CN109660309A - 利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天测控运控新体制方案保护领域，涉及利用空间通信链路实现高速数据传输、测距测速、时频传递的一种方案，具体涉及一种利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其包括基于双向激光通信链路的距离、速度、钟差、频差测量过程。因此，采用本发明可利用双向通信链路一体化实现数据传输的同时，一体化完成高精度距离、速度、钟差、频差测量，为实现航天测控运控和航天应用系统信息传输、测定轨、时间统一提供支撑，具有广阔的应用前景。

Description

利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法

技术领域

本发明属于航天测控运控新体制方案保护领域，涉及利用空间通信链路实现高速数据传输、测距测速、时频传递的方案，具体涉及一种利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，用以实现星地、星间链路数据传输、测距测速、时频传递一体化，并且可用于航天测控运控、空间信息获取网、空间时空基准网、空间信息传输网(天地一体化信息网)等航天应用系统。

背景技术

信息传输、测定轨、时间统一是未来航天测控运控和应用系统的关键技术支撑。航天应用主要包括信息获取、信息传输、时空基准三大领域。

信息获取应用领域主要包括各类对地遥感、测绘、侦查卫星，以及导弹预警、空间目标监视等态势感知卫星。对这类卫星，为了提高其测量精度，需要卫星系统自身能够具有较高的定轨精度和时间同步精度，同时，还要将其获取的海量信息通过空间信息传输系统的高速通信链路下传至地面用户。

信息传输应用领域主要包括通信、中继卫星系统，未来还要构建天地一体化信息网络，以满足全球天、地基用户的信息传输需求。对这类卫星，为了提高其服务性能，除具备高速信息传输功能外，也要求卫星系统具备较高的定轨精度和时间同步精度。

时空基准应用的导航卫星系统，首先需要保证很高的定轨精度和时频基准精度，同时也要建立星间、星地信息传输链路，以满足自主定轨和必要的数据通信需求。

总之，星间、星地通信链路是未来航天测控运控和应用系统必备的基础设施，而高精度测定轨和时间统一是未来航天应用系统必备的功能。

因此，急需一种技术实现方案，能够利用星间、星地通信链路，在实现信息传输的同时，一体化实现测距测速和钟差频差测量(时频传递)功能，为实现航天测控运控和航天应用系统信息传输、测定轨、时间统一提供实测数据。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用双向通信传输帧同步码测量距离、速度、钟差、频差的方法，可以利用星地、星间双向通信链路一体化实现数据传输、测距测速、时频传递功能，进而为航天测控运控和航天应用系统一体化实现信息传输、测定轨、时间统一提供一个有效的解决方案。

本发明的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法包括：利用适当的载波信号(微波、太赫兹或激光)建立空间通信链路；在基带信号传输帧格式设计中，采用一定方式设计“测量帧”识别标识，并按照测量频率要求将“测量帧”设置为固定周期分布；利用“测量帧”识别标识实时识别并精确测量其帧同步码(32bit帧头)末位下降沿出发及到达时刻的绝对时间；综合两端“测量帧”出发及到达时刻绝对时间测量值，即可计算双端之间的距离、距离变化率、钟差、频差。

综上，本发明的方法利用双向通信信道，仅通过增加“测量帧”识别信息和帧同步码到达时间测量模块可利用双向通信链路在实现数据传输的基础上，增加距离、速度、钟差、频差测量功能，进而实现数据传输、测距测速及时频传递等多种功能一体化。

可见，本发明的方法充分利用已有通信链路资源，仅作少量技术升级，方法简单易行，效益显著，其工作过程包括下述步骤：

链路两端的激光终端采用适当的捕获跟踪策略，实现相互间的捕获与跟踪，成功建立星地/星间双向通信链路。

两端基于国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for SpaceData System，以下简称为CCDS)高级在轨系统(Advanced Orbit System，以下简称为AOS)协议，按照设定的数据格式双向双工传输信息，可采用采用虚拟信道访问业务标识、识别“测量帧”，或利用特殊设置的秒内帧计数标识识别整秒发送帧，并作为“测量帧”；在双向数据流传输过程中，两端均使用本地时间系统精确测量“测量帧”帧头出发时刻。

