CN114786247A - 一种时钟同步方法、系统、介质、设备及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于时钟同步技术领域，公开了一种时钟同步方法、系统、介质、设备及终端，所述时钟同步系统由发射站和接收站构成；所述时钟同步方法包括：接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号；接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A；接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)；广播通信过程；接收站2解算钟差，完成时钟同步。本发明不依赖网络信号以及长波授时信号的内容，不需要解调得到信号的完整内容，通过对长波MSK信号的参数解算以及接收站间通信即可完成点对点的时钟同步过程，利用现有的包括敌方的MSK信号电台，能够适应复杂的场景和环境，极大提高了系统地自主性、稳定性以及可靠性。
Description
技术领域
本发明属于时钟同步技术领域，尤其涉及一种时钟同步方法、系统、介质、设备及终端。
背景技术
近年来，随着空间信息网络的快速发展，时间型敏感业务给空间信息网络中的数据传输带来了新的问题。不同类型的具有低时延传输需求的应用不断部署到各类设备上，如：空间音视频应用、空间探测安全应用、空间传感应用等，对时间敏感型业务的稳定可靠传输提出了新的挑战。高精度的时钟同步技术是保证空间信息网络中时间敏感型业务实时性、确定性传输的前提和基础。
在无线传感网络中，时间同步问题主要来源于节点的晶振特性。每个传感器节点的本地时钟一般由晶振提供。在理想情况下，如果两个节点时钟始终以相同的速率运行，那么它们将保持同步。然而，受限于制造工艺的差异，各个传感器节点的晶振在出厂时很难保持频率一致。且随着外界气压、温度的变化以及自身寿命变化等因素的影响，晶振在运行过程中还会呈现出一定的频率偏移，进而引起各个节点时钟相位的不断飘移，这即是钟差频率偏移和时钟相位偏移的由来。
现有的陆基长波授时系统，通过长波授时信号完成时钟同步，发射站能够获取精准的时钟信号，但在该系统中时间内容蕴含在授时信号中，需要接收机完整地接收信号并且按照既定的协议进行解调分析，是一种收发双方配合授时方法。
时间同步是无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)能够维持稳定高效运行的重要支撑技术之一。无线传感器网络一般被部署在具有特殊环境的地理区域内，这对无线传感器网络的实时性和可靠性提出了更高的要求。节点间的精确时间同步是保证诸多协议(如TDMA、MAC)能够正常运行的前提条件，也是保证传感节点间通信准确与实时的重要因素。此外，诸如数据融合、目标定位与跟踪、休眠/唤醒控制、确定性调度等应用都要求无线传感器网络中的所有结点具备统一的时间基准。随着无线传感器网络的不断发展，如何以低成本、低功耗、高可靠、高自主的方式在资源受限的各个传感器节点之间完成时钟同步，成为制约无线传感器网络整体性能的瓶颈问题。
时钟同步过程往往通过授时完成，待同步设备接收并且处理授时信号，可以解算出自身时钟与标准时间的钟差，通过时钟补偿方法完成时钟同步功能。授时过程实际上就是一个通信过程，无线电的诞生改变了通信，也同样改变授时方法。根据不同的信号频率以及传递手段，现代授时技术可以分为：卫星授时、网络授时、陆基长波授时。
一、卫星授时：
卫星授时是一种常用的授时手段，也是目前最新、精度最高的授时方式，其方法是利用人造卫星发播标准时间信息，目前所存在的四种卫星授时系统(美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略、中国的北斗)，它们的授时精度能够达到20ns。在卫星之间，传统卫星通过搭载高精度原子钟(如铯原子钟和氢原子钟)等方法来获取高精度的时钟源，并通过星地或星间的钟差测量技术来实现卫星之间的高稳定时钟同步。
二、网络授时
主要应用于传统分布式网络系统的时间同步。在网络时间同步中，主要应用NTP协议、PTP协议以及其他算法。目前网络中主要使用的授时同步协议是NTP协议，该协议具有实现简单、可靠性高的优点。现有的网络授时精度在50ms～500ms之间，这种授时精度可应用于时间敏感度不高的网络层中。
三、陆基长波授时
罗兰系统是陆基长波授时系统的代表。二次世界大战初期，美国国防部就成功研制出用于海上作战的第一代标准罗兰系统——罗兰-A系统，其有效作用距离为1120～2240km，定位误差为800～16000m，远不能满足当时美国军方的作战需求。因此，在1957年，美国海军和美国海岸警卫队通过对罗兰-A技术的迭代更新，率先研制出罗兰-C系统，其有效作用距离增加至1920～3200km，定位误差缩小至100～460m。早在上个世纪六十年代，我国就着手于罗兰C技术的发展建设，不仅建立了长波授时系统，还建立了“长河一号”系统以及“长河二号”系统，都采用了罗兰-C系统的原理。
