CN107566070A - 单向同步传输时间频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向同步传输时间频率的方法，利用本发明可有效地解决主、副站之间的高精度时间频率同步问题。本发明通过下述技术方案予以实现：主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量；主站利用气象计对周围环境的参数进行测量，对传输路径大气延迟精确估计，运用自身配备的铷钟作为参考时钟，通过扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，经发射射频前端和天线发射到副站；副站对其扩频码测距信号进行捕获跟踪，将码环滤波器输出的码频率控制字送入直接数字频率合成器DDS，将输出的正弦波信号与副站锁相环路的恒温晶振进行鉴相，运用恒温晶振输出的高精度参考时钟实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步。

Description

单向同步传输时间频率的方法

技术领域

本发明涉及一种可应用于地基区域导航、网络雷达等技术领域纳秒量级时间同步精度的高精度单向时间频率同步方法。

背景技术

时间，是被人类意识最神秘的一个基本物理量。从古代人们的日出而日落而息，到地心说和日心说，再到相对论和宇宙大爆炸理论，人类从未停止过对时间本质与起源的探求。如何不断地提高“时间”这一基本物理量的测量精度，也一直是人类不懈追求的重要目标之一。随着现代高精度原子钟的快速发展，时间测量的精度已遥遥领先于其他物理量的测量精度，而成为测量精度最高的基本单位。时间同步是通过时刻比对将分布在不同地方的钟的时刻值调整到一定的准确度或一定的符合度。前者称为绝对时间同步，也称对时，后者称为相对时间同步。频率同步是通过频率比对将分布在不同地方的频率源的频率值调整到一定的准确度或一定的符合度。前者称为绝对频率同步也称校频，后者称为相对频率同步。不同的时间频率源在一段时间内的时间同步等效于相应的频率同步，所以一般统称为时间频率同步。随着科学技术的发展，高精度时间同步在国民经济发展中的地位日趋重要，在国民经济建设和高新技术产业诸如通信、电力、交通、高速数字网同步等领域有着广泛的应用。近年来，国防和空间技术的发展，对高精度时间同步提出了更高的要求。时间同步依据通信链路的方向可分为单向法和双向法，依据需同步的对象分为星地时间同步、站间时间同步和星间时间同步。

目前各种地面站网络站间时间同步方法主要包括导航卫星共视法和基于通信卫星的双向时间频率传递两种方案。其中导航卫星共视法需两站同时接收导航卫星信号实现站间高精度时间同步，由于两站传输路径不同，很难完全消除对流层和电离层的附加时延误差，且很难实时调整两站的时钟实现时间频率同步；基于通信卫星的双向时间频率传递技术尽管精度较高，但是需两站发射各自发射同步信号到通信卫星，并经通信卫星转发到对方，因此系统较为复杂。

当站间距离较近，如50km以内或可视时，基于微波链路或光纤传输的站间时间同步技术是一种较为理想的时间同步方法。但传统基于微波链路或者光纤传输的时间同步方法采用双向测量来实现，即两站基于各自的时钟，在同一钟面时刻向对方发射扩频测距信号，并分别基于本地时钟测量信号传输时延，并将两站测量的时延作差求取两站的时差，并通过求微分获取两站的频率差来实现两站的时间频率同步。该方法的不足之处在于，实现两站的时间频率同步方案需要双向测量，系统较为复杂，且要求主、副两站的时钟为同一量级，组网系统成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种成本低，同步方案简单，时间频率同步精度高，基于单向传输的高精度时间频率同步方法，该方法可有效地解决主、副站之间的高精度时间频率同步问题。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种单向同步传输时间频率的方法，其特征在于包括如下步骤：主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量；主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，对传输路径大气延迟精确估计，运用自身配备的铷钟作为参考时钟，通过扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，该信号经过发射射频前端并通过天线发射到副站；副站对所接收的扩频码测距信号进行捕获跟踪，将码环滤波器输出的码频率控制字送入直接数字频率合成器DDS，直接数字频率合成器DDS将输出的正弦波信号与副站锁相环路的恒温晶振进行鉴相，运用恒温晶振输出的高精度参考时钟实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步；同时副站利用站间高精度相对距离时延测量值、大气延迟估计值及测量副站接收主站帧头与本地1PPS的高精度时延差的总和作为副站1PPS生成模块的控制命令来实现对本地1PPS的精确调整，实现两站的高精度时间同步，从而实现主、副两站参考时钟的时间频率同步。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1)成本低。本发明通过主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，产生扩频测距信号，并向副站发射该扩频测距信号，副站对接收测距信号捕获跟踪，码环滤波器输出的码频率控制字送入高精度DDS，经高精度DDS输出的10.23MHz正弦波信号与副站锁相环路的恒温晶振进行鉴相，实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步；由于副站无需昂贵的铷钟作为参考时钟，而使得成本较低。

