CN111342888A - 一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法和系统，监测接收机接收来自各个伪卫星的测距信号，采集并提取载波相位观测量，利用钟差方程和时间间隔计数器以及站间差分算法，解算各个伪卫星主站与伪卫星从站之间的站间相对钟差和秒脉冲差等误差信息，并把测量的各组误差信息实时反馈给对应的伪卫星从站，形成一个无线负反馈调整环路。从站时钟同步模块按照时间与频率的校准模型和控制机制，以主站伪卫星的时间为基准，动态调整从站时钟，以实现对主站时钟的同步跟踪。本发明能够在保持原有伪卫星系统体制和结构形态以及设备基本不变的条件下，实现伪卫星系统的时间同步。

Description

一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法和系统。

背景技术

卫星导航技术推动了人类社会的发展，但是其自身也存在一些不足。卫星导航信号容易受到干扰和影响，这些干扰和影响可能是人为的，也可能是无法避免的自然因素。例如，在山区峡谷或城市高楼密集区域，由于卫星信号受到遮挡，致使卫星导航系统在导航、定位、授时精度、可靠性和完好性等服务方面得不到保障。伪卫星技术的出现为解决这些问题提供了新的思路和方法，伪卫星既可以与卫星导航系统混合应用，也可以独立应用于室内、隧道和地下停车场环境等。

伪卫星与GPS/BD系统组网协同工作或者独立组网需要建立可靠的、适应不同环境的时间同步策略。伪卫星系统实现高精度定位的关键技术保障是时间同步技术。与GPS/BD卫星不同，伪卫星通常装备的是相对廉价的温度补偿晶振时钟(TCXO)。这种时钟频率准确度和稳定性都不高，会产生钟漂误差。而对于小规模独立组网的伪卫星系统而言，一般又不可能采用类似GPS或BD卫星导航系统的方法来进行钟差修正。

目前伪卫星系统时间同步可以采用有线时钟分配方式(光纤或同轴电缆)或基于无线双向测距的无线时钟同步方式。有线时钟分配方式容易受到地理分布环境或配套设施的限制，有时难以实施。而无线时钟同步方式需要双向测距，伪卫星既要发送测距信号也要接收测距信号，技术和结构复杂，成本较高。然而，尽管采用无线时钟同步方式，技术较为复杂，但是伪卫星站间相互同步是一种较为灵活的方式，仍受到业界的普遍关注。

发明内容

针对现有伪卫星系统时间同步存在的问题，本发明提出一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法和系统，其采用监测站完成时间误差的集中监测，并采用无线数据链路实现站间时间误差信息的快速反馈，在保持原有伪卫星系统体制和结构形态以及设备基本不变的条件下，实现伪卫星系统的时间同步。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统，包括一个主站伪卫星、至少三个从站伪卫星、以及一个监测站。

主站伪卫星内置有主站卫星发射机和原子时钟及分配单元；原子时钟及分配单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与主站卫星发射机连接；主站卫星发射机的输出端上接有主站发射天线。

每个从站伪卫星内置有从站卫星发射机、时间同步处理单元、以及误差反馈接收单元；误差反馈接收单元的输入端上设有从站接收天线，误差反馈接收单元的输出端与时间同步处理单元的输入端连接；从站卫星发射机的控制与配置输出端与时间同步处理单元的控制与配置输入端相连；时间同步处理单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与从站卫星发射机连接；从站卫星发射机的输出端上接有从站发射天线。

监测站内置有伪卫星接收机、天线开关切换单元、控制与配置单元、观测数据处理单元及误差测量与解算单元、以及误差反馈发送单元；开关切换单元的输入端上接有2条规格相同且馈线等长的监测接收天线，天线开关切换单元的输出端与卫星接收机的输入端连接；卫星接收机的输出端连接观测数据处理单元的输入端，观测数据处理单元的输出端与误差测量与解算单元的输入端连接，误差测量与解算单元的输出端连接误差反馈发送单元的输入端，误差反馈发送单元的输出端上接有监测发射天线；控制与配置单元的配置输出端与卫星接收机的配置输入端连接，控制与配置单元的切换控制输出端与天线开关切换单元的切换控制输入端连接。

主站伪卫星的主站发射天线和从站伪卫星的从站发射天线通过测距链路与监测站的监测接收天线对应连接；监测站的发射天线通过数据反馈链路与从站伪卫星的从站接收天线对应连接。

上述方案中，主站卫星发射机包括主站控制与配置单元、主站基带信号处理单元、主站射频前端电路单元、以及主站时分脉冲调制单元；主站控制与配置单元的控制与配置输出端与主站基带信号处理单元、主站射频前端电路单元和主站时分脉冲调制单元的控制与配置输入端连接；主站基带信号处理单元的输出端连接主站射频前端电路单元的输入端，主站射频前端电路单元的输出端上接有主站接收天线；原子时钟及分配单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与主站基带信号处理单元和主站时分脉冲调制单元的时钟输出端和秒脉冲输入端连接；主站时分脉冲调制单元的射频输出控制端连接主站射频前端电路单元的输出控制端。

