CN114884603B - 一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法 - Google Patents

一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，涉及时间同步与配准技术领域，解决了现有方案受地域限制或者设计难度大，导致同步精度不高的技术问题；本发明采用主从节点相对同步的工作方式，结合书香时间比对法和混沌扩频体制解决了上述问题；本发明采用多层级多节点分组的分布式时间同步技术，提高了同步效率，系统的稳定性和可靠性也得到保障；本发明采用量子混沌编码序列用于扩频，信号易于产生和复制，但是具有很高的复杂度、隐蔽性和安全性，更符合分布式系统的需求；本发明的时间同步方式选择自主双向时钟比对法，定位精度高，实时性好。

Description

一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法
技术领域
本发明属于时间同步与配准技术领域，具体是一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法。
背景技术
无人机队列在分布式地执行任务时，依赖各机组之间和机组内部严格的同步，同步精度的高低将直接影响分布式系统的性能。在同步问题中，尤为重要的是时间同步和相位同步，其中时间同步要求各移动平台的时钟与标准时钟对齐，或比对时刻与标准时钟的时钟差已知。
根据时间同步的工作原理，目前常用的时间同步方法有搬钟法和单向时间同步法。搬钟法就是将一个标准钟作为搬钟，然后用搬钟比对校准各地的时钟。搬钟法的实现成本低，技术上也不复杂，但是易受地域条件的限制，在环境变化较大的情况下，同步精度不高。
单向时间同步法是主机和副机均有一副高精度的时钟，只要知道副机和主机的时间差然后调整副机时钟就可以实现同步。主机发送同步脉冲，同时取当前的时刻为T1，副机接收到同步脉冲的时刻为T2，t为主副机之间同步脉冲的往返时延，得到主副机的时钟差为：T1-T2-t/2。单向时间同步法对主机和副机的时钟精度要求较高，并且要求同步脉冲往返时延的精确测量，设计难度较大且同步精度受限。
发明内容
本发明提供了一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，用于解决现有方案受地域限制或者设计难度大，导致同步精度不高的技术问题，本发明采用主从节点相对同步的工作方式解决了上述问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，包括：
确定时钟基准源，并通过时钟基准源产生基准信号，同时获取在基准信号产生时原子钟产生的混沌波包码；
基准信号由混沌波包码经过混沌调制、载波调制之后生成原始信号并通过发射模块发送；在原始信号发送的同时，计数器开始计数；
接收模块接收到原始信号之后对原始信号进行信号解调获取目标信号；其中，信号解调中所用的接收本振为载波跟踪环的输出频率；
对目标信号进行混沌波包码的捕获与跟踪，并做相关运算获取相关值，且在相关值达到最大峰值时刻关闭计数器；
获取计数器的数据并标记时延数据，将时延数据发送至FPGA控制器，在下一次发送原始信号时，将时延数据调制到混沌波包码上经发射模块发送，同时计数器清零。
优选的，所述时钟基准源的参数根据时钟差变化方程选择，时钟差变化方程具体为：且/>
其中：Eα为当t＝0时的时刻差，K为频标的漂移率；f0为频标的振荡频率标称值，fα为当t＝0时刻的振荡频率。
优选的，所述混沌波包码的生成包括：
给定一个N行N列的厄密方阵HN×N；
计算哈密顿量为上述H的N个本征波函数
依据混沌信号判定准则，提取部分或所有表现出量子混沌现象的本征波函数为量子混沌波函数；
依据经典信号与量子力学中的波函数在数学上存在的对应关系，得到具有与量子混沌波函数相同数学形式且长度为N的半经典的量子混沌波包数字信号
优选的，所述厄密方阵HN×N用作一个量子哈密顿系统的哈密顿量，数学形式为:H+(x,y)＝-(a/σ)exp[(x-y)2/(b*σ)2]；其中，a、b和σ为设定参数。
优选的，在同步过程中，首先使第一小组的标准时钟主机与其他小组的主机进行时钟标定，再将标定后的各小组主机时钟作为锚定主时钟，在各组中分别进行从机标定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用多层级多节点分组的分布式时间同步技术，提高了同步效率，系统的稳定性和可靠性也得到保障。
2、本发明采用量子混沌编码序列用于扩频，信号易于产生和复制，但是具有很高的复杂度、隐蔽性和安全性，更符合分布式系统的需求。
3、本发明的时间同步方式选择自主双向时钟比对法，定位精度高，实时性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明的整体结构框图；
图2为本发明的双向时间比对法原理图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
