CN111258210B - 一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，通过授时站原子时钟对分布式定位系统多个远端接收站晶振时钟进行授时及同步，并对晶振时钟准确度进行校正，包括以下步骤：S1.根据分布式定位系统远端接收站的布局以及远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站；S2.通过授时站周期性地发送授时信号以直接或间接地传输至所述远端接收站；S3.所述远端接收站接收授时信号并进行时钟同步及校正；本发明方法应用于分布式定位系统进行自完备分布式定位授时与同步，利于达到不需大幅增加系统成本而实现分布式定位系统远端站高精确准确测量目标信号到达时间的目的。

Description

一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，为一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法及装置。

背景技术

分布式定位系统，利用分布于不同位置的远端接收站，接收目标发射的信号，通过测量目标信号到达各接收站点的时间或站点间的时间差，实现对目标的定位。

多点定位系统即为典型的分布式定位系统，系统通过测量目标信号到达各远端站间的时间差，采用时间差定位体制实现对目标的定位；因此，分布式定位系统远端站间的时钟同步精度，以及各远端站时钟的稳定度和准确度，直接决定了定位系统的定位精度。为达到稳定的高精度定位，各远端站可以采用具有高稳定度、高准确度的原子时钟。但是对于实际中可能达到几十个远端站的定位系统而言，采用原子时钟将产生高昂的成本，因此，实际运用中的分布式定位系统基本采用稳定度和准确度较原子时钟低的晶振时钟。

由于晶振时钟固有的稳定度和准确度较低，以及晶振频率易受温度变化及电磁干扰而产生漂移的特性，采用晶振时钟作为远端站时钟源的分布式定位系统在运行过程中，仍然需要依赖于诸如全球卫星导航系统的外部时钟源对远端站的晶振时钟周期性地进行同步，且对晶振时钟的计时准确度需要进行有效的校正，才能使分布式定位系统准确测量出目标信号到达各远端接收站的时间。因而，如何使运行中的分布式定位系统不依赖于外部时钟源而实现远端站间的时钟同步，并对晶振时钟的准确度进行校正，使得分布式定位系统达到较高的定位精度，是分布式定位技术需要解决的重要问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法及装置，以利于提高系统远端站时钟的稳定度和准确度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，通过授时站原子时钟对分布式定位系统多个远端接收站晶振时钟进行授时及同步，并对晶振时钟准确度进行校正，包括以下步骤：

S1.根据分布式定位系统远端接收站的布局以及远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站；

S2.通过授时站周期性地发送授时信号以直接或间接地传输至所述远端接收站；

S3.所述远端接收站接收授时信号并进行时钟同步及校正。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法中，步骤S1.中，包括

S11.根据分布式定位系统远端接收站的布局情况，确定远端接收站的共同可视位置；

S12.根据分布式定位系统远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站及所需转发站。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法中，步骤S11.中，所述分布式定位系统有分布于不同位置的多个远端接收站，多个远端接收站的布局情况包括如下情形：

1)多个远端接收站不存在共同可视位置；

2)多个远端接收站存在共同可视位置；

3)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置；

4)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，其中一部分子集存在共同可视位置，一部分子集不存在共同可视位置。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法中，授时站与所需转发站的设置具有如下情况：

1)多个远端接收站不存在共同可视位置，则设置一个授时站，授时站与各远端接收站间以光缆连接传输授时信号；

2)多个远端接收站存在共同可视位置，则在共同可视位置设置一个授时站，授时站与远端接收站间以无线电波传输授时信号；

3)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置；则在最大子集的共同可视位置设置一个授时站，余下每个子集的共同可视位置分别设置一个转发站；若授时站与转发站间不可视，则采用光缆连接授时站与转发站以传输授时信号；若授时站与转发站间可视，则采用无线电波传输授时信号，授时站与可视的远端接收站间采用无线电波传输授时信号，转发站与可视的远端接收站间采用无线电波传输授时信号；

4)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，部分子集存在共同可视位置，部分子集不存在共同可视位置；则对于存在共同可视位置的远端站子集，在最大子集的共同可视位置设置一个授时站，余下每个远端站子集的共同可视位置分别设置一个转发站；若授时站与转发站间不可视，采用光缆连接传输授时信号；若授时站与转发站间可视，采用无线电波传输授时信号；授时站与可视的远端接收站间，采用无线电波传输授时信号；转发站与可视的远端站间，采用无线电波传输授时信号；对于不存在共同可视位置的远端接收站子集，授时站与远端接收站间以光缆连接传输授时信号。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法中，步骤S3.中，分布式定位系统远端接收站接收授时站或转发站发送的授时信号，进行时钟同步及校正，其中

S31.对于接收授时站发送的授时信号进行时钟同步及校正的远端接收站，包括：

接收到授时站发送的授时信号，测量信号到达时间；

根据授时信号承载的授时站发送授时信号时原子时钟的计时信息，以及信号由授时站传输至远端站的时间延迟，对远端站的晶振时钟进行同步及校正；

S32.对于接收由转发站转发授时站发送的授时信号进行时钟同步及校正的远端接收站，包括：

接收到转发站所转发的授时站发送的授时信号，测量信号到达时间；

根据授时信号承载的授时站发送授时信号时原子时钟的计时信息，以及信号由授时站传输至转发站再传输至远端站的时间延迟，对远端站的晶振时钟进行同步及校正。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法中，所述进行时钟同步及校正的步骤包括：

