CN107300688B - 一种多点定位系统中的时钟频率标校方法 - Google Patents

Abstract

一种多点定位系统中的时钟频率标校方法，本发明公开了一种基于外部脉冲同步的时钟频率一致性标校方法，包括步骤1、计算出同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数N；步骤2、使时钟计数器以相邻同步脉冲的间隔为周期循环时间计数；步骤3、在同步脉冲前沿即将清零步骤2时钟计数器的同时，锁存该时钟计数器的值，作为同步脉冲周期所包含的晶振实际频率的时钟计数值；步骤4、计算晶振频率的标称频率与实际频率之间的比例系数；步骤5、读取出信号到达时的晶振实际频率的时钟计数值；步骤6、将信号到达时间按步骤4的比例系数转换成基于晶振标称频率的时钟计数值；步骤7、基于步骤6的信号到达时间差参数计算实现目标空间位置定位。

Description

一种多点定位系统中的时钟频率标校方法

技术领域

本发明是一种关于信号到达时间差测量的晶振时钟频率标校方法，特别是一种基于信号到达时间差参数测量的民航S码多点定位系统的晶振时钟频率一致性的标校方法。

背景技术

多点定位技术(Multilateration，MLAT)从验证到使用已经有多年的历史，采用到达时间差定位技术，通过测量目标发射(应答)信号到达多基站的时间差参数来确定目标三维位置与身份。其最早被用作军事用途来精确定位航空器位置，在空管监视领域最初主要用在机场场面监视，作为场面监视雷达的一种补充手段。近年来，多点定位技术被用作大空域诸如区域或进近的监视手段，在世界多个地区空管实际工作中得到一些示范性应用。我国在2013年制定了多点定位系统通用技术要求，对广域多点定位的技术指标、实验方法、检验规则等方面进行了规范,同时也给出了广域多点定位系统的定义，即将多点定位技术应用于较大的区域，如航路或者区域环境等对目标进行定位时，则被称为广域多点定位系统(WAM)。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种多点定位系统中的时钟频率标校方法。

本发明公开了一种多点定位系统中的时钟频率标校方法，包括如下步骤：

步骤1、根据已知的同步脉冲周期和标称时钟频率，计算出同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数。

步骤2、用晶振的实际频率进行计数器循环计数。用同步脉冲前沿“清零”该时钟计数器，使得该时钟计数器以相邻同步脉冲的间隔为周期循环计数。

步骤3、获取同步脉冲周期在晶振实际频率下的时钟计数值。在同步脉冲前沿即将“清零”步骤2时钟计数器的同时，锁存该时钟计数器的值，作为同步脉冲周期包含晶振实际频率的时钟计数值。

步骤4、将步骤1计算出的同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数，除以步骤3获取的同步脉冲周期对应的晶振实际频率时钟周期数，计算出晶振频率的标称频率与实际频率之间的比例系数。

步骤5、在基站检测到存在发射(应答)民航S码信号时，则同步读取出此时晶振实际频率的时钟计数值。

步骤6、将步骤5读取的信号到达时的晶振实际频率时钟计数值乘以步骤4计算出的时钟标称频率与实际频率之间的比例系数，转换为信号到达时的晶振标称频率所对应的时钟计数值。

步骤7、将步骤6得出的晶振标称频率下的时钟计数值，作为频率一致性标校后的发射(应答)民航S码信号到达时间测量值，并以此进行信号到达时间差参数测量，进而实现基于信号到达时间差参数计算的目标空间位置定位。

步骤8、重复步骤2～步骤7，实现循环运行。

本发明步骤1中，所述周期数N计算公式为：N＝T*f。

本发明所述步骤2中，包含第一D触发器和第二D触发器，以晶振实际频率信号作为第一D触发器的时钟输入，同步脉冲作为第一D触发器的输入，锁存同步脉冲，在第一D触发器的正Q端输出得到输出P1；以晶振实际频率信号作为第二D触发器的时钟输入，以输出P1作为第二D触发器的输入，锁存同步脉冲，在第二D触发器负Q端输出得到负逻辑输出！P2；用输出P1和负逻辑输出！P2的逻辑“与”的运算结果在下一个时钟上升沿处同步清零时间计数器，由此，同步脉冲从“0”到“1”翻转后第一个时钟内，被第一D触发器锁存，此时输出P1和第二D触发器的负逻辑输出！P2的逻辑与运算结果为逻辑“1”，作用于时间计数器的同步清零端，使得时间计数器在下个时钟上升沿处将被同步清零；一个时钟以后，第二D触发器的负逻辑输出！P2为逻辑“0”，输出P1和负逻辑输出！P2逻辑与运算结果变为逻辑“0”，计数器的同步清零端信号撤销，此后时间计数器恢复正常计数。