上述方案中，从站卫星发射机包括从站控制与配置单元、从站基带信号处理单元、从站射频前端电路单元、以及从站时分脉冲调制单元；从站控制与配置单元的控制与配置输出端与从站基带信号处理单元、从站射频前端电路单元、从站时分脉冲调制单元和时间同步处理单元的控制与配置输入端连接；从站基带信号处理单元的输出端连接从站射频前端电路单元的输入端，从站射频前端电路单元的输出端上接有从站接收天线；时间同步处理单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与从站基带信号处理单元和从站时分脉冲调制单元的时钟输出端和秒脉冲输入端连接；从站时分脉冲调制单元的射频输出控制端连接从站射频前端电路单元的输出控制端。

上述方案中，当系统采用GPS信号体制时，主站伪卫星的主站基带信号处理单元和从站伪卫星的从站基带信号处理单元为GPS基带信号处理单元；对应地，监测站的卫星接收机为GPS伪卫星接收机；当系统采用BD信号体制时，主站伪卫星的主站基带信号处理单元和从站伪卫星的从站基带信号处理单元为BD基带信号处理单元；对应地，监测站的卫星接收机为BD伪卫星接收机。

上述系统所实现的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法，包括步骤如下：

步骤1、在上电工作后第一个历元内，监测站让一个监测接收天线同时接收主站伪卫星和从站伪卫星发送的导航信号，并获得该监测接收天线对应的载波相位测量值；在保持环路跟踪的情况下，通过天线切换开关的切换，监测站让另一个监测接收天线同时接收主站伪卫星和从站伪卫星发送的导航信号，并获得该监测接收天线对应的载波相位测量值；

步骤2、监测站利用主站伪卫星和从站伪卫星的已知位置信息，对步骤1所得的载波相位测量值进行站间差分处理以建立钟差方程，并通过最小二乘估计调整搜索方法对钟差方程进行求解，得到初始历元的主从站伪卫星间的相对钟差和整周模糊度，完成系统初始化；

步骤3、完成系统初始化后，监控站以步骤2所得的初始历元的整周模糊度，解算出后续历元的主从站伪卫星间相对钟差；

步骤4、监测站采用本地时钟为基准，按照接收到的各个伪卫星信号的帧同步脉冲，并以伪码边沿校准，重构各个伪卫星对应的秒脉冲；采用时间间隔计数器，测量主从站伪卫星间的帧同步脉冲差，并扣除两站间的传播时延差，获得主从站伪卫星间的秒脉冲差；

步骤5、监测站将获得的各个主从站伪卫星间的相对钟差和秒脉冲差构成的主从站伪卫星间的误差数据，并通过数据反馈链路以一点多址的广播方式反馈播发到对应的从站伪卫星；

步骤6、各个从站伪卫星按照反馈的误差数据，对其时钟和秒脉冲进行动态实时地补偿和调整，以主站伪卫星的时间为基准，完成各个从站伪卫星与主站伪卫星的时间同步。

上述步骤2中，在完成系统初始化后，监测站可以任意工作于其中一个监测接收天线上。

作为改进，上述无线反馈式伪卫星系统时间同步方法，还进一步包括如下步骤：

监测站利用主伪卫星和从伪卫星发送的导航信号获得多普勒观测值，并采用星间单差计算出主从站伪卫星间的相对时钟频偏；

采用数据反馈链路将相对时钟频偏以一点多址的广播方式反馈到对应从站伪卫星；

从站伪卫星利用相对时钟频偏对从站伪卫星的钟频进行调整，从而使得从站伪卫星与主站伪卫星的频率一致，以加快时钟同步的进程。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1)采用载波相位技术方案，利用精度较高的载波相位方程建立钟差模型，具有时间同步精度高的优点；

2)采用伪卫星站间差分处理方式，有效抵消影响精度的干扰因素，提高了相对时间误差分辨率，为精确补偿和跟踪提供了技术保障；

3)设置监测站及载波相位观测接收机，采用监测与控制分离模式。监测站实时监测主站伪卫星与从站间钟差等误差数据信息，并可以根据需要反馈或播发站间误差数据。各个对应的从站伪卫星各自独立地控制调节时钟跟踪主站时间以保持同步。可以灵活运用于各种伪卫星应用场合。

4)采用集中单向测距以及无线反馈链路方式，实现集中监测和分散控制，简化了伪卫星的功能结构，降低了伪卫星设备结构的复杂性。

5)可以适应各种伪卫星应用，既可以与GPS/BD系统组网协同工作，也可以独立组网，满足GPS/BD卫星导航系统无法发挥作用的工作环境的应用需求，可以为伪卫星系统实现高精度定位提供关键的技术保障。