S41.授时站发送授时信号的准确时刻为t，根据测量授时站发送授时信号的到达时间t_TOA，以及授时信号传输时延Δt，计算授时站发送授时信号时，晶振时钟的计时t′；Δt根据下式计算：

其中c为无线电波传播速度，d为授时站与远端接收站间的距离；

授时站发送原子时钟授时信号时，远端接收站的晶振时钟计时为：

t＇≈t_TOA-Δt；

对比t与t′，得到远端接收站晶振时钟与授时站原子时钟间的误差

Δt＇＝t＇-t；

S42.根据授时站发送授时信号的准确时刻t，以及晶振时钟计时t′，计算校正因子k；其中定义校正因子k，

k＞1，晶振时钟慢于原子时钟，晶振时钟的计时需要进行扩展校正；

k＝1，晶振时钟与原子时钟同步，晶振时钟的计时不需要校正；

k＜1，晶振时钟快于原子时钟，晶振时钟的计时需要进行压缩校正；

设晶振时钟的计时为t_count，则校正后的晶振时钟计时t_calibrated为

t_calibrated＝k·t_count。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法中，所述进行时钟同步及校正的步骤还包括：

S43.根据授时站发送授时信号的时刻t，以及已知的授时信号传输时延Δt，计算出授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时，以实现时钟同步；

其中授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时T计算公式为：

T＝t+Δt。

第二方面，本发明还提供了一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置，包括授时装置以及接收装置，其中

所述授时装置包括原子时钟、时钟编码器、第一授时信号编码器、第一调制器以及第一发射器：

原子时钟：为原子时钟源，用于产生时钟计时信号；

时钟编码器：用于将原子时钟产生的时钟计时信号按预设格式进行编码，生成时钟编码信号(即经过编码的时钟信号)；

第一授时信号编码器：用于将授时站识别码以及时钟编码器编码的时钟信号按预设格式进行编码，形成授时编码信号；

第一调制器：用于将第一授时信号编码器产生的授时编码信号进行调制；

第一发射器：用于将第一调制器产生的承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号发射出去；

所述接收装置包括第一接收器、第一解调器、信号到达时间测量模块、晶振时钟、授时信号解码器、时钟解码器以及误差计算与时钟同步及校正模块：

第一接收器：用于接收授时装置或转发装置发射的承载授时站或转发站识别信息及时钟信息的已调授时信号；

第一解调器：用于将第一接收器接收到的已调授时信号进行解调，得到授时编码信号；

信号到达时间测量模块：用于测量授时信号到达接收装置的时间；

晶振时钟：分布式定位系统远端接收站的本地时钟，由晶振产生，用于作为自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置接收装置测量授时信号到达时间、以及分布式定位系统远端站测量目标信号到达时间的时钟；

授时信号解码器：用于将授时编码信号进行解码，以获得授时站识别码或转发站识别码以及原始的时钟编码信号；

时钟解码器：用于将原始的时钟编码信号进行解码，以获得原始的原子时钟计时；

误差计算与时钟同步及校正模块：用于根据时钟解码器获得的授时装置发送授时信号的准确时刻、授时信号从授时站传输到远端接收站的时延、以晶振时钟为基准测量到的授时信号到达时间，计算晶振时钟与原子时钟间的误差，并对晶振时钟进行时钟同步及校正。

进一步的，上述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置中，还包括所述转发装置，转发装置包括第二接收器、第二解调器、第二授时信号编码器、第二调制器以及第二发射器，其中：

第二接收器：用于接收授时装置发射的承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号；

第二解调器：与第二接收器相连，用于将第二接收器接收到的已调授时信号进行解调，得到授时编码信号；

第二授时信号编码器：与第二解调器相连，用于将授时编码信号中的授时站识别码更改为转发站识别码；

第二调制器：与第二授时信号编码器相连，用于将该授时信号编码器更改识别码后的授时编码信号进行调制；

第二发射器：与第二调制器相连，用于将第二调制器产生的承载转发站识别信息及时钟信息的已调授时信号发射给接收装置。

与传统技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明方法应用于分布式定位系统进行自完备的分布式定位系统时钟同步与校正。所谓自完备，是指本发明方法应用于分布式定位系统，系统在正常运行情况下，不再需要外部时钟源对系统进行授时及同步，完全独立运行，而实现分布式定位系统远端接收站的授时、同步及时钟校正功能。本发明方法是通过授时站周期性地发送授时信号，远端接收站接收授时站的授时信号后重复上述误差计算与时钟同步及校正过程，实现远端接收站晶振时钟与授时站原子时钟间的精确同步，以及远端接收站晶振时钟的计时误差校正，以利于达到无需大幅增加系统成本而实现分布式定位系统远端接收站高精度准确测量目标信号到达时间的目的。由于分布式定位系统远端接收站间的时钟同步精度，以及各远端接收站时钟的稳定度和准确度，直接决定了定位系统的定位精度，因此本发明方法应用于自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置有利于提高分布式定位系统定位精度。本发明提供了实施本发明方法的自完备的分布式定位时钟同步与校正装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明中分布式定位系统所有远端接收站不存在共同可视位置，授时站与远端站间采用光缆传输授时信号示意图；

