CN102611547B - 一种星间时钟同步系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星间时钟同步系统及其方法。所述的系统包括主星的第一接收电路、第一发射电路和主星的FPGA模块，从星的第二接收电路、第二发射电路和从星的FPGA模块。所述的方法包括测距以及时钟同步，包括步骤：主星产生测距信号并发送至从星；从星接收该测距信号，产生同步时钟信号，并将该测距信号以及同步时钟信号转发至主星；主星接收转发的测距信号，并将该测距信号与其发送的测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对主星接收的同步时钟信号进行修正，使主星恢复的同步时钟信号与从星同步。本发明的时钟同步不依赖外部条件，系统安全性高。

Description

一种星间时钟同步系统及其方法

技术领域

本发明涉及射频通信以及数字信号处理领域，特别涉及一种星间时钟同步系统及星间时钟同步方法。

背景技术

时钟同步也叫“对钟”。要把分布在各地的时钟对准(同步起来)，最直观的方法就是搬钟，可用一个标准钟作搬钟，使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与系统的标准时钟对准，然后使系统中的其他时针与搬钟比对，实现系统其他时钟与系统统一标准时钟同步。

星间时钟同步技术中一般将两个卫星应答机分别称为主星和从星，其中，主星的接收频率为从星的发射频率，从星的接收频率为主星的发射频率。主星和从星在硬件电路上除了因为接收和发射频率不一样而选用的前端器件不一样，其他的设计都是相同的。它们都包括由接收射频滤波器、低噪声放大器、接收频率合成器、下混频器、接收中频滤波器、AGC(自动增益控制电路)和ADC模数转换器构成的接收电路，以及由DAC数模转换器、发射中频频率合成器、中频上混频器、发射中频滤波器、发射射频频率合成器、射频上混频器、发射射频滤波器和功率放大器构成的发射电路。如图1以及图2所示的接收电路以及发射电路的结构示意图，其中，接收射频滤波器与低噪声放大器相连，低噪声放大器的输出和接收频率合成器的输出与下混频器的两个输入相连，下混频器、接收中频滤波器、AGC以及ADC模数转换器依次相连。DAC数模转换器的输出和发射中频频率合成器的输出分别与中频上混频器的两个输入相连，混频输出经过发射中频滤波器后，和发射射频频率合成器的输出分别与射频上混频器的两个输入相连，混频结果经过发射射频滤波器后，由功率放大器将射频信号放大输出。

利用GPS卫星授时是实现时钟精密同步的常用办法，GPS同步时钟主要由以下几部分组成：GPS/GNSS接收机，高精度OCXO或铷钟，本地同步校准单元，测差单元，误差处理及控制结构。它具有高精度、低成本、安全可靠、全天候、覆盖范围广等特点。当前卫星间的时间同步主要也是利用了GPS同步时钟来完成的。

但是GPS同步时钟结构复杂，并且依赖于外部的GPS导航卫星，不适合安全级别要求较高的军用场合，并且不利于卫星的小型化设计。

发明内容

本发明提供了一种星间时钟同步系统及其方法，能够不利用外部条件即可实现星间的时钟同步，解决了现有技术的同步技术安全级别低且系统结构复杂的问题。

一种星间时钟同步系统，包括主星和从星，所述的主星设置有第一接收电路以及第一发射电路，所述的从星设置有第二接收电路以及第二发射电路，其中：

所述的第一接收电路与第一发射电路之间设置有主星的FPGA模块；

主星的FPGA模块，产生测距信号，将该信号调制到发射载波；将本地接收的测距信号与本地产生的测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对本地接收的同步时钟信号进行修正，使主星恢复的时钟同步信号与从星同步；