附图说明

图1为一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统网络结构图。

图2为主站伪的原理结构框图。

图3为从站伪的原理结构框图。

图4为监测站的原理结构框图。

图5为监测站和伪卫星几何关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统，如图1所示，包括一个主站伪卫星、至少三个从站伪卫星、以及一个监测站。系统以主站伪卫星时间为基准。主站伪卫星的主站发射天线和从站伪卫星的从站发射天线通过测距链路与监测站的监测接收天线连接；监测站的发射天线通过数据反馈链路与从站伪卫星的从站接收天线连接。监测站接收主站伪卫星和从站伪卫星发射来的导航信号，并为从站伪卫星提供用于时间同步的误差数据。通过载波相位观测方程，可以建立主站伪卫星与从站伪卫星间的钟差模型，由监测站按照钟差模型解算各个从站伪卫星与主站伪卫星间的载波钟差，并测量与校对其主从站伪卫星间秒脉冲差，通过无线链路收发机把误差信息反馈到相应的从站伪卫星。从站伪卫星按照时间和频率校正模型，调节相关伪卫星本地时钟的时间与频率，实现从站伪卫星与主站伪卫星间时间同步，从而实现系统时间同步的目标。

(1)伪卫星

地面部署的一个主站伪卫星和至少三个从站伪卫星构成基本的伪卫星定位系统，即主站伪卫星和从站伪卫星是在原有常规伪卫星系统中，选定一个伪卫星为主站伪卫星，其余伪卫星为从站伪卫星。所有伪卫星均内置有卫星导航信号发射机，该卫星发射机保持原有发射伪卫星信号的功能不变，即都具有按照GPS/BD信号格式发射测距信号的能力。伪卫星的卫星发射机主要完成地面GPS/BD卫星信号的发射任务，为此需要具有卫星测距信号的生成与发射、发射信号的时分脉冲调制以及系统时间同步等功能。由于所有伪卫星均以其主站伪卫星时间为基准，所以主站伪卫星的卫星发射机最好选用高性能的原子钟为时钟源，从站伪卫星的卫星发射机则可以选用价格低廉的数控晶振(DCXO)为时钟源。

(1.1)主站伪卫星

主站伪卫星内置有主站卫星发射机和原子时钟及分配单元。原子时钟及分配单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与主站卫星发射机连接。主站卫星发射机的输出端上接有主站发射天线。

在本发明优选实施例中，主站伪卫星如图2所示，其主要由控制与配置单元、GPS/BD基带信号处理单元、射频前端电路单元、时分脉冲调制单元、以及原子钟时钟及分配单元组成。控制与配置单元的控制与配置输出端与GPS/BD基带信号处理单元、射频前端电路单元、时分脉冲调制单元和原子钟时钟及分配单元的控制与配置输出端连接。GPS/BD基带信号处理单元的I(n)和Q(n)数据输出端连接射频前端电路单元的数据输入端；射频前端电路单元的RF-out数据输出端上接有发射天线。原子钟时钟及分配单元的CLK和1PPS输出端同时连接GPS/BD基带信号处理单元和时分脉冲调制单元的CLK和1PPS输入端。时分脉冲调制单元的输出控制端连接射频前端电路单元的输出控制端。

控制与配置采用ARM为控制处理核心，主要完成设备的各个单元的控制和配置任务。GPS/BD基带信号处理单元和时分脉冲调制单元采用FPGA为信号处理与算法控制器，分别完成基带信号的生成，发射信号时分脉冲的生成与控制等伪卫星的基本功能。时分脉冲调制单元用于控制发射的时间间隔，实现时分多址，抑制远近效应的影响。原子钟时钟及分配单元用于生成高精度且稳定的时钟和秒脉冲为伪卫星电路提供驱动，同时也是系统各个从站伪卫星的基准。射频前端电路单元采用单片化可编程射频前端电路芯片LMS6602D，把GPS/BD基带信号处理单元生成的基带测距信号变换成射频信号在时分脉冲调制单元生成的控制脉冲的控制下发射出去。

(1.2)从站伪卫星

每个从站伪卫星内置有从站卫星发射机、时间同步处理单元、以及误差反馈接收单元。误差反馈接收单元的输入端上设有从站接收天线，误差反馈接收单元的输出端与时间同步处理单元的输入端连接。从站卫星发射机的控制与配置输出端与时间同步处理单元的控制与配置输入端相连。时间同步处理单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与从站卫星发射机连接。从站卫星发射机的输出端上接有从站发射天线。

在本发明优选实施例中，从站伪卫星如图3所示，其主要由控制与配置单元、GPS/BD基带信号处理单元、射频前端电路单元、时分脉冲调制单元、时间同步处理单元、以及误差反馈接收单元组成。控制与配置单元的控制与配置输出端与GPS/BD基带信号处理单元、射频前端电路单元、时分脉冲调制单元和时间同步处理单元的控制与配置输入端连接。GPS/BD基带信号处理单元的I(n)和Q(n)数据输出端连接射频前端电路单元的数据输入端；射频前端电路单元的RF-out数据输出端上接有发射天线。误差反馈接收单元的输入端上接有接收天线，误差反馈接收单元的输出端连接时间同步处理单元。时间同步处理单元的CLK和1PPS输出端同时连接GPS/BD基带信号处理单元和时分脉冲调制单元的CLK和1PPS输入端。时分脉冲调制单元的输出控制端连接射频前端电路单元的输出控制端。

