CN101494495A - 一种利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，步骤为：(1)地面测控测试设备将上行测量帧发送给扩频应答机；(2)扩频应答机对上行测量帧采样，提取出上行伪距信息插入下行测量帧，再将下行测量帧发往地面测控测试设备；(3)地面测控测试设备从下行测量帧中获取星上时间Ts，记录下该下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿对应的地面时刻Tg，同时测得上下行测量帧的传输时延ΔT_R，计算单向距离传输时延τ_R；(4)计算Tg－Ts－τ_R，得到星地时差ΔT；(5)地面测控测试设备将含ΔT的上行调制信号发给扩频应答机，星上时间基准设备根据再扩频应答机送来的ΔT进行相应调整。本发明实现了纳秒级精度的星地时间同步。

Description

一种利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法

技术领域

本发明涉及一种卫星时间同步系统，特别是一种小卫星星座纳秒级高精度时间同步系统，属于卫星测控领域。

背景技术

随着小卫星技术的发展，由多颗小卫星组成的星座系统取代大卫星进行太空活动，从而增强卫星活动的灵活性、准确性和安全性已经成为一种发展趋势。其中有些星座系统的功能，如对目标定位等，要求星与星之间提供纳秒级的高精度时间同步。

目前国内卫星测控领域只有通过星地遥测链路完成单星星地毫秒级精度的时间同步方式，没有纳秒级的高精度时间同步方法。

现在毫秒级星地时差方法的星上时间是以星务中心计算机内部时钟或时钟单元为基准以1ms为单位，累加形成的。在遥测中位于固定遥测包的第4n帧，采用二进制累计时，占用5个字节，最小量化单位为1ms，F0W2～W5表示星上时间秒数，D31～D30表示星上时间毫秒值低2位，D29～D0表示星上时间秒值；F3W6表示星上时间毫秒值的高8位，与毫秒值低2位组成10比特的毫秒值。根据4096bps的传送比特率，遥测每1s传送一次星上时间。遥测信号首先由遥控单元调制成BPSK副载波信号，然后该信号送给USB应答机进行载波调制后通过天线发往地面的。

该方法通过下行遥测信息传递星上时间，其缺点是星上的星务主机仅能输出1ms时间精度的时间信息，该事时间信息放置在下行遥测信息内，地面测控站收到后通过地面通信链路发送给卫星测控中心，卫星测控中心经过比对得到星地时差。由于星上时间的精度为1ms，同时时间传递的路径带来的精度也为毫秒级，因此这种方法的星地时差测量精度只能达到5ms(r.m.s)。

国外没有查找到相关的报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用扩频统一测控体制，即测距、测速、遥测、遥控统一体制实现高精度时间同步的方法，该方法大大节约了星上资源，能够配合地面测控系统完成纳秒级高精度时间同步。

本发明的技术解决方案是：一种利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，参与该方法的设备有星上时间基准设备、扩频应答机以及地面测控测试设备，步骤如下：

(1)地面测控测试设备将上行测量帧与PN码进行模二加扩频调制，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给扩频应答机；

(2)扩频应答机接收到步骤(1)送来的上行调制信号后，从中解扩解调出上行测量帧，扩频应答机再利用自身产生的下行测量帧帧同步码对上行测量帧采样，提取上行伪距信息，并将上行伪距信息以及下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿对应的星上时间Ts实时插入下行测量帧；扩频应答机将下行测量帧进行扩频调制、载波调制后发往地面测控测试设备；

(3)地面测控测试设备接收步骤(2)下传的下行调制信号，从中解扩解调出下行测量帧，获取星上时间Ts，记录该下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿对应的地面时刻Tg，同时地面测控测试设备利用下行测量帧中的上行伪距信息测得上下行测量帧的传输时延ΔT_R，计算得到单向距离传输时延τ_R；

(4)计算Tg-Ts-τ_R，得到星地时差ΔT，所述的星地时差以地面时间为基准；

(5)地面测控测试设备将步骤(4)得到的星地时差ΔT插入上行测量帧，该上行测量帧经过扩频调制、载波调制后形成上行调制信号传递给扩频应答机，扩频应答机接收到此上行调制信号后解扩解调出星地时差ΔT，将其送往星上时间基准设备，星上时间基准设备根据星地时差ΔT进行相应调整，实现星地时间同步。