图2为本发明中分布式定位系统所有远端接收站存在共同可视位置，授时站与远端站间采用无线电传输授时信号示意图；

图3为本发明中分布式定位系统所有远端站不存在共同可视位置，远端站划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置，授时站与转发站间不可视，采用光缆传输授时信号示意图；

图4为本发明中分布式定位系统所有远端站不存在共同可视位置，远端站划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置，授时站与转发站间可视，采用无线电传输授时信号示意图；

图5为本发明自完备的分布式定位系统时钟同步与校正的授时站与接收站时钟计时示意图；

图6为本发明中无需转发站转发授时信号的自完备分布式定位系统时钟同步与校正流程图；

图7为根据授时站原子时钟授时信号对分布式定位系统远端接收站晶振时钟进行同步与校正前后的效果示意图,7a为授时站原子时钟计时效果示意，7b为远端站晶振时钟计时效果示意；

图8为本发明中需转发站转发授时信号的自完备分布式定位系统时钟同步与校正流程图；

图9为本发明自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置中授时装置的逻辑框图；

图10为本发明自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置中转发装置的逻辑框图；

图11为本发明自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置中接收装置的逻辑框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1-6所示，一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，通过授时站原子时钟对分布式定位系统多个远端接收站晶振时钟进行授时及同步，并对晶振时钟准确度进行校正，包括以下步骤：

S1.根据分布式定位系统远端接收站的布局以及远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站；

S2.通过授时站周期性地发送授时信号以直接或间接地传输至所述远端接收站；

S3.所述远端接收站接收授时信号并进行时钟同步及校正。

本发明方法利用一个原子时钟对分布式定位系统多个远端站晶振时钟进行授时及同步，并根据远端站晶振时钟与原子时钟间的计时误差，对晶振时钟准确度进行校正。所谓自完备，是指具备授时原子时钟的分布式定位系统在正常运行情况下，不再需要外部时钟源对远端站进行授时及时钟同步，完全独立运行，实现分布式定位系统远端接收站的授时、同步及时钟校准功能。该自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，在实施时，能达到无需大幅增加系统成本而实现分布式定位系统远端接收站高精度准确测量目标信号到达时间的目的。

具体的，本发明方法中，所述步骤S1.根据分布式定位系统远端接收站的布局以及远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站，包括：

S11.根据分布式定位系统远端接收站的具体布局，确定远端接收站的共同可视位置；本发明方法给出的一个具体实施例中，设分布式定位系统共有分布于不同位置的N个远端接收站(N＞1，N为正整数)，这些远端接收站均采用晶振时钟，寻找N个远端站(即远端接收站，下同)的共同可视位置具有以下几种情况：

1)N个远端站不存在共同可视位置，如图1所示；

2)N个远端站存在共同可视位置，如图2所示；

3)N个远端站不存在共同可视位置，但N个远端站可划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置，如图3-4所示。

4)N个远端站不存在共同可视位置，但N个远端站划分为不同子集，一部分子集存在共同可视位置，且一部分子集不存在共同可视位置，这种情况为上述1)和2)两种情况的组合。

S12.设置授时站及所需的转发站；

根据分布式定位系统N个远端站的共同可视位置具体情况，设置授时站及需要的转发站。采用原子时钟的授时站通过发送授时信号对分布式定位系统远端站实现授时及时钟同步，转发站用于转发授时站发送的授时信号。

则根据分布式定位系统N个远端站的共同可视位置具体情况，授时站与所需转发站的设置具有如下情况：

1)N个远端站不存在共同可视位置，则设置一个授时站，授时站与各远端站间以光缆连接传输授时信号，且光缆长度已知，光缆长度即授时站与各远端站间的距离，用字母d表示，如图1所示；

2)N个远端站存在共同可视位置，则在共同可视位置设置一个授时站，授时站与远端站间可视且距离已知，以无线电波传输授时信号，如图2所示；

3)N个远端站不存在共同可视位置，但N个远端站划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置；则在最大远端站子集(即子集内远端站数量最多)的共同可视位置设置一个授时站，余下每个远端站子集的共同可视位置分别设置一个转发站；若授时站与转发站间不可视，则采用光缆连接授时站与转发站以传输授时信号，光缆长度已知，光缆长度即授时站与转发站间的距离，用字母d₁表示，以用于精确计算授时信号传播时间，授时站与可视的远端站间采用无线电波传输授时信号，且距离已知，转发站与可视的远端站间采用无线电波传输授时信号，且距离已知，用字母d₂表示，如图3所示；若授时站与转发站间可视，则采用无线电波传输授时信号，且距离已知(用字母d₁表示)，授时站与可视的远端站间采用无线电波传输授时信号，且距离已知，转发站与可视的远端站间采用无线电波传输授时信号，且距离已知，用字母d₂表示，如图4所示。

