CN109407082A - 一种分布式机会阵雷达时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式机会阵雷达时间同步方法。本发明采用先在组内以组内共视卫星为基准进行组内时间同步，以消除组内节点间“系统性偏差”；然后在区域内以一个组内共视卫星作为共同的区域共视卫星，以消除组间节点的“系统性偏差”。最终实现了整个区域内各节点的高精度时间同步。在分布式机会阵雷达中，每个机会子阵可作为一个节点，采用本发明的时间同步方法，既可以实现整个分布式机会阵雷达的高精度时间同步。

Description

一种分布式机会阵雷达时间同步方法
技术领域
本发明涉及分布式机会阵雷达技术领域，特别是一种分布式机会阵雷达时间同步方法。
背景技术
分布式机会阵雷达是一种新体制雷达系统，其包括：信息综合处理器，用于控制机会子阵发射波束，接收机会子阵的回波信息，并对回波信息进行综合处理；多个机会子阵，用于根据信息综合处理器发送的控制信息形成发射波束，将接收到的回波信息反馈给信息综合处理器；所述多个机会子阵通过通信网络与信息综合处理器相连，所述信息综合处理器用于与雷达显示设备相连，各机会子阵之间通过通信网络相连；所述多个机会子阵在三维空间分散布置。每个机会子阵包括定时单元、定位单元、自组织网络接口、子阵处理单元、多个收/发单元和多个天线单元。
分布式机会阵雷达的机会子阵在三维空间分散布置，当位置相隔距离较远时，机会子阵的定时单元的基本时钟需要进行时间同步。
北斗卫星导航定位系统是我国自主研制和建设的新一代全球卫星导航定位系统。随着北斗二号卫星导航系统应用逐步成熟，北斗三号系统建设逐步展开，北斗卫星导航系统在全球卫星导航领域所起到的作用越来越大，应用也越来越广泛。北斗系统在雷达领域的应用也在逐渐展开，并逐步深入。这对于系统的可靠性，定位精度，授时精度的提升具有巨大的优势。分布式机会阵雷达系统的时间同步系统的定义是区别于绝对授时的概念来说的，其不需要知道绝对时间，关注的是各机会子阵之间相对的时间关系，对系统中每个节点定期的与其他节点交换本地时间信息，并在算法的控制下调节本地时钟，实现全系统时间一致的技术。
传统的利用卫星导航技术来实现授时或时间同步技术，其核心是实现单点定位，利用单点定位得到的本地钟偏来修正本地时钟，实现本地时间与卫星时钟的同步。这样，每个分布式节点都可以与卫星钟校时，实现精准授时。这种方式其本质实现的是绝对授时，卫星时间是经过地面监测站、主控站等时间溯源系统标校过的，认为其是准确“时间”，那么接收机获取的精度取决于本地的时钟稳定度、当时卫星星座的几何布局，接收机硬件噪声等因素。
对于分布式机会阵系统来说，各个节点分布广、分阵单元数量多，对于时间精度要求不高的应用，绝对授时(精度约为50纳秒)已经可以满足其使用。但对于某些特殊应用，绝对授时的授时精度不能满足其使用要求，需要对同步时间精度提出更高的要求。而同步时间精度，其不同与绝对授时，只要系统内所有的节点保持一个时间基准，这个基准可以是有偏差的，但只要节点之间的偏差是一致的，就可以满足另外一些不需要知道绝对时间的同步应用。
前面提及接收机授时精度主要取决于本地的时钟稳定度、当时卫星星座的几何布局，接收机硬件噪声这三种因素。一般非授时型接收机使用的时钟都是热稳晶振，时间稳定度在短时间内可以达到较高量级，我们可以采用缩短校时周期的方法解决这一问题，一般可以按15或30秒校一次的频率进行。而接收机噪声，我们认为同一年批次的设备，其硬件是具有一致性水平的，可以近似的认为其硬件噪声相当。这样，当时卫星星座的几何布局成为决定授时精度的主要因素。因为分布式机会阵系统节点数量众多，且可以无限扩展，由于地理位置不同，受遮挡情况不同，那么进行定位授时解算的参与卫星星座必然不同，不同的卫星星座，会导致不同的PDOP(平面位置精度因子)值，其单点定位结果不一致必然会导致本地钟偏的修正量不一致，从而影响了授时精度。
所以，现有技术存在的问题是：由于卫星星座不同，单点定位方法导致时间同步精度不够高，不能满足分布式机会阵雷达的时间同步需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高精度的分布式机会阵雷达时间同步方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种分布式机会阵雷达时间同步方法，所述分布式机会阵雷达包括多个机会子阵，每个机会子阵作为一个节点，步骤包括：
