CN105577309A - 一种卫星通信系统全网时钟同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星通信系统全网时钟同步方法，它包括主站全网时钟同步步骤和小站全网时钟同步步骤。本发明实现主站与小站的全网时钟同步流程，即可进一步实现整个卫星通信系统的全网时钟同步。由于该基于协议的全网时钟同步，对主站和小站的传输延时在每个参考突发周期内均会进行时钟同步校验，且采用了环路滤波器的延时跟踪单元使得主站和小站相互独立的时钟系统，不会随着主站和小站的相对移动，或者钟偏的影响导致时钟网络的误差超过系统的保护间隔，甚至出现无法通信的情况；能够快速、精确的实现主站和小站的全网时钟同步，实时纠正由于主站与小站时钟相互独立，相对运动等造成的定时误差。

Description

一种卫星通信系统全网时钟同步方法
技术领域
本发明涉及一种卫星通信系统全网时钟同步方法。
背景技术
依靠地面中转的通信方式，若地震，森林火灾等原因造成地面设施破坏，或者在地面设施无法覆盖的边远地区，都将造成通信困难，甚至无法实现通信。卫星通信系统以其覆盖面广，不受气候条件及地理因素限制等优点，广泛应用于军事通信，抗震救灾，边远地区通信等领域。
时分复用(TDM)是目前常用的一种卫星通信复用方式，时分复用的前提是全网时钟定时同步。也即主站或小站发送的突发到达卫星的时刻点与帧计划表中包含的时刻信息在卫星转发器处保持一致，以防止由于定时误差发生突发冲突，或者收不到突发等现象，进而导致无法实现通信。因而，能够快速、准确的实现卫星通信系统设备的全网时钟同步(NCR)，对成功进行卫星通信至关重要。
主站与小站在建立连接及通信过程中，受独立时钟，卫星转发器与地球相对运动等因素的影响，主站与卫星转发器及小站与卫星转发器的传输延时是不断变化的。
全网时钟同步过程，也就是对主站和小站接收和发送时刻不断校验的过程。系统中，载波资源通过帧计划表被划分为时隙，帧计划表依据网络时钟参考(NCR)制定，主站和小站使用载波资源时必须与NCR保持同步。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种卫星通信系统全网时钟同步方法。该方法能够快速、精确的实现主站和小站的全网时钟同步，实时纠正由于主站与小站时钟相互独立，相对运动等造成的定时误差。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种卫星通信系统全网时钟同步方法，它包括主站全网时钟同步步骤和小站全网时钟同步步骤；
所述的主站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S11：主站上电初始化，本地时钟计时器NCR开始计数；
S12：在t_tx时刻，主站发送帧计划表中NCR的参考突发；
S13：经过卫星转发器中转后，在t_rx时刻，主站接收到该参考突发；
S14：计算主站与卫星转发器的主站传输延时；
S15：环路滤波，跟踪主站传播延时变化规律，计算下一次参考突发的延时时间；
S16：确定在两次参考突发之间的业务信道的准确发送和接收时刻点；
所述的小站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S21：小站上电初始化，本地时钟计时器NCR开始计数；
S22：在t0时刻捕获到主站发送的NCR_0时刻的参考突发，从该参考突发中获得小站校验突发到达卫星转发器的帧计划表中的NCR_c0值；
S23：通过GPS提前测量小站与卫星转发器的小站传输延时，根据该传输延时和校验突发NCR_c0值确定小站发送校验突发的时刻点；
S24：小站在步骤S23确定的时刻点发送校验突发；
S25：主站接收到校验突发，根据接收时刻点、NCR_c0值及主站传输延时计算出小站定时偏移量，并通过突发将所述小站定时偏移量发送给小站；
S26：小站接受突发，将校验值累加至小站传输延时，得到精确的小站传输延时；
S27：环路滤波，跟踪小站传播延时变化规律，预计下一次主站发送参考突发的时间；
S28：确定在两次参考突发之间业务突发准确的发送和接收时刻点。
所述的环路滤波采用二阶环路滤波器单元实现。