所述的第二接收电路与第二发射电路之间设置有从星的FPGA模块；

从星的FPGA模块，将本地接收的测距信号调制到发射载波；产生时钟同步信号并将该同步信号调制到发射载波。

进一步：

所述主星的FPGA模块包括：

依次相连的第一数字前端模块、第一载波恢复模块，用于从所述的第一接收电路接收信号，并恢复出载波信号；

测距信号发送模块，用于产生测距信号；

依次相连的第一全数字调制模块以及第一DAC补偿模块，用于接收来自所述测距信号发送模块的测距信号并将该测距信号调制到射频载波上，并发送到所述第一发射电路发射；

测距信号解调模块，用于接收来自第一载波恢复模块的载波信号并解调出测距信号；

时钟同步恢复模块，接收来自所述第一载波恢复模块的载波信号，解调出同步时钟信号；

距离测量解算模块，用于接收来自所述测距信号解调模块的测距信号和来自所述测距信号发送模块产生的测距信号，计算得到星间传输时延；

时钟同步修正模块，与所述的时钟同步恢复模块与距离测量解算模块相连，修正接收的同步时钟信号，实现与从星的时钟同步；

从星的FPGA模块包括：

依次相连的第二数字前端模块、第二载波恢复模块，用于从所述第二接收电路接收信号，并恢复出载波信号；

测距信号处理模块，接收来自于第二载波恢复模块的载波信号，并进行自动增益控制和系数调节；

同步时钟产生模块，用于产生同步时钟信号；

依次相连的第二全数字调制模块，第二DAC补偿模块，接收来自所述同步时钟产生模块的同步时钟信号和来自所述测距信号处理模块的测距信号，调制到射频载波上，并发送到所述第二发射电路发射。

一种星间时钟同步方法，包括以下步骤：

(1)主星产生测距信号并发送至从星；

(2)从星接收该测距信号，产生同步时钟信号，并将该测距信号以及同步时钟信号转发至主星；

(3)主星接收转发的测距信号，并将该测距信号与其发送的测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对主星接收的同步时钟信号进行修正，使主星恢复的同步时钟信号与从星同步。

进一步地，所述的步骤(2)中，从星接收该测距信号后，包括步骤：

a、恢复出调制在载波上的测距信号；

b、对恢复的测距信号进行自动增益控制和系数调节处理；

c、将处理后的测距信号以及产生的同步时钟信号调制到射频载波上转发。

其中，

所述的测距信号一般为伪码测距信号。

所述的调制方式为调相。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

一、本发明利用自身伪码测距的结果，对时钟进行同步，不依赖外部条件，两颗卫星具有独立工作的能力，系统安全性高；

二、在FPGA中实现载波恢复模块、测距信号解调以及时钟同步等，有应用灵活、实施便捷的优势；

三、采用伪码测距的方式，具有距离大、精度高的特点；

四、本发明采用一次下变频结构，ADC对较高的中频信号进行欠采样，从而简化了电路的设计，降低了电路的功耗和复杂度，实现小型化设计。

附图说明

图1是现有技术中卫星应答机接收电路的结构示意框图；

图2是现有技术中卫星应答机发射电路的结构示意框图；

图3是本发明系统的结构示意图；

图4是本发明系统主星FPGA模块内部结构示意框图；

图5是本发明系统从星FPGA内部结构示意框图；

图6是本发明系统主星和从星之间的信号链路示意框图；

图7是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明的具体实施过程。

一种星间时钟同步系统，如图3所示，实现了卫星间的时钟同步，系统的两个卫星应答机分别称为主星1和从星2，主星1的接收频率为从星2的发射频率，从星2的接收频率为主星1的发射频率；主星1和从星2在硬件电路上除了因为接收频率和发射频率不一样，因而选用的前端器件不一样，其他的设计都是相同的：所述的主星1设置有第一接收电路101、第一发射电路103和主星FPGA模块102，所述的从星2设置有第二接收电路203、第二发射电路201和从星FPGA模块202。

第一发射电路103，将本地产生的伪码测距信号发送至从星2；

主星的FPGA模块102，产生伪码测距信号，将该信号调制到发射载波；将本地接收的伪码测距信号与本地产生的伪码测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对本地接收的同步时钟信号进行修正，使主星1恢复的时钟同步信号与从星2同步；