组内时间同步：组内节点通过单点定位，单点绝对校时，确定组内共视卫星，并以所述组内共视卫星为参照，重新进行定位和绝对校时，实现组内各节点时间同步；
区域内时间同步：区域处理中心以一个组内共视卫星作为区域共视卫星，各组内节点对区域共视卫星的射频信号进行处理和数据解算，得到位置信息和钟差，并根据钟差校正本地时钟，实现区域内各节点时间同步；
分布式机会阵时间同步：区域内各节点更新其定时单元的本地时钟；
所述射频信号进行处理为导航天线送给接收机的信号为射频信号，经过放大、滤波、下变频，变为中频信号，再对信号经过AD转换和解调，经过码形和波形匹配，确定信号的接收时刻，从而计算得到伪距和载波相位观测量；所述数据解算为通过对伪距和载波相位观测量的测距处理，结合解调得到的星历信息，计算得到卫星的实时位置，通过最小二乘迭代法，计算得到接收机天线所在位置的经纬度和大地高程。
所述组内时间同步具体为：
组内节点单点定位：初始化各节点参数，对卫星射频信号进行处理和数据定位解算，得到组内各节点的位置信息和钟差；
组内节点绝对校时：组内各节点根据其与卫星的钟差，校正单点本地时钟，得到组内各节点单点的绝对时间；
组内共视卫星确定：组内各节点之间进行数据通信，以任一节点为组内中心，其余各节点把各自定位采用的卫星数量和卫星编号列表发送给组内中心，组内中心根据各组卫星列表，选出相同的卫星列表，作为组内共视卫星；
组内共视卫星授时：组内各节点对组内共视卫星的射频信号进行处理和数据解算，得到位置信息和钟差，并根据钟差校正本地时钟，实现组内各节点时间同步。
所述组内节点单点定位之后，得到了接收机三维位置信息，同时得到了接收机的钟差，把接收机的钟差回代到解算方程中，将接收机钟差进行迭代修正。
根据确定的组内共视卫星编号，重新进行迭代定位解算和授时。
所述区域内时间同步步骤中各组内的中心节点把组内共视卫星列表传输至区域处理中心，区域处理中心负责统计和确定各组当下的共视卫星列表，当仰视角度小于或等于90度的区域范围时，共视卫星列表与组内共视卫星列表一致；当仰视角度大于90度小于等于180度的区域范围时，在共视卫星列表的基础上，每个组内增加个别用于提高DOP值的卫星编号。
所述区域内时间同步步骤中，区域内所有组和节点均重新进行迭代定位、授时解算，在组内共视授时的基础上再次进行迭代运算，确保区域内所有节点的时间偏差相当。
每次授时对于本地钟的时间间隔计数器的调节均小于400纳秒
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明先在组内以组内共视卫星为基准进行组内时间同步，消除了组内节点间“系统性偏差”，然后在区域内以一个组内共视卫星作为共同的区域共视卫星，消除了组间节点的“系统性偏差”，从而实现了整个区域内各节点的高精度时间同步。由于分布式机会阵雷达中，每个机会子阵作为一个节点，从而实现了整个分布式机会阵雷达的高精度时间同步。
附图说明
图1为本发明分布式机会阵雷达时间同步方法的主流程图。
图2为本发明分布式机会阵雷达时间同步方法的工作原理图。
图3为图1中组内时间同步步骤的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
如图1和图2所示，一种分布式机会阵雷达时间同步方法，所述分布式机会阵雷达包括多个机会子阵，每个机会子阵作为一个节点，步骤包括：
组内时间同步：组内节点通过单点定位，单点绝对校时，确定组内共视卫星，并以所述组内共视卫星为参照，重新进行定位和绝对校时，实现组内各节点时间同步；
区域内时间同步：区域处理中心以一个组内共视卫星作为区域共视卫星，各组内节点对区域共视卫星的射频信号进行处理和数据解算，得到位置信息和钟差，并根据钟差校正本地时钟，实现区域内各节点时间同步；所述射频信号进行处理为导航天线送给接收机的信号为射频信号，经过放大、滤波、下变频，变为中频信号，再对信号经过AD转换和解调，经过码形和波形匹配，确定信号的接收时刻，从而计算得到伪距和载波相位观测量；所述数据解算为通过对伪距和载波相位观测量的测距处理，结合解调得到的星历信息，计算得到卫星的实时位置，通过最小二乘迭代法，计算得到接收机天线所在位置的经纬度和大地高程。
