CN109120367B - 基于对流层散射信道的时间同步方法 - Google Patents

基于对流层散射信道的时间同步方法 Download PDF

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Abstract

基于对流层散射信道的时间同步方法，通过对流层散射信道传递时间比对信号，步骤如下：建立散射链路；主站原子钟产生的时间比对信号发送至脉冲波门，经脉冲波门处理得到的脉冲信号与正弦波相乘得到视频信号并通过信号发射机发送出去；从站原子钟发送时间比对信号给时间间隔计数器，时间间隔计数器开始计时；信号接收机接收主站的时间比对信号后，经低噪放大器、带通滤波器、自动增益控制模块和宽带匹配滤波器发送至时间间隔计数器，时间间隔计数器接收到主站时间比对信号后停止计时并将计数值发送给时间同步数据处理单元；时间同步数据处理单元计算主站和从站的钟差，判断两站时间是否同步，若不同步则进行校准。本发明方法具有自主、快速、超视距的特点。

Description

基于对流层散射信道的时间同步方法
技术领域
本发明属于时间同步技术领域，特别涉及一种分布式系统的时间同步方法。
背景技术
时间同步是组网雷达系统、多基地雷达系统、电网系统等分布式系统正常运行的基础，时间同步的精度对分布式系统的性能具有重要影响。对于分布式系统的时间同步需求，可通过卫星、微波、光纤等信道传递时间比对信号(秒脉冲(1PPS))来实现。
采用卫星信道传递时间比对信号来进行分布式系统时间同步的方式是目前主要的授时方式，应用广泛，如卫星双向时间比对法、卫星共视法等，该方式可以实现远距离、高精度的时间同步，但由于分布式系统各站点无法自主支配和使用卫星信道，且卫星信道资源有限，难以满足分布式系统对于时间同步的自主性要求。
采用微波信道传递时间比对信号进行时间同步的方式具有信道传输容量大，比对精度高的特点，适用于近距离范围的时间同步需求，但该方式难以实现超视距时间同步，虽然通过架设站点进行接力可以在一定程度解决越障问题，但布站对地形条件要求较高，且时效性无法满足分布式系统的要求。
采用光纤信道传递时间比对信号实现时间同步的方式的特点是距离远、精度高、容量大，但其只适用于各站点周围有光纤接入点的情况，难以满足分布式系统机动后快速时间同步要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度的基于对流层散射信道的时间同步方法，可以实现快速、自主、超视距时间同步。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
基于对流层散射信道的时间同步方法，通过对流层散射信道传递时间比对信号，对流层散射时间同步系统包括主站和从站，所述主站包括主站原子钟、脉冲信号发生器、正弦信号发生器及信号发射机；所述从站包括从站原子钟、时间同步数据处理单元、系统主机、时间间隔计数器、宽带匹配滤波器、自动增益控制模块、带通滤波器、低噪放大器及信号接收机；
时间同步方法包括以下步骤：
散射链路建立步骤；根据主站和从站的地理位置信息将信号发射机的天线和信号接收机的天线粗略对准，配置信号发射机和信号接收机的工作频率及功率，精调天线的角度，建立起散射链路；
时间同步信号传输步骤；主站原子钟和从站原子钟在同一钟面时刻分别产生时间比对信号，主站原子钟在产生主站时间比对信号的同时还产生一路发送至信号发射机的发射机时钟基准信号，主站时间比对信号发送至脉冲信号发生器，经脉冲信号发生器处理得到脉冲信号，脉冲信号与正弦信号发生器产生的正弦波相乘得到视频信号，视频信号通过信号发射机发送出去；从站原子钟在产生从站时间比对信号的同时还产生一路发送至信号接收机的接收机时钟基准信号，从站时间比对信号发送给时间间隔计数器，触发时间间隔计数器开始计时；信号接收机接收来自主站的信号，并经低噪放大器、带通滤波器、自动增益控制模块和宽带匹配滤波器发送至时间间隔计数器，时间间隔计数器接收到主站时间比对信号后停止计时，时间间隔计数器将计数值发送给时间同步数据处理单元；
