CN108521323A - 一种基于转发的双向时间比对测量装置和方法 - Google Patents

一种基于转发的双向时间比对测量装置和方法 Download PDF

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魏海涛
韩双林
张亚林
甘兴利
罗显志
树玉泉
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Abstract

本发明公开了一种基于转发的双向时间比对测量装置和方法，能够在双向时间比对中，控制两个时间比对节点发送的时间比对测量信号到达信号转发器的时刻差，减小双向时间比对链路的非对称性误差，避免了对时频基准的调整，且能够快速、精确地调整，提升了时间比对链路的精度和可用性，在测量开始前，对时间比对测量装置的发射时延和接收时延进行标定；调整时间比对测量信号到达信号转发器的时刻差，保证时间比对链路的非对称性保持在一定范围；进行时间比对，经时间比对数据处理获得节点间的时差结果。

Description

一种基于转发的双向时间比对测量装置和方法
技术领域
本发明涉及基于转发的双向时间比对测量装置和方法，尤其涉及通过卫星、飞机、升空平台等动平台进行转发的双向时间比对方法。
背景技术
高精度的时间比对在时间测量、卫星导航、通信雷达及航天测控等领域有着重要的应用价值，基于转发的双向时间比对方法作为一种远距离、高精度的时间比对方法，得到了广泛应用，基于转发的双向时间同步方法基本原理是通过两个节点间互发互收时间比对信号，双向传输链路非常接近，其传输时延具有强相关性，能够差分对消绝大部分的误差，从而实现高精度的时间比对。
基于转发的双向时间比对方法的误差主要来源于由于各种原因造成的双向比对链路的非对称性，从而造成双向链路传输时延的不一致，在差分对消过程中残留误差。为了弥补链路的非对称性，通常采用数据处理的方法修正链路中能够建模的误差，如转发器运动误差、电离层误差、对流程误差等；采用调整时频基准的方法减小双向比对链路的非对称性，例如通过调整原子频标的频率，使得两个时间比对节点的秒脉冲更加接近，从而减小双向比对链路的非对称性，但该方法技术难度较复杂，调整的准确性、实时性较差，难以适应运动复杂的节点条件。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种基于转发的双向时间比方法和装置。
本发明采用的技术方案为：
一种基于转发的时间比对测量装置，包括第一时间比对测量设备101、第二时间比对测量设备102和时间比对控制与数据处理设备103，还包括信号转发器104；
第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102分别用于接收外部输入的时频基准信号，根据时频基准信号产生时间比对测量信号后经信号转发器104转发，并互相接收对方产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，将时间比对测量结果输出至时间比对控制与数据处理设备103；第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102中至少一个还用于根据外部输入的时频基准信号，接收自身产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，产生一组时刻差测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备103；第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102还用于根据时间比对控制与数据处理设备103输出的发射时延调整参数调整各自的发射时延；
时间比对控制与数据处理设备103用于分别对第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102产生的一组时刻差测量结果进行处理，并产生第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102的发射时延调整参数，分别发送给第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102；时间比对控制与数据处理设备103还用于在时刻差测量结果满足进行时间比对的要求时，对第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102产生的时间比对测量结果进行差分处理，并扣除第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时间比对时差数据；其中，第一时间比对测量设备102和第二时间比对测量设备103的发射时延和接收时延由外部标定或直接测量得到。
其中，第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102均包括时间比对发射单元202和时间比对接收单元203；
时间比对发射单元202用于根据外部输入的时频基准信号产生并输出时间比对测量信号，还用于根据发射时延调整参数调整发射时延；
时间比对接收单元203用于根据时频基准信号接收另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备103；时间比对接收单元203还用于根据时频基准信号接收自身产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，并产生时刻差测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备103。