各组内的中心节点把组内共视卫星列表传输至区域处理中心，区域处理中心负责统计和确定各组当下的共视卫星列表。当区域范围较小时，一般约为仰视角度为90度的区域范围以内；共视卫星列表与组内共视卫星列表基本一致；当区域范围较大时，一般约为仰视角度为180度的区域范围以内，在共视卫星列表的基础上，每个组内增加个别用于提高DOP值的卫星编号，以确保各组各节点接收机使用的卫星数量足够，确保使用较优的卫星星座进行定位授时服务。
区域内所有组和节点均重新进行迭代定位、授时解算，在组内共视授时的基础上再次进行迭代运算，确保区域内所有节点的时间偏差相当，即使有偏差，此偏差也是区域内所有节点的“系统性偏差”，可以有效提高区域内的时间同步精度。
分布式机会阵时间同步：区域内各节点更新其定时单元的本地时钟。授时处理经历了三次迭代运算，但都是在单点定位、授时的基础上进行的，由此可以判断每次授时对于本地钟TIC(时间间隔计数器)的调节均在一定的范围(小于400纳秒)之内。即使如此，也要对TIC调节进行一定的限制，避免粗差的存在造成单次调节量达大，产生较大的随机误差。这样分布式系统即可实现一定区域范围内所有节点的较高精度的时间同步。
本发明采用先在组内以组内共视卫星为基准进行组内时间同步，以消除组内节点间“系统性偏差”；然后在区域内以一个组内共视卫星作为共同的区域共视卫星，以消除组间节点的“系统性偏差”。最终实现了整个区域内各节点的高精度时间同步。在分布式机会阵雷达中，每个机会子阵可作为一个节点，采用本发明的时间同步方法，既可以实现整个分布式机会阵雷达的高精度时间同步。
如图3所示，所述组内时间同步具体为：
组内节点单点定位：初始化各节点参数，对卫星射频信号进行处理和数据定位解算，得到组内各节点的位置信息和钟差；钟差：在数据处理中，通过最小二乘送代时，计算得到了接收机天所在位置的空间直角坐标系下的X、Y、Z和T，此时的T即为包含粗差在内的本地接收机钟差参数，即为本地钟与星上钟之间的差值。钟差：在数据处理中，通过最小二乘迭代时，计算得到了接收机天线所在位置的空间直角坐标系下的X、Y、Z和T，此时的T即为包含粗差在内的本地接收机钟差参数，即为本地钟与星上钟之间的差值。
组内节点绝对校时：组内各节点根据其与卫星的钟差，校正单点本地时钟，得到组内各节点单点的绝对时间；
单点定位的数据处理后，得到了接收机三维位置信息，同时得到了接收机的钟差，把接收机的钟差回代到解算方程中，可以将接收机钟差进行迭代修正。定位解算时，要求观则至少四以人上卫星，每观一颗卫星即可得到一个测距值，把天线所在位置的空间直角坐标系下的X、Y、z和T(本地钟钟差)作为未知数，这样至少需要4个以上方程才有解，(故需要至少观测四颗以上卫星)。
因为最小二乘方法是以协方差矩阵对角元素加权平方和最小为判断条件的，故需要不断迭代才能精化方程，得到精确的解。从而使本地时与卫星时校准，得到较为准确的绝对时间(根据卫星时间标准，我国的北斗系统即北斗时)。
卫星定位数据处理原理：要得到导航接收机天线相位中心的位置，在接收机时钟和卫星标准时(认为卫星时间为绝对准确)严格同步的情况下，待求解位置是3个未知变量，需要3个独立方程来求解。但是实际情况中，很难做到接收机时钟和卫星钟严格同步，这样，把接收机时间与卫星时间偏差也作为一个未知变量，求解就需要4个独立方程，也就是需要至少观测4颗以上卫星。
假设接收机位置为Xu，Yu，Zu，接收机时间偏差为Tu，则由于时间偏差引起的距离偏差为Bu，这样，可以得到联立方程(1)：
将上式线性化，即在真实位置(Xu，Yu，Zu)进行泰勒级数展开，忽略高次项，得到方程组
(2)：
Δρ1＝αx1Δxu+αy1Δyu+αz1Δzu-Bu
Δρ2＝αx2Δxu+αy2Δyu+αz2Δzu-Bu
Δρ3＝αx3Δxu+αy3Δyu+αz3Δzu-Bu
Δρ4＝αx4Δxu+αy4Δyu+αz4Δzu-Bu
其中：
方程组(2)即为实际计算的迭代公式，迭代终止条件是真实位置(Xu，Yu，Zu)的变化量小于某一个阈值，最终得到可以作为调整接收机时间偏差的依据。计算一般采用矩阵方式求解。要求解该方程，我们还需要预先知道4颗卫星的位置(xj，yj，zj)，而卫星位置可以从该卫星的星历中获得。
节点中的每个站点，均按上述的步骤，实现本地接收机与卫星钟的同步，这样就完成了基本的时间同步。所谓“基本”，是指由于定位误差具有随机特性，授时精度也具有随机特性，是按正态分布的，这样几个节点之间的时间同步可能是单站点授时精度的最大误差，也可能是最小误差。