第一接收电路101，接收从星2转发的伪码测距信号以及从星2发送的时钟同步信号；

第二发射电路201，将接收的伪码测距信号转发至主星1；将本地产生的同步时钟信号发送至主星1；

从星的FPGA模块202，将本地接收的伪码测距信号调制到发射载波；产生时钟同步信号并将该同步信号调制到发射载波；

从星的接收电路203，接收主星1发送的伪码测距信号。

第一接收电路101以及第二接收电路203均包括接收射频滤波器、低噪声放大器、接收频率合成器、下混频器、接收中频滤波器、AGC以及ADC模数转换器，ADC模数转换器的输出与相应的FPGA模块相连接。接收天线收到射频信号首先经过接收射频滤波器滤除带外频率和镜像频率，再经过低噪声放大器放大射频信号，射频信号与接收频率合成器产生的本振信号经下混频器混频得到中频信号，中频信号再经过自动增益控制使输出功率为常量，以实现大的动态范围。

AGC输出的模拟信号经过ADC模数转换器变换到数字信号输送给主星FPGA模块或从星FPGA模块，ADC的采样频率f_s＝4f₁，其中f₁为近似10MHz的一个基准频率。根据采样定理，中频信号频率f_IF的值选择为：f_IF＝nf_s/2+f₁＝(2n+1)f₁，其中n为整数。n取值不能太小，否则接收射频滤波器不容易滤掉镜像频率，也不能太大，否则对ADC的采样保持电路要求过高，一般使得f_IF在100MHz～200MHz之间，本实施例采用比较常用的一种方案，即f_IF＝13f₁。相对于接收中频，发射中频频率的选择更为方便，因为采用了二次上变频结构，所以可以选择合适的中频频率使得混频产生的无用边带都落在滤波器带外。

第一发射电路103以及第二发射电路201均包括DAC数模转换器、发射中频频率合成器、中频上混频器、发射中频滤波器、发射射频频率合成器、射频上混频器、发射射频滤波器以及功率放大器，其中，主星FPGA模块或从星FPGA模块的输出与DAC数模转换器相连。主星FPGA模块或从星FPGA模块控制DAC数模转换器输出中频调制信号，与发射中频频率合成器产生的本振信号通过中频上混频器混频得到较高的中频信号，在通过发射中频滤波器滤除无用边带后，与发射射频频率合成器产生的本振信号通过射频上混频器混频产生射频信号，再经过发射射频滤波器滤波滤除无用边带，最后由功率放大器放大到足够功率经发射天线发出。

在数字信号的处理部分：

如图4所示，主星的FPGA模块102包括：

依次相连的第一数字前端模块、第一载波恢复模块，用于从所述的第一接收电路接收信号，并恢复出载波信号；

测距信号发送模块，用于产生测距信号；

依次相连的第一全数字调制模块以及第一DAC补偿模块，用于接收来自所述测距信号发送模块的测距信号并将该测距信号调制到射频载波上，并发送到所述第一发射电路发射；

测距信号解调模块，用于接收来自第一载波恢复模块的载波信号并解调出测距信号；

时钟同步恢复模块，接收来自所述第一载波恢复模块的载波信号，解调出同步时钟信号；

距离测量解算模块，用于接收来自所述测距信号解调模块的测距信号和来自所述测距信号发送模块产生的测距信号，计算得到星间传输时延；

时钟同步修正模块，与所述的时钟同步恢复模块与距离测量解算模块相连，修正接收的同步时钟信号，实现与从星的时钟同步。

如图5所示，从星的FPGA模块202包括：

依次相连的第二数字前端模块、第二载波恢复模块，用于从所述第二接收电路接收信号，并恢复出载波信号；

测距信号处理模块，接收来自于第二载波恢复模块的载波信号，并进行自动增益控制和系数调节；

同步时钟产生模块，用于产生同步时钟信号；

依次相连的第二全数字调制模块，第二DAC补偿模块，接收来自所述同步时钟产生模块的同步时钟信号和来自所述测距信号处理模块的测距信号，调制到射频载波上，并发送到所述第二发射电路发射。

下面结合图6详细阐述主星1和从星2之间的信号链路关系：

首先，主星1的测距信号发送模块产生本地伪码测距信号，表示为c(t-τ₀)，再通过全数字调制模块调制到载波上，经过DAC补偿模块后发送给DAC，最后由天线发射到从星2。

从星2的接收天线接收到主星1发射的信号，经过放大、滤波、下混频后到达ADC模数转换器；输入到ADC的模拟信号频率为f_IF＝13f₁+f_d，f_d表示多普勒频偏，经采样后的频谱搬移到f₁附近，在从星FPGA模块的数字前端模块中，把输入的数据分成I、Q两路，然后数字混频到基带。