其中，时间比对接收单元203包括的时间比对接收通道为1个时，能够分时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号；当包括的时间比对接收通道≥2个时，可同时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，各个时间比对接收通道间的时延差由外部标定或直接测量得到。
其中，时间比对控制与数据处理设备103包括时间比对控制处理模块301和时间比对数据处理模块302；
时间比对控制处理模块301用于分别对第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102产生的时刻差测量结果进行处理，并分别产生第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102的发射时延调整参数，分别发送给第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102；
时间比对数据处理模块302用于对第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102产生的时间比对测量结果进行差分处理，并扣除第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时间比对时差数据。
一种时间比对方法，包括以下步骤：
(1)搭建时间比对测量装置；在测量前，分别对时间比对测量装置的两个时间比对测量设备进行设备时延标定，获得两个时间比对测量设备的发射时延和接收时延；所述的时间比对测量装置包括时间比对控制与数据处理设备、两个时间比对测量设备和信号转发器；
(2)两个时间比对测量设备分别产生时间比对测量信号，并通过信号转发器转发，并至少有一个时间比对测量设备接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，获得一组时刻差测量结果；
(3)时间比对控制与数据处理设备对获得的时刻差测量结果做差，并扣除设备时延差，获得时间比对测量设备产生的时间比对测量信号到达信号转发器的时刻差，设备时延差由时间比对测量设备的时间比对接收通道产生；
(4)当时刻差满足时间比对数据处理精度所需门限时，执行步骤(6)，当时刻差不满足时间比对数据处理精度所需门限时，执行步骤(5)；
(5)时间比对控制和数据处理设备分别计算两个时间比对测量设备的发射时延调整参数，两个时间比对测量设备按照发射时延调整参数调整发射设备时延，执行步骤(2)；
(6)两个时间比对测量设备分别根据外部输入的时频基准信号产生各自的时间比对测量信号，并互相接收对方产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，时间比对控制与数据处理设备对两个时间比对测量设备产生的时间比对测量结果进行差分处理，扣除两个时间比对测量设备的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时差数据；
(7)对获得的一组时差数据进行平滑处理，消除时差数据中的随机波动，即得到最终时差数据结果。
其中，步骤(2)中时间比对测量设备接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号时，若时间比对接收通道为1个，则分时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号；若时间比对接收通道≥2个，则同时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号。
本发明与背景技术相比具有以下优点：
本发明通过在双向比对测量信号产生环节增加发射时延调整模块，能够快速精确的调节时间比对测量信号产生的时刻，通过双通道接收，控制两个时间比对节点发送的时间比对测量信号到达信号转发器的时刻差，从而优化基于转发的双向时间比对链路的对称性，减小双向时间比对链路的非对称性误差，避免了对时频基准的调整，且能够快速、精确地调整，提升了时间比对链路的精度和可用性。
附图说明
图1是使用本发明一实施例的时间比对测量装置的系统结构方框图。
图2是使用本发明一实施例的时间比对测量装置中的时间比对测量设备的基本方框图。
图3是使用本发明一实施例的时间比对测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图3来详细说明本发明的实施例：
图1是使用本发明一实施例的时间比对测量装置的系统结构方框图。
图1中，第一时间比对测量设备A 101、第二时间比对测量设备B 102、时间比对控制与数据处理设备103和信号转发器104组成一个完整的时间比对测量装置；
第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102分别用于一一对应接收本地时频基准A 105、本地时频基准B 106输入的时频基准信号，根据时频基准信号产生时间比对测量信号，时间比对测量信号经过信号转发器104，并互相接收对方产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，将时间比对测量结果输出至时间比对控制与数据处理设备103；第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102中至少一个还用于根据外部输入的时频基准信号，接收自身产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，产生一组时刻差测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备103；第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102还用于根据时间比对控制与数据处理设备103输出的发射时延调整参数调整各自的发射时延；
