CN103048643A

CN103048643A - 一种星载sar的雷达绝对时间保持方法

Info

Publication number: CN103048643A
Application number: CN2011103110669A
Authority: CN
Inventors: 李世强; 禹卫东; 孙吉利; 李早社
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN103048643B

Abstract

本发明公开了一种高精度雷达绝对时间保持方法，涉及星载合成孔径雷达(SAR)技术，针对通常的星载SAR系统中雷达绝对时间精度不高(仅为ms量级)的问题，在硬件控制下通过绝对时钟与本地相对时钟(即本地时钟计数器)的结合实现雷达绝对时间的高精度保持，即在通过星务数据总线接收GPS绝对时间数据的同时，设计本地时钟计数器等数字电路硬件，采用GPS接收机输出的秒脉冲(1PPS脉冲)控制本地时钟计数器的运行。将绝对时间数据和本地时钟计数器数据一同打入雷达辅助数据，下传地面后可在数据处理时得到高精度雷达绝对时间。本发明方法可以将雷达绝对时间保持精度提高到μs或百ns量级。

Description

一种星载SAR的雷达绝对时间保持方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达技术领域，是一种星载SAR的雷达绝对时间保持方法。

背景技术

星载合成孔径雷达(SAR)在工作过程中，一方面接收地面雷达回波，另一方面通过星务数据总线(如1553B总线、CAN总线等)接收星务计算机转发的卫星星历数据、GPS的绝对时间数据等，作为雷达辅助数据，这些辅助数据与地面回波数据共同打包下传地面。雷达辅助数据中打包的绝对时间可称为雷达绝对时间。地面处理过程中，根据卫星星历数据和雷达绝对时间数据可以得到各个时刻的卫星绝对位置，以及对应时刻的地面成像区域的绝对位置(如经纬度)。因此，雷达绝对时间的误差是造成星载SAR系统地面目标定位误差的重要因素之一。

另外，在需要多星协同工作的系统中，例如编队卫星干涉SAR系统，协同工作的各星载SAR之间需要同时工作，要求各卫星上的雷达绝对时间具有足够高的绝对时间精度；另一方面，由于干涉处理过程中基线高精度测量和基线反演的需要，对协同工作的各卫星雷达绝对时间精度的要求也较高，需要达到微秒甚至亚微秒量级。

目前的星载SAR系统中，雷达绝对时间的获得一般采用以下方式：星上GPS接收机通过星务数据总线将绝对时间数据传给星务计算机，星务计算机经过适当处理，再向星务数据总线上广播，雷达计算机收到绝对时间广播数据后，通过软件进行接收保存，并利用软件更新本地时钟计数器，实现对绝对时间数据的维护，待需要雷达辅助数据打包时，由雷达计算机软件读取本地时钟数据，连同星务总线接收的绝对时间数据一同打入雷达辅助数据。在这一过程中由于仅对绝对时间数据进行维护和存储，并且涉及较多的软件操作，使得绝对时间的精度难于保证，一般仅能达到几毫秒到十几毫秒量级。

发明内容

本发明的目的是公开一种星载SAR的雷达绝对时间保持方法，解决星载SAR系统中，常规雷达绝对时间保持方法精度较低的问题，实现雷达绝对时间的高精度保持，将雷达绝对时间保持精度提高到μs或百ns量级。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种星载SAR雷达绝对时间保持方法，其包括：

(1)在雷达计算机的FPGA中，设置一个由高精度基准频率信号驱动的本地时钟计数器；

(2)以GPS输出的1PPS脉冲前沿时刻作为时间基准，用本地时钟计数器对从时间基准时刻到每帧回波采集时刻之间的时间延迟进行计时；

(3)在SAR开机后本地时钟计数器开始工作，等到第一个1PPS脉冲到来时，在其前沿时刻复位本地时钟计数器，作为本地时钟的0时刻；

(4)在每个PRF周期内，雷达采集一帧回波数据，在开始采集每帧回波信号时记下当前本地时钟计数器的时间；

(5)把d)步记录的当前本地时钟计数值，连同通过星务数据总线接收的绝对时间数据，共同作为雷达辅助数据的一部分下传地面站；

(6)地面站处理时，经过计算得到雷达回波采集时刻的高精度绝对时间信息，以实现雷达绝对时间的高精度保持。

所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其所述(6)步中经过计算，是利用以下公式恢复每帧回波数据采样时刻的雷达绝对时间：

实际绝对时间＝总线接收绝对时间+每帧回波采集时间(PPS时间)。

所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其所述(3)～(4)步，每当GPS接收机送来的1PPS脉冲前沿时刻，本地时钟计数器复位，重新从0开始计数；定时信号产生器输出采样起始信号用于触发每帧回波信号采样的起始，其频率与脉冲重复频率信号(PRF)相同；利用采样起始信号把本地时间计数值打入本地时间计数锁存器，则该计数值代表了每帧雷达回波采样时刻与1PPS脉冲前沿时刻之间的延时时间。

