CN113852437B - 一种跨水面时间同步方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种跨水面时钟同步系统，包含水面浮标及设置在其上的水上装置、水下装置、浮标时钟源。所述浮标时钟源，产生水面浮标时间基准；所述水上装置，位于水面以上，用于所述浮标时钟源和陆地时钟源同步；所述水下装置，用于完成所述浮标时钟源和水下载体时间同步。本申请还包含使用所述系统实现跨水面时钟的同步的方法。本申请解决水下无人潜航器无法接收到常用时间信号，难以与常用的陆地基准时间的问题。

Description

一种跨水面时间同步方法和系统

技术领域

本申请涉及电子和通信领域，尤其涉及一种跨水面时间同步方法和系统。

背景技术

随着海洋资源勘探、深海搜索救援等海洋产业领域不断发展，人们对于智能化、无人化水下载体的需求不断提升。智能化、无人化水下载体能够降低水下作业难度，提高各种水下作业的准确性和可靠性。而高精度的时间基准将是智能化、无人化水下载体高效、正常工作的基本前提之一，是无法回避的技术难题。由于目前基于电磁波信号的时间同步技术无法在水下传播，水下载体在工作中提供时间基准的最主要手段是自主守时，其长期守时准确度低，无法满足水下载体及高精度仪器设备的需求。因此，十分有必要建立一种跨水面的时间同步系统，使水下载体的时间基准与常用的陆基标准时间之间完成时间同步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跨水面的时间同步方法和系统，用于实现水下载体的时间基准与常用的陆基陆地时钟源之间的时间同步。其解决的问题是，水下无人潜航器无法接收到常用时间信号，难以与常用的陆地基准时间。

本申请实施例提出一种跨水面时钟同步系统，包含水面浮标及设置在其上的水上装置、水下装置、浮标时钟源；

所述浮标时钟源，产生水面浮标时间基准；

所述水上装置，位于水面以上，用于所述浮标时钟源和陆地时钟源同步；

所述水下装置，用于完成所述浮标时钟源和水下载体时间同步。

优选地，所述浮标时钟源通过所述水上装置与卫星地球站建立卫星双向时间同步系统，实现水面浮标时间基准和陆地时钟源之间同步。

优选地，所述浮标时钟源通过所述水下装置和水下载体建立水下激光无线时间同步系统，实现水下载体的时间基准与水面浮标时间基准之间的时间同步。

进一步优选地，所述水上装置采集载波相位信息，消除运动造成的时间同步误差。

进一步优选地，所述水下载体潜航至预设位置时与所述水下装置建立或重新建立时间同步。

进一步优选地，所述水下载体潜航至预设位置时，所述水上装置建立或重新建立所述浮标时钟源和陆地时钟源同步。

本申请实施例还提出一种跨水面时钟同步方法，用于本申请任意一项实施例所述系统，包含以下步骤：

地球站根据陆地时钟源产生时间同步信号，通过地球站天线发送至地球同步轨道卫星；

水面浮标根据自身时间基准产生两路时间同步信号，一路信号通过水上装置的天线发送至地球同步轨道卫星，另一路通过水下装置的激光调制系统发射至水下潜航器；

水下潜航器根据自身时间基准产生时间同步信号，通过激光调制系统发射至水面浮标。

根据双向时间比对方法原理，计算出陆地时钟源与水面浮标时间基准之间的时差，以及计算出水面浮标时间基准与水下潜航器时间基准之间的时差；

进一步换算陆地时钟源与水下潜航器时间基准之间的时差，完成跨水面的时间同步。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

适用于水下载体时间基准与陆地时钟源进行时间同步，本发明公开了一种跨水面时间同步方法与系统，该方法可实现水下载体时间基准与陆地时钟源之间的高精度时间同步。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的系统实施例示意图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明的系统实施例示意图。

本申请的跨水面时间同步系统，包含水面浮标及设置在其上的水上装置、水下装置、浮标时钟源。所述水上装置，位于水面以上，用于实现所述浮标时钟源和陆地时钟源的同步；所述水下装置，用于完成所述浮标时钟源和水下载体时间同步。所述浮标时钟源，产生水面浮标时间基准。浮标平台在系统中是信号跨越水面的转换平台，其最终用户是水下的无人潜航器。本申请的陆地时钟源，常用的如中国国家标准时间、协调世界时等。

本发明利用水面浮标作为时间同步中间节点，实现跨水面的精度时间同步。本发明中的水面浮标作为时间同步中间节点，水面浮标存在其自身时间基准，并作为间接比较的基准。因此，以水面浮标为界限，可以分为水面以上和以下两部分。在水面以上部分，完成水面浮标时间基准与陆地时钟源之间的高精度时间同步；在水面以下的部分，完成水下载体的时间基准与水面浮标时间基准之间的高精度时间同步。最终通过三者之间的比较计算，完成水下载体的时间基准与陆地时钟源之间的跨水面高精度时间同步，突破原先电磁波信号无法在水下空间远距离传播的技术难题，实现高精度时间同步系统作用范围在水下空间的拓展。

在水面以上的部分，建立覆盖区域广、技术成熟度高的卫星双向时间同步系统。首先，卫星地球站和所述浮标时钟源分别根据陆地时钟源和浮标时间基准产生时间标准信号，并通过地球同步轨道卫星传递向对方。然后，卫星地球站和所述水上装置同时接收自发和互发两路信号，经过信号解调和载波相位数据联合解算，得到精确的时间同步结果，实现水面浮标时间基准与陆地时钟源之间的高精度时间同步。