这里使用的术语用于描述实施例，并不意图限制和/或限制本公开；应该注意的是，除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”也包括复数形式；而且，尽管属于“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但是元件不受这些术语的限制，这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。
请参阅图1-图2，本申请提供了一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，包括：
发射部分：首先原子钟产生一个可提供整个系统的时间和频率的基准信号，其次由这个基准提供的时钟下产生的混沌波包码，经过混沌调制、载波调制后，再经发射模块发送出去，同时触发计数器开始计数。
接收部分：先对收到的信号解调，因为要实现频率同步所以直接将载波跟踪环的输出频率作为接收本振去做解调，对解调后的信号进行混沌波包码的捕获与跟踪，做相关运算，相关值达到最大峰值时刻关闭计数器。
计数器计的数据是主节点测得的时延信息，将计数器的数据送入FPGA控制器，在下一次发送比对信号的时候将数据调制到混沌波包码上经发射模块发送出去，同时计数器清零。至此完成一次时间比对，以后每隔一个同步保持时间循环上述过程以保证系统同步的刷新率。
在同步过程中，首先使第一小组的标准时钟主机与其他小组的主机进行时钟标定，再将标定后的各小组主机时钟作为锚定主时钟，在各组中分别进行从机标定。
本发明采用先进的时间频率测控技术校准高稳定度低相噪恒温晶振，并锁定在铷原子钟上，将原子频标的中期稳定性与高稳晶振的短期稳定性完美结合，使系统输出频率同步，输出的100MHz频率几乎没有漂移，能为系统提供超高精度的时间和频率基准。
系统通过低噪声锁相回路，使原子钟产生的100MHz频率与恒温晶振准确同步。当校准时间码正常时，恒温晶振被校准；当校准时间码丢失时，恒温晶振自动进入保持状态；100MHz始终与其准确同步，这样100MHz输出频率具有原子钟的长期稳定特性，又具有优质短稳和低相噪特性。
本技术选择量子混沌伪码的扩频技术，该方法具有尖锐的自相关性，精度高、抗干扰、保密性好。
在此基础上，两架无人机之间采用的是双向时间比对法，双向时间传输是一个对发对收系统，每个无人机需要双工通信，每个无人机本地钟以一定的时间间隔发射时间信息，在发射脉冲的时候给时间间隔计数器开门，用收到对方站的秒脉冲给计数器关门。
1.时钟基准源的分析如下。
无论采用何种频标，由于受到频率准确度和漂移率的影响，钟差总在变化而不可能保持为常量，但只要时刻差的绝对值≤0.1ns，即为实现时间同步，时刻差的变化方程如下所示：
式中，频标的初始频率准确度；
Eα：当t＝0时的时刻差；
K：频标的漂移率；
f0：频标的振荡频率标称值；
fα：当t＝0时刻的振荡频率；
考虑到时差方程的各个影响因子和现在器件可以达到的性能，根据时差方程可以选择如下的时钟基准源参数：
时钟源基准：10MHz；
10MHz瞬时准确度：优于1×10-11；
10MHz稳定度：优于3×10-12/h；
频标的漂移率：10-11；
10MHz正弦波相噪：优于-100dBc/Hz@10Hz；优于-130dBc/Hz@1kHz；
输出100MHz时钟信号，相位精度优于1°，阻抗为50Ω。
2.双向时间比对法。
双向时间比对系统是一个双工通信系统，同步单元本质上数字中频收发信机，由是数字收发模块、误差信号处理模块、锁相环、时钟基准源等模块组成。
主机在T1时刻向从机发送测距脉冲，同时开启计数器，而从机在T2时刻向主机发送测距脉冲，并开启计数器，主机和从机都是在收到对方的脉冲时刻关闭计数器，如图2所示。
主机的计数器：ΔT1＝T1-T2+t1；
从机的计数器：ΔT2＝T2-T1+t2；
这样可以获得主从机二者的钟面差：
由于t1与t2可以双向抵消，所以双机的时间差为：
3.混沌扩频体制。
本系统拟选择基于量子混沌波包体制的、双向时间比对法来实现时间同步，该方法具有尖锐的自相关性，精度高、抗干扰、保密性好。
扩频调制体制采用量子混沌波包方法，经典混沌信号具有对初值的敏感性，伪随机性、非周期性、类噪声宽谱特性，以及尖锐的自相关性，所以，混沌信号在无线电领域中有广阔的应用前景。但混沌信号的实用性主要受制于干扰下的混沌同步。
本申请拟采用一种新型的混沌波包数字信号生成方法，把量子混沌波包理论引入到经典信号领域，根据经典信号与量子力学中的波函数在数学上存在的对应关系，生成半经典的量子混沌波包数字信号；该信号不仅具有经典混沌信号的特征，解决经典混沌中的混沌同步问题，而且还具有独特的裂谱特性，能够提供与其他的经典无线电信号极好的兼容性。
新型混沌波包数字信号生成方法如下，包括以下步骤：
给定一个N行N列的厄密方阵HN×N；
通过数值计算方法，计算哈密顿量为上述H的N个本征波函数
依据混沌信号判定准则，提取部分或所有表现出量子混沌现象的本征波函数为量子混沌波函数；