还可对步骤(5)得到的星地时差ΔT的正确性进行验证，验证过程为：测量出两颗星的星上相对时差零值Δtos、地面测控测试设备相对时差零值Δtog以及星间相对时差测量值ΔTss’，计算ΔTss’-(Δtos+Δtog)，得到星间时差ΔTss，将得到的星间时差ΔTss与标准仪器时间间隔测量仪实测的星间时差相比较，若两值之差在误差范围内，则说明星地时差ΔT的测量方法是正确的。

所述步骤(2)中星上时间Ts的获取方法为：每颗星上的时间基准设备向扩频应答机提供1路1PPS秒脉冲信号和1路10MHz正弦波信号，星上时间基准设备将每个1PPS对应的整星累计秒Ts1在总线上广播，扩频应答机接收到整星累计秒Ts1后，将Ts1加上ΔTs，得到扩频应答机秒脉冲1PPS对应的星上时间Ts，其中ΔTs为到达星上时间基准设备的秒脉冲1PPS与扩频应答机自身下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿1PPS之差。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明利用扩频统一测控体制，即测距、测速、遥测、遥控统一体制进行时间同步，可以大大的节约星上资源，并且本发明将时间信息插入上、下行测量帧中与现有技术将时间信息放置在下行遥测信息内进行时间同步的方法相比，本发明时间同步的精度较高，可以达到纳秒级。

(2)本发明通过扩频应答机建立星上时间基准设备与地面测控测试设备的上下行测量帧信号联系；扩频应答机接收星上时间基准设备的秒脉冲信号及其对应的星上时刻Ts1，然后扩频应答机测量出下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿与来自星上时间基准设备秒脉冲的差ΔTs，得到星上时间Ts，当星上时间基准设备输出1ns精度的秒脉冲，Ts1达到小于1ns的精度，同时在应答机内部采用的锁相环电路，测得的ΔTs也达到了小于1ns的精度，因此星上时间Ts的精度能够保证纳秒级，从而最终保证了测得的星地时差ΔT能够达到纳秒级的精度。

(3)本发明通过采用量化精度达到1ns的每个1PPS对应的整星累计秒，保证了星上时间基准时间码的纳秒级精度。

(4)本发明的扩频调制体制通过采用5Mcps速率PN码实现了单向时标传输时延的纳秒级高精度测量。

(5)本发明通过将星间相对时差测量值与时间间隔测量仪进行比对，验证了本发明的星地时差测量方法的正确性，这种验证方法简单、经济、有效。

(6)本发明采用下行测量帧帧同步码的最后一位下降沿对应的星上时间Ts和对应的地面时刻Tg，这样计算得到的星地时差ΔT比较精确。

附图说明

图1为本发明扩频应答机外部接口框图；

图2为本发明的卫星星地时间同步方法的工作原理框图；

图3为本发明星地设备主、副星通道时延不一致测试框图；

图4为本发明星间时差测量正确性验证框图。

具体实施方式

参与本方法的设备有星上时间基准设备、扩频应答机以及地面测控测试设备，本实施例的星上时间基准设备为时间管理单元，采用下行测量帧帧同步码的最后一位下降沿对应的星上时间Ts；扩频应答机采用S波段扩频应答机。地面测控测试设备为S波段扩频测控测试地面设备，生产厂家包括北京遥测技术研究所、石家庄通信测控技术研究所(中电54所)和西南电子技术研究所(中电10所)。在介绍本发明方法之前首先简单的介绍下上述设备中的扩频应答机。

本实施例中的扩频应答机采用的S波段扩频应答机，主要由接收通道、发射通道、数字基带、下位机等组成，是星座系统中卫星测控、跟踪分系统的重要组成部分，可以跟地面扩频测控网配合使用，实现星地链路的测轨跟踪和低速率数据的传输。扩频应答机是实现星地高精度时间测量的星上测控设备，利用扩频应答机实现高精度时间同步的特征在于：扩频测控体制、单向时标传递时差测量方法、将整星时间基准引入星地扩频测控链路方法、测试验证方法。S波段扩频应答机是星上常用的器件，在多种报刊、杂志、论文中均有报道，为公知技术，本发明只是利用它进行处理，所以本发明未对其作详细介绍，国内生产厂家主要有上海科学仪器厂等，上海科学仪器厂生产的型号为SYDJ-2S波段时差型扩频应答机可以直接应用到本发明中。

