CN112672412B - 一种运动站间的卫星双向时间比对方法及系统 - Google Patents

一种运动站间的卫星双向时间比对方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种运动站间的卫星双向时间比对方法及系统，包括：首先，提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；最后，根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。本发明实时性和结果精度将同时提高。

Description

一种运动站间的卫星双向时间比对方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是一种运动站间的卫星双向时间比对方法及系统。
背景技术
卫星双向时间比对技术是一种高精度的时间比对技术，广泛用于标准时间溯源、站间时间同步等领域。由于卫星双向时间比对理论模型中认为双方向信号传输路径一致，比对比对站点的运动将改变信号传输路径，破坏理论模型，于是利用传统卫星双向时间比对技术测量运动比对站点间的钟差结果存在理论偏差，偏差大小与相对运动速度和加速度有关，测量精度大幅下降。
目前一些卫星双向运动补偿模型利用运动比对站点的实时定位结果修正比对站点运动引起的钟差比对结果的偏差。但是，上述类似模型的数据解算过程中普遍需要利用卫星导航定位信息和卫星星历，而卫星精密星历通常难以实时获取，从而导致实时性差；此外当前卫星导航定位系统给出的定位结果通常以1s或0.1s为间隔，与卫星双向系统信号发射时刻与接收时刻难以准确对齐，进而导致补偿误差大，修正后结果精度仍无法令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运动站间的卫星双向时间比对方法及系统，解决比对比对站点运动造成的卫星双向时间比对测量精度低的问题。
有鉴于此，本发明提供一种运动站间的卫星双向时间比对方法，其特征在于，包括：
首先，提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；
然后，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；
最后，根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。
进一步地，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，包括：
分别获取第一比对站点的时钟和第二比对站点的时钟，以得到第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率；
根据第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率进行计算，得到第二比对站点的调制解调器和变频器的参考频率。
进一步地，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，包括：通过第一比对站点与第二比对站点与卫星之间进行运动，测量得到第一比对站点与卫星之间的相对速度，以及第二比对站点与卫星之间的相对速度。
进一步地，所述测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，包括：
首先，第一比对站点与第二比对站点分别产生中频调制信号，进行处理后，发送向卫星；
然后，卫星接收后通过卫星转发器发送向两个比对站点，得到卫星转发器转发的第一比对站点的信号与第二比对站点的信号；
最后，第一比对站点与第二比对站点采用双通道分别接收本站和对方站点的信号，以得到两个比对站点间的频差，对所述频差进行解算，得到两个比对站点间的相对时差。
本发明的另一目的在于提供一种运动站间的卫星双向时间比对系统，其特征在于，包括：
静态处理模块，用于提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；
动态处理模块，用于第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；
解算输出模块，用于根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。
进一步地，所述静态处理模块包括：
获取子模块，用于分别获取第一比对站点的时钟和第二比对站点的时钟，以得到第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率；
计算子模块，根据第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率进行计算，得到第二比对站点的调制解调器和变频器的参考频率。
进一步地，所述动态处理模块，包括：确定子模块，用于通过第一比对站点与第二比对站点与卫星之间进行运动，测量得到第一比对站点与卫星之间的相对速度，以及第二比对站点与卫星之间的相对速度。
进一步地，所述解算输出模块包括：
生成子模块，用于第一比对站点与第二比对站点分别产生中频调制信号，进行处理后，发送向卫星；
采集子模块，用于卫星接收后通过卫星转发器发送向两个比对站点，得到卫星转发器转发的第一比对站点的信号与第二比对站点的信号；