4)N个远端站不存在共同可视位置，但N个远端站划分为不同子集，部分子集存在共同可视位置，部分子集不存在共同可视位置；则对于存在共同可视位置的远端站子集，在最大远端站子集的共同可视位置设置一个授时站，余下每个远端站子集的共同可视位置分别设置一个转发站；若授时站与转发站间不可视，采用光缆连接传输授时信号，且光缆长度已知；若授时站与转发站间可视，采用无线电波传输授时信号，且距离已知。授时站与可视的远端站间，采用无线电波传输授时信号，且距离已知；转发站与可视的远端站间，采用无线电波传输授时信号，且距离已知。对于不存在共同可视位置的远端站子集，授时站与远端站间以光缆连接传输授时信号，且光缆长度已知。

步骤S2.通过授时站周期性地发送授时信号以直接或间接地传输至所述远端接收站，包括：

授时站周期性地发送授时信号，转发站接收并转发授时站发送的授时信号。授时站将承载授时站识别码及高稳定度、高准确度原子时钟信息的授时信号周期性地发送给转发站以及直接接收授时站信号的分布式定位系统远端接收站。

默认实施本发明方法的分布式定位系统在正常运行前，已对授时站原子时钟与接收站晶振时钟根据地区时或协调世界时间时进行初次时钟同步校准。若未进行初次时钟同步校准，系统进入工作状态后，也能实现时钟同步和校准，这种情况下的系统时间将以原子时钟为基准。

所述转发站接收授时站发送的授时信号，将授时站识别码更改为转发站识别码后，将授时信号发送给转发站可视的分布式定位系统远端接收站。设置授时站识别码与转发站识别码的目的，一是将授时信号与需由分布式定位系统进行定位的目标所发射的信号进行区分；二是防止某些与授时站及转发站均可视的远端站接收到授时信号后不能正确区分授时信号的发射源，导致错误的时钟同步及校正。

步骤S3.所述远端接收站接收授时信号并进行时钟同步及校正，包括：

分布式定位系统远端接收站接收授时站或转发站发送的授时信号，进行远端站时钟同步及校正。则

S31.其中对于接收授时站发送的授时信号进行时钟同步及校正的远端站，包括

接收到授时站发送的授时信号，测量信号到达时间；

根据授时信号承载的授时站发送授时信号时原子时钟的计时信息，以及信号由授时站传输至远端站的时间延迟，对远端站的晶振时钟进行同步及校正。

S32.对于接收由转发站转发授时站发送的授时信号进行时钟同步及校正的远端站，包括

接收到转发站所转发的授时站发送的授时信号，测量信号到达时间；

根据授时信号承载的授时站发送授时信号时原子时钟的计时信息，以及信号由授时站传输至转发站再传输至远端站的时间延迟，对远端站的晶振时钟进行同步及校正。

远端站直接接收授时站发送的授时信号与远端站接收经转发站转发授时站发送的授时信号进行晶振时钟同步及校正的区别仅在于授时信号的传输时延不同，而实现晶振时钟同步及校正的原理及方法一致。

所述进行时钟同步及校正的方法包括：

S41.授时站发送授时信号的准确时刻为t，根据测量授时站发送授时信号的到达时间t_TOA，以及授时信号传输时延Δt，获得授时站发送授时信号时，晶振时钟的计时t′；

设授时站原子时钟与分布式定位系统远端接收站晶振时钟经过初次同步校准，校准时刻为T₀，校准后，各时钟从T₀时刻开始独立计时，分布式定位系统进入工作状态；参考图5所示的，在授时与校正过程中，授时站在t时刻，将当前时刻的原子时钟授时信号发送给远端接收站；已知授时站与远端接收站间的距离(亦即信号传输距离)为d，授时信号由授时站传输至远端接收站的时延为

其中，_c为无线电波传播速度。

在远端接收站，因晶振时钟的准确度与稳定度较低，授时站在t时刻发送原子时钟授时信号时，远端接收站的晶振时钟计时t′未知，且二者间存在误差Δt＇＝t＇-t；授时信号由授时站经传输时延Δt到达远端接收站，晶振时钟对传输时延Δt的计时

也未知，由于信号传输时延较小，晶振时钟计时与信号传输时延间误差不大，以信号传输时延作为晶振时钟计时的估计，则授时站发送的授时信号到达远端接收站，远端接收站根据本地晶振时钟测量到的信号到达时间为

