CN112702105A - 一种地空通信电台时频校准系统及方法 - Google Patents

一种地空通信电台时频校准系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地空通信电台时频校准系统及方法，包括：卫星导航接收机接收卫星信号，获得卫星授时信号；网络时间服务器根据卫星授时信号，获得时频同步信号，并向电台时频同步节点设备发送时频同步信号，时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；电台时频同步节点设备通过网络获取时频同步信号，并根据时频同步信号，解析出日期时间信号，以日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E‑6量级秒脉冲信号；电台根据1E‑6量级秒脉冲信号，进行时频校准。本发明为民用机场和航路沿线地面站点中的地空通信电台提供了统一的时频基准，同时能有效抗干扰，对电台进行精确的时频校准。

Description

一种地空通信电台时频校准系统及方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种地空通信电台时频校准系统及方法。
背景技术
随着社会经济文化的高速发展，人民生活水平的提高，跨城市、跨国家的经济文化交流越来越多，旅游人数也越来越多，因此，民用机场数量也越来越多，航路沿线地面站点数量也是越来越多。目前，民用机场和航路沿线地面站点中的地空通信电台没有统一的时频基准，且器件老化以后电台产生的频率偏移进一步增大，无法保证电台时频基准稳定统一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是民用机场和航路沿线地面站点中的地空通信电台没有统一的时频基准，目的在于提供一种地空通信电台时频校准系统及方法，解决了地空通信电台时频基准不统一的问题，实现了地空通信电台时频基准精确校准。
本发明通过下述技术方案实现：
一种地空通信电台时频校准系统，包括：卫星导航接收机、网络时间服务器、电台时频同步节点设备和电台；所述卫星导航接收机接收卫星信号，获得所述卫星授时信号；所述网络时间服务器根据所述卫星授时信号，获得时频同步信号，并向所述电台时频同步节点设备发送所述时频同步信号，所述时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；所述电台时频同步节点设备通过网络获取所述时频同步信号，并根据所述时频同步信号，解析出日期时间信号，以所述日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E-6量级秒脉冲信号；所述电台根据所述1E-6量级秒脉冲信号，进行时频校准。
现有技术中，民用机场和航路沿线地面站点中的地空通信电台没有统一的时频基准，且电台器件老化以后电台产生的频率偏移进一步增大，无法保证电台时频基准稳定统一。本发明通过网络时间服务器接收卫星授时信号并提供NTP(网络授时信号)或PTP(精确网络授时信号)以及基于SyncE(同步以太网)的基准频率信号，再转发给各个机场和站点的电台时频同步节点设备，保证不同机场和站点的时间同步。电台时频同步节点设备接收网络时频信号的同步，并解析出TOD(日期时间信号)，然后以TOD为时间戳，同时结合1PPS指示信号，向电台统一提供优于1E-6量级的秒脉冲信号用于电台时频校准。可解决传统的地空通信系统无法保证电台时频基准稳定统一的问题，为百公里范围内的数百个电台提供精确统一的时频基准，确保电台时频基准稳定统一。
进一步的，所述电台内部配置温补晶振，根据所述1E-6量级秒脉冲信号，将所述温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。
进一步的，通过定时计数对所述1E-6量级秒脉冲信号中的异常秒脉冲信号进行剔除，对剔除异常秒脉冲信号后的1E-6量级秒脉冲信号进行鉴相，得到时钟误差，采用联合滤波法对所述时钟误差进行滤波，得到滤波后的时钟误差值，将所述时钟误差值由计数值形式转换为相应的误差电压信号，通过所述误差电压信号控制所述温补晶振的输出频率。
进一步的，所述联合滤波法包括第一滤波法和第二滤波法，所述第一滤波法为均值滤波法，如下：
Figure BDA0002825738600000021
其中，pd_err_aver为均值滤波后的时钟误差，N表示平均点数，pd_err表示时钟误差；
所述第二滤波法如下：
Figure BDA0002825738600000022