两端将接收的光信号转换为模拟电信号，之后，对模拟电信号进行A/D转换，对得到的数字信号进行位同步、帧同步，恢复出通信数据。

两端测量处理模块利用本地专门产生的“帧同步码序列”，使用数字延迟锁相环(Digital Delay Locked Loop，DDLL)实现帧同步码精确跟踪：即通过归一化超前减滞后功率鉴相器比较接收信号采样同步码和本地同步码之间的相位差，根据本地帧同步码的时间信息精确得到接收信号帧同步码的到达时刻。

根据两端“测量帧”出发、到达时刻测量值，依据光速不变原理，综合解算出两端之间的距离、距离变化率及其对应时间，以及两端的钟差、频差，进而实现测距测速、时频传递。

因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：

1)多功能一体化，链路利用率高

可利用同一条空间通信链路，实现数据传输、测距测速、时频传递等多种功能一体化，极大提高了通信链路的利用率。

2)测量精度高

利用接收模拟电信号的高速A/D信息进行时间测量，可充分利用接收信号的原始信息；采用基于归一化超前减滞后功率鉴相器的帧同步码环路跟踪算法，可在码元时间分辨率的基础上进行更精确的细分。基于以上2个因素，使得“测量帧”出发、到达时刻的测量精度更高，进而获得更高的测距精度和时频传递精度。

3)简单易行，通用性强

采用等周期插入“测量帧”，通过精测“测量帧”同步码达到时刻的方法实现测量通信一体化，方法简单易行，并可适用于各种传输帧格式，通用性强。

4)信息利用率高

本发明利用连续2对“测量帧”的出发与到达时刻测量值，即可利用相关公式得到两端之间的距离、距离变化率、钟差、频差，测量信息利用率高。

5)适用于高速动态运动场景

本发明在两端之间匀速运动、钟差随时线性变化前提条件下，通过解方程组得到在给定时刻两端的距离、距离变化率、钟差、频差，其测量结果考虑了目标的相对运动和钟差的线性变化，可精确反映空间、时间的动态变化场景。

更进一步地，本发明的方法还可适用两端之间匀加速运动、频差随时线性变化的场景，以适应更为复杂的空间、时间的动态变化场景。

附图说明

图1是本发明的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式所涉及的测量原理的示意图；

图3是本发明具体实施方式所涉及的滑动相关检测算法的流程图；

图4示出了帧同步码相关运算结果；

图5是本发明具体实施方式所涉及的两次捕获过程的流程图；

图6是本发明具体实施方式所涉及的数字延迟锁相环的结构及工作原理的示意图；

图7示出了三路积分清除结果。

具体实施方式

应了解，本发明的设计思路在于：利用双向通信信道，仅通过增加“测量帧”识别信息和帧同步码到达时间测量模块可利用双向通信链路在实现数据传输的基础上，增加距离、速度、钟差、频差测量功能，进而实现数据传输、测距测速及时频传递等多种功能一体化。本发明充分利用已有通信链路资源，仅作少量技术升级，方法简单易行，效益显著。

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法包括以下步骤：

利用载波信号建立空间通信链路；

在基带信号传输帧格式设计中，以预定方式设计测量帧的识别标识，并按照测量频率要求将所述测量帧设置为固定周期分布；

利用所述测量帧的识别标识，实时识别并精确测量其帧同步码的末位下降沿出发及到达时刻的绝对时间；

综合两端的所述测量帧的出发及到达时刻绝对时间测量值，可计算两端之间的距离、距离变化率、钟差、频差。

距离、速度、钟差、频差计算方法

激光链路两端通过精确测量本地“测量帧”同步码出发及对方“测量帧”到达时刻的绝对时间，即可计算出两端之间的距离与钟差，两端之间的速度(距离变化率)可以通过测量两端之间的码多普勒频移得到。下面给出相应的计算公式。

如图2所示，主测端(地面站，Active Terminal))处于静止状态，被测端(天基终端，Passive Terminal)相对于主测端处于运动状态。主测端和被测端发射两对激光信号(A、B，C、D)，四个激光信号在主测端和被测端对应的本地钟时间测量结果分别为t_E1、t_E2、t_E3、t_E4和t′_S1、t′_S2、t′_S3、t′_S4。设被测端径向速度为v，时刻t被测端与主测端距离值可由函数表示：

R(t)＝R₀+vt (1)