控制与配置单元采用ARM为控制处理核心，主要完成设备的各个单元的控制和配置任务。GPS/BD基带信号处理单元、时间同步处理单元和时分脉冲调制单元采用FPGA为信号处理与算法控制器，分别完成基带信号的生成，时间的调整与同步处理，发射信号时分脉冲的生成与控制等伪卫星的基本功能。时分脉冲调制单元用于控制发射的时间间隔，实现时分多址，抑制远近效应的影响。射频前端电路单元采用单片化可编程射频前端电路芯片LMS6602D，把GPS/BD基带信号处理单元生成的基带测距信号变换成射频信号在时分脉冲调制单元生成的控制脉冲的控制下发射出去。误差反馈接收单元接收监测站发来的时钟和秒脉冲等时间误差数据信息，提供给时间同步处理单元。时间同步处理单元利用用于时间误差反馈接收单元接收的误差数据，以主站伪卫星的时间为基准进行误差的补偿和调整，实现从站伪卫星间与主站伪卫星的时间同步，从而获得系统的高精度时间同步。

由图2和3可见，主站伪卫星和从站伪卫星二者的主要区别是主站伪卫星结构没有误差反馈接收单元和时间同步处理单元，而仅仅具有采用原子钟的时钟及分配单元。原子钟的时钟及分配单元用于主站伪卫星设备的时钟和秒脉冲驱动，也为整个伪卫星系统提供时间基准。

(2)监测站

监测站设备是实现系统时间同步的关键设备，其主要功能是接收主从站伪卫星的测距信号，采集获取相应的载波相位等观测数据，利用已知站点位置，解算基于载波相位方程的钟差数学方程，获得主站伪卫星与从站伪卫星间的钟差。利用多普勒观测值和钟差站间差分运算，计算出主站伪卫星与从站伪卫星间相对频偏。利用接收到的各个伪卫星信号的帧同步脉冲和已知各站点相对距离，测量主站伪卫星与从站伪卫星间的秒脉冲差。采用一点多址的广播方式，把主站伪卫星与从站伪卫星间的误差信息反馈到对应的从站伪卫星，供其快速实现时间同步。

监测站设备以常规GPS/BD监测接收机为基础，其实现的关键在于观测数据的采集与处理、以及主从站伪卫星间误差信息的解算。监测站如图4所示，监测站内置有GPS/BD伪卫星接收机、天线开关切换单元、控制与配置单元、观测数据处理单元及误差测量与解算单元、以及误差反馈发送单元。天线开关切换单元的输入端上接有2条规格相同且馈线等长的监测接收天线，开关切换单元的输出端与卫星接收机的输入端连接。卫星接收机的输出端连接观测数据处理单元的输入端，观测数据处理单元的输出端连接误差测量与解算单元的输入端，误差测量与解算单元的输出端连接误差反馈发送单元的输入端，误差反馈发送单元的输出端上接有监测发射天线，用于播发各个主从站间的误差数据。控制与配置单元的配置输出端与卫星接收机的配置输入端连接，用于配置接收机工作参数，控制与配置单元的切换控制输出端与开关切换单元的切换控制输入端连接，用于控制两个接收天线间的切换。

监测站用于实时监测主站伪卫星和从站伪卫星之间的时钟差、秒脉冲差和时钟频率偏差，并通过无线数据反馈链路，把误差信息以广播方式实时反馈到相应从站伪卫星，供其时钟调节模块实时调整时钟频率和相位，实现系统时钟和秒脉冲的精确同步。监测站的接收机通过天线切换开关可以在两个天线间自由切换，监测接收机采用双天线结构有利于降低算法的复杂性。。在监测接收机环路保持跟踪的情况下，通过开关的切换，分别获取双天线对应的载波相位测量值。参见图5。

双接收天线即监测接收天线a和监测接收天线b具有相同规格且馈线必须是等长的。卫星接收机通过一个电子的天线切换开关可以在这两个监测接收天线间快速切换，并且卫星接收机在同一时刻，仅仅可以通过其中一个监测接收天线同时接收主站伪卫星和从站伪卫星发射的导航信号。双监测接收天线仅仅用于系统工作初期的初始化，一旦完成，卫星接收机可以任意工作于其中一个监测接收天线上。卫星接收机在上电工作后第一个历元内，在其中一个监测接收天线上完成伪卫星的环路捕获和跟踪，并分别获得对应伪卫星的载波相位测量值，在保持环路跟踪的情况下，通过天线切换开关快速切换到另一个监测接收天线，然后卫星接收机再分别获得对应伪卫星的载波相位测量值，用于完成时钟同步系统的初始化。

