CN104007425A - 一种星间时差测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星间时差测量方法，以现有的非相干伪码通信系统为基础，通过对伪码相位进行观测和处理，得到星间时差信息，基于此提出了整个星间时差测量方案，并制定了测量过程。同时，本发明还提供了一种星间时差测量系统，在系统仿真模型中考虑了多普勒频率、频率源漂移、传播距离带来的影响，并提出了多普勒频率影响时差测量结果的修正方法。

Description

一种星间时差测量方法及系统

技术领域

本发明涉及射频通信以及数字信号处理领域，尤其涉及一种星间时差测量方法及系统。

背景技术

在航天测控系统中，时差的测量和时间的同步占有非常重要的地位，无论是测量还是通信，都需要有较高精度的时间基准，测控系统中的时钟同步特性好坏很大程度上影响通信效率、测量精度等。随着航天测控技术的不断发展，航天器的功能越来越强大，执行的任务越来越复杂，对时钟同步提出了更加高的要求。

目前国内外的时差测量研究和实验主要由各个国家的时间服务中心和各个时间研究机构主导。目前得到认可的时差测量方式主要有两种，GPS-CV和TWSTFT，前者又分为伪码共视和载波共视。国际上对基于两者的时差测量系统进行了大量的试验比对，并寻求通过技术改进提高测量的精度。TWSTFT、GPS伪码共视、GPS载波共视几种方法在测量结果上有着较好的一致性。GPS载波共视的方法得到的测量结果精度最高，RMS在50ps以内，TWSTFT的精度次之，RMS在200ps以内，GPS伪码共视法精度最差，RMS在1ns以内。这基本代表了当前各个已投入应用的系统的最高水平。虽然GPS共视法有着诸多的优点，但由于需要GPS卫星等导航卫星的辅助，不利于在军事上使用，本发明将在TWSTFT测量的基础上，提出一种基于非相干扩频体制、适用于双星星间内部时差测量的方法，并进一步将方法拓展到星地应用中，最终将该方法进行工程实现，应用到双星星间系统中。

发明内容

本发明的目的是将现有时差测量方法引入星间测量系统中，提出影响时差测量精度的各种因素和时差测量系统在实际实现的过程中引入的误差因素，提高时差测量精度，用于双星星间内部时差的测量。星间时差测量方法主要以现有的非相干伪码通信系统为基础，以TWSTFT方法为参考，通过对伪码相位进行观测和处理，得到星间时差信息。

首先对整个星间时差测量系统进行精确的建模，在建模过程中将所有影响因素尽量考虑进去，例如处理时钟的非理想特性，AD变换和DA变换带来的影响、环路带宽的影响、信道噪声的影响等加入到模型中去。模型建立之后，通过仿真和理论分析，分析影响时差测量精度的各种因素，包括频率源的漂移、传播距离、多普勒频率、系统量化损失、数模转换损失、信道噪声、系统近似运算等。在分析完成后，对仿真模型进行进一步的修正和改进，以期能够与实际情况最为接近。

本发明重点研究传播距离、多普勒频率和频率源漂移三项对时差测量系统的影响，区别于其他因素，这三项因素不仅影响了时差测量系统的精度，还会使得测量结果与实际值之间产生一个固定的偏移，如何消除该固定偏移，提高时差测量的绝对精度，是重要的研究领域之一。

本发明拟采取对该三项因素的影响进行函数拟合，然后通过测量3个因素的观测值，带入拟合函数计算、修正偏差量。在影响因素分析完成后，针对其中的关键因素，研究相应的应对方法，消除或减弱其影响，提高时差测量的精度。在对时差测量系统模型进行优化和精度提高后，进行系统的实现。系统的实现主要由软件无线电的方式进行，在FPGA内部实现。系统实现后，在modelsim中进行仿真测试。