假设主测端时钟、频率均为准确值，被测端存在钟差和频差，其时间测量值t′_Si对应的真值为

t_Si＝ψt′_Si-τ (2)

根据激光信号A、B、C、D的传输过程，则有：

ct_E1+R₀＝(c-v)(ψt′_S2-τ) (3)

ct_E2-R₀＝(c+v)(ψt′_S1-τ) (4)

ct_E3+R₀＝(c-v)(ψt′_S4-τ) (5)

ct_E4-R₀＝(c+v)(ψt′_S3-τ) (6)

将以上4式联立解方程组可得：

将以上的公式(8)、(10)计算得到的v、R₀代入公式(1)，即可得到t时刻的距离。

通过分析可知，利用双端2对“测量帧”8个时间测量值，可完成距离、径向速度、钟差、频差4个参数的同时测量，进而实现距离速度测量与时间频率传递一体化。

更进一步，若利用双端3对激光脉冲(测距帧)12个时间测量值，则可完成距离、径向速度、径向加速度和钟差、频差、频率变化率6个参数的同时测量。

由于实际任务中，双端均为一定帧频(1Hz～50Hz)的连续序列测量值，因此，利用上述公式可得被测参数相同帧频的连续序列测量值。这样，可以对每个被测参数，利用其序列测量值进行最小二乘多项式拟合，进而提高各参数测量精度。

滑动相关帧同步码捕获与测量帧识别方法

根据双向激光链路测量原理，“测量帧”识别是其出发及到达时刻精确测量的前提。为了实现“测量帧”识别，必须首先完成传输帧同步码捕获。传输帧同步码捕获完成后，即可根据传输帧主导头中的虚拟信道标识符识别出“测量帧”，并进行同步码到达时刻测量。下面着重介绍滑动相关帧同步码捕获方法。

激光接收机将接收的光信号转换为模拟电信号，经采样率不低于2倍码速率的高速A/D采样后，进行串并转换；之后采用滑动相关检测算法针对串并转换后的数据进行帧同步码捕获。滑动相关检测算法流程如图3所示。输入数据与本地比对同步码进行“与”运算后累加，累加结果依照门限进行判决，同时给出帧同步(捕获)标志。滑动检测算法的原理及具体过程如下：

1)设置一组长度固定的“帧同步码寄存器”，用于存储帧同步码数据。由于帧同步码(1ACFFC1D)为32bit，每bit有2个采样点，故将该寄存器组长度设置为64，其存储内容在整个滑动相关算法的实现过程中不变。

2)设置另一组寄存器为“滑动相关窗寄存器”，其长度也设置为64，用于滑动输入串行检测数据。“滑动相关窗寄存器”初始值设置为全‘0’。

3)工作开始后，每过一个时钟周期，“滑动相关窗寄存器”顺序移位一次，即将输入串行数据传递给“滑动相关窗寄存器”的最低位，其余各位数据顺序传递给更高的一位。每次移位后将“滑动相关窗寄存器”中的数据与“帧同步码寄存器”中对应位置的数据分别进行“与”运算，然后将所有运算结果累加起来，得到相关值。

4)帧同步码滑动相关运算结果随“滑动相关窗寄存器”与“帧同步码寄存器”的相对位置偏移而变化，其变化情况如图4所示：当二者对齐时，相关运算结果为最大值64；当二者未对齐时，相关运算结果为图4中除峰值以外的值，均远低于峰值；因此，可以对相关运算结果进行门限判决，确定帧同步码数据是否对齐，相关值达到峰值的时刻就是搜索到帧头的时刻。

另外，为了降低捕获出错的概率，保证系统的可靠性，可以使用连续两次捕获的方法。如图5所示，对信号连续进行两次捕获，然后对比两次捕获到的数据相对位置是否一致。如果一致，则认为捕获成功；否则认为捕获失败，继续进行捕获。连续两次捕获方法可以显著降低误捕获概率。

帧同步码环路跟踪精确测时方法

帧同步码捕获只是完成了粗跟踪，为了满足帧同步码到达时刻高精度测量要求，还要进行帧同步码的精跟踪。帧同步码跟踪使用数字延迟锁相环(Digital Delay LockedLoop，以下简称为DDLL)实现，其结构及工作原理如图6所示。帧同步码跟踪过程主要包括积分清除、鉴相、环路滤波和码NCO四个环节，具体工作流程如下详述：