时间比对控制与数据处理设备103用于分别对第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102产生的一组时刻差测量结果进行处理，并产生第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102的发射时延调整参数，分别发送给第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102；时间比对控制与数据处理设备103还用于在时刻差测量结果满足进行时间比对的要求时，对第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102产生的时间比对测量结果进行差分处理，并扣除第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时间比对时差数据；其中，第一时间比对测量设备102和第二时间比对测量设备103的发射时延和接收时延由外部标定或直接测量得到。
图2是使用本发明一实施例的时间比对测量装置中的时间比对测量设备的基本方框图。
第一时间比对测量设备101和第二时间比对测量设备102均包括时间比对发射单元202和时间比对接收单元203；
时间比对发射单元202用于根据外部输入的时频基准信号产生并输出时间比对测量信号，还用于根据发射时延调整参数调整发射时延；时间比对接收单元203用于根据时频基准信号接收自身产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器104转发的时间比对测量信号，并产生时刻差测量结果。
时间比对接收单元203包括的时间比对接收通道为1个时，能够分时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号；当包括的时间比对接收通道≥2个时，可同时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，各个时间比对接收通道间的时延差由外部标定或直接测量得到。
图3是使用本发明一实施例的时间比对测量方法的流程示意图。
包括以下步骤：
(1)搭建时间比对测量装置；在测量前，分别对时间比对测量装置的两个时间比对测量设备进行设备时延标定，获得两个时间比对测量设备的发射时延DT1、DT2和接收时延DR1、DR2，第一时间比对测量设备的发射时延为DT1，接收时延为DR1，第二时间比对测量设备的发射时延为DT2，接收时延为DR2；所述的时间比对测量装置包括两个时间比对测量设备、时间比对控制与数据处理设备和和信号转发器；
(2)第一时间比对测量设备和第二时间比对测量设备分别根据本地时频基准产生的时频基准信号产生时间比对测量信号，并通过信号转发器转发，两个时间比对测量设备分别接收信号转发器转发的时间比对测量信号，其中，第一时间比对测量设备接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号,获得时刻差测量结果A1，第一时间比对测量设备接收第二时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，获得刻差测量结果A2；若时间比对接收通道为1个，则分时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号；若时间比对接收通道≥2个，则同时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号。
(3)对时刻差测量结果做差，并扣除设备时延差，获得时间比对测量设备分别产生的时间比对测量信号到达信号转发器的时刻差XT，XT＝|(A1-A2)-(DR1-DR2)|，设备时延差由时间比对测量设备的时间比对接收通道产生。
(4)当时刻差XT≤T0时，执行步骤(6)，当时刻差XT＞T0时，执行步骤(5)，T0根据所需的时间比对数据处理精度确定；
(5)计算第一时间比对测量设备的发射时延调整参数FT1，第二时间比对测量设备的发射时延调整参数FT2，使得时刻差XT的预测值NXT＝|(A1-A2)-(DR1-DR2)-(FT1-FT2)|≤T0，两个时间比对测量设备按照发射时延调整参数调整发射设备时延，执行步骤2；其中，时间比对测量设备按照发射时延调整参数调整发射设备时延时，发根据发射时延调整参数和时频基准信号生成发射时延调整信号，包括所需的测距码时钟信号和秒脉冲信号。
(6)两个时间比对测量设备分别根据外部输入的时频基准信号产生各自的时间比对测量信号，并互相接收对方产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，时间比对数据处理设备对两个时间比对测量设备产生的时间比对测量结果进行差分处理，扣除两个时间比对测量设备的发射时延、接收时延，当存在其他误差时，如运动误差、相对论效应等，应根据时间比对精度需求进行扣除，获得时差数据；
(7)根据需要，对获得的一组时差数据进行平滑处理，消除时差数据中的随机波动，即得到更加稳定的时差数据。
完成时间比对。