则，根据测量到的授时信号到达时间t_TOA，已知的信号传输时延Δt，可估计出授时站发送原子时钟授时信号时，远端接收站的晶振时钟计时为t＇≈t_TOA-Δt。

通过远端接收站根据授时站发送授时信号的时刻t，对比t与t′，即可得到远端接收站晶振时钟与授时站原子时钟间的误差

Δt＇＝t＇-t。

S42.根据授时站发送授时信号的准确时刻t，以及晶振时钟计时t′，计算校正因子k；

校正时，若Δt＇＞0，晶振时钟比原子时钟“走得快”，反之，则“走得慢”。

定义校正因子k，

k＞1，晶振时钟慢于原子时钟，晶振时钟的计时需要进行扩展校正；

k＝1，晶振时钟与原子时钟同步，晶振时钟的计时不需要校正；

k＜1，晶振时钟快于原子时钟，晶振时钟的计时需要进行压缩校正。

设晶振时钟的计时为t_count，则校正后的晶振时钟计时t_calibrated为

t_calibrated＝k·t_count

授时站周期性地发送授时信号，经过多次上述校正过程后，

逼近于真实的Δt，校正后的晶振时钟计时逼近于原子时钟计时；对于受温度变化及电磁干扰而导致的晶振时钟漂移，通过周期性地校正，即可使校正后的晶振时钟计时逼近于原子时钟计时。

S43.根据授时站发送授时信号的准确时刻t，以及已知的授时信号传输时延Δt，计算出授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时，以实现时钟同步；

远端接收站根据接收到的授时站发送授时信号的时刻t，已知的信号传输时延Δt，计算出授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时T＝t+Δt，以之校准远端接收站晶振时钟，即实现对远端站的授时及远端站晶振时钟与授时站原子时钟的同步。

实施例1

本实施例中，以对机场场面航空器以及机场周围空域航空器进行定位的多点定位系统远端接收站时钟同步与校正的应用场景为例，对本发明中不需采用转发站进行授时信号传输的具体实施方式进行详细说明。本实施例中，分布式定位系统包括分布于机场区域用于场面航空器定位的多个远端接收站，以及围绕机场并与机场有较远距离用于机场周围空域航空器定位的多个远端接收站。

设分布于机场区域的多个远端接收站存在共同可视位置，在共同可视位置设置一个授时站，授时站与远端站间可视且距离已知，以无线电波传输授时信号；与机场有较远距离的多个远端接收站不存在共同可视位置，与机场区域的远端站采用同一个授时站，授时站与远端站间以光缆连接传输授时信号，且光缆长度已知；如图1-2所示的。

本实施例综合采用了授时信号无线与有线传输的方式，而对两种信号传输方式，分布式定位系统时钟同步与校正的方法相同，且无需采用转发站。设分布式定位系统运行前，授时站原子时钟与远端接收站晶振时钟于T₀时刻经过初次同步校准，校准后，各时钟从T₀时刻开始独立计时，系统进入工作状态。无需转发站转发授时信号的自完备分布式定位系统时钟同步与校正流程如图6所示。

授时站原子时钟产生时钟信号，在t时刻，授时站的时钟编码器将该时刻的时钟信号按格式进行编码；并通过授时信号编码器将授时站识别码及时钟信号编码按格式进行编码，形成授时编码信号；通过调制器将授时信号进行调制后，通过发射器将承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号经无线电波或光缆发送给远端接收站。

远端接收站的接收器接收信号，对信号解调后，测量信号到达时间t_TOA；远端接收站的授时信号解码器对授时编码信号进行解码，提取授时站识别码，判断为授时信号而非需定位的目标信号，由时钟解码器对时钟信号编码进行解码，提取授时站发射授时信号时原子时钟的计时t；根据授时信号到达时间t_TOA，已知的信号传输时延Δt＝d/c，计算出授时站发射授时信号时晶振时钟的计时t′；根据时钟解码器获得的授时站发射授时信号的时刻t，以及晶振时钟的计时t′，计算校正因子k；根据时钟解码器获得的授时站发射授时信号的时刻t，已知的信号传输时延Δt，计算出授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时T＝t+Δt；以计算出的授时站原子时钟的计时T，校准晶振时钟，实现授时及时钟同步；根据校正因子k，对晶振时钟T时刻后的计时进行校正。

远端接收站通过授时站发送原子时钟授时信号对晶振时钟进行同步与校正前后的效果如图7所示。图中7a、7b所示的，授时站原子时钟与远端站晶振时钟于T₀时刻经过初次同步校准，校准后，各时钟从T₀时刻开始独立计时。由于原子时钟准确度与稳定度高，授时站原子时钟准确地计时；晶振时钟准确度与稳定度较低，接收站晶振时钟计时逐渐偏离准确时间；在第一次实现授时与同步的T时刻，晶振时钟的计时t_TOA与原子时钟计时T已经出现明显差距。通过上述的同步与校正，在时刻T，将晶振时钟计时同步为T，对T时刻后的晶振时钟计时根据校正因子k进行校正，从而提高晶振时钟的计时准确度。

授时站周期性地发送授时信号，远端接收站周期性地接收授时信号，重复上述过程，通过周期性地同步及校正，校正后的远端接收站晶振时钟计时将逼近于授时站原子时钟计时；本发明方法用于实现远端接收站晶振时钟与授时站原子时钟间的无限精确同步，以及远端接收站晶振时钟的计时误差校正，以利于达到无需大幅增加系统成本而实现分布式定位系统远端接收站高精度准确测量目标信号到达时间的目的。

