CN110167129A - 定位基站的时钟同步方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种定位基站的时钟同步方法和装置。定位基站的时钟同步方法包括：接收来自多个定位基站的信号，对多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量，基于综合时钟观测量对系统时钟进行估计。通过本申请提出的定位基站的时钟同步方法和装置，能够提高时钟同步的可靠性，并且还能够通过充分利用多个定位基站广播的测距信号来提高时钟同步的精度。

Description

定位基站的时钟同步方法和装置

技术领域

本申请涉及一种定位基站的时钟同步方法和装置。

背景技术

对于通过到达时间(TOA)定位实现的同步伪卫星系统而言，时钟同步精度直接影响定位精度。

相比通过电缆或其他额外链路向每个伪卫星发送校正数据进行时钟同步，使用伪卫星本身广播的测距信号来进行时钟同步的无线同步方法无需专门设置参考站以及附加数据链路，具有良好的应用灵活性。

现有伪卫星网络由一个主伪卫星和若干从伪卫星组成，系统时钟通常由主伪卫星提供，从伪卫星连续跟踪主伪卫星的信号以估计系统时钟并由此调整自身时钟，然而，例如当主伪卫星与从伪卫星的传输路径中存在障碍时，从伪卫星可能无法接收主伪卫星的信号，导致其无法进行时钟同步。

发明内容

根据本申请的一个方面，提出了一种定位基站的时钟同步方法。该定位基站的时钟同步方法包括：接收来自多个定位基站的信号，对多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量，基于综合时钟观测量对系统时钟进行估计。

根据本申请的另一方面，提出了一种定位基站的时钟同步装置。该定位基站的时钟同步装置包括：接收单元，接收来自多个定位基站的信号；联合处理单元，对多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量；以及估计环路，基于综合时钟观测量对系统时钟进行估计。

通过本申请提出的时钟同步方法和装置，能够提高时钟同步的可靠性，并且还能够通过充分利用多个从定位基站广播的测距信号来提高时钟同步的精度。

附图说明

图1示出了根据本申请的一种实施方式的定位基站系统；

图2示出了根据本申请的一种实施方式的定位基站的时钟同步装置的框图；

图3示出了根据本申请的一种实施方式的定位基站的时钟同步装置的框图；

图4示出了根据本申请的定位基站的时钟同步装置与现有技术的性能比较图；

图5示出了根据本申请的定位基站的时钟同步装置与现有技术的性能比较图；以及

图6示出了根据本申请的一种实施方式的定位基站的时钟同步方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本申请公开的定位基站的时钟同步方法和装置进行详细说明。为简明起见，本申请各实施方式的说明中，相同或类似的装置使用相同或相似的附图标记。

根据本申请的一种实施方式，如图1所示，定位基站系统包括多个定位基站，其中任一个定位基站都可以发射和接收信号。根据本申请的一种实施方式，定位基站中设置定位基站的时钟同步装置。

本申请的定位基站可以是伪卫星，还可以是陆基定位基站，也可以是无线信标。

图2示出了根据本申请一种实施方式的定位基站的时钟同步装置10，其包括接收单元100、联合处理单元200和估计环路300。接收单元100可以接收来自多个定位基站的信号，联合处理单元200可以对多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量，估计环路300可以基于综合时钟观测量对系统时钟进行估计，从而依据估计对本地时钟进行更新，实现时钟同步。

根据本申请的另一实施方式，如图3所示，定位基站的时钟同步装置10包括接收单元100、联合处理单元200和估计环路300，其中联合处理单元200还可以包括获取模块210、计算器220和综合器230。

根据本申请的一种实施方式，联合处理单元200中的获取模块210可以根据接收的多个信号获取多个时钟观测量。

根据本申请的一种实施方式，联合处理单元200中的计算器220可以确定多个时钟观测量中各时钟观测量的有效时钟同步因子。

根据本申请的一种实施方式，在计算器220确定有效时钟同步因子时，可以将有效时钟同步因子设置成与时钟观测量的观测噪声的大小成反比。例如，联合处理单元200的获取模块210可以获得多个时钟观测量，计算器220可以计算确定多个时钟观测量的多个观测噪声，根据多个时钟观测量的多个观测噪声来确定所述多个时钟观测量中各时钟观测量的有效时钟同步因子。如果多个时钟观测量中某一个时钟观测量的观测噪声相对于其他时钟观测量的观测噪声较大，那么可以将该时钟观测量对应的有效时钟因子设置为较小；如果多个时钟观测量中某一个时钟观测量的观测噪声相对于其他时钟观测量的观测噪声较小，那么可以将该时钟观测量对应的有效时钟因子设置为较大。