在本发明优选实施例中，监测站前端的卫星信号接收机采用U-BLOX公司具有观测数据输出功能的GNSS模块设计，具有体积小和功耗低的特点，可以采集载波相位和伪距等观测量，大大简化了设备结构，提高了设备的接收性能，降低了实现的难度和复杂性。

误差反馈发送单元可以根据无线数据链路的传输距离，灵活选择合适的无线数据通信收发模块，传输速率可以根据需要选2.4-32kbps。例如，可以选择远距离的3G/4G通信模块，也可以选择短距数传通信模块。

观测数据处理单元及误差测量与解算单元是监测站数据处理的核心，采用ARM+DSP双核结构处理器完成相关处理算法。ARM+DSP处理器采用TI公司ARM9+DSP结构的达芬奇系列产品TMS320DM6446芯片。TMS320DM6446是TI公司推出的一款高集成度的SOC双核处理芯片，芯片内嵌一个ARM处理核，一个DSP处理核，以及丰富的外设接口。其中，ARM子系统采用ARM926EJ-S核，主频可达297MHz，DSP子系统采用C64+核，主频可达594MHz。在内嵌的ARM9硬件平台上，可以完成相应的观测数据的采集与处理、接收模块的控制和配置、设备的管理与接口通信、误差数据反馈播发等功能。内嵌的DSP处理器可以采用各种算法，对采集到的观测数据运算和处理，完成高精度误差数据的测量和解算等功能。

本发明采用集中监测和分散控制的结构，可降低系统和设备的复杂性。以监测站为核心，采用集中检测，集中处理，集中播发的方式，而现有系统更多地是采用分散方式。监测站集载波相位观测数据采集、站间钟差解算处理和误差数据播发等功能为一体，可以保持常规伪卫星系统的基本结构形态，简化了伪卫星时间同步系统的结构，也降低了系统成本和复杂性。此外，本发明还采用分散控制结构。系统采用常规的无线数据链路收发机，以一点多址的方式播发主从站间误差数据信息，实现误差数据实时反馈到对应的从站伪卫星，从而地理上分散的各个从伪卫星利用集中播发获得实时误差数据各自独立地完成时间同步的调整与控制。这种反馈是实现分散控制的关键，而且也是不同于现有方式的主要区别。这种无线反馈链路在系统内部级别，通过以监测站为中心的点到多点间数据链路实现的。而现有的时间同步方式，误差的获取是由分散的设备完成，误差的传递是在设备内部级别实现。因此，这种无线集中反馈与分散控制结构具有更清晰的层次，更明确的功能，也降低了系统实现的成本和复杂性。

在保持原有伪卫星系统架构的基础上，构建站间误差的测量机制和网络，添加监测站和无线反馈链路收发机。系统内伪卫星分为主站伪卫星和从站伪卫星，主站伪卫星和从站伪卫星均保持原有发射伪卫星信号的功能不变，从站伪卫星增加了时间同步功能。

上述系统所实现的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法，其具体包括步骤如下：

步骤1：在上电工作后第一个历元内，监测站在其中一个监测接收天线a上完成伪卫星的环路捕获和跟踪，并分别获得该监测接收天线a对应的各个伪卫星的载波相位测量值；在保持环路跟踪的情况下，通过天线切换开关快速切换到另一个监测接收天线b，监测站再获得该监测接收天线b对应的各个伪卫星的载波相位测量值。

假设，监测接收机通过天线a捕获到了伪卫星i的信号，输出对应于天线a的载波相位测量值

在电子开关快速转向天线b时，监测接收机可以借助载波环路技术，对伪卫星i的信号持续跟踪，获得对应于天线b载波相位测量值为

按照如图5所示，天线a和天线b对应的载波相位测量值及其观测方程如下：

其中，i表示伪卫星星座号，此处i＝1,2,…,N；N表示系统中伪卫星的总数，并且要求：N≥4；λ表示伪卫星载波信号的波长；Nⁱ表示天线捕获到的伪卫星i信号的整周模糊度；c表示无线定位信号的传播速度，即光速；

和

分别表示天线a和天线b到第i颗伪卫星的几何距离；δt为监测接收机钟差，δTⁱ为伪卫星i的钟差，

和

为载波相位测量值的测量噪声。

步骤2：在已知各个伪卫星(包括主站伪卫星和从站伪卫星)精确位置的基础上，对步骤1所得的伪卫星的载波相位测量值进行差分处理以建立钟差方程，通过最小二乘估计调整搜索(LAMBDA)方法固定载波相位整周模糊度，得到初始化主从站伪卫星相对钟差以及整周模糊度，完成系统初始化。

首先，对各个从站伪卫星与主站伪卫星的载波相位测量值进行站间差分处理，按照式(1)和式(2)，得到相应的钟差方程：

其中，

和

为与天线a和天线b相对应的伪卫星i，j间载波相位差值；

和

为伪卫星i，j与监测站卫星接收机相对应的天线a和天线b之间的几何距离差，由于监测站双天线位置坐标固定已知，伪卫星位置坐标固定已知，因此

和

为已知量；δT^ij为伪卫星i，j间相对钟差，N^ij为伪卫星i，j间相对整周模糊度差值。此处，i代表主站伪卫星，j代表从站伪卫星。通过对伪卫星的载波相位测量进行差分，可以看到载波相位测量值的测量噪声

