CN112134678A - 一种双节点相位同步方法 - Google Patents

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李名祺
董国英
汪烜
郭志军
芮正雄
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Shanghai Radio Equipment Research Institute
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Shanghai Radio Equipment Research Institute
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    • H04L7/02—Speed or phase control by the received code signals, the signals containing no special synchronisation information
    • H04L7/033—Speed or phase control by the received code signals, the signals containing no special synchronisation information using the transitions of the received signal to control the phase of the synchronising-signal-generating means, e.g. using a phase-locked loop

Abstract

一种双节点相位同步方法，主节点和从节点之间进行双向同步脉冲传输，测量主节点和从节点之间的频率差和相位噪声，计算补偿相位，用补偿相位来补偿接收回波，实现相位同步。本发明针对双节点间的相位进行同步，采用雷达载波相位的双向对传，获得两个节点间的频率差和相位噪声信号，用它补偿接收回波，实现相位同步，并获得较高精度。

Description

一种双节点相位同步方法
技术领域
本发明涉及一种双节点相位同步方法。
背景技术
空间中相距一定距离并且存在相互运动的两个节点要实现相位同步，必须通过无线传输来进行相位校准。首先通过时钟频率驯服减小节点间的频率差，当时节点间频率差小于一定值时，再通过检测载波相位并进行相互传输的方式实现。
检索文献1：GPS与恒温晶振互补的高稳定时钟研究
作者：杜文建
发表期刊：中国知网(硕士学位论文)
发表日期：2012年
文献1首先设计了GPS接收模块，将接收模块产生的1PPS信号送入FPGA中的时间间隔测量模块；FPGA在时间间隔测量模块中测量出GPS的1PPS信号和本地时钟分频得到的1Hz信号进行时间差统计；对时间差数据进行卡尔曼滤波处理，得到相对稳定的时间差信号，进而计算出实际的频率差，并控制OCXO的输出频率，保证了OCXO短期稳定度基本保持了原有指标，该文献只进行了载波频率同步，未对载波相位进行同步。
检索文献2：星机双基地SAR系统总体与同步技术研究
作者：周鹏
发表期刊：中国知网(博士学位论文)
发表日期：2008年
文献2对一些基于直达波的时间、频率同步方法进行了改进，针对己有文献中一种基于直达波的相位同步方法和用于星地双基地SAR中的一种时间对齐方法进行了适当改进，使之可用于星机双基地SAR；同时分析了时间、频率、相位同步方法所能获得的精度，精度可以满足要求；综合考虑了时间、频率及相位同步误差的补偿，提出了一种综合同步方案。该文献只进行了载波频率同步，并对SAR图像进行了同步，并未对载波相位进行同步。
检索文献3：双站SAR时频同步技术
作者：闫飞飞、常文革、张启雷
发表期刊：《信号处理》
发表日期：2013年
文献3基于星载SAR照射源的双站SAR系统，提出了一种利用直达波信号脉压峰值位置和相位信息提取时频同步误差，实现系统时频同步的方法，并对该方法的估计精度进行了分析。该文献只进行了载波频率同步，并未对载波相位进行同步。
检索文献4：一种非合作式星地双基地SAR时频同步方法。
【发明人】曾涛、田卫明、张天、胡程
【申请号】CN201410089824.0
【公开号】CN103823210A
【公开日】2014-05-28
文献4公开了一种非合作星地双基地SAR时频同步方法，将天线接收的信号进行二维划分、脉冲压缩操作后进行数据处理，并根据短合成孔径时间内，卫星轨道近似直线的先验信息，抑制了噪声对估计精度的影响，实现星地双基地SAR系统的时间同步误差估计。该文献只进行了载波频率同步，并对SAR图像进行了同步，并未对载波相位进行同步。
检索文献5：一种基于导航卫星的星地双基地SAR时频同步方法。
【发明人】曾涛、田卫明、张天、胡程
【申请号】CN201410088255.8
【公开号】CN103823206A
【公开日】2014-05-28