本发明的有益效果是：通过上述主站与小站的全网时钟同步流程，即可实现整个卫星通信系统的全网时钟同步。由于该基于协议的全网时钟同步，对主站和小站的传输延时在每个参考突发周期内均会进行时钟同步校验，且采用了环路滤波器的延时跟踪单元使得主站和小站相互独立的时钟系统，不会随着主站和小站的相对移动，或者钟偏的影响导致时钟网络的误差超过系统的保护间隔，甚至出现无法通信的情况。
附图说明
图1为主站与小站传播延时示意图；
图2为主站和小站时钟同步过程示意图；
图3为本发明主站全网时钟同步步骤流程图；
图4为本发明小站全网时钟同步步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
全网时钟同步(NCR)，用于保证主站和小站使用的帧计划表中包含的时刻信息在卫星转发器处保持一致，使得接收通道能够按照帧计划表的指示，在确定的时间窗口接收突发信号。图1表示了一个主站和一个小站的传播延时示意图。dt(主)为主站到卫星转发器的传输延时，dt(小)为小站到卫星转发器的传输延时。主站在本地时间为t0-dt(主)时刻发射突发，那么该突发到达卫星转发器的时刻为t0，与帧计划表中的时刻相一致；突发到达小站时刻为t0+dt(小)。当小站按帧计划表指示，需在突发起始t1时隙发射突发时，小站应在t1-dt(小)时刻发射突发。该突发到达卫星转发器处的时刻为t1，与帧计划表规定的时刻一致，该突发到达主站时刻为t1+dt(主)。
进行卫星通信时，主站和小站内部均包含一个时钟计数器，主站时钟计数器和小站时钟计数器相互独立。通过控制突发发射时刻，使主站和小站发射的突发到达卫星转发器处的时间为帧计划表中描述的时间。帧计划表中描述的NCR与卫星转发器处的时间同步。主站和小站时钟同步过程如图2所示。
主站上电初始化后，时钟计数器处于一直计数状态。假定帧计划表中的0时刻出现时，即NCR在卫星转发器处为0时，主站时钟计数器的计数值为TIME。
若帧计划表指示主站在NCR＝NCR0时发射前向参考突发，则主站将在NCR0-dt(主)时刻发射参考突发，经过主站到转发器传输延时dt(主)后，参考突发在NCR0时刻到达转发器。由于主站时钟计数器与转发器处NCR存在固有偏差TIME，主站应在本地时钟计数器计数值为TIME-dt(主)+NCR0时发射该参考突发。参考突发经过转发器到小站传输延时dt(小)后，到达小站。突发到达小站时，转发器处的NCR值为NCR0+dt(小)，小站时钟计数器计数值为t0。小站时钟计数器与转发器处NCR之间的偏差为：t0-NCR0-dt(小)。
若帧计划表指示小站在NCR＝NCR1时刻发射突发，则小站将在NCR1-dt(小)时刻发射突发，经过小站到转发器传输延时dt(小)后，突发在NCR1时刻到达转发器。由于小站本地时钟计数器与转发器处NCR之间存在偏差，偏差为t0-NCR0-dt(小)，故小站应在本地时钟计数器计数值为t0+NCR1-NCR0-2*dt(小)时发射该突发。该突发经过转发器到主站传输延时dt(主)后，到达主站。主站应在本地时钟计数器计数值为TIME+NCR1+dt(主)的时刻接收该突发。
因而，要实现全网时钟同步，主要是计算主站的传播延时dt(主)与小站的传播延时dt(小)。
一种卫星通信系统全网时钟同步方法，它包括主站全网时钟同步步骤和小站全网时钟同步步骤；
如图3所示，所述的主站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S11：主站上电初始化，本地时钟计时器NCR开始计数；
S12：在t_tx时刻，主站发送第0个参考突发，帧计划表中对应的时刻为NCR_0。
S13：经过卫星转发器中转后，在t_rx时刻，主站接收到该参考突发；
S14：计算出当前时刻主站与卫星转发器的传输延时dt_0为：
dt_0＝(t_rx-t_tx)/2；
另外，本地时间与NCR时间的差值为t_tx+dt_0-NCR_0＝delta+dt_0(其中，delta＝t_tx-NCR_0，表示本地时刻与帧计划表的时间差，该值为一固定值)。
那么，发送第n个参考突发，帧计划表中的时刻为NCR_n，对应的本地时刻为NCR_n+delta+dt_0-dt_n，其中dt_n为环路滤波器估计出的第n个参考突发主站到卫星转发器处的传播时延。主站在接收该参考突发的本地时刻则为NCR_n+delta+dt_0+dt_n。