2)同步方案简单。本发明采用卫星导航相对定位技术实现主、副两站相对距离的高精度测量，主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，实现对传输路径大气延迟精确估计，主站基于参考时钟产生扩频测距信号，副站将码环滤波器输出的码频率控制字送入高精度DDS，将高精度DDS输出的10.23MHz正弦波信号与副站的恒温晶振进行鉴相，输出恒温晶振高精度10.23MHz的参考时钟，从而实现站间高精度频率同步。相比于现有技术采用两站基于各自的时钟，在同一钟面时刻向对方发射扩频测距信号，分别基于本地时钟测量信号传输时延，将两站测量的时延作差求取两站的时差，通过求微分获取两站的频率差来实现两站的时间同步的双向测量来实现同步的方案简单。

3)时间频率同步精度高。本发明采用主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量；利用主站自身配备的铷钟作为参考时钟，将调制产生的扩频测距信号通过天线发射发射到副站；副站仅需通过捕获跟踪接收信号，经直接数字频率合成器DDS将10.23MHz的正弦波输出值与副站锁相环路的恒温晶振进行鉴相，输出与主站铷钟参考时钟频率同步的高精度恒温晶振参考时钟，实现副站恒温晶振与主站铷钟频率的同步，不仅实时性强，时间频率同步精度高，而且副站配备低成本恒温晶振有效地解决了主、副站之间的高精度时间频率同步问题。从而克服了现有技术基于微波链路或者光纤传输的时间同步方法，采用双向测量来实现两站的时间频率同步方案需要双向测量，系统较为复杂，要求主、副两站的时钟为同一量级，组网系统成本较高的缺陷。

可同时实现多站之间的高精度时间频率同步。本发明利用两站几何时延的测量值实现对副站1PPS的精确调整，实现两站的高精度时间同步，实现主、副两站参考时钟的时间频率同步。通过上述方法的扩展还可同时实现多站之间的高精度时间频率同步。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明高精度单向传输时间频率同步系统工作原理框图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量；主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，对传输路径大气延迟精确估计；主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，基于参考时钟产生码速率为10.23Mcp扩频码的扩频测距信号，并通过天线发射到副站；副站接收该扩频测距信号，并对所接收的扩频测距信号进行捕获跟踪，将码环滤波器输出的码频率控制字送入直接数字频率合成器DDS，直接数字频率合成器DDS将输出的10.23MHz正弦波信号与副站的恒温晶振进行鉴相，运用恒温晶振输出的高精度参考时钟，实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步；同时副站利用地面网络站间高精度相对距离时延测量值、大气延迟估计值及测量副站接收主站帧头与本地1PPS的高精度时延差的总和作为副站1PPS生成模块的控制命令来实现对本地1PPS的精确调整，使两站高精度时间同步，从而实现主、副两站参考时钟的时间频率同步。

具体步骤包括：

首先，采用卫星导航相对定位技术实现主、副两站相对距离的高精度测量，主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量，计算扩频测距信号从主站到副站的几何时延；主站采用高精度铷钟输出工作频率为10.23MHz参考时钟，利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，精确估计传输路径大气延迟。