文献5不依赖事后星历实现星地双基地SAR系统的时频同步，提出一种利用直达波提取导航电文信息，解码获取时间和卫星轨道信息，从而计算接收数据对应的理论时间延迟历史和理论多普勒相位历史，并与其时间延迟历史和多普勒相位历史做差，得到时间和相位的同步误差估计的参数估计方法；该方法能够提高成像处理的实时性，且时间信息的获取更加准确，降低了时间偏差引入的误差影响。该文献只进行了载波频率同步，并对SAR图像进行了同步，并未对载波相位进行同步。
检索文献6：一种星载SAR的雷达绝对时间保持方法
【发明人】李世强、禹卫东、孙吉利、李早社
【申请号】CN201110311066.9
【公开号】CN103048643A
【公开日】2013-04-17
文献6公开了一种高精度雷达绝对时间保持方法，涉及星载合成孔径雷达(SAR)技术，针对通常的星载SAR系统中雷达绝对时间精度不高(仅为ms量级)的问题，在硬件控制下通过绝对时钟与本地相对时钟的结合实现雷达绝对时间的高精度保持，将雷达绝对时间保持精度提高到百ns量级。该文献对载波频率、相位进行了同步，但精度不满足要求。
发明内容
本发明提供一种双节点相位同步方法，针对双节点间的相位进行同步，采用雷达载波相位的双向对传，获得两个节点间的频率差和相位噪声信号，用它补偿接收回波，实现相位同步，并获得较高精度。
为了达到上述目的，本发明提供一种双节点相位同步方法，主节点和从节点之间进行双向同步脉冲传输，测量主节点和从节点之间的频率差和相位噪声，计算补偿相位，用补偿相位来补偿接收回波，实现相位同步。
所述测量频率差的方法包含：
从节点测量50次本地时统1pps信号间隔内的时钟周期数N，根据计算式
Figure BDA0002695313280000031
得到从节点相对于主节点的频率差；
其中，Δf是主节点和从节点之间的频率差，f0是标称频率，τ是计时间隔，ΔT＝(N·10-8-τ)s。
所述计算补偿相位的方法包含：
计算t时刻主节点i的雷达载波相位：
Figure BDA0002695313280000032
其中，
Figure BDA0002695313280000041
是主节点i的雷达载波初相，
Figure BDA0002695313280000042
是相位噪声，f0是标称频率，Δfi是主节点和从节点之间的频率差；
以
Figure BDA0002695313280000043
表示主节点i发射，从节点j接收得到的解调相位，则t时刻主节点发射同步脉冲，t+τ12时刻被从节点接收得到的解调相位为
Figure BDA0002695313280000044
补偿相位为：
Figure BDA0002695313280000045
其中，
Figure BDA0002695313280000046
和
Figure BDA0002695313280000047
是发射通道和接收通道的相位抖动，
Figure BDA0002695313280000048
是同步喇叭天线相位方向图引入的相位变化，
Figure BDA0002695313280000049
是接收机噪声引起的相位误差，i＝1或2分别代表主节点或从节点；
上式中，等号右边第1项为由卫星相对运动的多普勒效应引入的相位误差，第2项为雷达载波相位的初始差，第3项为主节点与从节点频率偏差形成的相位差，第4项和第5项是相位噪声形成的相位差，第6项为接收机噪声引入的相位误差，第7项和第8项为雷达收发通道相位抖动引入的相位误差，第9项和第10项为一次相位同步脉冲对传过程中，主节点与从节点相对位置发生变化而由同步喇叭天线方向图引入的相位误差，第11项为天线方向图引起的相位误差。
本发明针对双节点间的相位进行同步，采用雷达载波相位的双向对传，获得两个节点间的频率差和相位噪声信号，用它补偿接收回波，实现相位同步，并获得较高精度。
附图说明
图1是主节点或从节点的设备结构图。
图2是中频及数字处理模块的结构图。
图3是铷钟校准原理图。
图4是GNSS伺服晶体频率标准原理图。
图5是主节点和从节点的内场通信测试场景示意图。
图6是GPS驯服晶振原理图。
图7是时间及相位同步误差。
具体实施方式
以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
载波相位同步是分布式卫星SAR成像、分布式雷达干扰正常工作的前提。本发明通过双向无线通信使一定距离范围内的两个节点间的载波相位同步，在采用GPS驯服晶振的基础上，利用相位同步脉冲的双向传输实现相位同步。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，主节点(主星)和从节点(辅星)的设备组成相同，都包含：中频及数字处理模块1、上下变频器2、功率放大器3、收发天线4和电源芯片5。
进一步，如图2所示，所述的中频及数字处理模块包含：
FPGA模块101，其连接电源芯片5和接口芯片，所述的FPGA模块101还连接100MHz频率源，所述的FPGA模块101输出主节点和从节点之间的频率差绝对值；