该S波段扩频应答机的外部接口如图1所示，包括与时间管理单元的接口、与星间测控管理单元的接口、与遥控单元的接口、与中心计算机的接口、电源接口以及与天线分系统的接口。其中本发明最重要的是与时间管理单元的1PPS和10MHz接口，应答机将从上行测量帧中解调出来的星地时差ΔT通过与遥控单元的RS-422接口送给遥控单元，遥控单元将其传输给中心计算机，中心计算机通过CAN总线送往时间管理单元，时间管理单元可根据接收到的星地时差ΔT来对其输出的1PPS进行调整。

下面结合图2所示的方法原理框图详细介绍本发明方法的实现过程，具体步骤如下：

(1)地面测控测试设备将上行测量帧与PN码进行模二加扩频调制，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给扩频应答机；

上行测量帧结构见表1：

表1上行测量帧结构

W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8
								帧计数	地面测站代号	地面测站时间T	目标1测量控制信息	目标2测量控制信息	目标3测量控制信息	保留	帧同步

上行信号调制方式：

2路BPSK(其中1路遥控、1路测量)

遥控通道与测量通道功率比：4∶1

通道1遥控码

PN1’

通道2测量帧

PN2’

(2)扩频应答机接收到步骤(1)送来的上行调制信号后，从中解扩解调出上行测量帧，扩频应答机再利用自身产生的下行测量帧帧同步码对上行测量帧采样，提取上行伪距信息，并将上行伪距信息以及下行测量帧帧同步码最后一位下降沿对应的星上时间Ts实时插入下行测量帧；扩频应答机将下行测量帧进行扩频调制、载波调制后发往地面测控测试设备；

星上时间Ts的获取方法为：每颗星上的时间管理单元向扩频应答机提供1路1PPS秒脉冲信号和1路10MHz正弦波信号，星上的时间管理单元将每个1PPS对应的整星累计秒Ts1通过星务分系统中心计算机的CAN总线在总线上广播，扩频应答机接收到所述的整星累计秒Ts1后，将Ts1加上ΔTs，得到扩频应答机秒脉冲1PPS对应的星上时间Ts。其中，ΔTs为到达星上时间基准设备的秒脉冲1PPS与扩频应答机自身下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿1PPS之差，该差值的测量可以通过常用的锁相环电路实现：先测量出10MHz的相位与应答机自身1PPS的相位差(可换算成对应的时延差Δt1)，由于1PPS与10MHz信号同源，即均来自时间管理单元，其1PPS与10MHz之间的相位差为一固定值Δt2(该值可通过通用的逻辑分析仪测得)。计算Δt1+Δt2得到ΔTs。关于锁相环电路的介绍为本领域公知的技术，在某些公开发表的刊物和文献有记载，这里不再进行详细的介绍。

下行信号调制方式：

2路BPSK(其中1路遥测、1路测量)

遥测通道与测量通道功率比：4∶1

通道1遥测码

PN1

通道2测量帧

PN2

下行测量帧结构见表2：

表2下行测量帧结构

下行测量帧中星上时间Ts的数据格式约定如下表：

表3下行帧中星上时的数据格式约定

(3)地面测控测试设备接收步骤(2)下传的下行调制信号，从中解扩解调出下行测量帧，获取星上时间Ts，记录该下行测量帧帧同步码最后一位下降沿对应的地面时刻Tg，同时地面测控测试设备利用下行测量帧中的上行伪距信息测得上下行测量帧的传输时延ΔT_R，计算得到单向距离传输时延τ_R。

测距采用的是直接序列扩频伪码来进行的，首先星上独立形成下行测距标志----下行测量帧帧头，该帧头与收到的上行测量帧头不对齐，而是与到达上行伪距信息位置对齐，相当于地面上行伪距信息