输出子模块，用于第一比对站点与第二比对站点采用双通道分别接收本站和对方站点的信号，以得到两个比对站点间的频差，对所述频差进行解算，得到两个比对站点间的相对时差。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：首先，提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；然后，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；最后，根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。由于卫星和移动站之间相对运动造成的传递链路变化对时间比对的影响已经反映在多普勒频率测量值中，利用载波信号的相位信息解算运动比对站点时间比对的方法不再需要对卫星和运动比对站点位置进行推算，其实时性和结果精度将同时得到提高。
附图说明
图1为本发明的运动站间的卫星双向时间比对方法的流程图；
图2为本发明的运动站间的卫星双向时间比对方法的实施例示意图；
图3为本发明的运动站间的卫星双向时间比对系统的数据处理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。
请参照图1至图3，本发明提供一种运动站间的卫星双向时间比对方法，包括：
步骤S101，提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；
步骤S102，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；
步骤S103，根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。
在一个实施例中，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，包括：
分别获取第一比对站点的时钟和第二比对站点的时钟，以得到第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率；
根据第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率进行计算，得到第二比对站点的调制解调器和变频器的参考频率。
在一个实施例中，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，包括：通过第一比对站点与第二比对站点与卫星之间进行运动，测量得到第一比对站点与卫星之间的相对速度，以及第二比对站点与卫星之间的相对速度。
在一个实施例中，所述测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，包括：
首先，第一比对站点与第二比对站点分别产生中频调制信号，进行处理后，发送向卫星；
然后，卫星接收后通过卫星转发器发送向两个比对站点，得到卫星转发器转发的第一比对站点的信号与第二比对站点的信号；
最后，第一比对站点与第二比对站点采用双通道分别接收本站和对方站点的信号，以得到两个比对站点间的频差，对所述频差进行解算，得到两个比对站点间的相对时差。
本发明的另一目的在于提供一种运动站间的卫星双向时间比对系统，包括：
静态处理模块，用于提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；
动态处理模块，用于第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；
解算输出模块，用于根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。
在一个实施例中，所述静态处理模块包括：
获取子模块，用于分别获取第一比对站点的时钟和第二比对站点的时钟，以得到第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率；
计算子模块，根据第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率进行计算，得到第二比对站点的调制解调器和变频器的参考频率。
在一个实施例中，所述动态处理模块，包括：确定子模块，用于通过第一比对站点与第二比对站点与卫星之间进行运动，测量得到第一比对站点与卫星之间的相对速度，以及第二比对站点与卫星之间的相对速度。
在一个实施例中，所述解算输出模块包括：
生成子模块，用于第一比对站点与第二比对站点分别产生中频调制信号，进行处理后，发送向卫星；
采集子模块，用于卫星接收后通过卫星转发器发送向两个比对站点，得到卫星转发器转发的第一比对站点的信号与第二比对站点的信号；
输出子模块，用于第一比对站点与第二比对站点采用双通道分别接收本站和对方站点的信号，以得到两个比对站点间的频差，对所述频差进行解算，得到两个比对站点间的相对时差。
作为具体的实施例，本发明利用卫星双向信号中的载波信号的相位信息和初始钟差信息对运动站间时间比对测量钟差进行解算。利用本发明实现运动站间时间比对主要分为两步，具体步骤如下：
1)静态比对站点钟差测量
利用卫星双向时间比对系统测量比对站点静态情况下钟差，作为初始钟差信息，并检查系统状态是否正常。初始钟差信息用于确定后续运动站间时间比对的初始钟差结果。
2)运动比对站点钟差测量
利用载波相位卫星双向时间比对系统测量比对站点运动情况下钟差。两个比对比对站点同时接收自发和互发两路比对信号，采集载波信号的相位信息，将比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，建立四个测量方程，同时对运动比对站点比对钟差和多普勒频率进行解算。