根据本申请的一种实施方式，计算器220可以根据时钟观测量的观测噪声的方差来确定有效时钟同步因子。例如，在计算多个时钟观测量对应的有效时钟因子时，计算器220可以根据多个时钟观测量的全部观测噪声的方差来确定各个时钟观测量对应的有效时钟因子。

根据本申请的实施例，时钟观测噪声的方差可以在估计环路300对综合时钟观测量进行跟踪的过程中实时更新。可选地，时钟观测噪声的方差也可以根据统计结果事先确定。

根据本申请的另一实施方式，联合处理单元200的计算器220还可以根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定有效时钟同步因子。

根据本申请的一种实施方式，计算器220可以根据时钟观测量的观测噪声的方差、以及定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差来确定有效时钟同步因子。例如，在计算多个时钟观测量对应的有效时钟因子时，计算器220可以根据多个时钟观测量的全部观测噪声的方差以及系统时钟先验估计的误差之间的协方差来确定各个时钟观测量对应的有效时钟因子。

根据本申请的实施例，时钟观测噪声的方差、和/或定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差可以在估计环路300对综合时钟观测量进行跟踪的过程中实时更新。可选地，时钟观测噪声的方差、和\或定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差也可以根据统计结果预先确定。

在得到每一个时钟观测量对应的有效时钟同步因子后，可以根据有效时钟同步因子对多个时钟观测量进行联合处理，得以充分有效利用来自定位基站系统中多个定位基站的多个信号，提高时钟同步的性能。根据本申请的一种实施方式，在联合处理单元200中，综合器230可以根据有效时钟同步因子对多个时钟观测量进行联合，获得综合时钟观测量。

根据本申请的一种实施方式，在如图2或图3所示的定位基站的时钟同步装置10中，估计环路300可以对综合时钟观测量进行跟踪，以获得系统时钟估计，从而实现时钟同步。

根据本申请的一种实施方式，估计环路300进行跟踪时采用的增益系数可以是预设常数。

根据本申请的一种实施方式，增益系数也可以根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差来确定。

根据本申请的一种实施方式，估计环路的增益系数可以根据时钟观测噪声的方差、以及定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差确定。

同样地，根据本申请的实施例，时钟观测噪声的方差、和/或定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差可以在估计环路对综合时钟观测量跟踪的过程中实时更新。可选地，时钟观测噪声的方差、和/或定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差也可以根据统计结果预先确定。

下文中，通过定位基站系统的一种示意性时钟观测分析模型，进一步详细说明在某些具体应用场景下，根据本申请的实施方式的定位基站的系统时钟同步的技术的实施示例。

在如图1所示的定位基站系统中，包含有多个定位基站PS_i,i＝0,1,2,…,N。如上所述，该定位基站系统中的任一个定位基站都能够接收其他定位基站发射的信号，并根据所接收到的信号获得相应的时钟观测量。

例如，定位基站PS_i(本地定位基站)接收定位基站PS₀的信号，并根据所接收到的信号获得时钟观测量yⁱ⁰。

在第k个历元，时钟观测量可以表示为：

其中，t⁰为系统时钟；

为观测噪声，一般符合正态分布，即，

通常定位基站的时钟在单次同步更新后会发生漂移，因此定位基站的时钟同步需要对系统时钟进行持续跟踪和更新，可以通过系统时钟t⁰和时钟频率f⁰将其表示为：

其中，T_s为时钟更新间隔；

w_t,k和w_f,k分别为系统时钟和时钟频率的过程噪声。

为了便于表达，可以将式(2)表示为：

其中，为时钟-频率参数向量，表示系统时钟，下文中称为系统时钟向量；

w_k为过程噪声向量，w_k＝[w_t,k,w_f,k]^T，且

这样，定位基站PS_i接收定位基站PS₀的信号时，其时钟观测的分析模型可以建立为：

其中，H＝[0,1]^T。

定位基站PS_i还接收除定位基站PS₀以外的其他定位基站PS₁,PS₂,…,PS_N的信号，并从来自这些定位基站的多个信号中获得定位基站的时钟观测量这里，就构成了多个定位基站的多个时钟观测量。