组内共视卫星确定：组内各节点之间进行数据通信，以任一节点为组内中心，其余各节点把各自定位采用的卫星数量和卫星编号列表发送给组内中心，组内中心根据各组卫星列表，选出相同的卫星列表，作为组内共视卫星；
各节点之间是通过电台进行数据通信的，同时，各节点之间是相互平等的，不存在主站与从站的关系。以某一个节点为中心，其余各节点把当前定位采用的卫星数量和卫星编号列表发播给此中心，此中心则可以根据各组卫星列表，在保证基本定位的基础上，选出相同的卫星列表，即确定了共视卫星。在当前的北斗卫星星座现状下，卫星数量足够，且在一定范围内可见卫星列表基本相同(除个别节点受遮挡或多径影响不同)。
组内共视卫星授时：组内各节点对组内共视卫星的射频信号进行处理和数据解算，得到位置信息和钟差，并根据钟差校正本地时钟，实现组内各节点时间同步。
根据确定的组内共视卫星编号，重新进行迭代定位解算和授时。此时，由于采用的卫星编号一致，各节点卫星星座的几何布局相同，DOP(定位精度因子)值相同，接收机同一批次，则定位精度基本相同，授时精度也是基本相当。即使有偏差，则偏差的方向一致，使各节点之间存在着一定的“系统性偏差”，也可以提高组内的时间同步精度。

Claims (7)

1.一种分布式机会阵雷达时间同步方法，所述分布式机会阵雷达包括多个机会子阵，每个机会子阵作为一个节点，其特征在于步骤包括：
组内时间同步：组内节点通过单点定位，单点绝对校时，确定组内共视卫星，并以所述组内共视卫星为参照，重新进行定位和绝对校时，实现组内各节点时间同步；
区域内时间同步：区域处理中心以一个组内共视卫星作为区域共视卫星，各组内节点对区域共视卫星的射频信号进行处理和数据解算，得到位置信息和钟差，并根据钟差校正本地时钟，实现区域内各节点时间同步；
分布式机会阵时间同步：区域内各节点更新其定时单元的本地时钟；所述射频信号进行处理为导航天线送给接收机的信号为射频信号，经过放大、滤波、下变频，变为中频信号，再对信号经过AD转换和解调，经过码形和波形匹配，确定信号的接收时刻，从而计算得到伪距和载波相位观测量；所述数据解算为通过对伪距和载波相位观测量的测距处理，结合解调得到的星历信息，计算得到卫星的实时位置，通过最小二乘迭代法，计算得到接收机天线所在位置的经纬度和大地高程。
2.根据权利要求1所述的一种分布式机会阵雷达时间同步方法，其特征在于所述组内时间同步具体为：
组内节点单点定位：初始化各节点参数，对卫星射频信号进行处理和数据定位解算，得到组内各节点的位置信息和钟差；
组内节点绝对校时：组内各节点根据其与卫星的钟差，校正单点本地时钟，得到组内各节点单点的绝对时间；
组内共视卫星确定：组内各节点之间进行数据通信，以任一节点为组内中心，其余各节点把各自定位采用的卫星数量和卫星编号列表发送给组内中心，组内中心根据各组卫星列表，选出相同的卫星列表，作为组内共视卫星；
组内共视卫星授时：组内各节点对组内共视卫星的射频信号进行处理和数据解算，得到位置信息和钟差，并根据钟差校正本地时钟，实现组内各节点时间同步。
3.根据权利要求2所述的一种分布式机会阵雷达时间同步方法，其特征在于所述组内节点单点定位之后，得到了接收机三维位置信息，同时得到了接收机的钟差，把接收机的钟差回代到解算方程中，将接收机钟差进行迭代修正。
4.根据权利要求2或3所述的一种分布式机会阵雷达时间同步方法，其特征在于根据确定的组内共视卫星编号，重新进行迭代定位解算和授时。
5.根据权利要求1所述的一种分布式机会阵雷达时间同步方法，其特征在于所述区域内时间同步步骤中各组内的中心节点把组内共视卫星列表传输至区域处理中心，区域处理中心负责统计和确定各组当下的共视卫星列表，当仰视角度小于或等于90度的区域范围时，共视卫星列表与组内共视卫星列表一致；当仰视角度大于90度小于等于180度的区域范围时，在共视卫星列表的基础上，每个组内增加个别用于提高DOP值的卫星编号。
6.根据权利要求1所述的一种分布式机会阵雷达时间同步方法，其特征在于所述区域内时间同步步骤中，区域内所有组和节点均重新进行迭代定位、授时解算，在组内共视授时的基础上再次进行迭代运算，确保区域内所有节点的时间偏差相当。
7.根据权利要求1所述的一种分布式机会阵雷达时间同步方法，其特征在于每次授时对于本地钟的时间间隔计数器的调节均小于400纳秒。
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