在水面以下的部分，建立高精度的水下激光无线时间同步系统。首先，所述水下装置和水下载体分别根据自身时间基准产生时间标准信号，并利用时间标准信号对适合在水中传播的蓝绿波段的激光信号进行调制。激光信号经过光束准直处理后，出射至对方的接收端。然后，接收到激光信号后，进行光电解调，获得时间标准信号。经过数据解算，得到时间同步结果，实现水下载体的时间基准与水面浮标时间基准之间的高精度时间同步。

由于海水流动，水面浮标在一个区域范围内流动，水上装置需采集载波相位信息，利用载波相位信息计算运动造成的多普勒频率，消除了相对运动造成的双向传输路径不对称所引起的时间同步误差，提高水面以上卫星双向时间同步系统的同步精度。水面以下的水下激光无线时间同步系统的作用距离在100米左右，而且激光信号准直度高，时间同步过程中需要保持激光信号的连续性。

所述水下载体潜航至预设位置时与所述水下装置建立或重新建立时间同步，或者守时过程中时间准确度低于设定阈值时，与所述水下装置建立或重新建立时间同步。本发明所述的时间同步方法并非长期连续运行的，应配合水下载体的传统自主守时系统。在水下载体潜航前、守时至时间准确度无法满足使用需求等有授时需求的时候进行跨水面的时间同步，完成后启用水下载体的自主守时系统，并根据使用需求开展下一次跨水面时间同步。

本申请的核心方法是利用双向时间比对技术，实现陆地时间和水下潜航器时间的同步。以浮标为媒介，使水下潜航器获取陆基时间基准。时间同步是核心，双向比对时间同步方案的时间同步精度达到纳秒量级，用于精密测距、高精度时间保持等。

图2为本发明方法的实施例示意图。

本申请提出的一种跨水面的时间同步方法，包含以下步骤：

步骤100、地球站根据陆地时钟源产生时间同步信号，通过地球站天线发送至地球同步轨道卫星。

步骤200、水面浮标根据自身时间基准产生两路时间同步信号，一路信号通过水上装置的天线发送至地球同步轨道卫星，另一路通过水下装置的激光调制系统发射至水下潜航器。

步骤300、水下潜航器根据自身时间基准产生时间同步信号，通过激光调制系统发射至水面浮标。

步骤400、根据双向时间比对方法原理，利用测量的时间间隔结果计算出陆地时钟源与水面浮标时间基准之间的时差，以及计算出水面浮标时间基准与水下潜航器时间基准之间的时差。

在步骤400中，

地球站接收来自地球同步轨道卫星的转发信号，并解调测量自身信号发射时刻与卫星转发的水上装置信号接收时刻的时间间隔；

水上装置接收来自地球同步轨道卫星的转发信号，同时水下装置接收来自水下潜航器的激光信号，解调两路接收信号，并测量自身信号发射时刻与卫星转发的地球站信号接收时刻的时间间隔以及自身信号发射时刻与水下潜航器信号接收时刻的时间间隔；

水下潜航器接收来自水面浮标的激光信号，并解调测量自身信号发射时刻与水上装置信号接收时刻的时间间隔。

步骤500、使用上述二个时差信号，最终经过换算，能够得到陆地时钟源与水下潜航器时间基准之间的时差，完成跨水面的时间同步。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种跨水面时钟同步方法，用于一种跨水面时钟同步系统，所述系统包含水面浮标及设置在其上的水上装置、水下装置、浮标时钟源；所述浮标时钟源，产生水面浮标时间基准；所述水上装置，位于水面以上，用于所述浮标时钟源和陆地时钟源同步；所述水下装置，用于完成所述浮标时钟源和水下载体时间同步；其特征在于，所述方法包含以下步骤：

地球站根据陆地时钟源产生时间同步信号，通过地球站天线发送至地球同步轨道卫星；

水面浮标根据自身时间基准产生两路时间同步信号，一路信号通过水上装置的天线发送至地球同步轨道卫星，另一路通过水下装置的激光调制系统发射至水下潜航器；

水下潜航器根据自身时间基准产生时间同步信号，通过激光调制系统发射至水面浮标。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述浮标时钟源通过所述水上装置与卫星地球站建立卫星双向时间同步系统，实现水面浮标时间基准和陆地时钟源之间同步。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述浮标时钟源通过所述水下装置和水下载体建立水下激光无线时间同步系统，实现水下载体的时间基准与水面浮标时间基准之间的时间同步。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述水上装置采集载波相位信息，消除运动造成的时间同步误差。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述水下载体潜航至预设位置时与所述水下装置建立或重新建立时间同步。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述水下载体潜航至预设位置时，所述水上装置建立或重新建立所述浮标时钟源和陆地时钟源同步。

7.如权利要求1所述方法，其特征在于，

根据双向时间比对方法原理，计算出陆地时钟源与水面浮标时间基准之间的时差，以及计算出水面浮标时间基准与水下潜航器时间基准之间的时差；

进一步换算陆地时钟源与水下潜航器时间基准之间的时差，完成跨水面的时间同步。