和

理论上已经抵消。

然后，将站间差分所得的钟差方程改写成矩阵方程HX＝B形式，对于该矩阵方程HX＝B，采用LABMDA方法对钟差模型进行求解，以解算出主从站伪卫星间相对钟差和整周模糊度，完成系统初始化。

下面以四个伪卫星系统的实例来介绍具体方法。

以伪卫星星座号i＝1为主站伪卫星，其余j＝2,3,4为从站伪卫星，按照上述主从站伪卫星的钟差方程(3)和(4)，对于天线a有：

同样的，对于天线b有：

联立式(5)和(6)并改写成矩阵方程：

HX＝B

其中，

由此，采用LABMDA可解算出该历元的X，从而获得各个主从站伪卫星钟差δT²¹、δT³¹、δT⁴¹和相对整周模糊度N²¹、N³¹、N⁴¹。

观测数据运算和处理以及误差数据的测量和解算，在ARM+DSP处理器内，由ARM处理器协作，DSP处理器完成。利用双天线开关获得两组主从站伪卫星的载波相位观测数据，通过差分运算和钟差方程，获得相应整周模糊度及钟差等相应的误差数据，完成初始化。

步骤3：完成系统初始化后，监控站以步骤2所得的初始历元的整周模糊度，即通过固定整周模糊度，解算出后续历元的主从站伪卫星间相对钟差。

一旦完成初始化，下一历元只需天线a或天线b其中任一组天线即可解算主站从站伪卫星的相对钟差。完成初始化后，监测的后期运算就变得较为简单。

在下一历元，将已固定的整周模糊度带入，完成初始化。下一历元只需a或b其中一组天线即可解算钟差。以天线a为例，在历元k时，由式(5)有

同样的，利用矩阵乘法，将(7)式写成：

X_k＝H^-1B (8)

其中，

步骤4：监测站利用主伪卫星和从伪卫星发送的导航信号获得多普勒观测值，采用主从站间单差运算方式，计算出主站伪卫星和从站伪卫星间的相对时钟频偏；相对时钟频偏通过监测站发射天线发送至从站伪卫星的从站接收天线，从站伪卫星利用其对从站伪卫星的钟频进行调整，从而使所有伪卫星即包括主站伪卫星和所有从站伪卫星的频率一致，加快主从站伪卫星的时钟的调整。

步骤5：监测站采用本地时钟为基准，按照接收到的各个伪卫星信号的帧同步脉冲，并以伪码边沿校准，重构各个伪卫星对应的秒脉冲。采用时间间隔计数器，测量主从站间脉冲差，并扣除站间的传播时延差，获得主站伪卫星与从站伪卫星间秒脉冲差，有利于从站仅仅在原有的秒脉冲的基础上进行精细调整。

由于上电起始，每个伪卫星采用本地时钟分频产生秒脉冲，用于伪码和导航电文的起始同步发送。由此导航电文的帧同步头和伪码序列头总是与秒脉冲同步对齐。由于系统中各个伪卫星时钟独立分布，由此各个伪卫星间秒脉冲也无法同步，产生秒脉冲差。测量主站从站伪卫星间秒脉冲差是实现秒脉冲同步的关键。

监测站可以采用本地时钟为基准，利用帧同步头的相关检测，获得各个伪卫星导航电文的帧同步脉冲，并以重建的同步伪码边沿加以校准，产生各个伪卫星对应的基本秒脉冲。采用时间间隔计数器，测量主从站伪卫星间秒脉冲差，并根据精确的已知主从站伪卫星位置推算的时延差加以校正。

步骤6：监测接收机按照一定的测量间隔，通过高速无线数据链路把监测站获得的各个主从站伪卫星间的相对钟差、秒脉冲差和相对时钟频偏等信息所构成的各个主从站间的误差数据，以一点多址的广播方式，把主从站间的误差数据快速反馈播发到对应的从站伪卫星，快速实现误差数据的反馈传送，形成一个负反馈的时间调整环路；

步骤7：各个从站伪卫星的时间同步处理单元按照时间动态调整模型，依靠反馈的误差数据实现动态实时调整，以以主站伪卫星的时间为基准，通过补偿和调整，完成各个从站伪卫星与相应主站伪卫星的时间同步。

从站伪卫星的时间同步调整采用误差补偿和主站伪卫星误差跟踪的方法。监测站的测量间隔就是从站伪卫星的调整间隔。

时钟的补偿和调整按照如下公式：

T_CLK(i+1)＝T_CLK(i)+△T_CLK(i) (9)

其中，T_CLK(i)为从站伪卫星本地第i时刻的时钟周期，△T_CLK(i)为主从站伪卫星第i时刻的时钟误差，i＝0,1,2，…。

类似地，秒脉冲的补偿和调整按照如下公式：

T_1pps(i+1)＝T_1pps(i)+△T_1pps(i) (10)