实施例2

本实施例中，以对机场场面航空器进行定位的多点定位系统远端接收站时钟同步与校正的应用场景为例，对本发明中需采用转发站进行授时信号传输的具体实施方式进行详细说明。本实施例中，分布式定位系统包括分布于机场区域用于场面航空器定位的多个远端接收站，且对于所有的远端站不存在共同可视位置，但将所有远端站划分为两个远端站子集后，每一个远端站子集存在共同可视位置。在一个远端站子集的共同可视位置设置一个授时站，授时站与该子集远端站间可视且距离已知，以无线电波传输授时信号；在另一个远端站子集的共同可视位置设置一个转发站，转发站与该子集远端站间可视且距离已知，以无线电波传输授时信号。授时站与转发站间如可视且距离已知，以无线电波传输授时信号；授时站与转发站间如不可视以光缆连接传输授时信号，且光缆长度已知；如图3-4所示。

本实施例中，对授时信号的无线与有线传输方式，分布式定位系统时钟同步与校正的方法相同。设分布式定位系统运行前，授时站原子时钟与远端接收站晶振时钟于T₀时刻经过初次同步校准，校准后，各时钟从T₀时刻开始独立计时，系统进入工作状态；需转发站转发授时信号的分布式定位系统时钟同步与校正流程如图8所示。

授时站原子时钟产生时钟信号，在t时刻，授时站时钟编码器将该时刻的时钟信号按格式进行编码；授时信号编码器将授时站识别码及时钟信号编码按格式进行编码，形成授时编码信号；调制器将授时信号进行调制后，通过发射器将承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号经无线电波或光缆发送给转发站。

转发站的接收器接收授时站发送的承载授时站识别信息及时钟信息的授时信号，对信号解调后得到授时站识别码及原始的时钟信号编码信息；授时信号编码器将授时信号中的授时站识别码更改为转发站识别码；调制器将授时信号进行调制后，通过发射器将承载转发站识别信息及时钟信息的已调信号发送给远端接收站。

远端接收站的接收器接收信号，对信号解调后，测量信号到达时间t_TOA；授时信号解码器对授时信号编码进行解码，提取转发站识别码，判断为授时信号而非需定位的目标信号，由时钟解码器对时钟信号编码进行解码，提取授时站发送授时信号时原子时钟计时t；根据授时信号到达时间t_TOA，已知的信号传输时延Δt＝d₁/c+τ+d₂/c，计算出授时站发射授时信号时晶振时钟的计时t′，这里τ为转发站转发授时信号产生的时延；根据时钟解码器获得的授时站发射授时信号的时刻t，以及晶振时钟的计时t′，计算校正因子k；根据时钟解码器获得的授时站发射授时信号的时刻t，已知的信号传输时延Δt，计算出授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时T＝t+Δt；以计算出的授时站原子时钟的计时T，校准晶振时钟，实现授时及时钟同步；根据校正因子k，对晶振时钟T时刻后的计时进行校正。

远端接收站通过授时站发送原子时钟授时信号对晶振时钟进行同步与校正前后的效果如图7所示。图7a、7b中，授时站原子时钟与远端站晶振时钟于T₀时刻经过初次同步校准，校准后，各时钟从T₀时刻开始独立计时。由于原子时钟准确度与稳定度高，授时站原子时钟准确地计时；晶振时钟准确度与稳定度较低，接收站晶振时钟计时逐渐偏离准确时间。在第一次实现授时与同步的T时刻，晶振时钟的计时t_TOA与原子时钟计时T已经出现明显差距。通过上述的同步与校正，在时刻T，将晶振时钟计时同步为T，对T时刻后的晶振时钟计时根据校正因子k进行校正，从而提高晶振时钟的计时准确度。

授时站周期性地发送授时信号，通过转发站进行信号转发，远端接收站周期性地接收授时信号，重复上述过程，通过周期性地同步及校正，校正后的远端接收站晶振时钟计时将逼近于授时站原子时钟计时。

实施例3

本发明第二方面还提供了一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置，用于实施上述本发明方法；具体的，如图9-11，本发明系统包括授时装置以及接收装置；

其中所述授时装置包括原子时钟、时钟编码器、第一授时信号编码器、第一调制器以及第一发射器：

原子时钟：为高稳定度、高准确度的原子时钟源，用于产生高稳定度、高准确度的时钟计时信号；

时钟编码器：用于将原子时钟产生的高稳定度、高准确度的时钟计时信号按一定格式进行编码；具体编码格式根据实际分布式定位系统的需求进行选择。

第一授时信号编码器：用于将授时站识别码以及时钟编码器编码的时钟信号按一定格式进行编码，形成授时编码信号；具体编码格式根据实际分布式定位系统的需求进行选择。

第一调制器：用于将第一授时信号编码器产生的授时编码信号进行调制，以利于传输；具体调制频率及调制方式根据实际分布式定位系统的需求进行选择。

第一发射器：用于将第一调制器产生的承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号发射给转发装置或接收装置。