位置是测距标志，该标志位置不固定，但每次都可由星上下行测距标志----帧头对收到的上行测距信号采样得到。地面接收到下行测距标志----下行测量帧帧头采样得到下行伪距信息

这样，以该标志为准测得时延 ${\mathrm{\ΔT}}_R=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{up}2}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{up}1}}{R_{\mathrm{PN}}},$ R_PN为伪码码速率。ΔT_R除以2则得到单向距离传输时延τ_R。

(4)计算Tg-Ts-τ_R，得到星地时差ΔT，所述的星地时差以地面时间为基准；

(5)地面测控测试设备将步骤(4)得到的星地时差ΔT插入上行测量帧，该上行测量帧经过扩频调制、载波调制后形成上行调制信号传递给扩频应答机，扩频应答机接收到此上行调制信号后解扩解调出星地时差ΔT，将其送往时间管理单元，时间管理单元根据星地时差ΔT进行相应调整，实现星地时间同步。若ΔT＞0，则减小星上时间基准设备的时间码ΔT；若ΔT＜0，则增大星上时间基准设备的时间码ΔT。

(6)还可对步骤(5)得到的星地时差ΔT的正确性进行验证，高精度时差测量正确性验证方法如下：

由于星地时差测量方法为单向时标传递法，时标传递过程中的设备时延零值如不精确标定将直接影响最终的时差测量结果的准确性。但是星地设备时延零值标定需要精密的仪器设备，非常耗费时间和精力，同时经费需求也很大。考虑到星座需要的是星与星之间的相对时差，星地时差的正确性验证可通过验证其间接测得的相对时差来进行，因此星地时差测量方法的正确性验证采取通过测量星间时差来进行的一种简便易行的方法。

测量出星上相对时差零值Δtos、地面测控测试设备相对时差零值Δtog以及星间相对时差测量值ΔTss’，计算ΔTss’-(Δtos+Δtog)，得到星间时差ΔTss，将得到的星间时差ΔTss与标准仪器时间间隔测量仪实测的星间时差Δtss相比较，若两值一致，即两值之差在误差允许范围之内则说明星地时差ΔT的测量方法是正确的。

具体步骤为：

a、按图3连接试验设备，使扩频应答机A、扩频应答机B均接收星上时间管理单元的1PPS和10MHz时钟。其中必需要铷钟提供10MHz基准信号给时间管理单元；可调衰减器、合路器/功分器用于建立射频信道。

b、进行星上相对时差零值Δtos测量，即测量出星上设备第一颗星通道、第二颗星通道时延不一致性。

地面测控设备为具有两个以上测量通道的设备，其通道1先设置成应答机A码组，在地面测控设备上读出星地时差ΔT1。然后地面设备通道1设置改成应答机B码组，在地面测控设备上读出星地时差ΔT2。计算ΔT1-ΔT2则得到星上相对时差零值Δtos。

c、进行地面设备的通道1、通道2上相对时差零值Δtog测量，即测量出地面设备通道1、通道2时延不一致性。

地面设备的通道1、通道2均设置成应答机A的扩频码组，在地面设备上读出通道1测出的星地时差ΔT1’以及通道二测出的星地时差ΔT2’，计算ΔT1’-ΔT2’则得到地面设备的通道1、通道2上相对时差零值Δtog。

d、进行两颗星星间相对时差的测量，计算时扣除已测量的Δtos、Δtog值，验证星地测控信道测量时差的正确性。

按图4连接试验设备，扩频应答机A放置在主星上，接收主星时间管理单元的1PPS和10MHz时钟，扩频应答机B放置在副星上，接收副星时间管理单元的1PPS和10MHz时钟。

星地设备同时加电工作，地面测控设备的通道1与扩频应答机A测得主星与地面的星地时差ΔT₁”，地面站的通道2与扩频应答机B测得副星与地面的星地时差ΔT₂”，计算ΔT₂”-ΔT₁”得到两颗星的星间相对时差ΔTss’，通过计算ΔTss’-(Δtos+Δtog)扣除误差项Δtos+Δtog，得到真正的星间相对时差ΔTss。