一种星间时差测量系统，包括分别由master模块和slave模块组成的主端和从端；

所述的master模块包括由第一发射机模块、第一接收机模块、第一收发时差比对模块和主从时差比对模块；

所述的第一发射机模块用于生成PN波形，并发送到信道中进行传输，并将与发送PN序列对应的相位送给第一收发时差比对模块，作为主端的发射相位；

所述的第一接收机模块用于从信道中接受并恢复PN波形，并将恢复出的PN序列的相位发送给送给第一收发时差比对模块，作为主端的接收相位；

所述的第一收发时差比对模块用于计算主端的接受伪码和发射伪码之差；

所述的主从时差比对模块用于将主端的时差计算结果和由从端传来的从端的时差计算结果进行结算，得出最终的主从间的时差；

所述的slave模块包括第二发射机模块、第二接收机模块和第二收发时差比对模块。

所述的第一接收机模块和第二接收机模块为标准的伪码跟踪环。

所述的第一发射机模块和第二发射机模块均包括伪码生成模块和伪码相位输出模块。

所述的第一发射机模块、第一接收机模块、第一收发时差比对模块和主从时差比对模块均工作于同一时钟，时钟特性为[ts1，td1]，ts1为周期，td1为相位偏移。

所述的第二发射机模块、第二接收机模块和第二收发时差比对模块均工作于同一时钟，时钟特性为[ts2，td2]，ts2为周期，td2为相位偏移。

ts1=ts2，td1固定为10ns，td2为0ns、2.5ns、5ns、7.5ns、10ns、12.5ns、15ns、17.5ns或20ns。

本发明还提供了一种星间时差测量方法，包括：

1）A星、B星各自在与自身时钟1pps对齐的时刻向对方发送一帧数据，并设两星之间的星间时差为t1；

2）根据A星和B星分别与对方之间的伪距，计算星间时差t1；

其中，t2为A星测得与B星之间的伪距，t4为B星测得与A星之间的伪距，为A星发射该帧时的A星发射机伪码相位，为A星接收到B星数据帧时的A星发射机伪码相位，为B星发射该帧时的B星发射机伪码相位，为B星接收到A星数据帧时的B星发射机伪码相位，R_PN为伪码的FFT频域变换。

还包括对星间时差t1进行修正处理，处理过程如下：

$t_3=\frac{R_{\mathrm{AB}}}{c}+t_R+t_s$

$t_5=\frac{R_{\mathrm{BA}}+{\mathrm{vt}}_1}{c}+t_R+t_s$

$\frac{t_2-t_4}{2}=\frac{t_1+t_6}{2}=\frac{t_1+t_1+\frac{{\mathrm{vt}}_1}{c}}{2}$

$t_1=\frac{t_2-t_4}{2+\frac{v}{c}}$

其中，t₃为传播延时，t_R为接收端处理延时，R_AB为星间实际距离，t_S为发射端处理延时，c为光速，v为星间相对移动速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1）本发明以现有的非相干伪码通信系统为基础，通过对伪码相位进行观测和处理，得到星间时差信息。扩频体制能保证时差测量与数据传输可以同时进行，节约了信道资源。同时，能够提供更高的时差测量精度和抗干扰能力。比对双方可以同频工作，从而保证了双方信号通过卫星透明转发器的硬件时延相同。

2）本发明提出了整个星间时差测量系统较为精确的模型，在模型中将传播距离、多普勒频率和频率源漂移三项对时差测量系统的关键影响因素考虑进去，通过函数拟合，并将测量的3个因素的观测值带入拟合函数计算、修正偏差量，解决了在双星时差测量中的关键问题。

附图说明

图1是星间时差测量方案的框图；

图2是测量过程示意图；

图3是时差测量模型顶层结构示意图；

图4是master内部结构示意图；

图5是slave内部结构示意图；

图6是receiver内部结构示意图；

图7是transmit内部结构示意图；

图8是星间时差测量仿真结果。

图9是存在多普勒时的测量过程示意图；

图10是传播距离与频率源漂移对时差测量的影响示意图-A星漂移；

图11是传播距离与频率源漂移对时差测量的影响示意图-B星漂移；

图12是绝对误差1ns时对A星频率源和传播距离的要求示意图；

图13是绝对误差1ns时对B星频率源和传播距离的要求示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明的星间时差测量框图如1所示，测量过程如2所示。测量过程如下：