模数转换模块AD102，其分别连接电源芯片5，FPGA模块101和上下变频器2，用于接收中频输入信号；
数模转换模块DA103，其分别连接电源芯片5，FPGA模块101和上下变频器2，用于输出中频输出信号。
主节点和从节点的频率基准(100MHz频率源)可以工作于两种模式，一种是工作于铷钟状态时采用铷钟校准的方式，另一种是恒温晶体并采用自主时钟伺服的方式实现节点间频率同步。
如图3所示，当工作于星地协同铷钟校准时，选择的铷钟具有较高的频率准确度、频率稳定度和相位噪声等指标，按铷钟的频率漂移指标1×10-13计算则300天左右会飘出3×10-11频率准确度的指标要求。
当工作于铷钟校准模式时，将频率标准与高精度校频GNSS接收机相结合，利用接收到的GNSS标准时间频率信号校准本地频率标准的输出频率，使其保持较高的准确度。GNSS频率标准的复现是利用GNSS标准时间信号锁定本地高频振荡器(如恒温晶体振荡器)，使本地频率标准的频率跟踪标准时间信号，提高晶振输出频率的准确度，减小输出信号抖动，从而减小重现性、老化或漂移对频率准确度的影响，使其短期稳定度能保持本地高频振荡器的水平，并能使本地被控振荡器有效地复现所接收的GNSS标准时间频率信号的长期稳定度和准确度，把这个过程称为伺服。晶振的伺服是一个闭环的负反馈控制过程，如图4所示，为星间相对状态测量GNSS接收机压控OCXO伺服的工作原理图。压控的恒温晶振基准振荡器频率为10MHz，通过倍频电路，得到两路同源时钟，分别给GNSS接收机和SAR分系统使用。
通过GNSS接收处理驯服后，为其他分系统提供高精度、高稳定度和低相位噪声的100MHz时钟；为接收机板模块提供本振时钟和采样工作时钟，为星间测量分系统提供时频同步保证。
主节点和从节点的通信测试场景分为内场测试和外场测试，内场测试主要通过射频线缆加衰减器的方式模拟链路衰减，外场测试则通过衰减器加天线空馈的方式模拟实际使用情况。
在本发明的一个实施例中，对主节点和从节点进行内场测试，如图5所示，是内场测试的系统框图，图中主节点和从节点的输出参数包括时统(按照每1s输出的时间同步脉冲)1pps、定位信息、数传参数、接口状态、设备状态等状态参数。
主节点和从节点之间进行双向同步脉冲传输，主节点和从节点之间产生相位误差，造成相位变化的因素包括：发射端和接收端的基准频率差Δfi，相位噪声
Figure BDA0002695313280000061
发射通道和接收通道的相位抖动
Figure BDA0002695313280000062
与
Figure BDA0002695313280000063
同步喇叭天线相位方向图引入的相位变化
Figure BDA0002695313280000064
接收机噪声引起的相位误差
Figure BDA0002695313280000065
主节点与从节点相对运动的多普勒效应引起的相位变化2πΔd/λ等，其中i＝1或2分别代表主节点或从节点。若令主节点与从节点的雷达载波频率为fi＝f0+Δfi，其中，f0为标称频率，Δfi为卫星i的频率偏差，则t时刻卫星i的雷达载波相位为：
Figure BDA0002695313280000071
其中，
Figure BDA0002695313280000072
为卫星i的雷达载波初相，
Figure BDA0002695313280000073
为载波相位噪声。
以
Figure BDA0002695313280000074
表示卫星i发射，卫星j接收得到的解调相位，则t时刻主节点发射同步脉冲，t+τ12时刻被从节点接收得到的解调相位为
Figure BDA0002695313280000075
补偿相位为：
Figure BDA0002695313280000076
提取补偿相位的目的是获取主节点与从节点的频率偏差和相位噪声引起的相位同步误差，在此过程中引入的其它相位将成为影响相位同步性能的干扰相位。从式(2)中可知，等号右边第1项为由卫星相对运动的多普勒效应引入的相位误差，第2项为雷达载波相位的初始差，第3项为主节点与从节点频率偏差形成的相位差，第4项和第5项是相位噪声形成的相位差，这些正是补偿从节点回波相位，实现相位同步需要的成分。其它项均是在双向同步脉冲传输过程中引入的额外相位误差，将形成相位同步后的剩余相位误差。其中第6项为接收机噪声引入的相位误差，第7项和第8项为雷达收发通道相位抖动引入的相位误差，第9项和第10项为一次相位同步脉冲对传过程中，主节点与从节点相对位置发生变化而由同步喇叭天线方向图引入的相位误差，第11项为天线方向图引起的相位误差。
收发通道的相位抖动一般可以控制在5°以内，对相位同步性能影响也较小，当卫星相对运动的速度稳定或变化不大时，多普勒效应引入的相位近似为常数，对相位同步性能影响较小。
依靠节点间时钟同步，可以保证雷达载波频率差小于1Hz，使得相位误差测量过程中的采样满足耐奎斯特定理，可大大简化相位同步误差提取和补偿的复杂性，提高了相位同步的可靠性。通过雷达载波相位的双向对传，获得两个节点的频率差和相位噪声信号，用它补偿接收回波，即可实现相位同步。