其中，pd_err_pid(t)表示第二滤波法处理后的时钟误差，Kp表示比例系数，Ki表示积分时间系数，Kd表示微分时间系数。
采用定时计数技术剔除异常秒脉冲，同时采用均值滤波结合比例+微分+积分的联合滤波方法对时钟误差进行滤波，从而，达到抗干扰的目的，可以对电台进行精确的时频校准。
进一步的，所述网络时间服务器配置铷原子钟；在所述卫星信号良好的情况下，接收所述卫星授时信号，并对所述网络时间服务器内部的频率源进行驯服；在所述卫星信号较差时，所述网络时间服务器进行自守时。
进一步的，还包括时统网管软件，所述时统网管软件用于实时监管所述网络时间服务器和所述电台时频同步节点设备的同步状态，并根据所述同步状态，对所述网络时间服务器和所述电台时频同步节点设备进行参数配置和同步状态记录。
进一步的，所述时间同步信号包括网络授时信号NTP或精确网络授时信号PTP，所述频率同步信号包括基于SyncE协议的基准频率信号。
进一步的，所述卫星导航接收机同时兼容北斗和GPS。
本发明的另一种实现方法，一种地空通信电台时频校准方法，包括以下步骤：步骤S1：获取卫星信号，根据所述卫星授时信号，获得时频同步信号，所述时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；步骤S2：根据所述时频同步信号，解析出日期时间信号，以所述日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E-6量级秒脉冲信号；步骤S3：所述电台根据所述1E-6量级秒脉冲信号，将电台内部温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。
进一步的，所述步骤S3包括以下步骤：步骤S31：通过定时计数对所述1E-6量级秒脉冲信号中的异常秒脉冲信号进行剔除；步骤S32：对剔除异常秒脉冲信号后的1E-6量级秒脉冲信号进行鉴相，得到时钟误差；
步骤S33：采用联合滤波法对所述时钟误差进行滤波，得到滤波后的时钟误差值；步骤S34：将所述时钟误差值由计数值形式转换为相应的误差电压信号，通过所述误差电压信号控制所述温补晶振的输出频率。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明解决了传统的地空通信系统无法保证电台时频基准稳定统一的问题，为百公里范围内的数百个电台提供精确统一的时频基准，确保电台时频基准稳定统一，实现了对地面站点电台精确的时频校准，同时能有效的解决由于电台器件老化，产生的频率偏移的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明系统组成示意图；
图2为电台内部频率校准框图；
图3为电台频率校准流程图。
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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1是一种地空通信电台时频校准系统，如图1所示，包括电台、卫星导航接收机(兼容北斗和GPS)、网络时间服务器、电台时频同步节点设备以及相应的时统网管软件组成。网络时间服务器接收卫星授时信号并向网络提供NTP(网络授时信号)或PTP(精确网络授时信号)以及基于SyncE(同步以太网)的基准频率信号，再由网络转发给各个机场和站点的电台时频同步节点设备，保证不同机场和站点的时间同步。电台时频同步节点设备接收网络时频信号的同步，并解析出TOD(日期时间信号)，然后以TOD为时间戳，同时结合1PPS指示信号(1PPS表示秒脉冲信号，每隔1秒输出一个脉冲)，向电台统一提供优于1E-6量级的秒脉冲信号用于电台时频校准。时统网管软件统一收集网络时间服务器的状态信息和下属电台时频同步节点设备的同步状态并可对其进行参数配置，实现对整个系统的实时监控和状态显示记录的功能。
在网络时间服务器配置交换机，并将报文(NTP、PTP和SyncE)分别送给各个地面站点节点，采用SyncE协议实现网络时间服务器与地面站点节点的频率同步，采用PTP协议实现时间同步。
网络时间服务器作为电台时频同步的基准，配置铷原子钟，在卫星信号良好的情况下接收卫星授时信号并对设备内部的频率源进行驯服，在该情况下时间同步精度优于100ns,频率准确度优于1E-12，在卫星信号较差时，设备进行自守时确保时间的正确，其时间保持精度优于1μs/天，按照5E-12/天的老化进行计算，独立守时3天的时间偏差小于3μs。