根据式(4)，可将定位基站PS_i的时钟观测的分析模型建立为：

其中，为定位基站PS_i的系统时钟向量的先验估计，这里，系统时钟的先验估计是指利用先前时刻的系统时钟的估计得到的当前时刻的系统时钟的估计；

为在定位基站PS_i处获得的时钟观测量对应的观测噪声，符合正态分布，即，

将式(5)中的记为由此可以构造自协方差参数

根据式(5)并采用最小二乘估计算法计算定位基站PS_i的系统时钟向量的最优估计求得最优解为：

在式(6)所示的系统时钟的分析模型中，表示的是定位基站PS_i处获得的多个时钟观测量的向量，i＝0,1,2,…,N。

可以理解，在上述的时钟观测分析模型中，在基于模型描述的应用场景下，计算获得的综合时钟观测量是可以记为

这里，Vⁱ表示的就是与多个时钟观测量组成的向量对应的有效时钟同步因子向量，即，Vⁱ是由多个时钟观测量的有效时钟同步因子组成的向量。联合处理单元200的计算器220可以通过以下方式获得有效时钟同步因子向量：

其中1表示元素全部为1的向量。

根据本申请的一种实施方式，基于式(6)所示的系统时钟的分析模型，联合处理单元200的综合器230可以通过以下方式计算得到综合时钟观测量：

根据本申请的一种实施方式，在联合处理单元200的计算器220中，有效时钟同步因子可以根据时钟观测量的观测噪声确定。根据本申请的一种实施方式，在计算器220中，有效时钟同步因子还可以根据时钟观测量的观测噪声的方差来确定。

具体地，可以通过以下方式计算出从而根据式(7)得到有效时钟同步因子向量Vⁱ：

其中，为定位基站PS_i(本地定位基站)所获得的多个时钟观测量的观测噪声的方差，j＝0,1,2,…,N，N表示时钟观测量的最大序号，时钟观测量的数目为N+1。

这样，根据本申请的一种实施方式，在综合处理单元200的综合器230中，可以根据式(7)和(9)获得多个时钟观测量所构成的时钟观测量向量所对应的有效时钟同步因子向量Vⁱ，从而可以根据式(8)对多个时钟观测量进行联合，计算得到综合时钟观测量

根据本申请的另一实施方式，在联合处理单元200的计算器220中，有效时钟同步因子可以根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定。根据本申请的一种实施方式，在计算器220中，有效时钟同步因子还可以根据时钟观测量的观测噪声的方差、以及定位基站系统时钟先验估计的误差之间的协方差来确定。

具体地，可以通过以下方式计算出从而根据式(7)得到有效时钟同步因子向量Vⁱ：

其中，如上所述，为定位基站PS_i(本地定位基站)所获得的多个时钟观测量的观测噪声的方差，j＝0,1,2,…,N；

为第i个定位基站PS_i的系统时钟向量的先验估计的误差与第j个定位基站PS_j的系统时钟向量的先验估计的误差的协方差向量,j＝0,1,2,…,N。

如上所述，这里，系统时钟先验估计是指利用先前时刻的系统时钟估计得到的当前时刻的系统时钟估计。

如前文所述，在综合处理单元200的综合器220中，可以根据式(7)和(10)，获得多个时钟观测量所构成的时钟观测量向量所对应的有效时钟同步因子向量Vⁱ，从而可以对多个时钟观测量进行联合，计算得到综合时钟观测量

根据本申请的一种实施方式，估计环路300可以对该综合时钟观测量进行跟踪，以获得系统时钟估计，完成系统时钟同步。

根据本申请的一种实施方式，估计环路300进行跟踪时的增益系数可以是预设常数。该预设常数可以根据分析模型构建的具体参数确定，也可以根据预先统计的时钟观测量的观测噪声先验信息确定。

增益系数还可以根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差实时确定。

根据本申请的另一种实施方式，估计环路300进行跟踪时的增益系数可以通过时钟观测量的观测噪声的方差、以及定位基站系统时钟先验估计的误差的协方差计算而确定。

例如，可以通过以下方式确定增益系数

其中，可以通过式(9)或者式(10)计算得到，为第i个定位基站PS_i的系统时钟向量的先验估计的误差的自协方差向量,i＝0,1,2,…,N。

通过以上建立时钟观测的分析模型，并采用最小二乘法获得如式(6)所示的系统时钟的最优估计，说明通过根据本申请接收来自多个定位基站的信号、对多个定位基站的信号进行联合处理以构造且获得综合时钟观测量、并基于综合时钟观测量对系统时钟进行估计，是可行的且能够实现，并且可以获得性能更优的系统时钟同步。

并且，申请人还基于以上的分析模型，对根据本申请实施方式的定位基站时钟同步装置与现有技术的时钟同步装置进行了性能比较测试。测试结果说明，通过根据本申请的定位基站时钟同步装置，可以获得更可靠和更精确的时钟同步，能够满足民用领域、以及尤其是军用领域中越来越多的应用场景对时钟同步精度和可靠性提出的更高要求。