Claims (6)

1.一种基于转发的双向时间比对测量装置，包括第一时间比对测量设备(101)、第二时间比对测量设备(102)和时间比对控制与数据处理设备(103)，其特征在于，还包括信号转发器(104)；
第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)分别用于接收外部输入的时频基准信号，根据时频基准信号产生时间比对测量信号后经信号转发器(104)转发，并互相接收对方产生的并由信号转发器(104)转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，将时间比对测量结果输出至时间比对控制与数据处理设备(103)；第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)中至少一个还用于根据外部输入的时频基准信号，接收自身产生的并由信号转发器(104)转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器(104)转发的时间比对测量信号，产生一组时刻差测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备(103)；第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)还用于根据时间比对控制与数据处理设备(103)输出的发射时延调整参数调整各自的发射时延；
时间比对控制与数据处理设备(103)用于分别对第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)产生的一组时刻差测量结果进行处理，并产生第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)的发射时延调整参数，分别发送给第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)；时间比对控制与数据处理设备(103)还用于在时刻差测量结果满足进行时间比对的要求时，对第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)产生的时间比对测量结果进行差分处理，并扣除第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时间比对时差数据；其中，第一时间比对测量设备(102)和第二时间比对测量设备(103)的发射时延和接收时延由外部标定或直接测量得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于转发的双向时间比对测量装置，其特征在于，第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)均包括时间比对发射单元(202)和时间比对接收单元(203)；
时间比对发射单元(202)用于根据外部输入的时频基准信号产生并输出时间比对测量信号，还用于根据发射时延调整参数调整发射时延；
时间比对接收单元(203)用于根据时频基准信号接收另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器(104)转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备(103)；时间比对接收单元(203)还用于根据时频基准信号接收自身产生的并由信号转发器(104)转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器(104)转发的时间比对测量信号，并产生时刻差测量结果，输出至时间比对控制与数据处理设备(103)。
3.根据权利要求2所述的一种基于转发的双向时间比对测量装置，其特征在于，时间比对接收单元(203)包括的时间比对接收通道为1个时，能够分时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号；当包括的时间比对接收通道≥2个时，可同时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，各个时间比对接收通道间的时延差由外部标定或直接测量得到。
4.根据权利要求1所述的一种基于转发的双向时间比对测量装置，其特征在于，时间比对控制与数据处理设备(103)包括时间比对控制处理模块(301)和时间比对数据处理模块(302)；
时间比对控制处理模块(301)用于分别对第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)产生的时刻差测量结果进行处理，并分别产生第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)的发射时延调整参数，分别发送给第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)；
时间比对数据处理模块(302)用于对第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)产生的时间比对测量结果进行差分处理，并扣除第一时间比对测量设备(101)和第二时间比对测量设备(102)的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时间比对时差数据。
5.一种基于转发的双向时间比对测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建时间比对测量装置；在测量前，分别对时间比对测量装置的两个时间比对测量设备进行设备时延标定，获得两个时间比对测量设备的发射时延和接收时延；所述的时间比对测量装置包括时间比对控制与数据处理设备、两个时间比对测量设备和信号转发器；
(2)两个时间比对测量设备分别产生时间比对测量信号，并通过信号转发器转发，并至少有一个时间比对测量设备接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，获得一组时刻差测量结果；
(3)时间比对控制与数据处理设备对获得的时刻差测量结果做差，并扣除设备时延差，获得时间比对测量设备产生的时间比对测量信号到达信号转发器的时刻差，设备时延差由时间比对测量设备的时间比对接收通道产生；
(4)当时刻差满足时间比对数据处理精度所需门限时，执行步骤(6)，当时刻差不满足时间比对数据处理精度所需门限时，执行步骤(5)；
(5)时间比对控制和数据处理设备分别计算两个时间比对测量设备的发射时延调整参数，两个时间比对测量设备按照发射时延调整参数调整发射设备时延，执行步骤(2)；
(6)两个时间比对测量设备分别根据外部输入的时频基准信号产生各自的时间比对测量信号，并互相接收对方产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号，产生时间比对测量结果，时间比对控制与数据处理设备对两个时间比对测量设备产生的时间比对测量结果进行差分处理，扣除两个时间比对测量设备的发射时延、接收时延及其它信号传输环境造成的误差，获得时差数据；
(7)对获得的一组时差数据进行平滑处理，消除时差数据中的随机波动，即得到最终时差数据结果。
6.根据权利要求5所述的一种基于转发的双向时间比对测量方法，其特征在于，步骤(2)中时间比对测量设备接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号时，若时间比对接收通道为1个，则分时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号；若时间比对接收通道≥2个，则同时接收自身产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号和另一个时间比对测量设备产生的并由信号转发器转发的时间比对测量信号。
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