CN115189797A

CN115189797A - 一种时间同步方法

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Publication number: CN115189797A
Application number: CN202211099046.4A
Authority: CN
Inventors: 关小龙; 武建锋; 吴华兵; 胡永辉; 赵爱萍
Original assignee: National Time Service Center of CAS
Current assignee: National Time Service Center of CAS
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2022-10-14

Abstract

本发明属于时间同步技术领域，公开了一种时间同步方法、系统、介质、设备及终端，在无人机上搭载高精度时频传递与同步技术终端，通过微波双向比对方法实现高精度时间同步；频率同步方面，采用将本地晶振锁相到芯片原子钟上，实现频率的短稳指标；通过微波双向比对获得的钟差和载波跟踪获得的载波频率驯服本地芯片原子钟的方法，实现长稳指标。本发明提出了采用基于微波体制的移动目标实时连续比对时空基准同步技术，突破区域尺度下移动目标间无线时频传递与同步技术，为网络化雷达系统中移动目标组网提供高精度、低成本、高可靠性的无线时频同步服务，满足了复杂电磁环境下的应用需求，并最终实现了在广域范围内，数十个移动目标的时空同步。

Description

一种时间同步方法

技术领域

本发明属于时间同步技术领域，尤其涉及一种时间同步方法。

背景技术

目前，为了解决面向网络化雷达系统中空中移动目标间空/时/频/相同步精度的需求，特别是在：一、网络雷达系统后期会有数十个移动目标的时频同步（系统牵引指标）需求；二、移动目标上搭载的频率源受重量、功耗、震动等约束，铯钟、氢钟等高性能原子钟无法搭载，需要高频次的双向时间比对修正动态环境下多普勒频率的影响；三、传统微波双向时间同步需要交换两目标之间的本地伪距和载波观测量，根据

与信号SNR以及数据速率的关系，更高的数据速率需要更好的信号质量满足数据交换，因此，常采用TDMA体制，即每个目标完成当前的时频同步后，需间隔较长时间才能完成下一次的时频同步，因此TDMA体制暂不能满足当前移动目标的高精度时频同步需求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：采用TDMA体制需间隔较长时间完成下一次时频同步，暂不能满足当前移动目标高精度时频同步需求；同时，现有技术只完成了时间的同步，并未考虑频率的同步，因此，亟待发展一种新的微波双向时频同步技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时间同步方法、系统、介质、设备及终端，尤其涉及一种用于移动目标之间的高精度时频传递与同步方法。

本发明是这样实现的，一种时间同步方法，所述时间同步方法包括：

以无人机作为空基移动目标，在无人机上搭载高精度时频传递与同步技术终端，通过微波双向比对方法实现高精度时间同步；频率同步方面，采用将本地晶振锁相到芯片原子钟上，实现频率的短稳指标；通过微波双向比对获得的钟差和载波跟踪获得的载波频率驯服本地芯片原子钟的方法，实现长稳指标。

进一步，所述时间同步方法包括以下步骤：

步骤一，为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列；用来区分不同的移动目标；

步骤二，建立任意两个移动目标间的时频同步模型；用来建立基于微波双向技术的无线链路，任意两个移动目标可以通过该链路实现高精度时间同步和频率同步。

步骤三，进行任意两个移动目标之间的时间同步；描述了基于双向单程伪距测量方法实现任意两个移动目标的时间同步；

步骤四，进行任意两个移动目标之间的频率传递；描述了如何实现任意两个移动目标实现频率传递，使任意两个移动目标达到了时频同步。

进一步，所述步骤一中的为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列包括：

当系统开启工作时，为每个移动目标上微波双向设备分配一个扩频伪随机码序列，实现全网覆盖、任意两移动目标之间信息的网内实时共享，任意两移动目标之间通过微波双向比对实现高精度距离测量与时间同步。