罗兰-C系统发射台一般发播的信号都是在已经约束好的定义下，周期性且不间断地进行发射。罗兰-C系统是一种采用双曲线定位原理进行导航定位的无线电导航系统。系统由多个台链构成，台链包含有地面发射台、接收机、地面控制系统和监测中心几部分。罗兰-C系统除了导航定位还有授时功能，在信号按照一定格式进行发射的基础上，对信号进行一定规则的调制，将所需要发送的时间信息、系统状态、台标识等信息最终传送至用户接收端,使用户接收到的信号不仅仅是格式规范的标准信号，而且还携带有实际信息。
现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有卫星授时技术中，受限于卫星的发射功率，卫星发出的授时信号经过长距离传播到接收机处非常微弱，易受极端恶劣天气的影响或者人为的干扰；同时导航卫星作为固定轨道卫星，其星历与位置是公开可知的，在特定情况下易受到人为控制或者攻击，导致卫星关闭或者失灵，因此卫星授时系统无法满足系统对于特殊应用的稳定性和可靠性的要求。
(2)现有的网络授时技术中，无线传感器网络受到传感器节点的制造成本和尺寸约束给自身的能量、内存和带宽限制，使得针对传统分布式网络系统而设计的时间同步协议不再适用于无线传感器网络；同时，现有的网络授时精度在50ms～500ms之间，这种授时精度可应用于时间敏感度不高的网络层中，但无法应用于物理层中完成高精度时钟授时。
(3)现有罗兰-C系统往往覆盖范围有限，利用罗兰-C系统的授时信号完成时钟同步无法覆盖我国广阔的内陆地区，且罗兰-C系统的授时精度为us级别，无法应用到需要ns级授时精度的宽带同步通信或者定位系统中；传统长波授时过程中，在己方发射站故障或者受到干扰的情况下，该系统将失去作用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时钟同步方法、系统、介质、设备及终端，尤其涉及一种基于MSK信号的时钟同步方法、系统、介质、设备及终端。
本发明是这样实现的：一种时钟同步方法，所述时钟同步方法包括：通过将利用坐标计算出来的收发站之间的距离和通过MSK信号特性解算出来的包含接收站间时差的收发站之间的距离，联列求解，得到接收站之间的时差，从而完成接收站之间的时钟同步。
进一步，所述时钟同步方法包括以下步骤：
步骤一，接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号；用于而计算得到接收站1、2到达同一发射站的距离差以及为提取MSK信号参数提供基础。
步骤二，接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A；通过接收站1、2间的幅度差可以计算得到距离差中多少个完整码元传播距离。
步骤三，接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)；接收站1、2分别通过双载波相位差可以计算得到信号在最后一个码元周期内传播的完整载波个数；接收站1、2通过载波相位可以计算得到信号在最后一个载波周期内传播的小数载波值。
步骤四，广播通信过程；待接收站2接收到接收站1所发出的信息后，接收站2根据步骤二、三计算得到接收站1、2到达同一发射站的距离差。
步骤五，接收站2解算钟差，完成时钟同步；接收站2引入钟差变量，将步骤一、四中计算得到的两个距离差作为等式左右两边，解算得到钟差后通过钟差补偿的方式完成时钟同步功能。
进一步，所述步骤一中的接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号包括：
通过频率区分不同的MSK长波信号，对接收到的MSK长波信号每秒进行一次FFT频谱分析，测量得到频率后分辨不同来源的MSK长波信号，得到发射站位置坐标；通过计算得到接收机1、2到达同一发射站的距离分别为r1和r2。
在墨卡托坐标上，发射站位置坐标为(x0,y0)，接收站1、2坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，通过计算得到发射站到接收站1、2的距离分别
进一步，所述步骤二的接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A包括：
接收站1、2在接收到MSK长波信号后，对信号每秒进行一次FFT频谱分析后，通过计算得到信号到达时的幅度值分别为A1和A2。其中，FFT求解某个载频上对应的信号强度的公式为：
其中，N为采样点数，F(f)为频率f上FFT的值。
进一步，所述步骤三中的接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)包括：
接收站1、2在接收到MSK长波信号后对信号进行处理；将平方后得到的信号每秒进行一次FFT频谱分析得到两个载波频点后，接收站1、2在各自时钟的基准下，测量得到两个频点上的相位值分别为P1(f1)、P1(f2)和P2(f1)、P2(f2)。
其中，所述信号处理过程包括：
MSK发射信号解析式：
其中，A为MSK信号幅度，fc为MSK信号载波频率，Rb为MSK信号码元速率，θ0为载波相位。将MSK信号平方后，在频谱上可以得到两根明显的谱线，其频率分别为
和
其中，f1和f2分别为MSK信号的两个子载波的2倍频，码元速率Rb＝f1-f2，载波频率fc＝0.25(f1+f2)。
通过FFT变换分别求得这两根谱线对应频率差以及相位，令：
则频点f上的相位为：
求得两个载频点上的相位分别为P(f1)＝2πf1t+2θ0和P(f2)＝2πf2t+2θ0；