作为具体的实施例，由于多普勒效应，运动比对站点接收的载波频率中会包含比对站点与卫星之间相对运动所造成的多普勒频率，因此载波信号的相位信息中包含比对站点运动造成的时间比对误差。本发明将多普勒频率作为待测量，与比对站点时间比对钟差一同进行解算，于是解算钟差结果中不再包含比对站点运动的影响，消除了比对站点运动造成的传输路径不对称所引起的时间比对误差，同时避免了使用运动补偿模型引入的速度、位置估算误差，进一步提高运动站间时间比对精度。此外，由于载波相位存在整周模糊度，需要步骤1测量的初始钟差信息作为初始值，联合解算，最终得到精确的运动站间时间比对结果。
作为具体的实施例，如图2所示，不妨假设两个比对比对站点分别为A站和B站，其待比对时钟分别记为CLKA和CLKB。A站和B站时钟为本站的调制解调器和变频器提供参考频率，分别记为fclkA和fclkB。不妨以A站为基准站，频率为fsys，A站和B站时钟频率相差df，于是A站和B站参考频率分别为
fclkA＝fsys (1)
fclkB＝fsys+df (2)
比对站点运动情况下接收信号频率测量值中包含卫星与比对站点之间相对运动引起的多普勒频率，一阶多普勒系数表示为
Figure BDA0002827950460000071
Figure BDA0002827950460000072
其中，
Figure BDA0002827950460000073
为比对站点A与卫星之间的相对速度，
Figure BDA0002827950460000074
为比对站点B与卫星之间的相对速度，c为光速。时间比对过程中，比对站点A和比对站点B分别产生中频调制信号，与上变频单元混频后，发送向卫星。再通过卫星转发器fSLO，发送向两个比对站点。于是卫星转发器转发的A站信号频率为
fSTxA＝(ftxA+fAU)+kA(ftxA+fAU)-fSLO (5)
其中，ftxA为A站中频发射频率，fAU为A站上变频本振频率，fSLO为卫星转发器本振频率(未知)，以上三个频率值均是fsys参考下的结果。
同理，卫星转发器转发的B站信号频率为
Figure BDA0002827950460000075
其中，ftxB为B站中频发射频率，fBU为B站上变频本振频率，fSLO为卫星转发器本振频率(未知)，ftxB和fBU是fsys+df参考下的结果，fSLO是fsys参考下的结果，
Figure BDA0002827950460000076
为上述两个不同参考之间的转换系数。最终式(6)是fsys+df参考下的结果。
随后，转发信号达到比对站点，与下变频单元混频后，进入调制解调器双通道接收模块，两个通道分别接收本站和对方比对站点的信号。在比对站点接收信号过程中，须考虑多普勒效应和不同参考下的转换。于是A站接收的A站信号频率为
Figure BDA0002827950460000077
其中，fAD为A站下变频本振频率，所有频率值都是fsys参考下的结果，不涉及不同参考的转换。
B站接收的A站信号频率为
Figure BDA0002827950460000081
其中，fBD为B站下变频本振频率，是fsys+df参考下的结果，fSTxA是fsys参考下的结果。而FAB是B站的测量结果，于是需要统一转换到fsys+df参考下。
类似的，A站接收的B站信号频率为
Figure BDA0002827950460000082
B站接收的B站信号频率为
Figure BDA0002827950460000083
根据上述方程式(7)(8)(9)(10)，共有4个未知量kA、kB、fSLO、df，能够求解得到两个比对站点间的频差df，对df进行实时积分，得到两个比对站点间的相对时差，再结合步骤一中静态测量的初始钟差信息，最终得到两个比对站点间的时间比对结果，如附图2所示。
在具体实现时，由于需要进行近实时的数据处理，数据处理量大，因此应当选用高速数字处理芯片来实现数据处理。此外，作为初始钟差信息的静态比对站点钟差测量结果十分重要，决定了后续运动比对站点钟差测量结果的准确度，因此应当确保得到稳定、有效的静态比对站点钟差测量结果后，再开始运动比对站点钟差测量。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：首先，提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；然后，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；最后，根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果。由于卫星和移动站之间相对运动造成的传递链路变化对时间比对的影响已经反映在多普勒频率测量值中，利用载波信号的相位信息解算运动比对站点时间比对的方法不再需要对卫星和运动比对站点位置进行推算，其实时性和结果精度将同时得到提高。
根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种运动站间的卫星双向时间比对方法，其特征在于，包括：
首先，提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；
然后，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；
最后，根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果，
其中，第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，包括：通过第一比对站点与第二比对站点与卫星之间进行运动，测量得到第一比对站点与卫星之间的相对速度，以及第二比对站点与卫星之间的相对速度，记A站和B站时钟为本站的调制解调器和变频器提供参考频率fclkA和fclkB，以A站为基准站，频率为fsys，A站和B站时钟频率相差df，于是A站和B站参考频率分别为
fclkA＝fsys (1)