电台时频同步节点设备配置恒温晶振，其初始频率准确度优于5E-8，老化率优于5E-10/天，5E-8/年。在网络通信正常的情况下，PTP时间同步精度优于10μs，在中间交换设备支持SyncE协议的情况下，频率同步准确度与网络时间服务器保持一致，在1E-12量级；在中间交换设备不支持SyncE协议的情况下，通过长期的数据采集计算，可驯服晶振的准确度在1E-9量级；如不进行驯服也可依靠晶振自身特性，在设备的生命周期内，保证其输出频率准确度优于E-6量级。在网络中断的情况下，独立守时1天的时间偏差小于5ms。
地面站点接收到网络时间服务器下发的校准命令，开始对电台进行时频校准，电台的频率基准来自电台内部的温补晶振输出的20.95MHz时钟，本实施例1对电台进行时频校准就是将温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。
电台内部时频校准框图如图1所示。
异常秒脉冲剔除：由于电台工作环境的干扰，时频同步节点设备有可能输出异常秒脉冲信号，容易导致秒脉冲信号误判，需要对异常秒脉冲信号进行剔除，本实施例1利用定时计数器检测接收到的秒脉冲信号是否位于正常的位置，定时计数器cnt_pps以温补晶振输出的20.95MHz的时钟为基准进行计数，当检测到一个秒脉冲信号到来时，cnt_pps开始计数，当检测到下一个秒脉冲信号到来cnt_pps停止计数，输出计数结束标志count_finish，判断cnt_pps的值，当20950000-δ≤cnt_pps≤20950000+δ(其中δ为温补晶振的时钟误差，本发明中根据温补晶振的特性，δ的值为1000)，才认为当前的秒脉冲信号正常，将cnt_pps送给鉴相模块，当cnt_pps的值不满足20950000-δ≤cnt_pps≤20950000+δ，则认为当前秒脉冲信号异常，cnt_pps值重置为0，不送给鉴相模块。
鉴相：当检测到计数结束标志count_finish，且秒脉冲信号正常，对计数值cnt_pps进行鉴相处理，进行以下鉴相运算pd_err＝cnt_pps-20950000，得到时钟误差pd_err，其中20950000为时钟无误差时的标准值。
联合滤波：对时钟误差进行滤波。由于时频同步节点设备正常工作时输出的秒脉冲信号有随机误差，表现为秒脉冲信号上升沿相对于UTC(协调世界时)时间有一定的抖动性，所以以秒脉冲为标准得到的相位误差值会受到影响，将原本秒脉冲的随机误差带入到时钟误差pd_err中，由于秒脉冲误差为随机误差，采用均值滤波的方法可以有效消除随机误差的影响，均值滤波计算公式为：
Figure BDA0002825738600000051
其中，pd_err_aver为均值滤波后的时钟误差，N表示平均点数，如果只采用均值滤波法，想要将秒脉冲的随机误差的影响完全消除，N的值必须为256以上，一次时钟校准至少需要耗时256s，如果秒脉冲信号不稳定或者受到外界干扰，出现异常秒脉冲信号，时钟校准耗时将更长。为了实现快速校准，本实施例1将均值滤波结合“比例+微分+积分”的联合滤波方法进行校准操作，取均值滤波平均点数N＝16，对均值滤波后的相位误差再进行“比例+微分+积分”处理，可以快速的滤除秒脉冲的随机误差。
“比例+微分+积分”处理公式为：
Figure BDA0002825738600000052
其中，pd_err_pid(t)为比例+微分+积分处理后的时钟误差，Kp为比例系数，Ki为积分时间系数，Kd为微分时间系数，设置合适的Kp，Ki，Kd值，可以将秒脉冲的随机误差控制在10以内。
误差值转换：经过滤波之后的时钟误差值是计数值的形式，需要将误差值转换为相应的误差电压信号控制温补晶振的输出频率，温补晶振输出频率和控制电压值呈线性对应关系，通过改变其控制电压可以精准控制温补晶振的输出频率。
再通过温补晶振的输出频率反馈给鉴相，作出相应的调整。
电台频率校准流程图如图3所示。
本实施例1可解决传统的地空通信系统无法保证电台时频基准稳定统一的问题，为百公里范围内的数百个电台提供精确统一的时频基准，确保电台时频基准稳定统一。
当某地面站点电台内部温补晶振出现2ppm频率误差时，电台频率校准数据如下表所示：
电台工作频率 校准前频率 校准后频率
118.000MHz 118.000236MHz 118.000048MHz
121.000MHz 121.000242MHz 121.000049MHz
127.000MHz 127.000254MHz 127.000051MHz
131.000MHz 131.000262MHz 131.000055MHz
136.000MHz 136.000272MHz 136.000060MHz
136.975MHz 136.975274MHz 136.975062MHz
电台频率校准数据