所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其所述采样起始信号，为辅助数据打包电路的触发信号，使得辅助数据打包与本地时间数据输出保持节拍同步。

所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其所述每帧辅助数据打包时，从时间数据锁存器2读取整秒时刻的绝对时间数据T₀，从本地时间计数锁存器读取本地时间计数值K，则当前帧雷达回波采样时刻的绝对时间t为：

t = T_{0} + \frac{K}{f_{0}}

其中f₀为驱动本地时钟计数器的基准频率信号的频率。

所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其所述雷达绝对时间的高精度保持，由基准频率信号的频率及其准确度决定，基准频率信号由晶振产生：

本发明方法的有益效果是，通过采用全硬件实现绝对时间的保持，使得雷达绝对时间保持精度可以提高到微秒量级，甚至百ns量级。具体地，当驱动本地时钟计数器的基准频率信号采用普通晶振输出信号时，雷达绝对时间保持精度可以达到微秒量级；当驱动本地时钟计数器的基准频率信号采用GPS驯服晶振或原子钟驯服晶振输出信号时，雷达绝对时间保持精度可以达到百ns量级。a)若GPS授时精度为100ns，且用50MHz普通晶振驱动本地时钟计数器，则雷达绝对时间保持的最大误差不超过1.12μs；

b)若用GPS驯服或原子钟驯服的50MHz晶振驱动本地时钟计数器，雷达绝对时间保持的最大误差不超过120.1ns。

本发明的技术方案已在国内某SAR系统中得到验证。

附图说明

图1为高精度雷达绝对时间信息保持的流程图；

图2为高精度雷达绝对时间信息保持原理示意图；高精度雷达绝对时间保持的原理，其中1PPS为GPS接收机输出的1PPS脉冲信号时序，PRF为雷达定时信号(脉冲重复频率)的时序，每个PRF周期输出一帧雷达数据(包含辅助数据和回波数据)；

图3为本发明的一种星载SAR的雷达绝对时间保持方法的原理示意图；

图4为卫星上GPS接收机送给雷达的绝对时间数据和1PPS脉冲信号的时序关系图。

具体实施方式

为了提高雷达绝对时间保持精度，本发明方法的主要技术思路是采用全硬件实现绝对时间信息的传输和维护，通过绝对时钟与本地相对时钟的结合实现雷达绝对时间的高精度保持。具体如下：星上GPS接收机除了能够输出绝对时间数据外，还可以每秒输出一个脉冲信号，即1PPS脉冲，并且每秒输出的绝对时间数据代表的正是1PPS脉冲前沿时刻的绝对时间。利用这一特点可以增加雷达计算机与GPS接收机的接口，利用1PPS脉冲信号实现对雷达计算机FPGA内部本地时钟计数器的硬件控制，实现雷达绝对时间的高精度保持。

高精度雷达绝对时间保持的流程图见附图1所示，工作原理见附图2所示。在雷达计算机的FPGA中，设计一个由高精度基准频率信号驱动的本地时钟计数器硬件，

在SAR开机后本地时钟计数器开始工作，等到第一个1PPS脉冲到来时，在其前沿时刻复位本地时钟计数器，作为本地时钟的0时刻(即图中的PPS时间)。在每个PRF周期内，雷达采集一帧回波数据，在开始采集每帧回波信号时记下当前本地时钟计数器的时间(即图中的回波采集时间)，把记录的本地时钟计数值连同通过星务数据总线接收的绝对时间数据共同打入辅助数据，实现了雷达绝对时间的高精度保持。地面处理时可以利用以下公式恢复每帧回波数据采样时刻的雷达绝对时间：

实际绝对时间＝总线接收绝对时间+(每帧回波采集时间-PPS时间)。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图3给出了本发明的一种星载SAR的雷达绝对时间保持方法的原理框图，首先由雷达计算机通过星务数据总线接收星务计算机在数据总线上广播的绝对时间数据，并将该时间数据写入时间数据锁存器1。该绝对时间数据来源于GPS接收机，代表的是GPS输出的1PPS脉冲信号前沿时刻的时间。为了保持雷达辅助数据中绝对时间数据与1PPS脉冲的对应关系，利用1PPS脉冲将时间数据锁存器1的数据打入时间数据锁存器2。

在雷达计算机的FPGA中设计一个由基准频率信号驱动的本地时钟计数器，每当GPS接收机送来的1PPS脉冲前沿时刻，该本地时钟计数器复位，重新从0开始计数。定时信号产生器输出的采样起始信号用于触发每帧回波信号采样的起始，其频率与脉冲重复频率信号(PRF)相同。利用采样起始信号把本地时间计数值打入本地时间计数锁存器，则该计数值代表了每帧雷达回波采样时刻与1PPS脉冲前沿时刻之间的延时时间。