每个移动目标利用分配给自身的特定扩频码，通过广播式的方法实现扩频调制并向其他目标发送信息，实现单点到多点的多址发送，全网内各目标均收到本目标发送的信息，且网内任意一个移动目标均具有这一功能；如果需要向特定目标发送，则在数据链路层的传输帧结构中定义目的地址。

进一步，所述步骤二中的建立任意两个移动目标间的时频同步模型包括：

任意两个移动目标之间通过无线模式相互链接，采用双向单程伪距/载波相位测量实现高精度时间同步和频率同步。每个移动目标均搭载一套相同的微波双向收发设备，每套设备包括收发天线、双工器、功率放大器、低噪声放大器、上变频器、下变频器、调制解调器以及时钟源。

进一步，所述步骤三中的任意两个移动目标之间的时间同步方法包括：

任意两个移动目标之间高精度时频传递与同步采用双向单程伪距测量方法实现；两端的调制解调器通过伪码和载波相位测量，两端各自得到相对伪距；通过双向测量消除钟差，实现站间测距、时间同步和数据交互；其中，所述调制解调器包含发射部分和接收部分。

进一步，所述步骤四中的任意两个移动目标之间的频率传递方法包括：

任意两个移动目标之间频率传递，通过将本地晶振锁相到芯片原子钟上，实现频率的短稳指标；通过微波双向比对获得的钟差或载波跟踪获得的载波频率驯服本地芯片原子钟，实现长稳指标。

频率传递过程中，将高稳晶振锁相到芯片原子钟上，保证晶振输出与芯片原子钟相同频率准确度的10MHz频率信号，同时继承高稳晶振自身良好的短稳特性；晶振输出的10MHz频率信号输出至上下变频模块作为频率参考，上下变频模块中的频综根据输入的10MHz频率信号产生上变频、下变频和自环校准通道、ADC、DAC所需的各种频率，同时输出参考频率至微波双向时间比对基带作为FPGA的系统工作时钟。

驯服模块将微波双向比对获取的钟差数据和通过载波跟踪剥离多普勒频率，通过锁相环的环路滤波器后，将钟差值和频率值转换为芯片原子钟的调整量对芯片原子钟进行调控，输出长期稳定度更优的频率基准。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的时间同步方法的时间同步系统，所述时间同步系统包括：

伪随机码序列分配模块，用于为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列；

时频同步模型构建模块，用于建立任意两个移动目标间时频同步模型；

时间同步模块，用于进行任意两个移动目标之间时间同步；

频率传递模块，用于进行任意两个移动目标之间频率传递。

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所述的时间同步方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供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所述的时间同步方法的步骤。

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间同步系统。

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：

本发明提供的用于移动目标之间的高精度时频传递与同步方法，以无人机作为空基移动目标示例，在无人机上搭载高精度时频传递与同步技术终端，通过微波双向比对方法实现高精度时间同步；在频率同步方面，采用将本地晶振锁相到芯片原子钟上，实现频率的短稳指标；通过微波双向比对获得的钟差和载波跟踪获得的载波频率驯服本地芯片原子钟的方法，实现长稳指标。

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：

本发明提出了采用基于微波体制的移动目标实时连续比对时空基准同步技术，突破区域尺度下移动目标间无线时频传递与同步技术，为网络化雷达系统中移动目标组网提供高精度、低成本、高可靠性的无线时频同步服务，满足复杂电磁环境下的应用需求，并最终实现了在广域范围内，数十个移动目标的时空同步：时间同步不确定度100ps，频率同步不确定度5×10^-13@1s和5×10^-14@1day。