本发明步骤3中，以晶振实际频率作为寄存器的时钟输入，将步骤2的输出P1和负逻辑输出！P2的逻辑与运算结果作为寄存器的锁存使能输入，在随后的时钟上升沿处，时间计数器的数值在清零前被寄存器同步锁存起来，从而获得同步脉冲周期所含的实际频率时钟周期数M。

本发明步骤4中，将标称频率时钟周期数N除以同步脉冲周期所含的实际频率时钟周期数M，得到晶振标称频率与实际频率的比例系数K：

K＝N/M。

本发明步骤5～步骤7中，设信号到达时刻读自晶振实际频率的时间计数器数值为num，则将时间计数器数值num按下述公式转换为对应于标称频率的时间计数值NUMNUM＝num*N/M；转换后的NUM数值作为频率统一标校后的基于晶振标称频率的发射或者应答民航S码信号到达时间测量数值，用于基于信号到达时间差参数计算的目标空间位置定位。

本发明的关键特征：第一、在于统一以外部同步脉冲周期为参考，测量出晶振实际频率与标称频率之间的关系，据此各基站获得一致的晶振标称频率。第二、将各基站基于晶振实际频率的信号到达时间测量转化为基于标称频率的时间度量。第三、在以标称频率度量信号到达时间的基础上，测量计算信号到达时间差参数，据此进行目标多点空间定位。第四、用脉冲同步统一晶振标称频率，并基于晶振标称频率进行了时间度量，消除了在精度范围内由于晶振频率不一致引起的信号到达时间差测量的系统误差。

多点定位技术基于信号到达各基站的时间差参数测量，信号到达时间差参数的精确测量是多点定位技术的基础。消除或降低各基站晶振时钟频率的离散性误差，提高在测量过程中的各基站晶振频率一致性，从而降低多点定位系统时间差参数测量中的系统误差，可显著提高信号到达各基站时间差参数的测量精度，进一步提高目标在空间位置的定位精度。

本发明用外部同步脉冲周期来标校接收基站的晶振时钟频率，测量出晶振实际频率与标称频率之间的修正系数，通过系数修正后得到高度一致的基站时钟标称频率，然后各基站统一基于标称频率来度量各自的信号到达时间，从而消除由于晶振频率不一致而造成的信号到达时间差参数测量的附加误差，使得频率精度为10^-6的普通晶振也能适用于民航S码多点定位系统中信号到达时间差参数的精确测量，满足目标定位精度所需的测量要求。

附图说明

附图1是本发明的主要核心部分，关于时间计数器循环计数、同步脉冲“清零”时间计数器以及如何从时间计时器获取同步脉冲周期的时间计数值的示意图。

具体实现方式

本发明目的是探索一种频率一致性的标校方法，使普通精度的晶振时钟信号能够满足多点定位系统中关于信号到达时间差参数的精确测量要求。晶振时钟的标称频率与实际频率之间通常存在一定的差异，这种差异一般用频率精度表示，例如10^-6表示频率误差与额定频率之比不大于10^-6。目前，信号到达时间的测量一般基于晶振时钟的时间计数。在统一外脉冲同步的情况下，各基站在同步过后基于晶振时钟的时间计数器数值相同，随着时间的推迟，积累差异逐步增大。例如，基于精度为10^-6晶振的时间计数器，在参考点过后1秒钟的时间计数器误差等于10^-6秒，最大可达到1us，这意味着各基站基于晶振时钟频率的时间计数器测量出的时间差参数的附加误差可达1us，这对于电磁波来讲其传输距离可达到300米左右。很显然，这种数量级的误差会严重影响多点定位系统的目标空间定位精度，严重影响基于信号到达时间差参数测量的多点定位系统的性能。时间差参数的测量误差来源可细分两部分：其1是时钟频率精度造成的测量误差，其2是各基站时钟频率不一致而造成的各基站时间计数数值差异造成的。由于多点定位系统探测范围的限制，其信号到达时间差参数一般数值较小，例如相距300Km的基站其信号到达时间差参数不大于1ms，10^-6频率精度只会造成信号到达时间差参数10^-6倍的误差，即1ms乘以10^-6显然很小，可以忽略不记，也就是说，第一项误差影响可以忽略。而第二项误差各基站时钟频率不一致的影响就大得多。各晶振频率的不一致会造成基于各个时间计数器不同步，其时间计数器数值的差异随着时间逐渐积累增大，而时间计数器数值又是信号到达时间测量的基础，所以各个晶振频率的一致性指标才是影响信号到达时间差参数测量的关键因素。本发明的核心任务就是研究一种如何提高晶振频率一致性标校的方法。目前MDS场面多点定位系统目标定位精度可以达到3～4米，对应的时间差参数测量精度为10纳秒级。考虑到用晶振频率作为时间测量的标尺，其频率的差异或误差不应成为信号到达时间差参数测量的主要误差来源。因此，在每秒一次时钟脉冲同步的情况下，10^-8～10^-9频率精度的晶振才能满足10纳秒的测量精度要求，很明显这对晶振的频率精度性能提出很高的要求。