其中，T_1pps(i)为从站伪卫星本地第i时刻的秒脉冲周期，△T_1pps(i)为主从站伪卫星第i时刻的时钟误差，i＝0,1,2，…。

由此可见，通过常规的无线高速数据链路，以一点多址的广播方式，把测量的各组主从站间的误差信息实时反馈给对应的从站伪卫星，形成一个负反馈的时间调整环路，从而保持了原有伪卫星系统的信号体制和网络结构，简化实现的方法。同步调整为负反馈方式，通过周而复始地补偿跟踪，系统各个从站伪卫星的时钟和秒脉冲周期和频率收敛于主站伪卫星的周期和频率，从而实现高精度同步。

本发明的时钟同步机制采用误差监测与控制分离模式。监测站实时监测主站伪卫星与各个从站间钟差等误差数据，以无线播发的方式把站间误差数据反馈到各个对应的从站。而各个从站伪卫星利用无线链路上实时获得的误差数据按照时间-频率控制模型各自完成时间同步的调整，以主站时间为基准实现时间同步。由于采用集中监测方式，仅仅需要各个伪卫星站到监测站间的载波相位单向测距，监测站利用钟差方程等误差检测方法，实时获得主从伪卫星站间时间误差数据信息。由于采用无线数据链路反馈方式，监测站的主从伪卫星站间误差信息可以实时播发到地理位置分散的各个从站伪卫星，为各个从站伪卫星分散地控制和调整各自时间提供可能，从而简化了伪卫星的功能结构，降低了伪卫星设备结构的复杂性。

本发明的无线反馈式时间同步采用钟差等误差测量、误差负反馈、动态调整的跟踪机制。监测接收机按照一定的测量间隔接收来自各个伪卫星的测距信号，采集并提取载波相位观测量，监测接收机利用钟差方程和时间间隔计数器以及站间差分算法，解算各个主站伪卫星与从站伪卫星之间的站间相对钟差和秒脉冲差等误差信息。监测站数据链路发射机按照一定的测量间隔，通过无线数据链路，以一点多址的广播方式，把测量的各组误差信息实时反馈给对应的从站伪卫星，形成一个无线负反馈调整环路。从站时钟同步模块按照时间与频率的校准模型和控制机制，动态调整从站时钟，以实现对主站时钟的同步跟踪。

本发明由于采用单向测距，仅需要标准的伪卫星发射机，误差数据反馈通过廉价的无线数据链路，既节省成本，又降低功耗，也缩小体积。由于采用无线数据链路反馈的方式，传统的伪卫星发射机结构及布局无需改变，仅仅添加时钟同步模块为其提供同步时钟。由于采用监测站模式，伪卫星系统可以灵活地应用于各种不同的组网模式，从而可以优化了网络的组织结构，简化了设备的功能要求。例如，对于采用载波相位技术的伪卫星系统，如果系统观测无严格的实时性要求(例如形变监测)，则监测站获得的钟差等误差信息无需反馈到相对应的从站伪卫星，而是与观测站所获得的观测数据一起，通过通信网络直接传送到后台计算机集中处理，从而简化了伪卫星和观测站的功能。不同于采用光纤或电缆等有线时钟分配方式，这种无线反馈时间同步技术采用无线方式，可以有效克服地理环境局限性的影响，确保独立分布的伪卫星实现时间同步。不同于现有的无线双向测距的无线时钟同步方式，本发明的时间同步方式仅需单向测距，可以降低实现技术和结构的复杂性，而且采用单差数据处理方式可以有效抵消影响精度的各种误差因素，提高同步精度。不同于一般的伪距技术方案，本发明的时间同步技术采用载波相位技术方案，可以达到很高的同步精度。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统，其特征是，包括一个主站伪卫星、至少三个从站伪卫星、以及一个监测站；

主站伪卫星内置有主站卫星发射机和原子时钟及分配单元；原子时钟及分配单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与主站卫星发射机连接；主站卫星发射机的输出端上接有主站发射天线；

每个从站伪卫星内置有从站卫星发射机、时间同步处理单元、以及误差反馈接收单元；误差反馈接收单元的输入端上设有从站接收天线，误差反馈接收单元的输出端与时间同步处理单元的输入端连接；从站卫星发射机的控制与配置输出端与时间同步处理单元的控制与配置输入端相连；时间同步处理单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与从站卫星发射机连接；从站卫星发射机的输出端上接有从站发射天线；

监测站内置有伪卫星接收机、天线开关切换单元、控制与配置单元、观测数据处理单元及误差测量与解算单元、以及误差反馈发送单元；开关切换单元的输入端上接有2条规格相同且馈线等长的监测接收天线，天线开关切换单元的输出端与卫星接收机的输入端连接；卫星接收机的输出端连接观测数据处理单元的输入端，观测数据处理单元的输出端与误差测量与解算单元的输入端连接，误差测量与解算单元的输出端连接误差反馈发送单元的输入端，误差反馈发送单元的输出端上接有监测发射天线；控制与配置单元的配置输出端与卫星接收机的配置输入端连接，控制与配置单元的切换控制输出端与天线开关切换单元的切换控制输入端连接；