依据经典信号与量子力学中的波函数在数学上存在的对应关系，得到具有与量子混沌波函数相同数学形式且长度为B的半经典的量子混沌波包数字信号
厄密方阵HM×M用作一个量子哈密顿系统的哈密顿量，其数学形式为：H+(x,y)＝-(a/σ)exp[(x-y)2/(b*σ)2]；其中，a、b和σ为设定的参数。
用自功率谱密度法,根据所述动量谱Ψj的特性判断该本征波函数是否具有量子混沌现象。当动量谱Ψj扩展时，则该本征波函数表现出量子混沌现象，是量子混沌波函数。
针对本申请，需要注意以下事项：时间同步周期的选择、平台运动的影响以及时间同步误差分析。
1.时间同步周期的选择
根据所选原子钟或者晶振的频率准确度和漂移率，对于每次工作时间在几个小时的应用中，频率漂移老化率对授时的影响很小，可以忽略不计。
为保证同步刷新率，本系统选择每0.5小时进行时间同步1次。
2.平台运动的影响
由于系统的发射机和接收机都放在分布式运动平台上，平台的高速运动和振动等都对高精度的时间同步产生重要的影响。
(1)需要平台采取增稳措施，运动平台的振动位移应小于3cm；
(2)对多普勒频率进行估计并补偿，无人机速度150m/s,常规对应的多普勒频移1KHz,经过补偿后误差精度控制应小于10Hz。
3.时间同步误差分析
时间同步过程中，总的误差为：Δt＝Δt1+Δt2+Δt3+Δt4，即影响同步精度的因素有：
Δt1：计数器的量化误差，采用高精度TDC，步进精度可达5ps；
Δt2：Δt2＝TC/100，量子混沌码的捕获误差；码元宽度TC＝0.01us，控制捕获精度优于0.1ns；
Δt3：发射接收时延误差，主要包括发射设备、接收设备和传输信道的时延误差，发射设备、接收设备取决于发射和接收模块器件性能，可以预置和系统校正；传输信道时延误差可以对消；
Δt4：温度变化引起的误差，可进行温控和温度数据补偿，一般温度系数可在-85ps/℃。
上述公式中的数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
本发明的工作原理：
确定时钟基准源，并通过时钟基准源产生基准信号，同时获取在基准信号产生时原子钟产生的混沌波包码。
基准信号由混沌波包码经过混沌调制、载波调制之后生成原始信号并通过发射模块发送；在原始信号发送的同时，计数器开始计数。
接收模块接收到原始信号之后对原始信号进行信号解调获取目标信号；其中，信号解调中所用的接收本振为载波跟踪环的输出频率。
对目标信号进行混沌波包码的捕获与跟踪，并做相关运算获取相关值，且在相关值达到最大峰值时刻关闭计数器。
获取计数器的数据并标记时延数据，将时延数据发送至FPGA控制器，在下一次发送原始信号时，将时延数据调制到混沌波包码上经发射模块发送，同时计数器清零。
在同步过程中，首先使第一小组的标准时钟主机与其他小组的主机进行时钟标定，再将标定后的各小组主机时钟作为锚定主时钟，在各组中分别进行从机标定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，其特征在于，包括：
确定时钟基准源，并通过时钟基准源产生基准信号，同时获取在基准信号产生时原子钟产生的混沌波包码；
基准信号由混沌波包码经过混沌调制、载波调制之后生成原始信号并通过发射模块发送；在原始信号发送的同时，计数器开始计数；
接收模块接收到原始信号之后对原始信号进行信号解调获取目标信号；其中，信号解调中所用的接收本振为载波跟踪环的输出频率；
对目标信号进行混沌波包码的捕获与跟踪，并做相关运算获取相关值，且在相关值达到最大峰值时刻关闭计数器；
获取计数器的数据并标记时延数据，将时延数据发送至FPGA控制器，在下一次发送原始信号时，将时延数据调制到混沌波包码上经发射模块发送，同时计数器清零。
2.根据权利要求1所述的一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，其特征在于，所述时钟基准源的参数根据时钟差变化方程选择，时钟差变化方程具体为：且/>
其中：Eα为当t＝0时的时刻差，K为频标的漂移率；f0为频标的振荡频率标称值，fα为当t＝0时刻的振荡频率。
3.根据权利要求1所述的一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，其特征在于，所述混沌波包码的生成包括：
给定一个N行N列的厄密方阵HN×N；
计算哈密顿量为上述HN×N的N个本征波函数
依据混沌信号判定准则，提取部分或所有表现出量子混沌现象的本征波函数为量子混沌波函数；
依据经典信号与量子力学中的波函数在数学上存在的对应关系，得到具有与量子混沌波函数相同数学形式且长度为N的半经典的量子混沌波包数字信号
4.根据权利要求3所述的一种采用量子混沌编码的自主时间同步方法，其特征在于，所述厄密方阵HN×N用作一个量子哈密顿系统的哈密顿量，数学形式为:H+(x,y)＝-(a/σ)exp[(x-y)2/(b*σ)2]；其中，a、b和σ为设定参数。
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