1、A星、B星各自在与自身时钟1pps对齐的时刻向对方发送一帧数据。

2、由于两星之间存在时间差，实际发送时并非同时，我们假设星间时差为t1（ΔT＝t1）。即A星发送数据相隔t1时间后，B星才发送数据。

3、设t3为传播延时，包括发送接收的硬件延迟和空间传播延迟（t3＝T_SA+R_AB+T_RB），我们认为A、B节点的硬件完全对称（T_SA＝T_SBT_RA＝T_RB）且暂时忽略电离层的影响，即B星在A星发送t3时间后接收到了数据；A星也在B星发送t3时间后接收到了数据。

4、t2与t4即A、B两节点分别测得的与对方的伪距，是我们直接可以测量的量。

其中：

表示A星发射该帧时的A星发射机伪码相位；

表示A星接收到B星数据帧时的A星发射机伪码相位；

表示B星发射该帧时的B星发射机伪码相位；

表示B星接收到A星数据帧时的B星发射机伪码相位；

R_PN表示伪码的FFT频域变换。

5、当获得t2、t4后，便可通过计算得到星间时差t1，

针对上述的星间时差测量方案，本发明对其建立了仿真模型，图3为其顶层结构，由master模块和slave模块组成，分别代表了时差测量系统中的主端和从端。Delay1和Delay3为信道传输延迟，Delay2为时差信息传输延迟，因为信息需要经过解调等后续过程，因此延迟比伪码的延迟要大。master的所有模块均工作于同一时钟，时钟特性为[ts1，td1]，即周期为ts1，相位偏移为td1，slave的所有模块均工作于同一时钟，时钟特性为[ts2，td2]，即周期为ts2，相位偏移为td2。为了控制单一变量以验证时差测量模型的正确性，在该阶段使得ts1=ts2，主从端之间的时差仅仅由td1和td2决定。

本实施例的时差测量仿真模型中，master内部结构如图4所示，由发射机（transmit1）、接收机（receiver1）、收发时差比对（time-diff1）、主从时差比对等组成。

发射机负责生成PN波形，并发送到信道中进行传输，并将与发送PN序列对应的相位送给time-diff1模块，作为主端的发射相位。

接收机负责从信道中接受并恢复PN波形，并将恢复出的PN序列的相位发送给送给time-diff1模块，作为主端的接收相位。

收发时差比对模块负责计算主端的接受伪码和发射伪码之差。

主从时差比对：将主端的时差计算结果和由从机传来的从机的时差计算结果进行结算，得出最终的主从间的时差。

本实施例中，slave内部结构如图5所示，slave结构与master结构基本对称，仅少了主从时差对比的模块，不需要进行主从对比，而是将计算出的从机收发时差直接发回给master，由master进行主从对比。

master与slave所包含的receiver结构是完全一致的，都是标准的伪码跟踪环，如图6所示。master与slave所包含的transmit结构是完全一致的。包括一个伪码生成模块，生成的伪码由pn1送出；以及一个与伪码一一对应的伪码相位输出模块，将伪码的相位输出到out1，如图7所示。

将td1固定为10ns，依次设置td2为0ns、2.5ns、5ns、7.5ns、10ns、12.5ns、15ns、17.5ns、20ns，则理论上的时差依次为-10ns、-7.5ns、-5ns、-2.5ns、0ns、2.5ns、5ns、7.5ns、10ns，实际仿真结果如8所示。由仿真结果可以看出，时差测量系统的结果能够很好的反映出真实的时差，但是在测量中会存在微小的偏差，偏差在100ps以内，这是由锁相环的跟踪误差导致的，需要进一步的分析并找出方法消除或者减小。

以上分析皆是在无多普勒频率的情况下得到的结论，若存在多普勒频率，则传播延时不再相等，情况变为图9所示（A、B星相互远离时）。由于A、B星相互远离，后发数据的B星传输距离更长，传播延时变大，变为t5，同时按照原始方法测得的时差与真实值相比也偏大。同理，在A、B星相互靠近时，测得的时差比实际值偏小，而在多普勒频率很大时，甚至可能出现负值，即测量结果B星发送更早，这与事实是严重不符的，因此在多普勒频率很大的系统中，还要根据当前的测速结果，对时差测量结果进行修正。粗略的修正的方法为：