fclkB＝fsys+df (2)
比对站点运动情况下接收信号频率测量值中包含卫星与比对站点之间相对运动引起的多普勒频率，一阶多普勒系数表示为
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
其中，
Figure QLYQS_3
为比对站点A与卫星之间的相对速度，
Figure QLYQS_4
为比对站点B与卫星之间的相对速度，c为光速；
并且其中，所述测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，包括：首先，第一比对站点与第二比对站点分别产生中频调制信号，进行处理后，发送向卫星；然后，卫星接收后通过卫星转发器发送向两个比对站点，得到卫星转发器转发的第一比对站点的信号与第二比对站点的信号；最后，第一比对站点与第二比对站点采用双通道分别接收本站和对方站点的信号，以得到两个比对站点间的频差，对所述频差进行解算，得到两个比对站点间的相对时差，
其中，时间比对过程中，比对站点A和比对站点B分别产生中频调制信号，与上变频单元混频后，发送向卫星；再通过卫星转发器fSLO，发送向两个比对站点，于是卫星转发器转发的A站信号频率为
fSTxA＝(ftxA+fAU)+kA(ftxA+fAU)-fSLO (5)
其中，ftxA为A站中频发射频率，fAU为A站上变频本振频率，fSLO为卫星转发器本振频率，以上三个频率值均是fsys参考下的结果；同理，卫星转发器转发的B站信号频率为
Figure QLYQS_5
其中，ftxB为B站中频发射频率，fBU为B站上变频本振频率，fSLO为卫星转发器本振频率，ftxB和fBU是fsys+df参考下的结果，fSLO是fsys参考下的结果，
Figure QLYQS_6
为上述两个不同参考之间的转换系数，最终式(6)是fsys+df参考下的结果，
随后，转发信号达到比对站点，与下变频单元混频后，进入调制解调器双通道接收模块，两个通道分别接收本站和对方比对站点的信号，在比对站点接收信号过程中，须考虑多普勒效应和不同参考下的转换，于是A站接收的A站信号频率为
Figure QLYQS_7
其中，fAD为A站下变频本振频率，所有频率值都是fsys参考下的结果，不涉及不同参考的转换；
B站接收的A站信号频率为
Figure QLYQS_8
其中，fBD为B站下变频本振频率，是fsys+df参考下的结果，fSTxA是fsys参考下的结果，而FAB是B站的测量结果，于是需要统一转换到fsys+df参考下；
A站接收的B站信号频率为
Figure QLYQS_9
B站接收的B站信号频率为
Figure QLYQS_10
根据上述方程式(7)(8)(9)(10)，共有4个未知量kA、kB、fSLO、df，能够求解得到两个比对站点间的频差df，对df进行实时积分，得到两个比对站点间的相对时差，再结合静态测量的初始钟差信息，最终得到两个比对站点间的时间比对结果。
2.根据权利要求1所述的运动站间的卫星双向时间比对方法，其特征在于：测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，包括：
分别获取第一比对站点的时钟和第二比对站点的时钟，以得到第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率；
根据第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率进行计算，得到第二比对站点的调制解调器和变频器的参考频率。
3.一种执行如权利要求1所述的运动站间的卫星双向时间比对方法的运动站间的卫星双向时间比对系统，其特征在于，包括：
静态处理模块，用于提供第一比对站点与第二比对站点，所述第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间相对静止，测量所述第一比对站点与第二比对站点在静态情况下的钟差，得到初始钟差信息；
动态处理模块，用于第一比对站点和第二比对站点分别与卫星之间进行相对运动，同时接收自发和互发两路比对载波信号，采集载波信号的相位信息，将两个比对站点相对卫星运动所造成的多普勒效应作为待测量，测量所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差；
解算输出模块，用于根据所述初始钟差信息，以及所述第一比对站点与第二比对站点在动态情况下的钟差，进行数据解算处理，获得钟差比对结果，
其中，所述动态处理模块包括：确定子模块，用于通过第一比对站点与第二比对站点与卫星之间进行运动，测量得到第一比对站点与卫星之间的相对速度，以及第二比对站点与卫星之间的相对速度；
并且其中，所述解算输出模块包括：生成子模块，用于第一比对站点与第二比对站点分别产生中频调制信号，进行处理后，发送向卫星；采集子模块，用于卫星接收后通过卫星转发器发送向两个比对站点，得到卫星转发器转发的第一比对站点的信号与第二比对站点的信号；输出子模块，用于第一比对站点与第二比对站点采用双通道分别接收本站和对方站点的信号，以得到两个比对站点间的频差，对所述频差进行解算，得到两个比对站点间的相对时差。
4.根据权利要求3所述的运动站间的卫星双向时间比对系统，其特征在于：所述静态处理模块包括：
获取子模块，用于分别获取第一比对站点的时钟和第二比对站点的时钟，以得到第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率；
计算子模块，根据第一比对站点的调制解调器和变频器的参考频率进行计算，得到第二比对站点的调制解调器和变频器的参考频率。
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