进一步，所述步骤四中的广播通信过程包括：
时钟基准站——接收站1将步骤二～三中测量得到的参数进行广播，待同步站——接收站2接收到广播信号，分析后得到信息内容。
所述步骤五中的接收站2解算钟差，完成时钟同步包括：
(1)已知参数r1和r2，计算得到接收站1、2到达发射站的距离差ΔR：
ΔR＝r1-r2
(2)已知参数A1和A2，计算得到ΔR中包含的整数码元个数Δm；
电磁波在传输路径中的衰落--自由空间损耗为：
Lbf＝32.5+20lgF+20lgD
其中，F为频率(单位为MHz)；D为距离(单位为km)。单码元传播距离下的幅度变化为ΔL＝6dB。
当发射站到达接收机1、2分别经历m1、m2个完整码元周期，结合测量得到的幅度A1、A2，取整后计算得到距离差ΔR中包含的完整码元个数Δm：
其中，
表示向下取整，
表示向上取整。
(3)已知参数P1(f1)、P1(f2)和P2(f1)、P2(f2)，计算得到MSK长波信号到达接收站1、2时，最后一个码元周期内的整数载波周期个数，分别为n1和n2；
当接收站在两个频点处测得的相位分别为P(f1)和P(f2)，单位为弧度，得：
当码元速率为200bps，相位测量精度为0.5°，得到的时间分辨率t′为：
而在载波频率为20kHz的情况下，1个载波周期的持续时间tc为5×10-5s；可得双载波相位计算结果的分辨率t′<载波周期tc，故通过双载波相位的计算结果，推断该传播时间t中包含的完整的载波个数
(4)已知参数P1(f1)和P2(f1)，计算得到MSK长波信号到达接收站1、2时，最后一个码元周期内的小数载波值，分别为
和
(5)计算得到结果后，推算得到距离差ΔR′。
引入钟差ΔT，将ΔR和ΔR′作为方程的左右两边，解算得到钟差ΔT；
ΔR′＝Δm×rb+[(n1+k1)-(n2+k2)]×rf
其中，Δm代表距离差ΔR′中包含的整数码元周期个数；n1和n2分别代表接收站1、2接收到的MSK长波信号在最后一个码元周期内的完整载波周期个数；k1和k2分别代表接收站1、2接收到的MSK长波信号最后传输的小数载波周期个数；rb为完整码元信号传输距离；rf为完整载波周期传输距离。
将钟差ΔT引入，以接收机1的时钟为基准时钟，则接收站2对应的双载波相位差结果为：
其中，
为钟差ΔT导致的相位测量误差。接收站2对应的载波相位测量结果精确值为
参数k′2为：
联立方程得到：
(6)待同步站通过时钟补偿的方式，完成与时钟基准站的时钟同步。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
发射站发射MSK长波信号；接收站1接收长波信号并计算得到距离r1，接收站2接收长波信号并计算得到距离r2；接收站1测量计算得到信号到达幅度A1，并测量计算得到双载波相位P1(f1)和P1(f2)；接收站2测量计算得到信号到达幅度A2，并测量计算得到双载波相位P2(f1)和P2(f2)；接收站1将自身计算得到的参数广播告知其他接收站，接收站2获取接收站1所发参数内容；接收站2通过参数解算得到钟差ΔT，完成时钟补偿。
本发明的另一目的在于提供一种时钟同步系统，所述时钟同步系统由1个发射站和若干个接收站两部分构成，且发射站和接收站的位置均已知。
其中，所述发射站，用于产生、发送固定频率的长波信号，长波发射站位置固定且无法移动；所述长波信号为MSK信号；
所述接收站，用于接收处理MSK长波信号，测量计算参数；同时多个接收站之间进行通信；解算钟差时，以其中一个接收站的时钟为基准时钟，通过MSK长波信号所提供的载波信息解算得到不同接收站之间的钟差，通过钟差补偿的方法完成多个接收站间的时钟同步；所述参数包括载波幅度和双载波相位。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的时钟同步系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提出一种基于MSK信号的时钟同步方法，利用长波MSK信号特点，检测长波MSK信号参数推算钟差，并且通过接收站之间互相通信和时钟补偿的方式，同步多个接收站之间的时钟，完成多个接收机之间的时钟同步功能。
本发明通过对MSK信号进行平方、码元速率估计、FFT频谱分析，实现高精度的传播时间测量；通过对同一MSK信号的接收，结合地理坐标已知以及接收机间的通信，实现接收机间的时间同步；根据MSK信号载波频率范围的不同，系统具有不同的时钟同步精度；根据定位精度的不同，系统具有不同时钟同步精度。本发明还可以通过将接收机1和接收机2解调的码元进行相关，实现距离差中完整码元个数的计算；通过DFT代替本发明中的FFT，求解载波相位。
本发明一种基于MSK信号的时钟同步方法、系统与应用，该方法利用MSK信号特征，在非配合的情况下解算钟差，通过钟差补偿完成时钟同步功能；该方法可在卫星信号丢失时完成ns级别精度的时钟同步。同时，本发明所提出方法不依赖网络信号以及长波授时信号的内容，不需要解调得到信号的完整内容，通过对长波MSK信号的参数解算以及接收站间通信即可完成点对点的时钟同步过程，可利用现有的包括敌方的MSK信号电台，能够适应复杂的场景和环境，极大地提高了系统地自主性、稳定性以及可靠性。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