与此同时，按图5中连接的时间间隔测量仪也测得两颗星的星间相对时差Δtss。

将地面扩频测控设备与扩频应答机配合测得的ΔTss值与时间间隔测量仪测得的Δtss比较，二者之差若在误差范围之内，则说明星地时差ΔT的测量方法是正确的。

本实施例中时间管理单元输出的1PPS及其对应的整星累计秒Ts1均要求达到纳秒级的精度，同时时间管理单元输出的正弦波信号10MHz也要求达到铷钟的准确度和稳定度。当上述要求都满足时，ΔTss值与Δtss比较误差在±1ns范围，就认定是正确的。当然若参与方法的设备本身提供的精度为ms级的，采用本发明方法进行时间同步的精度同样为ms级，其误差范围同样需要相应的根据精度进行调整，当然这种变化本身都落在本发明的保护范围之内，本发明并不局限于所给的上述实施例。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专技术人员公知常识。

Claims (5)

1、一种利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，参与该方法的设备有星上时间基准设备、扩频应答机以及地面测控测试设备，其特征在于步骤如下：

(1)地面测控测试设备将上行测量帧与PN码进行模二加扩频调制，再将扩频后的信号进行载波调制，得到上行调制信号，然后将上行调制信号通过天线发送给扩频应答机；

(2)扩频应答机接收到步骤(1)送来的上行调制信号后，从中解扩解调出上行测量帧，扩频应答机再利用自身产生的下行测量帧帧同步码对上行测量帧采样，提取上行伪距信息，并将上行伪距信息以及下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿对应的星上时间Ts实时插入下行测量帧；扩频应答机将下行测量帧进行扩频调制、载波调制后发往地面测控测试设备；

(3)地面测控测试设备接收步骤(2)下传的下行调制信号，从中解扩解调出下行测量帧，获取星上时间Ts，记录该下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿对应的地面时刻Tg，同时地面测控测试设备利用下行测量帧中的上行伪距信息测得上下行测量帧的传输时延ΔT_R，计算得到单向距离传输时延τ_R；

(4)计算Tg-Ts-τ_R，得到星地时差ΔT，所述的星地时差以地面时间为基准；

(5)地面测控测试设备将步骤(4)得到的星地时差ΔT插入上行测量帧，该上行测量帧经过扩频调制、载波调制后形成上行调制信号传递给扩频应答机，扩频应答机接收到此上行调制信号后解扩解调出星地时差ΔT，将其送往星上时间基准设备，星上时间基准设备根据星地时差ΔT进行相应调整，实现星地时间同步。

2、根据权利要求1所述的利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，其特征在于：还可对步骤(5)得到的星地时差ΔT的正确性进行验证，验证过程为：测量出两颗星的星上相对时差零值Δtos、地面测控测试设备相对时差零值Δtog以及星间相对时差测量值ΔTss’，计算ΔTss’-(Δtos+Δtog)，得到星间时差ΔTss，将得到的星间时差ΔTss与标准仪器时间间隔测量仪实测的星间时差相比较，若两值之差在误差范围内，则说明星地时差ΔT的测量方法是正确的。

3、根据权利要求1所述的利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，其特征在于：所述步骤(1)、步骤(2)中的载波调制为BPSK。

4、根据权利要求1所述的利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，其特征在于：所述步骤(2)中星上时间Ts的获取方法为：每颗星上的时间基准设备向扩频应答机提供1路1PPS秒脉冲信号和1路10MHz正弦波信号，星上时间基准设备将每个1PPS对应的整星累计秒Ts1在总线上广播，扩频应答机接收到整星累计秒Ts1后，将Ts1加上ΔTs，得到扩频应答机秒脉冲1PPS对应的星上时间Ts，其中ΔTs为到达星上时间基准设备的秒脉冲1PPS与扩频应答机自身下行测量帧帧同步码某位下降沿或上升沿1PPS之差。

5、根据权利要求1所述的利用扩频应答机实现高精度时间同步的方法，其特征在于：所述步骤(3)中单向距离传输时延τ_R的计算方法为：上下行测量帧的传输时延ΔT_R除以2。

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