$t_3=\frac{R_{\mathrm{AB}}}{c}+t_R+t_s$

$t_5=\frac{R_{\mathrm{BA}}+{\mathrm{vt}}_1}{c}+t_R+t_s$

$\frac{t_2-t_4}{2}=\frac{t_1+t_6}{2}=\frac{t_1+t_1+\frac{{\mathrm{vt}}_1}{c}}{2}$

$t_1=\frac{t_2-t_4}{2+\frac{v}{c}}$

其中，t₃为传播延时，t_R为接收端处理延时，R_AB为星间实际距离，t_S为发射端处理延时，c为光速，v为星间相对移动速度，t₅为B星发射帧到A星接收帧的时间，t₆为B星接收帧和A星接收帧的时间。

当考虑频率源漂移、传播距离对时差测量系统的影响时，如图2中，设A发送开始为时间节点1，B发送开始为时间节点2，B接收为时间节点3，A接收为时间节点4，A、B间的时差为ΔT，传播距离为R，标称频率为f₀，A、B漂移系数分别为α(t)、β（t）。节点1是A的发送开始节点，故A的发射相位θ_A1＝0。f_A1、f_B1分别是测量开始时A、B星的频率。

节点2是B的发送开始节点，故B的发射相位θ_B2＝0。

节点3是B的接收节点，故B接收到的相位与A在节点1时发送的相位相同，即B接收到的相位传播距离为R，故传播延时故

$f_{B3}=f_{B1}+{\∫}_0^{\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c}}\mathrm{\β}\left(t\right)\mathrm{dt}$

${\mathrm{\θ}}_{B3}={\mathrm{\θ}}_{B2}+2\mathrm{\π}*{\∫}_{\mathrm{\ΔT}}^{\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c}}(f_{B1}+{\∫}_0\mathrm{\β}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})\mathrm{dt}$

其中τ为时间积分的参数，节点4是A的接收节点，故A接收到的相位与B在节点2时发送的相位相同，即传播距离为R，故传播延时故

$f_{A3}=f_{A1}+{\∫}_0^{2\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c}}\mathrm{\α}\left(t\right)\mathrm{dt}$

${\mathrm{\θ}}_{A4}={\mathrm{\θ}}_{A1}+2\mathrm{\π}*{\∫}_0^{2\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c}}(f_{A1}+{\∫}_0^t\mathrm{\α}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})\mathrm{dt}$

最终测量结果：

$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{mesure}}=\frac{({\mathrm{\θ}}_{A4}-{\mathrm{\θ}}_{B2})-({\mathrm{\θ}}_{B3}-{\mathrm{\θ}}_{A1})}{2*{2\mathrm{\πf}}_0}\\ =\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c}}(f_{A1}+{\∫}_0^t\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ι}\right)\mathrm{d\ι})\mathrm{dt}+{\∫}_{\mathrm{\ΔT}}^{\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c}}\left(f_{B1}{\∫}_0^t\mathrm{\β}\left(\mathrm{\ι}\right)\mathrm{d\ι}\right)\mathrm{dt}}{{2f}_0}\end{array}\end{array}$

其中f₀为AB星之间通信的频率。由于一次测量的时间很短，远小于1s，因此我们可以认为α?t?、β（t）均为常数，则上式可化简为

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{mesure}}=\frac{f_{A1}}{2f_0}(2\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c})+\frac{\mathrm{\α}}{4f_0}{(2\mathrm{\ΔT}+\frac{R}{c})}^2-\frac{f_{B1}R}{{2f}_{0}c}-\frac{\mathrm{\β\ΔTR}}{{2f}_{0c}}-\frac{{\mathrm{\βR}}^2}{{4f}_0{c}^2}$

忽略高阶小项的影响，并进一步化简，得到

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{mesure}}=(\frac{f_{A1}}{f_0}+\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{f_0}\frac{R}{c})\mathrm{\ΔT}+\frac{f_{A1}-f_{B1}}{{2f}_0}\frac{R}{c}+\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{{4f}_0}\frac{R^2}{c^2}$