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上，一种地空通信电台时频校准系统及方法，具体如下：
首先，一种地空通信电台时频校准系统，包括：卫星导航接收机、网络时间服务器、电台时频同步节点设备和电台；卫星导航接收机接收卫星信号，获得卫星授时信号；卫星导航接收机同时兼容北斗和GPS。网络时间服务器根据卫星授时信号，获得时频同步信号，并向电台时频同步节点设备发送时频同步信号，时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；电台时频同步节点设备通过网络获取时频同步信号，并根据时频同步信号，解析出日期时间信号，以日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E-6量级秒脉冲信号；电台根据1E-6量级秒脉冲信号，进行时频校准。
现有技术中，民用机场和航路沿线地面站点中的地空通信电台没有统一的时频基准，且电台器件老化以后电台产生的频率偏移进一步增大，无法保证电台时频基准稳定统一。本实施例2通过网络时间服务器接收卫星授时信号并提供NTP(网络授时信号)或PTP(精确网络授时信号)以及基于SyncE(同步以太网)的基准频率信号，再转发给各个机场和站点的电台时频同步节点设备，保证不同机场和站点的时间同步。电台时频同步节点设备接收网络时频信号的同步，并解析出TOD(日期时间信号)，然后以TOD为时间戳，同时结合1PPS指示信号，向电台统一提供优于1E-6量级的秒脉冲信号用于电台时频校准。
电台内部配置温补晶振，根据1E-6量级秒脉冲信号，将温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。通过定时计数对1E-6量级秒脉冲信号中的异常秒脉冲信号进行剔除，对剔除异常秒脉冲信号后的1E-6量级秒脉冲信号进行鉴相，得到时钟误差，采用联合滤波法对时钟误差进行滤波，得到滤波后的时钟误差值，将时钟误差值由计数值形式转换为相应的误差电压信号，通过误差电压信号控制温补晶振的输出频率。采用定时计数技术剔除异常秒脉冲，同时采用均值滤波结合比例+微分+积分的联合滤波方法对时钟误差进行滤波，从而，达到抗干扰的目的，可以对电台进行精确的时频校准。
网络时间服务器配置铷原子钟；在卫星信号良好的情况下，接收卫星授时信号，并对网络时间服务器内部的频率源进行驯服；在卫星信号较差时，网络时间服务器进行自守时。
本实施例2还包括时统网管软件，时统网管软件用于实时监管网络时间服务器和电台时频同步节点设备的同步状态，并根据同步状态，对网络时间服务器和电台时频同步节点设备进行参数配置和同步状态记录。
时间同步信号包括网络授时信号NTP或精确网络授时信号PTP，频率同步信号包括基于SyncE协议的基准频率信号。
其次，本实施例2还包括一种地空通信电台时频校准方法，包括以下步骤：
1、获取卫星信号，根据卫星授时信号，获得时频同步信号，时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；
2、根据时频同步信号，解析出日期时间信号，以日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E-6量级秒脉冲信号；
3、电台根据1E-6量级秒脉冲信号，将电台内部温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。具体包括：
1)通过定时计数对1E-6量级秒脉冲信号中的异常秒脉冲信号进行剔除；
2)对剔除异常秒脉冲信号后的1E-6量级秒脉冲信号进行鉴相，得到时钟误差；
3)采用联合滤波法对时钟误差进行滤波，得到滤波后的时钟误差值；
4)将时钟误差值由计数值形式转换为相应的误差电压信号，通过误差电压信号控制温补晶振的输出频率。
本领域技术人员应当知道，网络时间服务器可以通过交换机下发时频同步信号，电台时频同步节点设备也可以通过交换机接收时频同步信号。
如图1所示，本发明的系统中具有若干个地面站点，每个地面站点均含有电台时频同步节点设备，和与所述电台时频同步节点设备相对应的若干个电台。
本发明的“北斗”是指中国北斗卫星导航系统(英文名称：BeiDou NavigationSatellite System，简称BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。
本发明的GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地空通信电台时频校准系统，其特征在于，包括：卫星导航接收机、网络时间服务器、电台时频同步节点设备和电台；