(1)不依赖授时信号即可完成接收机之间的时钟同步。
(2)感知的MSK信号，可以灵活的选择来自于不同的国家，在特殊时期，抗摧毁能力强。
(3)通过测量三种长波MSK信号特征，逐渐提高测量精度，实现高精度的传播时间测量。
(4)根据MSK信号载波频率范围的不同和定位不同时，系统具有不同的时钟同步精度，在定位精度为2m，长波20KHz的MSK信号下，可以达到32ns。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
本发明的技术可以制作为时钟同步模块，在GPS/BDS等导航系统失效时，可以提供多个接收机的高精度时钟同步。可以为安装了该模块的无线通信系统的信道时分复用、收发同步等提供高精度支撑，进一步提高无线通信系统的信道利用率，为频谱资源日益紧张的无线通信系统创造巨大的商业价值。
(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
现有的长波授时时钟同步技术的精度在us级别，网络授时的时钟同步精度在ms级别，而本发明的时钟同步精度可以达到十几个ns级别，且本发明可以在GPS/BDS导航系统失效时使用，填补了国内外技术空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的时钟同步方法流程图。
图2是本发明实施例提供的时钟同步方法详细流程图。
图3是本发明实施例提供的距离差计算示意图。
图4是本发明实施例提供的距离差计算分析图。
图5是本发明实施例提供的8路MSK信号频谱分析图。
图6是本发明实施例提供的8路MSK信号频率估计图。
图7是本发明实施例提供的相位测量结果值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时钟同步方法、系统、介质、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的时钟同步系统由1个发射站和若干个接收站两部分构成，且发射站和接收站的位置均已知。
其中，发射站，用于产生、发送固定频率的长波信号，长波发射站位置固定且无法移动；所述长波信号为MSK信号；
接收站，用于接收处理MSK长波信号，测量计算参数；同时多个接收站之间进行通信；解算钟差时，以其中一个接收站的时钟为基准时钟，通过MSK长波信号所提供的载波信息解算得到不同接收站之间的钟差，通过钟差补偿的方法完成多个接收站间的时钟同步；所述参数包括载波幅度和双载波相位。
如图1所示，本发明实施例提供的时钟同步方法包括以下步骤：
S101，接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号；
S102，接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A；
S103，接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)；
S104，广播通信过程；
S105，接收站2解算钟差，完成时钟同步。
下面结合术语解释对本发明的技术方案作进一步描述。
MSK：(Minimum-Shift keying)最小移频键控；长波：波长在10km～1km(频率：30KHz～300KHz)的无线电；NTP：(Network Time Protocol)，网络时间协议；PTP：(PreciseTime protoco)，精准时间协议；BPL：长波授时台，是我国唯一微秒量级的高精度授时系统；钟差：指不同接收站之间时钟的差值；短波授时：采用波长在100m～10m(频率：3MHz～30MHz)的短波无线电进行授时；长波授时：采用波长在10km～1km(频率：30KHz～300KHz)的长波无线电进行授时；低频时码授时：低频时码授时属于一种特殊的长波授时，它适用于区域性的标准时间频率传输；网络授时：电脑上经常使用的NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)，就是网络授时；
本发明一种基于MSK信号的时钟同步方法、系统与应用，该方法利用MSK信号特征，在非配合的情况下解算钟差，通过钟差补偿完成时钟同步功能；该方法可在卫星信号丢失时完成ns级别精度的时钟同步。同时，本发明所提出方法不依赖网络信号以及长波授时信号的内容，不需要解调得到信号的完整内容，通过对长波MSK信号的参数解算以及接收站间通信即可完成点对点的时钟同步过程，可利用现有的包括敌方的MSK信号电台，能够适应复杂的场景和环境，极大地提高了系统地自主性、稳定性以及可靠性。
一、MSK信号特点
MSK调制为最小频移键控，也称为快速频移键控，是一种特殊的二元频移键控(2FSK)。其信号可以表示为：
其中，A为载波幅度，fc为载波频率，Tb为码元宽度。
除此之外，MSK信号可以表示为与时间t有关的函数：
其中a(t)为信号码元序列，θ(t)为MSK各个码元起始时刻的初相序列，Rb为码元速率，将公式(2)平方之后去除直流分量的影响，可得：
平方后，其频谱具有两根明显的谱线，其频率分别为：
可以推算出码元速率Rb＝f1-f2，载波频率
通过FFT变换可以分别求得这两根谱线对应频率差以及相位，令：
那么频点f上的相位为：