以20ppm晶振为例，在f₀为10.23MHz的情况下，频率偏差最大为204.6Hz，一般晶振的漂移率小于1Hz/s，最差不超过10Hz/s，假设应用距离为300km，实际时差为1ms，漂移率α为10Hz/s，β为-10Hz/s，则上式各项引入的误差如下表所示：

可以看到，上式中第二项与第四项误差远小于第一项和第三项的误差，可以忽略不计，误差主要是由频率漂移和传播距离共同决定的。对不同距离、不同频率源漂移量情况下进行仿真，得到的结果如10、图11所示。其中，图10是A星频率源漂移、B星稳定的结果，图11是B星频率源漂移、A星稳定的结果。

如果不做任何额外处理，要使得最终测量结果的绝对误差在1ns以内，两星距离和频率源漂移范围必须落在图12、图13阴影所示的范围内，其中，图12是A星频率源漂移、B星稳定时，图13是A星频率源漂移、B星稳定时。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种星间时差测量系统，其特征在于，包括分别由master模块和slave模块组成的主端和从端；

所述的master模块包括由第一发射机模块、第一接收机模块、第一收发时差比对模块和主从时差比对模块；

所述的第一发射机模块用于生成PN波形，并发送到信道中进行传输，并将与发送PN序列对应的相位送给第一收发时差比对模块，作为主端的发射相位；

所述的第一接收机模块用于从信道中接受并恢复PN波形，并将恢复出的PN序列的相位发送给送给第一收发时差比对模块，作为主端的接收相位；

所述的第一收发时差比对模块用于计算主端的接受伪码和发射伪码之差；

所述的主从时差比对模块用于将主端的时差计算结果和由从端传来的从端的时差计算结果进行结算，得出最终的主从间的时差；

所述的slave模块包括第二发射机模块、第二接收机模块和第二收发时差比对模块。

2.如权利要求1所述的星间时差测量系统，其特征在于，所述的第一接收机模块和第二接收机模块为标准的伪码跟踪环。

3.如权利要求1所述的星间时差测量系统，其特征在于，所述的第一发射机模块和第二发射机模块均包括伪码生成模块和伪码相位输出模块。

4.如权利要求1所述的星间时差测量系统，其特征在于，所述的第一发射机模块、第一接收机模块、第一收发时差比对模块和主从时差比对模块均工作于同一时钟，时钟特性为[ts1，td1]，ts1为周期，td1为相位偏移。

5.如权利要求4所述的星间时差测量系统，其特征在于，所述的第二发射机模块、第二接收机模块和第二收发时差比对模块均工作于同一时钟，时钟特性为[ts2，td2]，ts2为周期，td2为相位偏移。

6.如权利要求5所述的星间时差测量系统，其特征在于，ts1=ts2，td1固定为10ns，td2为0ns、2.5ns、5ns、7.5ns、10ns、12.5ns、15ns、17.5ns或20ns。

7.一种星间时差测量方法，其特征在于，包括：

1）A星、B星各自在与自身时钟1pps对齐的时刻向对方发送一帧数据，并设两星之间的星间时差为t1；

2）根据A星和B星分别与对方之间的伪距，计算星间时差t1；

其中，t2为A星测得与B星之间的伪距，t4为B星测得与A星之间的伪距，为A星发射该帧时的A星发射机伪码相位，为A星接收到B星数据帧时的A星发射机伪码相位，为B星发射该帧时的B星发射机伪码相位，为B星接收到A星数据帧时的B星发射机伪码相位，R_PN为伪码的FFT频域变换。

8.如权利要求7所述的星间时差测量方法，其特征在于，还包括对星间时差t1进行修正处理，处理过程如下：

$t_3=\frac{R_{\mathrm{AB}}}{c}+t_R+t_s$

$t_5=\frac{R_{\mathrm{BA}}+{\mathrm{vt}}_1}{c}+t_R+t_s$

$\frac{t_2-t_4}{2}=\frac{t_1+t_6}{2}=\frac{t_1+t_1+\frac{{\mathrm{vt}}_1}{c}}{2}$

$t_1=\frac{t_2-t_4}{2+\frac{v}{c}}$

其中，t₃为传播延时，t_R为接收端处理延时，R_AB为星间实际距离，t_S为发射端处理延时，c为光速，v为星间相对移动速度。