所述卫星导航接收机接收卫星信号，获得所述卫星授时信号；
所述网络时间服务器根据所述卫星授时信号，获得时频同步信号，并向所述电台时频同步节点设备发送所述时频同步信号，所述时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；
所述电台时频同步节点设备通过网络获取所述时频同步信号，并根据所述时频同步信号，解析出日期时间信号，以所述日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E-6量级秒脉冲信号；
所述电台根据所述1E-6量级秒脉冲信号，进行时频校准。
2.根据权利要求1所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，所述电台内部配置温补晶振，根据所述1E-6量级秒脉冲信号，将所述温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。
3.根据权利要求2所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，通过定时计数对所述1E-6量级秒脉冲信号中的异常秒脉冲信号进行剔除，对剔除异常秒脉冲信号后的1E-6量级秒脉冲信号进行鉴相，得到时钟误差，采用联合滤波法对所述时钟误差进行滤波，得到滤波后的时钟误差值，将所述时钟误差值由计数值形式转换为相应的误差电压信号，通过所述误差电压信号控制所述温补晶振的输出频率。
4.根据权利要求3所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，所述联合滤波法包括第一滤波法和第二滤波法，所述第一滤波法为均值滤波法，如下：
Figure FDA0002825738590000011
其中，pd_err_aver为均值滤波后的时钟误差，N表示平均点数，pd_err表示时钟误差；
所述第二滤波法如下：
Figure FDA0002825738590000012
其中，pd_err_pid(t)表示第二滤波法处理后的时钟误差，Kp表示比例系数，Ki表示积分时间系数，Kd表示微分时间系数。
5.根据权利要求1所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，所述网络时间服务器配置铷原子钟；在所述卫星信号良好的情况下，接收所述卫星授时信号，并对所述网络时间服务器内部的频率源进行驯服；在所述卫星信号较差时，所述网络时间服务器进行自守时。
6.根据权利要求1所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，还包括时统网管软件，所述时统网管软件用于实时监管所述网络时间服务器和所述电台时频同步节点设备的同步状态，并根据所述同步状态，对所述网络时间服务器和所述电台时频同步节点设备进行参数配置和同步状态记录。
7.根据权利要求1所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，所述时间同步信号包括网络授时信号NTP或精确网络授时信号PTP，所述频率同步信号包括基于SyncE协议的基准频率信号。
8.根据权利要求1所述地空通信电台时频校准系统，其特征在于，所述卫星导航接收机同时兼容北斗和GPS。
9.一种地空通信电台时频校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取卫星信号，根据所述卫星授时信号，获得时频同步信号，所述时频同步信号包括时间同步信号和频率同步信号；
步骤S2：根据所述时频同步信号，解析出日期时间信号，以所述日期时间信号为时间戳，结合1PPS指示信号，向电台提供1E-6量级秒脉冲信号；
步骤S3：所述电台根据所述1E-6量级秒脉冲信号，将电台内部温补晶振的输出频率校准为标准值20.95MHz。
10.根据权利要求9所述地空通信电台时频校准方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31：通过定时计数对所述1E-6量级秒脉冲信号中的异常秒脉冲信号进行剔除；
步骤S32：对剔除异常秒脉冲信号后的1E-6量级秒脉冲信号进行鉴相，得到时钟误差；
步骤S33：采用联合滤波法对所述时钟误差进行滤波，得到滤波后的时钟误差值；
步骤S34：将所述时钟误差值由计数值形式转换为相应的误差电压信号，通过所述误差电压信号控制所述温补晶振的输出频率。
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