主站伪卫星的主站发射天线和从站伪卫星的从站发射天线通过测距链路与监测站的监测接收天线对应连接；监测站的发射天线通过数据反馈链路与从站伪卫星的从站接收天线对应连接。

2.根据权利要求1所述的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统，其特征是，主站卫星发射机包括主站控制与配置单元、主站基带信号处理单元、主站射频前端电路单元、以及主站时分脉冲调制单元；主站控制与配置单元的控制与配置输出端与主站基带信号处理单元、主站射频前端电路单元和主站时分脉冲调制单元的控制与配置输入端连接；主站基带信号处理单元的输出端连接主站射频前端电路单元的输入端，主站射频前端电路单元的输出端上接有主站接收天线；原子时钟及分配单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与主站基带信号处理单元和主站时分脉冲调制单元的时钟输出端和秒脉冲输入端连接；主站时分脉冲调制单元的射频输出控制端连接主站射频前端电路单元的输出控制端。

3.根据权利要求1所述的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统，其特征是，从站卫星发射机包括从站控制与配置单元、从站基带信号处理单元、从站射频前端电路单元、以及从站时分脉冲调制单元；从站控制与配置单元的控制与配置输出端与从站基带信号处理单元、从站射频前端电路单元、从站时分脉冲调制单元和时间同步处理单元的控制与配置输入端连接；从站基带信号处理单元的输出端连接从站射频前端电路单元的输入端，从站射频前端电路单元的输出端上接有从站接收天线；时间同步处理单元的时钟输出端和秒脉冲输出端同时与从站基带信号处理单元和从站时分脉冲调制单元的时钟输出端和秒脉冲输入端连接；从站时分脉冲调制单元的射频输出控制端连接从站射频前端电路单元的输出控制端。

4.根据权利要求1所述的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步系统，其特征是，

当系统采用GPS信号体制时，主站伪卫星的主站基带信号处理单元和从站伪卫星的从站基带信号处理单元为GPS基带信号处理单元；对应地，监测站的卫星接收机为GPS伪卫星接收机；

当系统采用BD信号体制时，主站伪卫星的主站基带信号处理单元和从站伪卫星的从站基带信号处理单元为BD基带信号处理单元；对应地，监测站的卫星接收机为BD伪卫星接收机。

5.一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、在上电工作后第一个历元内，监测站让一个监测接收天线同时接收主站伪卫星和从站伪卫星发送的导航信号，并获得该监测接收天线对应的载波相位测量值；在保持环路跟踪的情况下，通过天线切换开关的切换，监测站让另一个监测接收天线同时接收主站伪卫星和从站伪卫星发送的导航信号，并获得该监测接收天线对应的载波相位测量值；

步骤2、监测站利用主站伪卫星和从站伪卫星的已知位置信息，对步骤1所得的载波相位测量值进行站间差分处理以建立钟差方程，并通过最小二乘估计调整搜索方法对钟差方程进行求解，得到初始历元的主从站伪卫星间的相对钟差和整周模糊度，完成系统初始化；

步骤3、完成系统初始化后，监控站以步骤2所得的初始历元的整周模糊度，解算出后续历元的主从站伪卫星间相对钟差；

步骤4、监测站采用本地时钟为基准，按照接收到的各个伪卫星信号的帧同步脉冲，并以伪码边沿校准，重构各个伪卫星对应的秒脉冲；采用时间间隔计数器，测量主从站伪卫星间的帧同步脉冲差，并扣除两站间的传播时延差，获得主从站伪卫星间的秒脉冲差；

步骤5、监测站将获得的各个主从站伪卫星间的相对钟差和秒脉冲差构成的主从站伪卫星间的误差数据，并通过数据反馈链路以一点多址的广播方式反馈播发到对应的从站伪卫星；

步骤6、各个从站伪卫星按照反馈的误差数据，对其时钟和秒脉冲进行动态实时地补偿和调整，以主站伪卫星的时间为基准，完成各个从站伪卫星与主站伪卫星的时间同步。

6.根据权利要求5所述的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法，其特征是，步骤2中，在完成系统初始化后，监测站可以任意工作于其中一个监测接收天线上。

7.根据权利要求5所述的一种无线反馈式伪卫星系统时间同步方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：

监测站利用主伪卫星和从伪卫星发送的导航信号获得多普勒观测值，并采用星间单差计算出主从站伪卫星间的相对时钟频偏；

采用数据反馈链路将相对时钟频偏以一点多址的广播方式反馈到对应从站伪卫星；

从站伪卫星利用相对时钟频偏对从站伪卫星的钟频进行调整，从而使得从站伪卫星与主站伪卫星的频率一致，以加快时钟同步的进程。

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