1)积分清除：积分清除就是相关运算。本地产生3路帧同步码数据，第1路为即时帧同步码数据，第2、3路分别比即时帧同步码数据超前、滞后一段时间，且超前与滞后量相等；3路帧同步码数据分别与接收并已捕获到的帧同步码数据进行相关运算，输出3路积分清除(相关运算)结果I_E、I_P、I_L。

2)鉴相：鉴相用于检测接收的同步码与本地产生的同步码之间的时间差(即相位差)。在图7的(a)中，本地即时支路的同步码正好与接收同步码对齐，即时支路的积分清除结果最大，超前与滞后支路的积分清除结果较小且相等，超前减滞后鉴相器输出为0；在图7的(b)中，即时支路的本地同步码超前于接收同步码，超前支路(E路)小于滞后支路(L路)；在图7的(c)中，即时支路的本地同步码落后于接收同步码，超前支路(E路)大于滞后支路(L路)。基于上述原理，鉴相器根据超前与滞后支路的归一化相关幅值之差即可判决即时支路是超前或是滞后。

3)环路滤波：环路滤波对输入的归一化鉴相结果进行滤波，以消除环路中的噪声干扰和同步中的部分动态，最终产生本地同步码的码速率控制字(FTW)，并将FTW输入到本地同步码数字控制振荡器(numerically controlled oscillator，以下简称为NCO)产生模块。

4)帧同步码NCO：帧同步码NCO模块根据输入的预期码速率控制字(FTW)，采用数控振荡器的方式，产生新的3路本地同步码(超前、即时、滞后)，用于新一次循环的积分清除。

5)同步跟踪：按照上述负反馈闭环跟踪流程，多次循环之后即可实现即时支路的本地同步码与接收帧同步码同频同相，进而实现帧同步码的精确同步跟踪。此时，根据即时支路本地同步码的产生时间即可得到接收帧同步码的到达时刻。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，利用载波信号建立空间通信链路；

步骤二，在基带信号传输帧格式设计中，以预定方式设计测量帧的识别标识，并按照测量频率要求将所述测量帧设置为固定周期分布；

步骤三，利用所述测量帧的识别标识，实时识别并精确测量其帧同步码的末位下降沿出发及到达时刻的绝对时间；

步骤四，综合两端的所述测量帧的出发及到达时刻绝对时间测量值，可计算两端之间的距离、距离变化率、钟差、频差。

2.根据权利要求1所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，所述载波信号至少包括微波、太赫兹或激光。

3.根据权利要求1所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，在所述步骤一中执行：

两端的激光终端采用预定的捕获跟踪策略，进行相互间的捕获与跟踪，从而建立所述空间通信链路，

所述空间通信链路为星地/星间双向通信链路。

4.根据权利要求1所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：

两端基于CCSDS AOS协议，按照预设的数据格式进行双向双工的信息传输，并采用虚拟信道访问业务标识、识别出所述测量帧，或利用特殊设置的秒内帧计数标识、识别整秒发送帧，从而作为所述测量帧，

其中，在所述双向双工的信息传输过程中，两端均使用本地时间系统精确测量所述测量帧的帧头出发时刻。

5.根据权利要求4所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，在所述步骤二中还包括：

两端将所接收到的光信号转换为模拟电信号，并对所述模拟电信号进行模数转换，对转换后得到的数字信号进行位同步、帧同步，从而恢复出原始通信数据。

6.根据权利要求5所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，在所述步骤三中执行：

两端的测量处理模块利用本地专门产生的帧同步序列、使用数字延迟锁相环，实现帧同步码精确跟踪。

7.根据权利要求5所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，在所述步骤三中执行：

通过归一化超前减滞后功率鉴相器比较接收信号采样同步码和本地同步码之间的相位差，根据本地帧同步码的时间信息精确得到接收信号的帧同步码的到达时刻。

8.根据权利要求1所述的利用双向通信传输帧同步码测量距离速度钟差频差的方法，其特征在于，在所述步骤四中执行：

根据两端的所述测量帧的处罚、到达时刻的测量值，依据光速不变院里，综合结算处两端之间的距离、距离变化率及其对应时间、两端的钟差、频差，从而实现测距测速、时频传递。