其次，主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，通过扩频测距信号产生模块产生码速率为10.23Mcp扩频码的扩频测距信号，该信号经过发射射频前端并通过天线发射到副站；然后，副站天线将接收到的扩测距信号通过接收射频前端送入捕获跟踪模块，对接收信号进行捕获跟踪，当跟踪环路稳定后，将接收射频前端输出的信号分为两路，两路信号解扩、积分后的捕获跟踪信号送入码环鉴相器和载波鉴相器，通过码环鉴相器和载波鉴相器分别送入载波环滤波器和码环滤波器，载波环滤波器将捕获跟踪信号送入载波DDS产生两路正交的载波信号，一路与i路信号进行混频，一路与q路信号混频，码环滤波器将输出的码频率控制字分为两路，一路通过伪码DDS，伪码DDS产生的伪码产生器驱动频率驱动伪码发生器产生伪码信号并送入解扩模块进行解扩，另一路送入直接数字频率合成器DDS将输出的10.23MHz正弦波信号送入鉴相器，经环路滤波器送入恒温晶振输出高精度的10.23MHz参考时钟，恒温晶振输出的高精度10.23MHz参考时钟通过锁相环路反馈到鉴相器进行鉴相，实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步，其中DDS设计为32位。同时，副站利用站间高精度相对距离时延测量值、大气延迟估计值及测量副站接收主站帧头与本地1PPS的高精度时延差的总和作为副站1PPS生成模块的控制命令作为副站1PPS生成模块的控制命令来实现对本地1PPS的精确调整，实现两站的高精度时间同步，最终完成主、副两站参考时钟的时间频率同步。

Claims (8)

1.一种单向同步传输时间频率的方法，其特征在于包括如下步骤：主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量；主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，对传输路径大气延迟精确估计，运用自身配备的铷钟作为参考时钟，通过扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，该信号经过发射射频前端并通过天线发射到副站；副站对所接收的扩频码测距信号进行捕获跟踪，将码环滤波器输出的码频率控制字送入直接数字频率合成器DDS，直接数字频率合成器DDS将输出的正弦波信号与副站锁相环路的恒温晶振进行鉴相，运用恒温晶振输出的高精度参考时钟实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步。

2.如权利要求1所述的单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：副站利用站间高精度相对距离时延测量值、大气延迟估计值及测量副站接收主站帧头与本地1PPS的高精度时延差的总和作为副站1PPS生成模块的控制命令来实现对本地1PPS的精确调整，实现两站的高精度时间同步，从而实现主、副两站参考时钟的时间频率同步。

3.如权利要求1所述的单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：主、副两站通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量，计算扩频测距信号从主站到副站的几何时延。

4.如权利要求1所述的单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，通过扩频测距信号产生模块产生码速率为10.23Mcp扩频码的扩频测距信号，将该信号经过发射射频前端并通过天线发射到副站。

5.如权利要求1所述的一种单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：副站天线将接收到的扩测距信号通过接收射频前端送入捕获跟踪模块。

6.如权利要求4所述的单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：当跟踪环路稳定后，将接收射频前端输出信号分为两路，将两路信号解扩、积分后送入码环鉴相器和载波鉴相器，通过码环鉴相器和载波鉴相器分别送入载波环滤波器和码环滤波器。

7.如权利要求6所述的单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：载波环滤波器将捕获跟踪信号送入载波DDS产生两路正交的载波信号，一路与i路信号进行混频，一路与q路信号混频，码环滤波器将输出的码频率控制字分为两路，一路驱动伪码产生器，伪码DDS将伪码产生器产生的伪码信号送入解扩模块进行解扩，另一路送入直接数字频率合成器DDS将输出的10.23MHz正弦波信号送入鉴相器与副站的恒温晶振进行鉴相，经环路滤波器送入恒温晶振输出高精度的10.23MHz参考时钟f_sym，实现两站参考时钟频率同步。

8.如权利要求1所述的单向同步传输时间频率的方法，其特征在于：副站利用站间高精度相对距离时延测量值、大气延迟估计值及测量副站接收主站帧头与本地1PPS的高精度时延差的总和作为副站1PPS生成模块的控制命令作为副站1PPS生成模块的控制命令来实现对本地1PPS的精确调整，实现两站的高精度时间同步，最终完成主、副两站参考时钟的时间频率同步。