S15：环路滤波，跟踪主站传播延时变化规律，计算下一次参考突发的延时时间；
由于钟偏，多普勒及卫星与地球的相对运动等因素，造成主站与卫星中转站之间的传播延时是不断变化的，因而主站需要跟踪传播延时dt的变化。本发明中，为跟踪传播延时dt的变化，加入了一个二阶环路滤波器单元，该单元能够跟踪传播时延dt的变化规律，并预计下一次参考突发的延时时间。
S16：确定在两次参考突发之间的业务信道的准确发送和接收时刻点；
如图4所示，所述的小站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S21：小站上电初始化，本地时钟计时器NCR开始计数，且系统物理层工作在捕获模式；
S22：在t0时刻捕获到主站发送的NCR_0时刻的参考突发，并解析出该参考突发中所要求小站发送的校验突发到达卫星转发器的时刻NCR_c0；
S23：通过GPS提前测量小站与卫星转发器的小站传输延时dt，根据该传输延时和校验突发NCR_c0值确定小站发送校验突发的时刻点：
t0+NCR_c0-NCR_0-2*dt；
S24：小站在步骤S23确定的时刻点发送校验突发；
S25：主站接收到校验突发，然而由于GPS测量的初始时间提前量是不准确的，主站收到小站回的校验突发后，根据接收到的NCR值与本地接收时刻，计算出一个时间校正量dt'，那么校正时间误差为2*(dt'-dt)，该值用于修正dt；
根据接收时刻点、NCR_c0值及主站传输延时计算出小站定时偏移量，并通过突发将所述小站定时偏移量发送给小站；
同时，由于主站与小站的时钟相互独立，因此这里需要引入一个钟偏系数k，k可按下式计算：
k＝(t2-t1)/(NCR_2-NCR_1)；
因此，真正的本地发送时刻为：
t0+k*(NCR_n-NCR_0)-2*dt。
S26：小站接收突发，将校验值累加至小站传输延时，得到精确的小站传输延时；
S27：环路滤波，跟踪小站传播延时变化规律，预计下一次主站发送参考突发的时间；
S28：确定在两次参考突发之间业务突发准确的发送和接收时刻点。

Claims (2)

1.一种卫星通信系统全网时钟同步方法，用于保证主站和小站使用的帧计划表中包含的时刻信息在卫星转发器处保持一致，使得接收通道能够按照帧计划表的指示，在确定的时间窗口接收突发信号；其特征在于：包括主站全网时钟同步步骤和小站全网时钟同步步骤；
所述的主站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S11：主站上电初始化，本地时钟计时器NCR开始计数；
S12：在t_tx时刻，主站发送帧计划表中NCR的参考突发；
S13：经过卫星转发器中转后，在t_rx时刻，主站接收到该参考突发；
S14：计算主站与卫星转发器的主站传输延时；
S15：环路滤波，跟踪主站传播延时变化规律，计算下一次参考突发的延时时间；
S16：确定在两次参考突发之间的业务信道的准确发送和接收时刻点；
所述的小站全网时钟同步步骤包括以下子步骤：
S21：小站上电初始化，本地时钟计时器NCR开始计数；
S22：在t0时刻捕获到主站发送的NCR_0时刻的参考突发，从该参考突发中获得小站校验突发到达卫星转发器的帧计划表中的NCR_c0值；
S23：通过GPS提前测量小站与卫星转发器的小站传输延时，根据该传输延时和校验突发NCR_c0值确定小站发送校验突发的时刻点；
S24：小站在步骤S23确定的时刻点发送校验突发；
S25：主站接收到校验突发，根据接收时刻点、NCR_c0值及主站传输延时计算出小站定时偏移量，并通过突发将所述小站定时偏移量发送给小站；
S26：小站接受突发，将校验值累加至小站传输延时，得到精确的小站传输延时；
S27：环路滤波，跟踪小站传播延时变化规律，预计下一次主站发送参考突发的时间；
S28：确定在两次参考突发之间业务突发准确的发送和接收时刻点。
2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统全网时钟同步方法，其特征在于：所述的环路滤波采用二阶环路滤波器单元实现。
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