所述接收装置包括第一接收器、第一解调器、信号到达时间测量模块、晶振时钟、授时信号解码器、时钟解码器以及误差计算与时钟同步及校正模块：

第一接收器：用于接收授时装置或转发装置发射的承载授时站或转发站识别信息及时钟信息的已调授时信号；

第一解调器：用于将第一接收器接收到的已调授时信号进行解调，得到授时编码信号；

信号到达时间测量模块：用于测量授时信号到达接收装置的时间；

晶振时钟：分布式定位系统远端接收站的本地时钟，由晶振产生，其稳定度和准确度低于原子时钟；用于作为自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置接收装置测量授时信号到达时间、以及分布式定位系统远端站测量目标信号到达时间的时钟；

授时信号解码器：用于将授时编码信号(即授时信号编码的信息)进行解码，以获得授时站识别码或转发站识别码以及原始的时钟编码信号；

时钟解码器：用于将原始的时钟编码信号进行解码，以获得原始的原子时钟计时；

误差计算与时钟同步及校正模块：用于根据时钟解码器获得的授时装置发送授时信号的准确时刻、授时信号从授时站传输到远端接收站的时延、以晶振时钟为基准测量到的授时信号到达时间，计算晶振时钟与原子时钟间的误差，并对晶振时钟进行时钟同步及校正。

进一步的，本发明还包括转发装置，转发装置包括第二接收器、第二解调器、第二授时信号编码器、第二调制器以及第二发射器，其中：

第二接收器：用于接收授时装置发射的承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号；

第二解调器：与第二接收器相连，用于将第二接收器接收到的已调授时信号进行解调，得到授时编码信号；

第二授时信号编码器：与第二解调器相连，用于将第二授时编码信号中的授时站识别码更改为转发站识别码；

第二调制器：与第二授时信号编码器相连，用于将第二授时信号编码器更改识别码后的授时编码信号进行调制；

第二发射器：与第二调制器相连，用于将第二调制器产生的承载转发站识别信息及时钟信息的已调授时信号发射给接收装置。

本发明装置的实现分布式定位时钟同步与校正方法的原理与过程，可参见本发明上述实施例1、2中的阐述，此处不再赘述。

本发明装置利用一个原子时钟能够对多个远端站晶振时钟实现授时与同步，并根据远端站晶振时钟与原子时钟间的误差，对远端站晶振时钟进行校正，利于提高整个系统的定位精度，系统的硬件架设成本低。

需说明，本发明中信号到达时间测量模块、误差计算及校正模块等可通过单片机和软件程序的方式实现，但不限于此。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，其特征在于，通过授时站原子时钟对分布式定位系统多个远端接收站晶振时钟进行授时及同步，并对晶振时钟准确度进行校正，包括以下步骤：

S1.根据分布式定位系统远端接收站的布局以及远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站；

S2.通过授时站周期性地发送授时信号以直接或间接地传输至所述远端接收站；

S3.所述远端接收站接收授时信号并进行时钟同步及校正；

步骤S3.中，分布式定位系统远端接收站接收授时站或转发站发送的授时信号，进行时钟同步及校正，其中

S31.对于接收授时站发送的授时信号进行时钟同步及校正的远端接收站，包括：

接收到授时站发送的授时信号，测量信号到达时间；

根据授时信号承载的授时站发送授时信号时原子时钟的计时信息，以及信号由授时站传输至远端站的时间延迟，对远端站的晶振时钟进行同步及校正；

S32.对于接收由转发站转发授时站发送的授时信号进行时钟同步及校正的远端接收站，包括：

接收到转发站所转发的授时站发送的授时信号，测量信号到达时间；

根据授时信号承载的授时站发送授时信号时原子时钟的计时信息，以及信号由授时站传输至转发站再传输至远端站的时间延迟，对远端站的晶振时钟进行同步及校正；

所述进行时钟同步及校正的步骤包括：

S41.授时站发送授时信号的准确时刻为t，根据测量授时站发送授时信号的到达时间t_TOA，以及授时信号传输时延Δt，计算授时站发送授时信号时，晶振时钟的计时t′；Δt根据下式计算：

其中c为无线电波传播速度，d为授时站与远端接收站间的距离；授时站发送原子时钟授时信号时，远端接收站的晶振时钟计时为：

t＇≈t_TOA-Δt；

对比t与t′，得到远端接收站晶振时钟与授时站原子时钟间的误差

Δt＇＝t＇-t；

S42.根据授时站发送授时信号的准确时刻t，以及晶振时钟计时t′，计算校正因子k；其中定义校正因子k，

k＞1，晶振时钟慢于原子时钟，晶振时钟的计时需要进行扩展校正；

k＝1，晶振时钟与原子时钟同步，晶振时钟的计时不需要校正；

k＜1，晶振时钟快于原子时钟，晶振时钟的计时需要进行压缩校正；

设晶振时钟的计时为t_count，则校正后的晶振时钟计时t_calibrated为

t_calibrated＝k·t_count。

2.根据权利要求1所述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，其特征在于，步骤S1.中，包括

S11.根据分布式定位系统远端接收站的布局情况，确定远端接收站的共同可视位置；

S12.根据分布式定位系统远端接收站的共同可视位置情况，设置授时站及所需转发站。

3.根据权利要求2所述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，其特征在于，步骤S11.中，所述分布式定位系统有分布于不同位置的多个远端接收站，多个远端接收站的布局情况包括如下情形：