另外，采样起始信号作为辅助数据打包电路的触发信号，使得辅助数据打包与本地时间数据输出保持节拍同步。每帧辅助数据打包时，从时间数据锁存器2读取整秒时刻的绝对时间数据(用T₀表示)，从本地时间计数锁存器读取本地时间计数值(用K表示)，则当前帧雷达回波采样时刻的绝对时间t为：

t = T_{0} + \frac{K}{f_{0}}

其中f₀为驱动本地时钟计数器的基准信号频率。

图4给出了GPS接收机输出绝对时间数据和1PPS脉冲的时序关系示意图，从图中可以看出，在每一个整秒时刻，GPS接收机首先输出1PPS脉冲信号，之后经过解算过程的时间延迟，向数据总线输出与该1PPS脉冲对应的绝对时间数据，这样利用本发明的方案，每一个1PPS脉冲锁存的实际上是上一秒的绝对时间数据。为了解决这一问题，计算每帧回波数据的绝对时间时，可以在辅助数据中绝对时间数据基础上增加1秒，或者从下一秒的雷达辅助数据中提取绝对时间数据，然后再与本地时间计数对应的时间延迟相加。

考虑到目前星载GPS接收机能够实现的授时精度为百ns量级，采用本发明方法实现的雷达绝对时间保持精度主要取决于基准频率信号的频率及其准确度。假设GPS授时精度为100ns，若采用50MHz普通晶振(频率准确度为1×10^-6量级)驱动本地时钟计数器，可实现的雷达绝对时间保持的最大误差不超过1.12μs；若采用GPS驯服或原子钟驯服的50MHz晶振(频率准确度可优于1×10^-10量级)驱动本地时钟计数器，可实现的雷达绝对时间保持的最大误差不超过120.1ns。

本发明方法，针对通常的星载SAR系统中雷达绝对时间精度不高(仅为ms量级)的问题，采用本地时钟计数器等数字电路硬件，在星上GPS接收机输出的秒脉冲(1PPS脉冲)控制下，实现雷达绝对时间的高精度保持，将雷达绝对时间保持精度提高到μs或百ns量级。

Claims

1.一种星载SAR雷达绝对时间保持方法，其特征是：包括：

a)在雷达计算机的FPGA中，设置一个由高精度基准频率信号驱动的本地时钟计数器；

b)以GPS输出的1PPS脉冲前沿时刻作为时间基准，用本地时钟计数器对从时间基准时刻到每帧回波采集时刻之间的时间延迟进行计时；

c)在SAR开机后本地时钟计数器开始工作，等到第一个1PPS脉冲到来时，在其前沿时刻复位本地时钟计数器，作为本地时钟的0时刻；

d)在每个PRF脉冲重复频率周期内，雷达采集一帧回波数据，在开始采集每帧回波信号时记下当前本地时钟计数器的时间；

e)把d)步记录的当前本地时钟计数值，连同通过星务数据总线接收的绝对时间数据，共同作为雷达辅助数据的一部分下传地面站；

f)地面站处理时，经过计算得到雷达回波采集时刻的高精度绝对时间信息，以实现雷达绝对时间的高精度保持。

2.如权利要求1所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其特征是：所述f)步中经过计算，是利用以下公式恢复每帧回波数据采样时刻的雷达绝对时间：

实际绝对时间＝总线接收绝对时间+每帧回波采集时间。

3.如权利要求1所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其特征是：所述c～d)步，每当GPS接收机送来的1PPS脉冲前沿时刻，本地时钟计数器复位，重新从0开始计数；定时信号产生器输出采样起始信号用于触发每帧回波信号采样的起始，其频率与脉冲重复频率信号相同；利用采样起始信号把本地时间计数值打入本地时间计数锁存器，则该计数值代表了每帧雷达回波采样时刻与1PPS脉冲前沿时刻之间的延时时间。

4.如权利要求3所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其特征是：所述采样起始信号，为辅助数据打包电路的触发信号，使得辅助数据打包与本地时间数据输出保持节拍同步。

5.如权利要求4所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其特征是：所述每帧辅助数据打包时，从时间数据锁存器(2)读取整秒时刻的绝对时间数据T₀，从本地时间计数锁存器读取本地时间计数值K，则当前帧雷达回波采样时刻的绝对时间t为：

t = T_{0} + \frac{K}{f_{0}}

其中f₀为驱动本地时钟计数器的基准频率信号的频率。

6.如权利要求1或5所述的星载SAR雷达绝对时间保持方法，其特征是：所述雷达绝对时间的高精度保持，由基准频率信号的频率及其准确度决定，基准频率信号由晶振产生：

a)若GPS授时精度为100ns，用50MHz普通晶振驱动本地时钟计数器，雷达绝对时间保持的最大误差不超过1.12μs；

b)用GPS驯服或原子钟驯服的50MHz晶振驱动本地时钟计数器，雷达绝对时间保持的最大误差不超过120.1ns。