CN110518964A - 一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法，属于卫星导航及光载无线通信技术领域。本发明利用光载无线网络中的模拟传输特征，在实现时钟同步的同时，提升同步精度和网络传输带宽，避免了数字化同步过程中带来的失真与带宽浪费。其利用ROF系统灵活部署的优点，可以在射频信号难以到达的地方部署卫星地面站，提升卫星导航系统的覆盖面积与同步精度。此外，本发明采用了一种时间同步反馈优化策略，形成时间同步闭环，能够提高时间同步的精度。

Description

一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法

技术领域

本发明涉及卫星导航及光载无线通信技术领域，特别是指一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国具有自主知识产权的全球卫星导航系统，与美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统并称为世界三大卫星导航系统。卫星导航系统由空间卫星、地面站和用户三部分组成，卫星地面站是卫星通信系统中的一个重要组成部分，其作用主要是接受来自卫星的信号，向卫星发送信号以及转发其他地面站的信号。为了保证卫星导航系统的定位、通信和导航质量，要求各个地面站点之间需保持高度严格的同步精度。然而，时钟同步方案要求天线有良好的对空视界才能保证接收机能收到有效信号，增加了卫星地面站的选址难度。且天线和基站之间需要架设馈线，增加了架设成本。此外，基站没有其它备份的时钟，系统可靠性较低。虽然采用IEEE 1588时钟同步协议能够解决时间同步成本过高和精度不足的问题，但是其在时钟同步过程中，传送的是数字化的时钟信号，在量化过程中会产生失真，从而导致接收端无法识别精确时间；同时，数字化过程增加了时钟传输的时延，最终对同步时延及精度也会造成一定的影响。因此，受到对空视界、传输距离和建设成本等因素的影响，数字化时钟同步信号难以保证同步的时延和同步精度。

光载无线通信(radio-over-fiber, ROF)技术是应高速大容量无线通信需求，而发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。ROF技术的关键在于将无线通信的微波信号在中心站调制到光纤通信中的激光上，调制信号经过光纤传输后到达基站后，将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用。ROF技术是一种光和微波相结合的通信技术，利用光纤的低损耗、高带宽特性，可以提升无线接入网的带宽。与传统的系统相比，ROF系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点。

卫星地面站是导航定位不可或缺的重要角色，其经由卫星播发给用户卫星星历，其同步精度决定了卫星导航系统的服务性能。目前的地面站网络架构受限于数字信号失真与带宽损失，不能提供超高精度的时间同步服务。可见，如何提高同步精度并降低网络资源利用率成为现在卫星系统的发展瓶颈。

申请号为201410002014.7的中国专利“用于北斗卫星导航定位系统的联合时间同步与定位方法”提出了一种联合时间同步与定位方法，该方法能利用地面站接收机获得来自多个卫星导航卫星的导航电文以及导航电文时的信号到达时间T，从而来对地面接收机的进行联合时间同步和定位解算。但是，该方法在时钟同步的过程中传送的是数字化的时钟信号，会导致同步精度受到影响，同时模拟信号数字化过程会带来无法避免的失真与带宽损失。

申请号为201510481809.5的中国专利“一种北斗授时同步的精度提升方法及系统”提出了授时同步的精度提升方法，其步骤为，地面站将获取到的原子钟信号通过卫星传输给终端机；终端机将接收到的信息与通信消耗时间相加处理得到当前精确时间；终端机将处理后的信息发送给控制器，控制器将此授时信息与计时器相对比，然后通过芯片频率调整单元调整计时器芯片工作频率；计时器将调整后的信息反馈给控制器，控制器检查调整后的信息与接收到的信息是否相同。该方法可以实现授时同步精度的提升。然而，时钟同步方案要求天线有良好的对空视界才能保证接收机能收到有效信号，该方法增加了卫星地面站的选址难度，不能满足大规模卫星地面站之间实现同步的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法，其利用光载无线网络中的模拟传输特征，传递“原汁原味”的卫星时钟信号，在实现时钟同步的同时，提升了同步精度和网络传输带宽，避免了数字化同步过程中带来的失真与带宽浪费。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法，其包括以下步骤：

（1）地面站B向地面站A发送时间同步请求；

（2）地面站A向卫星系统发送时间同步请求；

（3）卫星系统接受到同步请求后，获取原子钟时钟信号T，并将时钟信号发送给地面站A；

（4）地面站A计算同步消息时延t1；

（5）地面站A向地面站B发送时间同步响应消息T+t1；

（6）地面站B计算同步响应消息时延t2；

（7）地面站B获得同步时间T+t1+t2，实现与地面站A的时间同步；

（8）地面站B将同步时间T+t1+t2返回给地面站A；

（9）地面站A再次向卫星系统发送时间同步请求，并获得卫星系统返回的时钟信号T2；

（10）地面站A计算时间同步误差Δt=T2-(T+2×(t1+t2))；

（11）地面站A根据第k次计算所得的时间同步误差Δt_k，调整第k+1次计算所得的同步消息时延t1_k+1，具体方式为，

若Δt_k小于阈值t0，则将第k+1次同步消息时延调整为t1_k+1+Δt_k，否则，不对第k+1次同步消息时延进行调整，但是，若第k次同步消息时延未作调整，则无论Δt_k是否小于阈值t0，都将第k+1次同步消息时延调整为t1_k+1+Δt_k；若连续两次计算所得的时间同步误差都不小于阈值t0，则记录异常并向外报告。