1)多个远端接收站不存在共同可视位置；

2)多个远端接收站存在共同可视位置；

3)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置；

4)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，其中一部分子集存在共同可视位置，一部分子集不存在共同可视位置。

4.根据权利要求3所述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，其特征在于，授时站与所需转发站的设置具有如下情况：

1)多个远端接收站不存在共同可视位置，则设置一个授时站，授时站与各远端接收站间以光缆连接传输授时信号；

2)多个远端接收站存在共同可视位置，则在共同可视位置设置一个授时站，授时站与远端接收站间以无线电波传输授时信号；

3)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，每个子集存在共同可视位置；则在最大子集的共同可视位置设置一个授时站，余下每个子集的共同可视位置分别设置一个转发站；若授时站与转发站间不可视，则采用光缆连接授时站与转发站以传输授时信号；若授时站与转发站间可视，则采用无线电波传输授时信号，授时站与可视的远端接收站间采用无线电波传输授时信号，转发站与可视的远端接收站间采用无线电波传输授时信号；

4)多个远端接收站不存在共同可视位置，但可划分为不同子集，部分子集存在共同可视位置，部分子集不存在共同可视位置；则对于存在共同可视位置的远端站子集，在最大子集的共同可视位置设置一个授时站，余下每个远端站子集的共同可视位置分别设置一个转发站；若授时站与转发站间不可视，采用光缆连接传输授时信号；若授时站与转发站间可视，采用无线电波传输授时信号；授时站与可视的远端接收站间，采用无线电波传输授时信号；转发站与可视的远端站间，采用无线电波传输授时信号；对于不存在共同可视位置的远端接收站子集，授时站与远端接收站间以光缆连接传输授时信号。

5.根据权利要求1所述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正方法，其特征在于，所述进行时钟同步及校正的步骤还包括：

S43.根据授时站发送授时信号的时刻t，以及已知的授时信号传输时延Δt，计算出授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时，以实现时钟同步；

其中授时信号到达远端接收站时授时站原子时钟的计时T计算公式为：

T＝t+Δt。

6.一种自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置，其特征在于，包括授时装置以及接收装置，其中

所述授时装置包括原子时钟、时钟编码器、第一授时信号编码器、第一调制器以及发射器：

原子时钟：为原子时钟源，用于产生时钟计时信号；

时钟编码器：用于将原子时钟产生的时钟计时信号按预设格式进行编码；

第一授时信号编码器：用于将授时站识别码以及时钟编码器编码的时钟信号按预设格式进行编码，形成授时编码信号；

第一调制器：用于将第一授时信号编码器产生的授时编码信号进行调制；

第一发射器：用于将第一调制器产生的承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号发射出去；

所述接收装置包括第一接收器、第一解调器、信号到达时间测量模块、晶振时钟、授时信号解码器、时钟解码器以及误差计算与时钟同步及校正模块：

第一接收器：用于接收授时装置或转发装置发射的承载授时站或转发站识别信息及时钟信息的已调授时信号；

第一解调器：用于将第一接收器接收到的已调授时信号进行解调，得到授时编码信号；

信号到达时间测量模块：用于测量授时信号到达接收装置的时间；

晶振时钟：分布式定位系统远端接收站的本地时钟，由晶振产生，用于作为自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置接收装置测量授时信号到达时间、以及分布式定位系统远端站测量目标信号到达时间的时钟；

授时信号解码器：用于将授时编码信号进行解码，以获得授时站识别码或转发站识别码以及原始的时钟编码信号；

时钟解码器：用于将原始的时钟编码信号进行解码，以获得原始的原子时钟计时；

误差计算与时钟同步及校正模块：用于根据时钟解码器获得的授时装置发送授时信号的准确时刻、授时信号从授时站传输到远端接收站的时延、以晶振时钟为基准测量到的授时信号到达时间，计算晶振时钟与原子时钟间的误差，并对晶振时钟进行时钟同步及校正。

7.根据权利要求6所述的自完备的分布式定位系统时钟同步与校正装置，其特征在于，还包括所述转发装置，转发装置包括第二接收器、第二解调器、第二授时信号编码器、第二调制器以及第二发射器，其中：

第二接收器：用于接收授时装置发射的承载授时站识别信息及时钟信息的已调授时信号；

第二解调器：与第二接收器相连，用于将第二接收器接收到的已调授时信号进行解调，得到授时编码信号；

第二授时信号编码器：与第二解调器相连，用于将授时编码信号中的授时站识别码更改为转发站识别码；

第二调制器：与第二授时信号编码器相连，用于将该授时信号编码器更改识别码后的授时编码信号进行调制；

第二发射器：与第二调制器相连，用于将调制器产生的承载转发站识别信息及时钟信息的已调授时信号发射给接收装置。

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