假定ADC的中频输入信号为一简单的正弦波：

$s\left(t\right)=\sqrt{2P}\sin [2\mathrm{\π}(13f_1+f_d)t+{\mathrm{\φ}}_c]---\left(1\right)$

式中，P表示信号功率，13f₁为中频频率，f_d是多普勒频偏，φ_c表示随机的载波初始相位。则ADC的输出为：

式中，k表示采样时刻。再经奇偶分离，并通过乘上频率为f₁的{+1，-1，+1，-1，...}进行数字混频得到两路基带信号：

$I=\sqrt{2P}\cos (2\mathrm{\π}{f}_d\frac{k}{4f_1}+{\mathrm{\φ}}_c),$ k为奇数

(3)

$Q=\sqrt{2P}\sin (2\mathrm{\π}{f}_d\frac{k}{4f_1}+{\mathrm{\φ}}_c),$ k为偶数

奇偶分离的方法是两路分别用时钟的上升下降沿来驱动，乘法器混频只是简单的符号操作，乘+1时输出原数，乘-1时取反输出。

数字前端模块得到式(3)的I、Q两路信号后，送给载波恢复模块。载波恢复模块锁定载波信号，并恢复出调制在载波上的相位信号。来自主星的调制信号只有伪码测距信号，表示为c(t-τ₁)，其中τ₁是伪码相位延时。测距信号处理模块对解调得到的信号进行自动增益控制和系数调节再发送给全数字调制模块，使得满足一定的调制指数后以调相的方式调制到载波上。

全数字调制模块同时接收来自同步时钟产生模块的同步时钟信号，同步时钟信号是一个简单的方波信号，表示为clk(t-τ′)，同样以调相的方式调制载波上。载波信号最后经过DAC补偿模块后发送给DAC，上变频到射频信号后由天线发射到主星1。

主星FPGA模块102内部的数字前端模块和载波恢复模块的具体功能与结构与从星2相同。主星1的载波恢复模块恢复出来的解调信号包括伪码测距信号和同步时钟信号。解调信号通过测距信号解调模块恢复出伪码信号，表示为c(t-τ₂)，通过时钟同步恢复模块恢复出同步时钟信号，表示为clk(t-τ″)。在恢复出从星2发送的伪码测距信号c(t-τ₂)后，距离测量解算模块根据本地的伪码测距信号c(t-τ₀)计算出双向传输延时τ₂-τ₀，从而可以得到主星1和从星2之间的距离为：L＝v·(τ₂-τ₀)/2，其中v为光速。

主星1恢复出的同步时钟信号clk(t-τ″)，相对从星2发出的同步时钟信号clk(t-τ′)，延时为τ″-τ′，表示的为从星2到主星1的单向传输延时，所以有：

τ″-τ′＝(τ₂-τ₀)/2    (4)

从而可以通过如下的式子修正主星恢复出的时钟信号使得与从星时钟信号同步：

clk(t-τ′)＝clk[t-τ″+(τ″-τ′)]＝clk[t-τ″+(τ₂-τ₀)/2]    (5)

从式(5)可以看出，主星的时钟同步精度由测距精度决定。

一种能够由上述系统实现的星间时钟同步方法，如图7所示，包括以下步骤：

S1主星产生伪码测距信号并发送至从星；

S2从星接收该测距信号，产生同步时钟信号，并将该测距信号以及同步时钟信号转发至主星；

S3主星接收转发的伪码测距信号，并将该测距信号与其发送的测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对主星接收的同步时钟信号进行修正，使主星恢复的同步时钟信号与从星同步。

