方式选择锁相环与独立频率源综合同步法，提升了***的鲁棒性。

3、本发明采用高精度的频域数字鉴相技术，有效解决了传统锁相环硬件电路复杂、易受环境干扰、锁相精度不高等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

这里使用的术语用于描述实施例，并不意图限制和/或限制本公开；应该注意的是，除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”也包括复数形式；而且，尽管属于“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但是元件不受这些术语的限制，这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。

请参阅图1，本申请提供了一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，包括：

将运动平台的节点划分为节点组；其中，每个节点组由1个主节点和5个从节点构成；其中，运动平台的节点数量不少于30个；

通过基准时钟源对主节点和从节点进行相位粗同步；

再通过软件锁相环对主节点和从节点进行相位精同步，所述相位精同步包括：

由主节点向从节点发射载波信号，从节点接收载波信号后，通过载波跟踪环恢复载波，并将恢复的载波作为接收本振，并采用软件锁相环与独立频率源相结合的方法实现相位同步。

本申请可适应的运动平台节点数量不少于30个，每6个为一组(含主节点)，共5组，每组由1主节点和5个从节点构成。

主节点向从节点发射信号，同步无人机先用高稳定的时钟基准源来获得一个粗同步，然后用软件锁相环来保持同步和进一步精化同步精度，使得本振锁相环(100MHz)的相位同步精度优于1°，以满足多个运动平台发射连续波(1GHz)的相位同步精度优于10°。

本申请采用先进的时间频率测控技术驯服高稳定度铷原子钟，并将高稳定度低相噪双槽恒温晶振锁定在铷原子钟上，将原子频标的中期稳定性与高稳晶振的短期稳定性完美结合，使***输出频率同步，输出的100MHz频率几乎没有漂移，能为***提供超高精度的时间和频率基准。

通过低噪声锁相回路，使恒温晶振产生的100MHz频率与铷原子钟准确同步。当校准时间码正常时，铷频标被实时校准；当校准时间码丢失时，铷频标自动进入保持状态；100MHz始终与其准确同步，这样100MHz输出频率具有原子钟的长期稳定特性，又具有优质短稳和低相噪特性。

本申请采用一发多收的工作模式，由主节点向从节点发射载波信号，从节点接收信号，通过载波跟踪环恢复载波，将其作为接收本振，并采用软件锁相环与独立频率源相结合的方法实现相位同步，相位同步过程中考虑多普勒频移对同步的影响。

本申请的技术方案综合直接同步法和频率源同步法二者的优点，先用高稳定的基准源来获得一个粗同步，然后用软件锁相环来保持同步和进一步精化同步精度。这样即使在锁相环失锁的情况下至少还可以保证其时间、频率和相位的同步精度与原子钟精度一样。

本申请的实现过程中，核心模块为软件锁相环，即将锁相环的基本部件用软件编程来实现，其基本算法思想与模拟锁相环和数字锁相环类似。软件锁相环的基本模型由数字鉴相器、环路滤波器和软件数控振荡器(NCO)组成，软件数控振荡器的输出频率由环路滤波器的累加器输出所控制。

针对数字鉴相器：

软件锁相环的核心部件为数字鉴相器，可以采用两种方式进行设计实现，一种借助信号的正交分解来获取信号的相位信息，是最基本的数字鉴相器，要获取相位信息必须获取频率信息即进行频率估计，从信号的瞬时相位可以看到，相位曲线的斜率即为信号的频率。

另外一种是频域数字鉴相器，分别将待测信号和参考信号通过FFT变换到频域，再分别取出二者幅频响应最大值对应的频率，二者做相相频差后转换都0-2π的范围内，便可得到二者的相位差。

因为主从节点之间的相对运动而产生多普勒频移，可能会使得锁相环对基准信号的捕捉出现错误，从而给本振信号和发射载波之间带来相位误差。各种外界扰动因素造成的相位误差，都会对相干干扰产生影响，所以对相位同步误差的估计和补偿是必不可少的关键步骤。

相位误差可以分为一次相位误差、二次相位误差、三次或者高次相位误差以及由正弦抖动带来的菲涅尔起伏的相位误差。

由于信道的变化和影响，精确地确定信号频率非常重要，通过频率可以获取相位信息，初始相位等。要使相位估计精度优于1℃，***的信噪比应不低于15dB；其次，如果只利用单次测量作为最终的输出结果，则结果可能会超出相位误差不超过1°的***精度要求，采用多次测量然后求均值的方法，可以保证相位误差精度优于1°。

高精度相位同步的主要因素分析：

1.运动平台多普勒频移的影响

发射信号的频率估计精度对相位的影响是很大的，由于信道的变化和影响，主从节点之间的相对运动而产生多普勒频移及其他因素等导致发射机过来的信号可能会有误差，所以精确的确定信号频率非常重要。

针对多普勒频移，本方案采用卡尔曼滤波自主跟踪得到信号的频率，即使信号频率存在一定的偏移，其相位估计精度依然不会受到影响。

2.基准源的漂移和老化

由于在分布式平台上进行收发，主从机有各自的基准源，两个基准源稍微偏移或者二者漂移的速率不同都会形成频率偏差，对相位同步造成很大的影响，频率偏差可以分成固定值，线性时变，正弦抖动和随机四种模型。

3.其他因素的影响

发射机和接收机的幅频相频特性不理想，射频线缆匹配精度不足，天线辐射远场波前的非球面以及有源器件的相位抖动都会对相位同步的精度产生不同程度的影响。

本发明的工作原理：

将运动平台的节点划分为节点组；其中，每个节点组由1个主节点和5个从节点构成；

通过基准时钟源对主节点和从节点进行相位粗同步，再由主节点向从节点发射载波信号，从节点接收载波信号后，通过载波跟踪环恢复载波，并将恢复的载波作为接收本振，并采用软件锁相环与独立频率源相结合的方法实现相位同步。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，其特征在于，包括：

将运动平台的节点划分为节点组；其中，每个节点组由1个主节点和5个从节点构成，且运动平台的节点数量不少于30个；

通过基准时钟源对主节点和从节点进行相位粗同步；

再通过软件锁相环对主节点和从节点进行相位精同步，所述相位精同步包括：

由主节点向从节点发射载波信号，从节点接收载波信号后，通过载波跟踪环恢复载波，并将恢复的载波作为接收本振，并采用软件锁相环与独立频率源相结合的方法实现相位同步；

所述软件锁相环由数字鉴相器、环路滤波器和软件数控振荡器组成，且软件数控振荡器的输出频率通过环路滤波器的累加器输出控制；

在相位同步过程中，首先使第一小组的主机与其他小组的主机进行相位同步，再将标定后的各小组主机相位作为锚定主相位，在各组中分别进行从机标定。

2.根据权利要求1所述的一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，其特征在于，所述数字鉴相器包括基本数字鉴相器和频域数字鉴相器；其中，基本数字鉴相器基于信号的正交分解获取信号的相位信息。

3.根据权利要求2所述的一种分布式运动平台之间的高精度自主相位同步方法，其特征在于，所述频域数字鉴相器的工作步骤包括：

将待测信号和参考信号通过快速傅里叶变换转换到频域，获取频域中待测信号和参考信号幅频响应最大值对应的频率，并分别标记为第一频率和第二频率；

将第一频率和第二频率做相相频差后转换到[0,2π]范围内，得到相位差。