为此，本发明提出了一种频率标校方法，其核心内容是以外部同步脉冲的周期来标校各基站的晶振时钟频率，测量出晶振实际频率与标称频率之间的修正系数，通过系数修正后得到高度一致的基站时钟标称频率，然后各基站基于标称频率来度量各自的信号到达时间，从而消除由于晶振频率不一致而造成的信号到达时间差参数测量的附加误差，使得频率精度等于10^-6的普通晶振也能适用于多点定位系统中信号到达时间差参数的测量，满足高精度测量的系统误差要求。本发明适用于以GNSS秒脉冲作为时钟外部同步脉冲以及其它类型的时钟外部同步脉冲的MDS场面多点定位系统以及VAM广域多点定位系统。

本发明的其步骤如下：

步骤1、根据已知的同步脉冲周期和标称时钟频率，计算出同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数。

步骤2、用晶振的实际频率进行计数器循环计数。用同步脉冲前沿清零该时钟计数器，使得该时钟计数器以相邻同步脉冲的间隔为周期循环计数。

步骤3、获取同步脉冲周期在晶振实际频率下的时钟计数值。在同步脉冲前沿即将“清零”步骤2时钟计数器的同时，锁存该时钟计数器的值，作为同步脉冲周期包含晶振实际频率的时钟计数值。

步骤4、将步骤1计算出的同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数，除以步骤3获取的同步脉冲周期对应的晶振实际频率时钟周期数，计算出晶振频率的标称频率与实际频率之间的比例系数。

步骤5、在基站检测到存在发射(应答)民航S码信号时，则同步读取出此时晶振实际频率的时钟计数值。

步骤6、将步骤5读取的信号到达时的晶振实际频率时钟计数值乘以步骤4计算出的时钟标称频率与实际频率之间的比例系数，转换为信号到达时的晶振标称频率所对应的时钟计数值。

步骤7、将步骤6得出的晶振标称频率下的时钟计数值，作为频率一致性标校后的发射(应答)民航S码信号到达时间测量值，并以此进行信号到达时间差参数测量，进而实现基于信号到达时间差参数计算的目标空间位置定位。

步骤8、重复步骤2～步骤7，实现循环运行。

实施例1

步骤1根据已知的同步脉冲周期和晶振标称频率，计算出在标称频率情况下同步脉冲周期所包含的时钟周期数。设同步脉冲周期为T，晶振标称时钟频率为f，则同步脉冲周期T内包含频率f的周期数N为：N＝T*f；

步骤2、如图1所示，以晶振实际频率信号作为D触发器的CK端时钟输入，同步脉冲作为D触发器的D端输入，锁存同步脉冲，在该D触发器的正Q端输出得到输出P1；同样以晶振实际频率信号作为D触发器的时钟输入，再以P1作为下一级D触发器的输入，再次锁存，在第二级D触发器负Q端输出得到负逻辑输出！P2。用P1和！P2逻辑“与”运算结果(P1&！P2)在下一个时钟上升沿处同步“清零”的时间计数器。这样一来，同步脉冲从“0”到“1”翻转后第一个时钟内，被第一级D触发器锁存，此时用P1和！P2逻辑“与”运算结果(P1&！P2)为逻辑“1”，作用于计数器的同步“清零”端，使得时间计数器在下个时钟上升沿处将被同步清零。一个时钟以后，！P2为逻辑“0”，P1和！P2逻辑“与”运算结果(P1&！P2)变为逻辑“0”，计数器的同步“清零”端信号撤销，此后时间计数器恢复正常计数。

以晶振实际频率作为寄存器的时钟输入，将步骤2的P1和！P2逻辑“与”运算结果(P1&！P2)作为寄存器的锁存使能输入，在随后的时钟上升沿处，时间计数器的数值在“清零”前被寄存器同步锁存起来，从而获得同步脉冲周期所含的实际频率时钟周期数M。

步骤3、将步骤1计算出的同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数N，除以步骤2读取的同步脉冲周期所含的实际频率时钟周期数M，则可计算出晶振标称频率与实际频率的比例系数K：K＝N/M；