可选的，所述阈值t0为50μs。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明利用光载无线网络中的模拟传输特征，在实现时钟同步的同时，提升同步精度和网络传输带宽，避免了数字化同步过程中带来的失真与带宽浪费。

2、本发明利用ROF系统灵活部署的优点，可以在射频信号难以到达的地方部署卫星地面站，提升卫星导航系统的覆盖面积与同步精度。

3、本发明采用了一种时间同步反馈优化策略，形成时间同步闭环，能够提高时间同步的精度。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。

图1是本发明实施例中基于ROF的卫星导航系统的架构示意图；

图2是图1中一个卫星地面站的架构示意图；

图3是本发明实施例中卫星地面站高精度时间同步方法的时序图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法，该方法应用于如图1和2所示的卫星导航系统中，其中，卫星地面站部分包括控制单元和远程接入单元，每个卫星地面站对应于一个远程接入单元，所有远程接入单元通过光纤连接同一个控制单元，构成ROF系统。该方法的流程如图3所示，具体包括以下步骤：

（1）地面站B向地面站A发送时间同步请求；

（2）地面站A向卫星系统发送时间同步请求；

（3）卫星系统接受到同步请求后，获取原子钟时钟信号T，并将时钟信号发送给地面站A；

（4）地面站A计算同步消息时延t1；

（5）地面站A向地面站B发送时间同步响应消息T+t1；

（6）地面站B计算同步响应消息时延t2；

（7）地面站B获得同步时间T+t1+t2，实现与地面站A的时间同步；

（8）地面站B将同步时间T+t1+t2返回给地面站A；

（9）地面站A再次向卫星系统发送时间同步请求，并获得卫星系统返回的时钟信号T2；

（10）地面站A计算时间同步误差Δt=T2-(T+2×(t1+t2))；

（11）地面站A根据第k次计算所得的时间同步误差Δt_k，调整第k+1次计算所得的同步消息时延t1_k+1，具体方式为，

若Δt_k小于阈值50μs，则将第k+1次同步消息时延调整为t1_k+1+Δt_k，否则，不对第k+1次同步消息时延进行调整，但是，若第k次同步消息时延未作调整，则无论Δt_k是否小于阈值50μs，都将第k+1次同步消息时延调整为t1_k+1+Δt_k；若连续两次计算所得的时间同步误差都不小于阈值50μs，则记录异常并向外报告。

本发明利用光载无线网络中的模拟传输特征，在实现时钟同步的同时，提升同步精度和网络传输带宽，避免了数字化同步过程中带来的失真与带宽浪费。其利用ROF系统灵活部署的优点，可以在射频信号难以到达的地方部署卫星地面站，提升卫星导航系统的覆盖面积与同步精度。此外，本发明采用了一种时间同步反馈优化策略，形成时间同步闭环，能够提高时间同步的精度。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）地面站B向地面站A发送时间同步请求；

（2）地面站A向卫星系统发送时间同步请求；

（3）卫星系统接受到同步请求后，获取原子钟时钟信号T，并将时钟信号发送给地面站A；

（4）地面站A计算同步消息时延t1；

（5）地面站A向地面站B发送时间同步响应消息T+t1；

（6）地面站B计算同步响应消息时延t2；

（7）地面站B获得同步时间T+t1+t2，实现与地面站A的时间同步；

（8）地面站B将同步时间T+t1+t2返回给地面站A；

（9）地面站A再次向卫星系统发送时间同步请求，并获得卫星系统返回的时钟信号T2；

（10）地面站A计算时间同步误差Δt=T2-(T+2×(t1+t2))；

（11）地面站A根据第k次计算所得的时间同步误差Δt_k，调整第k+1次计算所得的同步消息时延t1_k+1，具体方式为，

若Δt_k小于阈值t0，则将第k+1次同步消息时延调整为t1_k+1+Δt_k，否则，不对第k+1次同步消息时延进行调整，但是，若第k次同步消息时延未作调整，则无论Δt_k是否小于阈值t0，都将第k+1次同步消息时延调整为t1_k+1+Δt_k；若连续两次计算所得的时间同步误差都不小于阈值t0，则记录异常并向外报告。

2.根据权利要求1所述的基于光载无线网络的卫星地面站高精度时间同步方法，其特征在于，所述阈值t0为50μs。