在本发明的一个实施例中，先进行频率误差测量和校正，到一定频率偏差后，再进行相位校正。主节点与从节点基准频率源用GPS驯服晶振，由于GPS卫星上采用的原子钟频率准确度在10-12量级以上，使得驯服后主节点与从节点载波频率差足够小。GPS驯服晶振将石英晶体振荡器优良的短期稳定特性和GPS信号良好的长期稳定特性结合起来，GPS驯服晶振的原理如图6所示。驯服电路实际上是一个锁相环，被驯晶振的输出经过分频整形后产个锁相环，被驯晶振的输出经过分频整形后产生秒脉冲信号，将其与GPS接收机输出的PPS脉冲比相得到相位差，对该相位差进行数字滤波，并经D/A转换后得到误差电压，控制被驯晶振的压控端实现频率调整。
要调整收发设备的时钟频率误差，首先要对频率误差进行估计。本发明采用比时法进行频率误差测量，具体方法是，从节点测量50次本地时统1pps信号间隔内的时钟周期数N，则根据计算式
Figure BDA0002695313280000081
可以得到从节点相对于主节点的频率误差。由于主节点的在这段时间内经历的时钟周期数为整数109，因此ΔT＝(N·10-8-τ)s(4)，τ＝100s，f0＝100MHz。可见，N的准确度决定了频率误差的估计精度。
N的精度取决于计时开始和结尾处的1pps信号的时间准确度，根据本发明采用的时统技术，1pps时间同步精度可以达到1ns(1σ)，计时间隔τ＝100s的情况下，频率误差估计精度可以达到2×10-11，即0.002Hz左右。在对晶振的频率进行修正以后，主从节点的时钟每秒相位累积偏差约为0.002×360°＝0.77°。
频率源的校正可以通过调整恒温晶振的频率控制管脚上加载的电压值来实现，具体做法是，由本模块将估计的频率误差Δf进行换算后，输入到DDS中调节时钟频率。进而，从而达到改变频率控制管脚上加载的电压值的目的。
如图7所示，分别是结合锁相环进行相位校准后的相位同步精度，鉴相性能和对应的时间同步精度仿真结果，经过锁相同步后的同步误差，是一个逐步收敛的过程。
本发明提供一种双节点相位同步方法，主要针对双节点间的相位进行同步，采用雷达载波相位的双向对传，获得两个节点间的频率差和相位噪声信号，用它补偿接收回波，实现相位同步。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种双节点相位同步方法，其特征在于，主节点和从节点之间进行双向同步脉冲传输，测量主节点和从节点之间的频率差和相位噪声，计算补偿相位，用补偿相位来补偿接收回波，实现相位同步。
2.如权利要求1所述的双节点相位同步方法，其特征在于，所述测量频率差的方法包含：
从节点测量50次本地时统1pps信号间隔内的时钟周期数N，根据计算式
Figure FDA0002695313270000011
得到从节点相对于主节点的频率差；
其中，Δf是主节点和从节点之间的频率差，f0是标称频率，τ是计时间隔，ΔT＝(N·10-8-τ)s。
3.如权利要求2所述的双节点相位同步方法，其特征在于，所述计算补偿相位的方法包含：
计算t时刻主节点i的雷达载波相位：
Figure FDA0002695313270000012
其中，
Figure FDA0002695313270000013
是主节点i的雷达载波初相，
Figure FDA0002695313270000014
是相位噪声，f0是标称频率，Δfi是主节点和从节点之间的频率差；
以
Figure FDA0002695313270000015
表示主节点i发射，从节点j接收得到的解调相位，则t时刻主节点发射同步脉冲，t+τ12时刻被从节点接收得到的解调相位为
Figure FDA0002695313270000016
补偿相位为：
Figure FDA0002695313270000017
Figure FDA0002695313270000021
其中，
Figure FDA0002695313270000022
和
Figure FDA0002695313270000023
是发射通道和接收通道的相位抖动，
Figure FDA0002695313270000024
是同步喇叭天线相位方向图引入的相位变化，
Figure FDA0002695313270000025
是接收机噪声引起的相位误差，i＝1或2分别代表主节点或从节点；
上式中，等号右边第1项为由卫星相对运动的多普勒效应引入的相位误差，第2项为雷达载波相位的初始差，第3项为主节点与从节点频率偏差形成的相位差，第4项和第5项是相位噪声形成的相位差，第6项为接收机噪声引入的相位误差，第7项和第8项为雷达收发通道相位抖动引入的相位误差，第9项和第10项为一次相位同步脉冲对传过程中，主节点与从节点相对位置发生变化而由同步喇叭天线方向图引入的相位误差，第11项为天线方向图引起的相位误差。
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