求得两个载频点上的相位分别为P(f1)和P(f2)：
P(f1)＝2πf1t+2θ0，P(f2)＝2πf2t+2θ0#(7)
FFT求解某个载频上对应的信号强度(振幅)公式为：
其中N为采样点数，F(f)为特定频点上FFT的值。
二、系统组成
在本发明中，时钟同步系统主要由发射站和接收站两部分构成，且两者位置均已知：
(1)发射站：
发射站主要功能为产生、发送固定频率的长波信号(在本发明中为MSK信号)。
(2)接收站：
接收站的主要功能为接收处理MSK长波信号，测量计算其参数(包括载波幅度、双载波相位)；同时，多个接收站之间能够进行通信。解算钟差需要以其中一个接收站的时钟为基准时钟，通过MSK长波信号所提供的载波信息解算得到不同接收站之间的钟差，通过钟差补偿的方法完成多个接收站间的时钟同步。
整体系统由1个发射站和若干个接接收站组成(为方便说明只列出两个接收站，即接收站1、2，最终需要解算得到接收站1、2之间的钟差ΔT。
三、发明原理
1、接收站判断信号来源方法：频率区分
接收站可以通过信号频率、幅度、码元速率等信号特征区分信号来源，也可以通过解调后得到的数据来区分信号源。
由于本发明强调收发系统的非配合性，不要求对信号内容进行解读，因此使用频率区分信号源。另外，能够选择频率区分的原则是长波通信体制决定的，不同长波基站的发射频率基本固定，且不同发射站具有不同的发射频段，因此可以使用频率区分不同发射站。
2、利用位置坐标计算距离差ΔR：
本系统的发射机和接收机的地理位置是已知的，在墨卡托坐标上，发射站位置坐标为(x0,y0)，接收站1、2坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，通过计算得到发射站到接收站1、2的距离分别r1、r2为：
那么可以进一步推算得到接收站1、2到发射站的距离差ΔR＝r1-r2。
3、利用MSK长波信号特征推算距离差ΔR′：
通过由大到小的三种尺度估计，逐步提高距离差ΔR′估计的精度，从而提高最终钟差的解算精度：
1)传播距离差ΔR中完整码元周期个数Δm——由幅度差推算得到
2)整数载波个数n——由双载波相位差推算得到
3)小数载波个数k——由载波相位推算得到
(1)载波幅度推算距离差ΔR中完整码元周期个数Δm：
接收站接收到MSK长波信号后，对信号进行FFT频谱分析，再根据公式(8)计算信号到达接收机时的强度。
假设同一个MSK长波信号到达接收机1、2处的强度分别为A1、A2，通过两个接收机之间信号到达的幅度差可以推算得到发射站到达接收站1、2的整体距离差ΔR。由于信号强度容易受到外界环境干扰(天电噪声、高斯白噪声等)，幅度差往往不能够十分准确的反映得到距离差，但该数值可粗略计算得到ΔR中包含多少个完整码元传播距离。
电磁波在传输路径中的衰落，也就是自由空间损耗(dB)为：
Lbf＝32.5+20lgF+20lgD#(10)
其中F为频率(单位为MHz)，D为距离(单位为km)，那么单码元传播距离下的幅度变化为ΔL＝6dB。
假设发射站到达接收机1、2分别经历了m1、m2个完整码元周期，根据公式(8)，结合测量得到的幅度A1、A2，取整后可以计算得到距离差ΔR中包含的完整码元个数Δm：
其中，
表示向下取整，
表示向上取整。
时间尺度分析：
设rb为一个码元时间下信号传输的距离，c为电磁波在空气中的传播速度，可计算得到
当码元速率取值为50bps-200bps，单码元内信号传播距离超过1500km～6000km，计算得到的时间尺度为
可以看出使用整数码元周期计算，时间尺度很大，需要进一步细化尺度。
(2)双载波相位推算完整载波个数n：
接收站接收到MSK长波信号后，按照公式(2)～(7)对信号进行平方、FFT频谱分析操作，得到两个载频点处的频谱值，然后对两个载频点分别求相位。
假设接收站在两个频点处测得的相位分别为P(f1)和P(f2)，单位为弧度，根据式(7)可得：
由公式(12)看出，通过双载波相位差能够计算得到接收站在单个码元(最后一个码元)周期内信号传输的时间t。而一个完整的码元周期内包含多个完整载波周期，通过t可以反映在最后一个码元周期内的完整载波个数n。
在码元速率为200bps的情况下，假设相位测量精度为0.5°，根据式(12)可得到的时间分辨率t′为：
而在载波频率为20kHz的情况下，1个载波周期的持续时间tc为5×10-5s；可得双载波相位计算结果的分辨率t′<载波周期tc，故可以通过双载波相位的计算结果，推断该传播时间t中包含的完整的载波个数n：
时间尺度分析：
由公式(12)可得，t的精度主要受到双载波相位差的精度影响，在实际仿真与应用中，单次相位测量结果精度为0.5°，通过长时间的积累观察、均值滤波算法，相位的测量精度可以提升到0.05°。假设码元速率为200bps，在该精度下计算得到的时间精度为
可以看出该尺度仍未满足高精度的时钟同步要求，需要进一步细化尺度，提高钟差结果的计算精度。
(3)载波相位推算小数载值k：
接收站在接收到MSK长波信号后，对信号直接进行FFT频谱分析，然后取信号到达时刻的载波相位P(f1)。通过载波相位P(f1)可以计算得到信号最后传输载波周期的小数部分k。
时间尺度分析：
在载波频率fc为20kHz的情况下，假设相位测量通过长时间累积观察达到0.05°的精度，那么计算得到的时间精度由公式(16)给出，满足高精度时钟同步的要求。