步骤4、设信号到达时刻读自晶振实际频率的时间计数器数值为num，则将num按下述公式转换为对应于标称频率的时间计数值NUM：

NUM＝num*N/M；

其中N引自步骤1的计算值，M引自步骤3的测量值。转换后的NUM数值作为频率统一标校后的基于晶振标称频率的发射(应答)民航S码信号到达时间差测量数值，用于基于信号到达时间差参数计算的目标空间位置定位。

步骤5、重复步骤2～步骤4，实现循环运行。

本发明公开了一种基于外部脉冲同步的时钟频率一致性标校方法，其以外部同步脉冲周期来标校接收基站的晶振时钟频率，测量出晶振实际频率与标称频率之间的修正系数，通过系数修正后得到高度一致的基站时钟标称频率，然后各基站统一基于标称频率来度量各自的信号到达时间，从而消除了由于晶振频率不一致而造成的信号到达时间差参数测量的附加误差，使得频率精度为10^-6的普通晶振也能适用于多点定位系统中信号到达时间差参数的测量，满足其定位精度的测量要求。

本发明提供了一种多点定位系统中的时钟频率标校方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种多点定位系统中的时钟频率标校方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据已知的同步脉冲周期T和晶振标称时钟频率f，计算出同步脉冲周期所包含的标称频率时钟周期数N；

步骤2、用晶振的实际频率进行时钟计数器循环时间计数，用同步脉冲前沿清零该时钟计数器，使得该时钟计数器以相邻同步脉冲的间隔为周期循环时间计数；

步骤3、获取同步脉冲周期在晶振实际频率下的时钟计数值，在同步脉冲前沿即将清零步骤2时钟计数器的同时，锁存该时钟计数器的值，作为同步脉冲周期所包含的晶振实际频率的时钟计数值；

步骤4、将步骤1计算出的同步脉冲周期所包含的标称频率的时钟周期数N，除以步骤3获取的同步脉冲周期对应的晶振实际频率的时钟周期数，计算出晶振频率的标称频率与实际频率之间的比例系数；

步骤5、在基站检测到存在发射或者应答的民航S码信号时，同步读取出此时晶振的实际频率的时钟计数值；

步骤6、将步骤5读取的信号到达时的晶振实际频率时钟计数值乘以步骤4计算出的时钟标称频率与实际频率之间的比例系数，转换为基于晶振标称频率的信号到达时间的时钟计数值；

步骤7、将步骤6得出的晶振标称频率下的时钟计数值，作为频率一致性标校后的发射或者应答的民航S码信号到达时间的测量值，并以此进行信号到达时间差参数测量计算，进而基于信号到达时间差参数计算实现目标空间位置定位；

步骤8、重复步骤2～步骤7，实现多点定位系统中的时钟频率标校。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述周期数N计算公式为：N＝T*f。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，包含第一D触发器和第二D触发器，以晶振实际频率信号作为第一D触发器的时钟输入，同步脉冲作为第一D触发器的输入，锁存同步脉冲，在第一D触发器的正Q端输出得到输出P1；以晶振实际频率信号作为第二D触发器的时钟输入，以输出P1作为第二D触发器的输入，锁存同步脉冲，在第二D触发器负Q端输出得到负逻辑输出！P2；用输出P1和负逻辑输出！P2的逻辑“与”的运算结果在下一个时钟上升沿处同步清零时间计数器，由此，同步脉冲从0到1翻转后第一个时钟内，被第一D触发器锁存，此时输出P1和第二D触发器的负逻辑输出！P2的逻辑与运算结果为逻辑1，作用于时间计数器的同步清零端，使得时间计数器在下个时钟上升沿处将被同步清零；一个时钟以后，第二D触发器的负逻辑输出！P2为逻辑“0”，输出P1和负逻辑输出！P2逻辑与运算结果变为逻辑0，计数器的同步清零端信号撤销，此后时间计数器恢复正常计数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中，以晶振实际频率作为寄存器的时钟输入，将步骤2的输出P1和负逻辑输出！P2的逻辑与运算结果作为寄存器的锁存使能输入，在随后的时钟上升沿处，时间计数器的数值在清零前被寄存器同步锁存起来，从而获得同步脉冲周期所含的实际频率时钟周期数M。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4中，将标称频率时钟周期数N除以同步脉冲周期所含的实际频率时钟周期数M，得到晶振标称频率与实际频率的比例系数K：

K＝N/M。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5～步骤7中，设信号到达时刻读自晶振实际频率的时间计数器数值为num，则将时间计数器数值num按下述公式转换为对应于标称频率的时间计数值NUMNUM＝num*N/M；转换后的NUMNUM数值作为频率统一标校后的基于晶振标称频率的发射或者应答民航S码信号到达时间测量数值，用于基于信号到达时间差参数计算的目标空间位置定位。