具体地，图4示出了根据本申请实施方式的两个定位基站时钟同步装置(分别图示为“装置1”和“装置2”)以及现有技术的时钟同步装置(图示为“现有装置”)，在固定偏差影响下各自的时钟误差变化情况。在装置1中，有效时钟同步因子是根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定的；在装置2中，有效时钟同步因子是根据时钟观测量的观测噪声确定的。如图所示，相比现有技术，装置1和装置2对应的时钟误差显然较低，说明根据本申请的定位基站时钟同步装置具有更高的可靠性。

此外，图5示出了根据本申请的实施方式的两个定位基站时钟同步装置(分别图示为“装置1”和“装置2”)以及现有技术的时钟同步装置(图示为“现有装置”)，各自时钟误差变化情况。装置1和装置2中有效时钟同步因子的确定与图4中的相同。如图所示，相比现有技术，装置1和装置2对应时钟误差很快降低，这说明根据本申请的定位基站时钟同步装置具有更高的精度。

根据本申请的另一方面，本申请提出了一种定位基站的时钟同步方法。如图6所示，该定位基站的时钟同步方法包括：接收来自多个定位基站的信号，对多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量，基于综合时钟观测量对系统时钟进行估计。

根据本申请的一种实施方式，在本申请提出的定位基站的时钟同步方法中，可以根据接收的多个信号获得多个时钟观测量，确定多个时钟观测量中各时钟观测量的有效时钟同步因子，根据有效时钟同步因子对多个时钟观测量进行联合，获得综合时钟观测量。

根据本申请的一种实施方式，在本申请提出定位基站的时钟同步方法中，有效时钟同步因子可以根据时钟观测量的观测噪声确定。

根据本申请的一种实施方式，在本申请提出定位基站的时钟同步方法中，有效时钟同步因子可以根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定。

根据本申请的一种实施方式，在本申请提出定位基站的时钟同步方法中，可以通过估计环路对综合时钟观测量进行跟踪，以获得系统时钟估计。

根据本申请的一种实施方式，在本申请提出定位基站的时钟同步方法中，估计环路的增益系数是预设常数。

根据本申请的一种实施方式，在本申请提出定位基站的时钟同步方法中，估计环路的增益系数根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定。

以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (14)

1.定位基站的时钟同步方法，包括：

接收来自多个定位基站的信号，对所述多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量，基于所述综合时钟观测量对系统时钟进行估计。

2.如权利要求1所述的定位基站的时钟同步方法，其中，根据接收的多个信号获取多个时钟观测量，确定所述多个时钟观测量中各时钟观测量的有效时钟同步因子，根据所述有效时钟同步因子对所述多个时钟观测量进行联合，获得所述综合时钟观测量。

3.如权利要求2所述的定位基站的时钟同步方法，其中，所述有效时钟同步因子根据时钟观测量的观测噪声确定。

4.如权利要求3所述的定位基站的时钟同步方法，其中，所述有效时钟同步因子根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定。

5.如权利要求1至4中任一项所述的定位基站的时钟同步方法，其中，通过估计环路对所述综合时钟观测量进行跟踪，以获得系统时钟估计。

6.如权利要求5所述的定位基站的时钟同步方法，其中，所述估计环路的增益系数是预设常数。

7.如权利要求5所述的定位基站的时钟同步方法，其中，所述估计环路的增益系数根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定。

8.定位基站的时钟同步装置，包括：

接收单元，接收来自多个定位基站的信号；

联合处理单元，对所述多个定位基站的信号进行联合处理以获得综合时钟观测量；以及

估计环路，基于所述综合时钟观测量对系统时钟进行估计。

9.如权利要求8所述的定位基站的时钟同步装置，其中，所述联合处理单元包括：

获取模块，根据所接收到的多个信号获得多个时钟观测量；

计算器，确定所述多个时钟观测量中各时钟观测量的有效时钟同步因子；以及

综合器，根据所述有效时钟同步因子对所述多个时钟观测量进行联合，获得所述综合时钟观测量。

10.如权利要求9所述的定位基站的时钟同步装置，其中，所述计算器根据时钟观测量的观测噪声确定所述有效时钟同步因子。

11.如权利要求10所述的定位基站的时钟同步装置，其中，所述计算器根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定所述有效时钟同步因子。

12.如权利要求8至11中任一项所述的定位基站的时钟同步装置，其中，所述估计环路对所述综合时钟观测量进行跟踪，以获得系统时钟估计。

13.如权利要求12所述的定位基站的时钟同步装置，其中，所述估计环路的增益系数是预设常数。

14.如权利要求12所述的定位基站的时钟同步装置，其中，所述估计环路的增益系数根据时钟观测量的观测噪声和系统时钟先验估计的误差确定。