钟差计算步骤；时间同步数据处理单元获得时间间隔计数器的计数值后，计算主站和从站的钟差；
某一时刻主站和从站的钟差TMS＝Toc-TC-TE，其中，Toc为时间间隔计数器的计数值，TC为信道时延，TE为设备时延；
将对比时段内的各个时刻主站和从站的钟差TMS进行统计平均，得到的钟差平均值为主站和从站的钟差值；
时间同步判断步骤；时间同步数据处理单元将计算得到的主站和从站的钟差值与精度阈值进行比较，如果主站和从站的钟差值小于精度阈值，则认为两站时间同步，将数据记录进行存储，若主站和从站的钟差值大与精度阈值，则认为两站时间不同步，需校准；
钟源校准步骤；系统主机向时间同步数据处理单元发送校准指令，时间同步数据处理单元对从站的原子钟进行校准。
进一步的，还包括循环监测时长设定步骤，设定一个循环监测时长，在时间同步判断步骤中，认为两站时间同步后，等待一个循环监测时长，然后返回执行时间同步信号传输步骤。
进一步的，所述从站还包括频谱仪和天线控制模块，所述信号接收机与频谱仪相连，频谱仪用于检测信号接收机接收信号的强度，当频谱仪显示接收信号强度最大时，此时所对应的信号接收机天线的散射角为最佳散射角，将天线调至该角度即完成散射链路的建立。
由以上技术方案可知，本发明的时间同步方法采用对流层散射信道进行时间比对信号的传输，只要建立起两个比对站点就可以根据两站的具体位置快速建立信道连接，无需借助有限的卫星信道资源来进行时间同步授时，同时对流层散射通信还具有超视距特性；与微波信道需架设中继站点来实现远距离传播、卫星信道需要进行授权才能使用相比，本发明的时间同步方法具有快速、自主、超视距的特点，可以根据系统要求和地形条件，实现高精度时间同步。
附图说明
图1为本发明对流层散射时间同步系统的框图。
图2为本发明方法的流程图。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
本发明的时间同步方法利用对流层散射信道传递时间比对信号，从而根据时间比对信号进行时间同步。如图1所示，对流层散射时间同步系统包括主站和从站，主站包括主站原子钟、脉冲信号发生器、正弦信号发生器及信号发射机；从站包括从站原子钟、时间同步数据处理单元、系统主机、时间间隔计数器(TIC)、宽带匹配滤波器、自动增益控制模块(AGC)、带通滤波器、低噪放大器、频谱仪、信号接收机以及天线控制模块。本实施例的主站原子钟和从站原子钟均采用铷钟，但也可以使用铯钟。
对流层散射时间同步系统的工作流程为：
主站铷钟M和从站铷钟S在同一钟面时刻产生1PPS信号(两钟之间存在钟差)，主站铷钟M产生的1PPS信号作为主站时间比对信号(1PPS_M)发送至脉冲信号发生器，主站铷钟M同时还产生一路10MHz信号发送至信号发射机，该路10MHz信号作为发射机时钟基准信号，发送给信号发射机作为发射机中的频率综合器的输入基准频率信号，频率综合器的输出为上变频器的本振信号，用于信号的上变频处理，进行频率信号的产生以及混频；主站铷钟M产生的主站时间比对信号触发脉冲信号发生器产生视频脉冲，与正弦信号发生器输出的正弦波信号进行脉冲成形，保证信号带宽在发射机的带宽范围之内；