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：

本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

目前传统的能达到纳秒级时间同步的技术国际上常用的有卫星授时和双向同步技术，由于卫星易受干扰，存在不可用的风险。双向技术又分为光纤双向和微波双向，光纤需要有线介质，同样不适用对移动目标的时间同步；而现有的微波双向技术仅实现了时间信号的时间同步，并未实现频率同步，因此，在失锁情况下，由于频率源存在长期漂移的缺陷，不能实现移动目标长期的高精度时间同步。本发明通过微波双向比对方法实现高精度时间同步；在频率同步方面，采用将本地晶振锁相到芯片原子钟上，实现频率的短稳指标；通过微波双向比对获得的钟差和载波跟踪获得的载波频率驯服本地芯片原子钟的方法，实现频率源长稳指标。并最终实现了移动目标间实时连续无线时频传递与同步技术。

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间同步方法流程图；

图2是本发明实施例提供的无人机上挂载的的微波双向收发设备原理框图；

图3是本发明实施例提供的空中移动目标链接关系示意图；

图4是本发明实施例提供的任意两个移动目标之间时频同步模型示意图；

图5是本发明实施例提供的任意两个移动目标之间频率传递框图；

图6是本发明实施例提供的双向单程伪距测量原理图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时间同步方法、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。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的时间同步方法包括以下步骤：

S101，为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列；

S102，建立任意两个移动目标间的时频同步模型；

S103，进行任意两个移动目标之间的时间同步；

S104，进行任意两个移动目标之间的频率传递。

试验场景建立，准备三架无人机（或更多），同时每个无人机上搭载一套相同的收发设备，设备原理框图见图2，空中移动目标链接关系示意见图3。

作为优选实施例，本发明实施例提供的时间同步方法具体包括以下步骤：

步骤1：为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列；

每个移动目标可以利用分配给自身的特定扩频码实现扩频调制并向其他目标发送信息，这一过程是广播式的，实现了单点→多点的多址发送，全网内各目标都能收到本目标发送的信息，保证了全网通信覆盖性，且网内任意一个移动目标都具有这一功能。如果需要向特定目标发送，则在数据链路层的传输帧结构中定义目的地址。

每个移动目标能够利用分配给自身的n-1个接收通道对应的n-1个频点与扩频码（分配给网内其他移动目标），在移动目标间终端的接收单元配置n-1个接收通道的解扩/解调单元，每个通道将本通道对应的频点下变频到标称的中频中心频点上进行载波跟踪，用本通道对应的本地再生扩频码实现解扩/解调。n-1个接收通道分别独立地对来自网内其他n-1个目标的通信信号实现解扩/解调和数据接收，以及异步测距与/时间同步。每个移动目标都能同时接收其他n-1个移动目标发送的信号并解码数据帧，各通道的处理过程相互独立互不干扰，实现了多点→单点的多址接收。任意目标能够同时接收分别来自网内其他n-1个目标的信息而互不影响、向网内其他n-1个目标发送信息，发送、接收过程相互独立为异步过程。

步骤2：建立任意两个移动目标间时频同步模型；

任意两个移动目标之间通过无线模式相互链接，采用双向单程伪距/载波相位测量实现高精度时间同步和频率同步。每个移动目标均搭载了一套相同的收发设备，每套设备包括收发天线、双工器、功率放大器、低噪声放大器、上变频器、下变频器、调制解调器以及时钟源等，任意两个移动目标间时频同步模型如图4所示。

步骤3：任意两个移动目标之间时间同步原理；

任意两个移动目标之间高精度时频传递与同步采用双向单程伪距测量（DualOne-way Ranging，DOWR）方法实现，在这种方法中，两端的调制解调器（包含发射部分和接收部分）通过伪码和载波相位测量，两端各自得到相对伪距，通过双向测量消除钟差，实现站间测距、时间同步和数据交互。本发明实施例提供的双向单程伪距测量原理如图6所示。