4、时钟同步过程：
钟差计算首先需要通过MSK长波信号的参数解算得到发射站到达接收站1、2之间的距离差ΔR′；然后引入钟差ΔT，将距离差ΔR与ΔR′作为方程的左右两边，即可求解得到钟差ΔT。
(1)MSK长波信号特征推算距离差ΔR′：
距离差计算示意图如图3所示，假设接收站1、2到达发射站经历的完整码元个数分别为m1和m2；到达时刻的载波相位分别取P1(f1)、P2(f1)。
而整体距离差ΔR′由三部分组成：整数码元传播距离差+整数载波传播距离差+小数载波传播距离差，如图4所示。
ΔR′＝Δm×rb+[(n1+k1)-(n2+k2)]×rf#(17)
其中，Δm由公式(11)给出，代表距离差ΔR′中包含的整数码元周期个数；n1和n2由公式(14)给出，分别代表接收站1、2接收到的MSK长波信号在最后一个码元周期内的完整载波周期个数；k1和k2由公式(15)给出，分别代表接收站1、2接收到的MSK长波信号最后传输的小数载波周期个数；rf为完整载波周期传输距离
(2)引入钟差，进行解算
在接收站1、2之间不存在钟差的情况下，由公式(17)计算得到的距离差ΔR′应该与ΔR相同。
然而接收站1、2间存在钟差，接收站1、2按照各自时钟的起始时刻设置的基准相位不同，导致同一个相位在接收站1、2间有不同的测量结果，且接收站不同时钟基准记录的接收时刻也不相同。
钟差ΔT的存在会导致所有相位测量出现偏差，为计算得到钟差结果，将钟差ΔT引入，以接收机1的时钟为基准时钟，那么接收站2对应公式(16)双载波相位差结果为：
其中
为钟差ΔT导致的相位测量误差，
由式(18)可以看出相位误差在双载波相位差中作差消除，对结果无影响
接收站2对应的载波相位测量结果精确值P2′(f1)为：
将式(19)代入式(15)可得，参数k′2为：
联立方程可以得到：
四、方法流程
本发明的方法详细流程图如图2所示。
1、接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号：
通过频率区分不同的MSK长波信号，对接收到的MSK长波信号每秒进行一次FFT频谱分析，测量得到频率后可分辨不同来源的MSK长波信号，得到发射站位置坐标。最后通过公式(16)可以计算得到接收机1、2到达同一发射站的距离分别为r1和r2。
2、接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A：
接收站1、2在接收到MSK长波信号后，对信号每秒进行一次FFT频谱分析，然后通过公式(8)计算得到信号到达时的幅度值分别为A1和A2。
3、接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)：
接收站1、2在接收到MSK长波信号后，按照公式(3)～(7)对信号进行处理。将平方后得到的信号每秒进行一次FFT频谱分析得到两个载波频点，然后接收站1、2在各自时钟的基准下，测量得到两个频点上的相位值分别为P1(f1)、P1(f2)和P2(f1)、P2(f2)。
4、广播通信过程：
接收站1(时钟基准站)将步骤2～4中测量得到的参数进行广播，接收站2(待同步站)接收到广播信号，分析后得到信息内容。
5、接收站2(待同步站)解算钟差，完成时钟同步：
1)已知参数r1和r2，可计算得到接收站1、2到达发射站的距离差ΔR。
(2)已知参数A1和A2，通过公式(10)、(11)计算得到ΔR中包含的整数码元个数Δm。
(3)已知参数P1(f1)、P1(f2)和P2(f1)、P2(f2)，通过公式(12)、(14)计算得到MSK长波信号到达接收站1、2时，最后一个码元周期内的整数载波周期个数，分别为n1和n2。
(4)已知参数P1(f1)和P2(f1)，通过公式(15)可以计算得到MSK长波信号到达接收站1、2时，最后一个码元周期内的小数载波周期个数，分别为k1和k2。
(5)计算得到上述结果后，通过公式(17)可以进一步推算得到距离差ΔR′。根据公式(20)～(22)引入钟差ΔT，将ΔR和ΔR′作为方程的左右两边，解算得到钟差ΔT。
(6)待同步站(接收站2)通过时钟补偿的方式，完成与时钟基准站(接收站1)的时钟同步。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
通过公式(22)可在理论上推算得到不同信号条件下的钟差解算精度，由表1给出。
表1不同条件下钟差精度结果
实际外场测试中获得的相位估计精度为1.0°左右，在定位精度为2m，载波频率为19.8kHz的情况下，根据公式(22)推算钟差结果精度小于296ns，实际测得的钟差误差为302.46ns，仍优于现有陆基长波授时系统的时钟同步精度。
为验证本发明所提方法可行性，实验首先采用Matlab进行参数测量仿真，然后将算法移植到FPGA板卡上，进行初步实验测量，实验结果如下：
1、Matlab仿真流程
(1)信号生成：
为尽量贴合实际场景应用，模拟大气中可能存在的多路信号混叠的情况，仿真系统将8路MSK长波信号混叠(频率为10～60kHz，码元速率为200)，具体参数值如表2所示。
表2发射信号参数设置
(2)信号频率搜索：
接收机接收到信号后，对信号作FFT频谱分析，选取有用信号(根据接收信号功率选取)，同时搜索得到8个信号的大概频率值，如图5所示.