从站铷钟S产生的1PPS信号作为从站时间比对信号(1PPS_S)发送至时间间隔计数器，从站铷钟S同时也产生一路10MHz信号发送至信号接收机，该路10MHz信号作为接收机时钟基准信号，发送给信号接收机作为接收机中的频率综合器的基准频率信号，频率综合器的输出作为下变频器的本振信号，用于信号的下变频处理；时间间隔计数器接收到从站时间比对信号后开始计数，即1PPS_S信号是时间间隔计数器计数的开门信号；从站的信号接收机接收经对流层散射信道传输过来的主站信号后，将所接收到的信号下变频处理后还原成视频信号，视频信号经过低噪放大器、带通滤波器、自动增益控制模块、宽带匹配滤波器处理后恢复成1PPS_M信号，发送至时间间隔计数器，时间间隔计数器收到该信号后即停止计时，即主站的1PPS_M信号是时间间隔计数器计数的关门信号，时间间隔计数器将计数值发送给时间同步数据处理单元，时间同步数据处理单元用于完成时间间隔计数器的计数值的读取、存储及钟差的计算。信号接收机同时还与频谱仪相连，频谱仪用于检测信号接收机接收到的对流层散射信号的强度，当频谱仪显示接收信号强度最大时，此时所对应的信号接收机天线的散射角为最佳散射角，将天线调至该角度即完成散射链路的建立。信号发射/接收机的天线角度的调节可采用常规的方法进行调节。
图2为本发明方法的流程图，下面结合图2，对本发明方法作进一步说明，本发明的时间同步方法包括以下步骤：
散射链路建立步骤；根据主站和从站的地理位置信息将信号发射机的天线和信号接收机的天线粗略对准，配置信号发射机和信号接收机的工作频率(发射机的发射频率和接收机的接收频率)及功率，精调天线的角度，建立起散射链路；
时间同步信号传输步骤；通过对流层散射时间同步系统进行时间同步信号的比对传输，主站铷钟M和从站铷钟S在同一钟面时刻分别产生时间比对信号，主站铷钟M产生的主站时间比对信号(1PPS_M)发送至脉冲信号发生器，经脉冲信号发生器处理获得所需要的脉冲信号，脉冲信号与正弦信号发生器产生的正弦波相乘得到视频信号，视频信号经上变频处理后通过信号发射机的天线发送出去；从站铷钟S产生的从站时间比对信号(1PPS_S)发送给时间间隔计数器，触发时间间隔计数器开始计时，从站的信号接收机接收到来自主站的信号后，进行下变频处理，然后依次经低噪放大器、带通滤波器、自动增益控制模块和宽带匹配滤波器发送至时间间隔计数器，时间间隔计数器接收到主站时间比对信号后停止计时，时间间隔计数器的计数值发送给时间同步数据处理单元；
钟差计算步骤；时间同步数据处理单元获得时间间隔计数器的计数值后，计算主站和从站的钟差；
某一时刻主站和从站的钟差TMS＝Toc-TC-TE，其中，Toc为时间间隔计数器的计数值，TC为信道时延，TE为设备时延；设备时延包括信号发射机时延、信号接收机时延、时间间隔计数器时延等，可通过将信号发射机和信号接收机以衰减器直连后测试获得，本实施例根据经验，将设备时延设为0.2ns，信道时延包括主站至散射体时延和散射体至从站时延，本实施例采用天顶延迟乘以映射函数的方法获得；
将对比时段内的各个时刻的TMS进行统计平均，得到的钟差平均值即为主站和从站的钟差值；
时间同步判断步骤；时间同步数据处理单元将计算得到的主站和从站的钟差值与精度阈值进行比较，如果两站的钟差值小于精度阈值，则认为两站时间同步，将数据记录进行存储，若两站的钟差值大与精度阈值，则认为两站时间不同步，需校准；精度阈值为经验值，本实施例的精度阈值为20ns；进一步的，在认为两站时间同步时，可设定循环监测时长，例如循环监测时长设为半小时，在半小时后，返回执行时间同步信号传输步骤；
钟源校准步骤；通过系统主机向时间同步数据处理单元发送校准指令，时间同步数据处理单元对从站的原子钟进行校准。本发明采用常规的校准方法对钟源进行校准，此处不做赘述。