在步骤S2中，从星接收测距信号并将伪码测距信号转发至主星，具体包括步骤：

步骤a，从星接收伪码测距信号，并恢复出调制在载波上的该伪码测距信号，即一相位信号；

在这里的相位信号实际包括了伪码测距信号和噪声，从星不对伪码测距信号进行解调，而是直接将恢复出的相位信号直接调制在射频载波上转发回主星；

步骤b，对恢复得到的伪码测距信号进行自动增益控制和系数调节处理；

步骤c，将处理后的伪码测距信号以及产生的同步时钟信号以调相的方式调制到射频载波上转发。

本发明方法的核心是先测距，再进行时钟同步。测距的过程是，主星将伪码测距信号以调相的方式调制到射频载波上向从星发射，从星首先恢复出载波信号，从而得到调制的伪码测距信号，但从星不对伪码测距信号进行解调，而是直接调制到从星的发射载波上转发给主星，主星收到从星的载波信号，也是先恢复出载波，同时对收到的伪码测距信号进行解调，并将解调后的伪码测距信号与主星发送的伪码测距信号进行相位比较，进行距离测量解算。

主星通过对发送和接收的伪码测距信号进行相位比较计算得到传输延时，该延时是双向路径传输所用的时间，除以2后得到单向延时。单向延时量对同步时钟起到修正作用，时钟同步的过程是，从星产生同步时钟信号，并调制到发射射频上，主星接收到射频信号，并解调恢复出同步时钟信号，并对恢复出的同步时钟信号进行单向延时量的提前修正，这样得到的同步时钟与从星完全同步。

Claims (4)

1.一种星间时钟同步系统，包括主星和从星，所述的主星设置有第一接收电路以及第一发射电路，所述的从星设置有第二接收电路以及第二发射电路，其特征在于：

所述的第一接收电路与第一发射电路之间设置有主星的FPGA模块；

所述主星的FPGA模块，产生测距信号，将该信号调制到发射载波；将本地接收的测距信号与本地产生的测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对本地接收的同步时钟信号进行修正，使主星恢复的时钟同步信号与从星同步；

所述的第二接收电路与第二发射电路之间设置有从星的FPGA模块；

所述从星的FPGA模块，将本地接收的测距信号调制到发射载波；产生时钟同步信号并将该同步信号调制到发射载波；

所述主星的FPGA模块包括：

依次相连的第一数字前端模块、第一载波恢复模块，用于从所述的第一接收电路接收信号，并恢复出载波信号；

测距信号发送模块，用于产生测距信号；

依次相连的第一全数字调制模块以及第一DAC补偿模块，用于接收来自所述测距信号发送模块的测距信号并将该测距信号调制到射频载波上，并发送到所述第一发射电路发射；

测距信号解调模块，用于接收来自第一载波恢复模块的载波信号并解调出测距信号；

时钟同步恢复模块，接收来自所述第一载波恢复模块的载波信号，解调出同步时钟信号；

距离测量解算模块，用于接收来自所述测距信号解调模块的测距信号和来自所述测距信号发送模块产生的测距信号，计算得到星间传输时延；

时钟同步修正模块，与所述的时钟同步恢复模块与距离测量解算模块相连，修正接收的同步时钟信号，实现与从星的时钟同步；

从星的FPGA模块包括：

依次相连的第二数字前端模块、第二载波恢复模块，用于从所述第二接收电路接收信号，并恢复出载波信号；

测距信号处理模块，接收来自于第二载波恢复模块的载波信号，并进行自动增益控制和系数调节；

同步时钟产生模块，用于产生同步时钟信号；

依次相连的第二全数字调制模块，第二DAC补偿模块，接收来自所述同步时钟产生模块的同步时钟信号和来自所述测距信号处理模块的测距信号，调制到射频载波上，并发送到所述第二发射电路发射。

2.一种星间时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)主星产生测距信号并发送至从星；

(2)从星接收该测距信号，产生同步时钟信号，并将该测距信号以及同步时钟信号转发至主星；

所述的步骤(2)中，从星接收该测距信号后，包括步骤：

a、恢复出调制在载波上的测距信号；

b、对恢复的测距信号进行自动增益控制和系数调节处理；

c、将处理后的测距信号以及产生的同步时钟信号调制到射频载波上转发；

(3)主星接收转发的测距信号，并将该测距信号与其发送的测距信号进行相位比较，计算得到星间传输时延；基于得到的星间传输时延对主星接收的同步时钟信号进行修正，使主星恢复的同步时钟信号与从星同步。

3.如权利要求2所述的星间时钟同步方法，其特征在于，所述的测距信号为伪码测距信号。

4.如权利要求3所述的星间时钟同步方法，其特征在于，所述的调制方式为调相。