在图6中，节点A和节点B分别以自身时钟为基准发射前向测距信号和反向测距信号，由于双方时间不一致，双方发送的测距信号帧同步之间存在钟差

。在节点A，通过捕获跟踪反向测距信号可以得到前向测距信号帧同步与反向测距信号帧同步之间的时延

，该时延除了包括节点B与节点A天线间的电磁波传播时延

外，还包括节点B的发射设备时延

、节点A的接收设备时延

和节点B与节点A间的钟差

。推导可得：

。

步骤4：任意两个移动目标之间频率传递原理；

本发明实施例提供的频率传递的框图如图5所示，首先将高稳晶振锁相到芯片原子钟上，保证晶振输出与芯片原子钟相同频率准确度的10MHz频率信号，同时继承高稳晶振自身良好的短稳特性。晶振输出的10MHz频率信号输出至上下变频模块作为频率参考，上下变频模块中的频综根据输入的10MHz频率信号产生上变频、下变频和自环校准通道、ADC、DAC所需的各种频率，同时输出参考频率至微波双向时间比对基带作为FPGA的系统工作时钟。

本发明实施例提供的时间同步系统包括：

时间同步模块，用于进行任意两个移动目标之间时间同步；

频率传递模块，用于进行任意两个移动目标之间频率传递。

二、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。

从上述技术方案可以看出，本发明的基于微波双向技术实现时间同步和驯服模块实现频率同步，具有以下有益效果：

1、在任意两个移动目标之间采用双向单程伪距测量这种方法，实现任意移动目标间高精度时间同步，时间同步不确定度100ps；

2、通过微波双向比对获得的钟差驯服本地芯片原子钟，实现任意移动目标间频率同步，频率同步不确定度5×10^-13@1s和5×10^-14@1day。

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。

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

1.一种时间同步方法，其特征在于，所述时间同步方法包括：

2.如权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，所述时间同步方法包括以下步骤：

步骤一，为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列；

步骤二，建立任意两个移动目标间的时频同步模型；

步骤三，进行任意两个移动目标之间的时间同步；

步骤四，进行任意两个移动目标之间的频率传递。

3.如权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述步骤一中的为每个移动目标分配一个扩频伪随机码序列包括：

当系统开启工作时，为每个移动目标上微波双向设备分配一个扩频伪随机码序列，实现全网覆盖、任意两移动目标之间信息的网内实时共享，任意两移动目标之间通过微波双向比对实现高精度距离测量与时间同步；

4.如权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述步骤二中的建立任意两个移动目标间的时频同步模型包括：

任意两个移动目标之间通过无线模式相互链接，采用双向单程伪距/载波相位测量实现高精度时间同步和频率同步；每个移动目标均搭载一套相同的微波双向收发设备，每套设备包括收发天线、双工器、功率放大器、低噪声放大器、上变频器、下变频器、调制解调器以及时钟源。

5.如权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述步骤三中的任意两个移动目标之间的时间同步方法包括：

6.如权利要求2所述的时间同步方法，其特征在于，所述步骤四中的任意两个移动目标之间的频率传递方法包括：

任意两个移动目标之间频率传递，通过将本地晶振锁相到芯片原子钟上，实现频率的短稳指标；通过微波双向比对获得的钟差或载波跟踪获得的载波频率驯服本地芯片原子钟，实现长稳指标；

频率传递过程中，将高稳晶振锁相到芯片原子钟上，保证晶振输出与芯片原子钟相同频率准确度的10MHz频率信号，同时继承高稳晶振自身良好的短稳特性；晶振输出的10MHz频率信号输出至上下变频模块作为频率参考，上下变频模块中的频综根据输入的10MHz频率信号产生上变频、下变频和自环校准通道、ADC、DAC所需的各种频率，同时输出参考频率至微波双向时间比对基带作为FPGA的系统工作时钟；

7.一种应用如权利要求1~6任意一项所述的时间同步方法的时间同步系统，其特征在于，所述时间同步系统包括：

时间同步模块，用于进行任意两个移动目标之间时间同步；

频率传递模块，用于进行任意两个移动目标之间频率传递。

8.一种计算机设备，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权利要求1~6任意一项所述的时间同步方法的步骤。

9.一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权利要求1~6任意一项所述的时间同步方法的步骤。

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7所述的时间同步系统。