本发明采用对流层散射信道进行时间比对信号的传输，可以根据系统要求和地形条件，自主实现高精度时间同步，具有快速、超视距的特点，而且对流层散射时间同步系统传输的信号采用视频信号的形式，即可由信号发射机/信号接收机直接进行上/下变频处理，简化了发射机和接收机的结构，同时信号发射机发射的信号由脉冲成形，可以减小带宽。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.基于对流层散射信道的时间同步方法，其特征在于：通过对流层散射信道传递时间比对信号，对流层散射时间同步系统包括主站和从站，所述主站包括主站原子钟、脉冲信号发生器、正弦信号发生器及信号发射机；所述从站包括从站原子钟、时间同步数据处理单元、系统主机、时间间隔计数器、宽带匹配滤波器、自动增益控制模块、带通滤波器、低噪放大器及信号接收机，其中，低噪放大器、带通滤波器、自动增益控制模块、宽带匹配滤波器依次连接，所述低噪放大器接收来自所述信号接收机的信号，所述宽带匹配滤波器将处理后的信号发送给所述时间间隔计数器；
时间同步方法包括以下步骤：
散射链路建立步骤；根据主站和从站的地理位置信息将信号发射机的天线和信号接收机的天线粗略对准，配置信号发射机和信号接收机的工作频率及功率，精调天线的角度，建立起散射链路；
时间同步信号传输步骤；主站原子钟和从站原子钟在同一钟面时刻分别产生时间比对信号，主站原子钟在产生主站时间比对信号的同时还产生一路发送至信号发射机的发射机时钟基准信号，主站时间比对信号发送至脉冲信号发生器，经脉冲信号发生器处理得到脉冲信号，脉冲信号与正弦信号发生器产生的正弦波相乘得到视频信号，将视频信号基于发射机时钟基准信号进行上变频处理后，通过信号发射机发送出去；从站原子钟在产生从站时间比对信号的同时还产生一路发送至信号接收机的接收机时钟基准信号，从站时间比对信号发送给时间间隔计数器，触发时间间隔计数器开始计时；信号接收机接收来自主站的信号，将该信号接收机所接收的来自主站的信号基于接收机时钟基准信号进行下变频处理后，并经低噪放大器、带通滤波器、自动增益控制模块和宽带匹配滤波器发送至时间间隔计数器，时间间隔计数器接收到主站时间比对信号后停止计时，时间间隔计数器将计数值发送给时间同步数据处理单元；
钟差计算步骤；时间同步数据处理单元获得时间间隔计数器的计数值后，计算主站和从站的钟差；
某一时刻主站和从站的钟差TMS＝Toc-TC-TE，其中，Toc为时间间隔计数器的计数值，TC为信道时延，TE为设备时延；
将对比时段内的各个时刻主站和从站的钟差TMS进行统计平均，得到的钟差平均值为主站和从站的钟差值；
时间同步判断步骤；时间同步数据处理单元将计算得到的主站和从站的钟差值与精度阈值进行比较，如果主站和从站的钟差值小于精度阈值，则认为两站时间同步，将数据记录进行存储，若主站和从站的钟差值大于精度阈值，则认为两站时间不同步，需校准；
钟源校准步骤；系统主机向时间同步数据处理单元发送校准指令，时间同步数据处理单元对从站的原子钟进行校准。
2.如权利要求1所述的基于对流层散射信道的时间同步方法，其特征在于：还包括循环监测时长设定步骤，设定一个循环监测时长，在时间同步判断步骤中，认为两站时间同步后，等待一个循环监测时长，然后返回执行时间同步信号传输步骤。
3.如权利要求1所述的基于对流层散射信道的时间同步方法，其特征在于：所述从站还包括频谱仪和天线控制模块，所述信号接收机与频谱仪相连，频谱仪用于检测信号接收机接收信号的强度，当频谱仪显示接收信号强度最大时，此时所对应的信号接收机天线的散射角为最佳散射角，将天线调至最佳散射角即完成散射链路的建立。
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