(3)信号参数估计：
通过对信号频率进行补偿和长时间累积估计，最终信号频率估计精度在1分钟内能够达到1×10-5Hz，估计结果如图6所示。
在锁定信号频率之后，可对MSK信号的双载波相位、幅度、码元速率等参数完成高精度的测量。图7给出了10s内的载波相位的测量结果，其中纵轴表示10s时间(每1s钟进行一次参数估计)，横轴表示8路MSK信号的序号。
(4)钟差结果计算
由上图可得，仿真系统中的接收机在模拟现实信道的情况下，对每一路信号在仿真中设置接收站1、2接收测量，能够较为精准的测量得到MSK信号的频率、相位、码元速率、幅度等各项参数。通过接收机1、2的幅度差可以计算得到距离差中包含了多少个完整码元传输个数，通过接收站1、2相位差可以计算得到信号在最后一个码元区间内传播的精确距离，即由信号参数可以推算得到信号到达接收站1、2的传播距离差。在收发双方位置已知的情况下，可以通过位置坐标计算出准确的距离差，然后联立方程解算得到钟差结果。
假设定位误差为2m，硬件时钟分辨率为5ns，在加入由定位误差和时钟分辨率导致的钟差计算偏差后，不同参数下的钟差解算结果如表3所示，可得钟差结果计算精度较为理想，仿真系统中计算精度较高，符合高精度时钟同步的要求。
表3仿真钟差计算结果
2、外场实测：
完成仿真验证后，将系统算法移植到FPGA板卡上，该板卡除完成参数估计功能之外，还集成了GPS模块(获得自身位置信息)，可将参数信息通过网卡上传至PS上位机进行结果计算和显示，PC机集成了4G通信模块，可实现接收机之间相互通信。测试时，人为设定接收机1和接收机2的钟差为500ns(以GPS的秒脉冲为参考)，最终结算结果为502.45ns，表明了本系统的正确性和实用性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步方法通过将利用坐标计算出来的收发站之间的距离和通过MSK信号特性解算出来的包含接收站间时差的收发站之间的距离，联列求解，得到接收站之间的时差，从而完成接收站之间的时钟同步。
2.如权利要求1所述的时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步方法包括以下步骤：
步骤一，接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号；
步骤二，接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A；
步骤三，接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)；
步骤四，广播通信过程；
步骤五，接收站2解算钟差，完成时钟同步。
3.如权利要求2所述的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤一中的接收站1、2分别接收到同一个发射站所发射的MSK长波信号包括：
通过频率区分不同的MSK长波信号，对接收到的MSK长波信号每秒进行一次FFT频谱分析，测量得到频率后分辨不同来源的MSK长波信号，得到发射站位置坐标；通过计算得到接收机1、2到达同一发射站的距离分别为r1和r2；
在墨卡托坐标上，发射站位置坐标为(x0,y0)，接收站1、2坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，通过计算得到发射站到接收站1、2的距离分别
4.如权利要求2所述的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤二的接收站1、2分别计算测量信号到达时幅度值A包括：
接收站1、2在接收到MSK长波信号后，对信号每秒进行一次FFT频谱分析后，通过计算得到信号到达时的幅度值分别为A1和A2；
其中，FFT求解某个载频上对应的信号强度的公式为：
其中，N为采样点数，F(f)为特定频点上FFT的频谱值。
5.如权利要求2所述的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤三中的接收站1、2分别计算测量双载波相位P(f1)和P(f2)包括：
接收站1、2在接收到MSK长波信号后对信号进行处理；将平方后得到的信号每秒进行一次FFT频谱分析得到两个载波频点后，接收站1、2在各自时钟的基准下，测量得到两个频点上的相位值分别为P1(f1)、P1(f2)和P2(f1)、P2(f2)；
其中，所述信号处理过程包括：
平方后得到2FSK信号，两个载波频率分别为：
平方后功率谱上有两根明显谱线，码元速率Rb＝f1-f2：载波频率fc＝(f1+f2)/4。
通过FFT变换分别求得这两根谱线对应频率差以及相位，令：
则频点f上的相位为：
求得两个载频点上的相位分别为P(f1)和P(f2)：
P(f1)＝2πf1t+2θ0，P(f2)＝2πf2t+2θ。.
6.如权利要求2所述的时钟同步方法，其特征在于，所述步骤四中的广播通信过程包括：
时钟基准站——接收站1将步骤二～四中测量得到的参数进行广播，待同步站——接收站2接收到广播信号，分析后得到信息内容；
所述步骤五中的接收站2解算钟差，完成时钟同步包括：
(1)已知参数r1和r2，计算得到接收站1、2到达发射站的距离差ΔR＝r1- r2：
(2)已知参数A1和A2，计算得到ΔR中包含的整数码元个数Δm；
电磁波在传输路径中的衰落--自由空间损耗为：
Lbf＝32.5+20lgF+20lgD
其中，F为频率，单位MHz；D为距离，单位km；单码元传播距离下的幅度变化为ΔL＝6dB：
当发射站到达接收机1、2分别经历m1、m2个完整码元周期，结合测量得到的幅度A1、A2，取整后计算得到距离差ΔR中包含的完整码元个数Δm：
其中，
表示向下取整，
表示向上取整；
(3)已知参数P1(f1)、P1(f2)和P2(f1)、P2(f2)，计算得到MSK长波信号到达接收站1、2时，最后一个码元周期内的整数载波周期个数，分别为n1和n2；
当接收站在两个频点处测得的相位分别为P(f1)和P(f2)，单位为弧度，得：
当码元速率为200bps，相位测量精度为0.5°，得到的时间分辨率t′为：
而在载波频率为20kHz的情况下，1个载波周期的持续时间tc为5×10-5s；可得双载波相位计算结果的分辨率t′<载波周期tc，故通过双载波相位的计算结果，推断该传播时间t中包含的完整的载波个数
(4)已知参数P1(f1)和P2(f1)，计算得到MSK长波信号到达接收站1、2时，最后一个码元周期内的小数载波周期个数，分别为k1和k2；
接收站在接收到MSK长波信号后，对信号直接进行FFT频谱分析；取信号到达时刻的载波相位P(f1)，通过载波相位P(f1)可以计算得到信号最后传输载波周期的小数部分
(5)计算得到结果后，推算得到距离差ΔR′；
引入钟差ΔT，将ΔR和ΔR′作为方程的左右两边，解算得到钟差ΔT；
ΔR′＝Δm×rb+[(n1+k1)-(n2+k2)]×rf
其中，Δm代表距离差ΔR′中包含的整数码元周期个数；n1和n2分别代表接收站1、2接收到的MSK长波信号在最后一个码元周期内的完整载波周期个数；k1和k2分别代表接收站1、2接收到的MSK长波信号最后传输的小数载波周期个数；rb为完整码元信号传输距离；rf为完整载波周期传输距离；
将钟差ΔT引入，以接收机1的时钟为基准时钟，则接收站2对应的双载波相位差结果为：
接收站2对应的载波相位测量结果精确值为
则参数k′2为：
联立方程得到：
(6)待同步站通过时钟补偿的方式，完成与时钟基准站的时钟同步。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
发射站发射MSK长波信号；接收站1接收长波信号并计算得到距离r1，接收站2接收长波信号并计算得到距离r2；接收站1测量计算得到信号到达幅度A1，并测量计算得到双载波相位P1(f1)和P1(f2)；接收站2测量计算得到信号到达幅度A2，并测量计算得到双载波相位P2(f1)和P2(f2)；接收站1进行广播将自身计算得到的参数通信告知其他接收站，接收站2获取接收站1所发参数内容；接收站2通过参数解算得到钟差ΔT，完成时钟补偿。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
发射站发射MSK长波信号；接收站1接收长波信号并计算得到距离r1，接收站2接收长波信号并计算得到距离r2；接收站1测量计算得到信号到达幅度A1，并测量计算得到双载波相位P1(f1)和P1(f2)；接收站2测量计算得到信号到达幅度A2，并测量计算得到双载波相位P2(f1)和P2(f2)；接收站1进行广播将自身计算得到的参数通信告知其他接收站，接收站2获取接收站1所发参数内容；接收站2通过参数解算得到钟差ΔT，完成时钟补偿。
9.一种实施权利要求1～6任意一项所述时钟同步方法的时钟同步系统，其特征在于，所述时钟同步系统由1个发射站和若干个接收站两部分构成，且发射站和接收站的位置均已知；
其中，所述发射站，用于产生、发送固定频率的长波信号，长波发射站位置固定且无法移动；所述长波信号为MSK信号；
所述接收站，用于接收处理MSK长波信号，测量计算参数；同时多个接收站之间进行通信；解算钟差时，以其中一个接收站的时钟为基准时钟，通过MSK长波信号所提供的载波信息解算得到不同接收站之间的钟差，通过钟差补偿的方法完成多个接收站间的时钟同步；所述参数包括载波幅度和双载波相位。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求9所述的时钟同步系统。
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|---|---|
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