CN116367354B - 一种高精度时统与通信组网系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高精度时统与通信组网系统，包括主机模块和若干个从机模块；主机模块同时与所有的从机模块建立双向通信链路；从机模块之间互不建立通信链路，各个从机模块之间通过主机模块进行数据交互。主机模块和从机模块之间采用无线微波链路建立双向通信链路；无线微波链路采用频分全双工的工作模式，通过频分多址+码分多址的方式完成主机模块和所有从机模块的接入连接。本申请的优点在于通过集成化模块，便于生产加工，维修方便，可建立同类设备间的通信网络，并提供高精度相对同步和定位服务。
Description
技术领域
本申请属于通信技术领域，具体涉及一种高精度时统与通信组网系统。
背景技术
双向单程伪距测量(Dual One-way Ranging:DOWR)是现代航天测控中广泛应用的一种测距-时间比对方法，在这种方法中，两个载体分别安装收发信机，通过伪码和载波相位测量，两个载体各自得到相对伪距，通过双向测量消除钟差，实现测距、时间同步和数据交互。
发明内容
本申请提出了一种高精度时统与通信组网系统，依托主站模块，以一对多方式组织建立通信网络的能力，主站广播通信带宽≥10Mbps、广播通信延迟≤5ms；具备输出同步时钟和统一标频的能力，模块间时钟相对同步精度≤1.5ns(RMS)，相对频率偏差≤1e-10；具备利用北斗卫星信号，实现定位授时的能力，授时精度≤10ns(RMS)，定位精度水平≤0.02m(RMS)、垂直≤0.05m(RMS)。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种高精度时统与通信组网系统，包括主机模块和若干个从机模块；
所述主机模块同时与所有的所述从机模块建立双向通信链路；
所述从机模块之间互不建立通信链路，各个所述从机模块之间通过所述主机模块进行数据交互。
优选的，所述主机模块和所述从机模块之间采用无线微波链路建立双向通信链路；
所述无线微波链路采用频分全双工的工作模式，通过频分多址+码分多址的方式完成所述主机模块和所有所述从机模块的接入连接。
优选的，所述主机模块和所有的所述从机模块均采用完全相同的软硬件设备，通过指令配置实现主机模式和从机模式的切换；
所述主机模块和所有的所述从机模块均配置唯一ID号，对应各自发射的伪随机码Cx用于码分多址；所述主机模块和所有的所述从机模块都能够实现收发频点的切换，并设定主机模式下，发射频点为F1，接收频点为F2；从机模式下，发射频点为F2，接收频点为F1，用于频分多址。
优选的，所述主机模块按照自身时标发送无线信号，所述从机模块收到主机的信号后，根据主机信号帧时标置本地初始时间，完成与所述主机模块的时间粗同步，然后根据该从机模块自身时标发射无线信号给主机模块，主机模块接收到从机模块的信号后，完成双向通信链路的建立；
所述主机模块和所述从机模块建立双向通信链路后，从机模块通过双向测量完成与主机模块之间的高精度时频比对，然后根据获得的钟差、钟漂参数实时调整本地时频，实现主机模块和所有从机模块间相对时钟同步和频率同步。
优选的，所述高精度时统与通信组网系统还通过卫星导航天线接收北斗卫星信号，同时以主机模块作为基准站，以从机模块作为移动站，采用RTK技术实现高精度定位。
优选的，所述主机模块和所述从机模块均包括通信与测量一体化单元、频标驯服单元、北斗RTK接收机和电源管理单元；
所述通信与测量一体化单元分别与所述频标驯服单元、所述北斗RTK接收机和所述电源管理单元相连，用于完成双向链路通信与时频测量、以及完成对外数据交互；
所述频标驯服单元分别与所述通信与测量一体化单元和所述电源管理单元相连，用于提供主机模块和所有从机模块使用的高温频标、完成对外输入1PPS的驯服，并输出同步后的10MHz频标；
所述北斗RTK接收机分别与通信与测量一体化单元、频标驯服单元和电源管理单元相连，应用高精度定位和授时功能；
所述电源管理分别与通信与测量一体化单元、频标驯服单元和北斗RTK接收机相连，用于对外部输入的直流电源进行滤波、转换，并输出内部使用的二次电源。
优选的，所述通信与测量一体化单元包括通信天线、射频收发通道和基带信号处理；
所述射频收发通道包括上下变频和频综；
所述基带信号处理包括调制解调、接口处理、双向时间比对部分。
优选的，所述通信天线采用S波段通信天线，用于针对主机模块的3.02GHz发送信号和3.12GHz接收信号、从机模块的3.12GHz发送信号和3.02GHz接收信号进行信号的变换；
所述射频收发通道采用微波射频收发通道与S波段通信天线协同工作，为主机模块和从机模块提供上行和下行通信信道，以高温晶振输出的10MHz频标信号为参考信号，发送端输入调制单元的70MHz中频信号，在接收端向解调单元输出70MHz中频信号，同时提供基带信号处理需要的100MHz工作时钟。
本申请的有益效果为：
本申请由一台主机模块和多台从机模块进行组网，主机模块能同时与所有的从机模块建立无线链路，各个从机模块能和主机模块建立无线链路，从机模块之间不能建链，从机模块和从机模块之间的数据交互可通过主机中转实现。主、从机模块通过建立统一信道的无线微波链路实现通信、时频同步和相对距离测量等功能。同时，主、从机模块可以通过卫星导航天线接收北斗卫星信号，实现绝对位置的高精度定位和授时功能。另一方面，本申请通过集成化模块，便于生产加工，维修方便，可建立同类设备间的通信网络，并提供高精度相对同步和定位服务。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中的主机/从机模块内部总体设计架构框图示意图；
图2为本申请实施例中的电源管理单元设计示意图；
图3为本申请实施例中的结构外形示意图；
图4为本申请实施例中的安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、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。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
本申请实施例一的高精度时统与通信组网系统，主要由一台主机模块和多台从机模块进行组网，主机模块能同时与所有的从机模块建立无线链路，各个从机模块能和主机模块建立无线链路，从机模块之间不能建链，从机模块和从机模块之间的数据交互可通过主机中转实现。主、从机模块通过建立统一信道的无线微波链路实现通信、时频同步和相对距离测量等功能。同时，主、从机模块可以通过卫星导航天线接收北斗卫星信号，实现绝对位置的高精度定位和授时功能。
主、从机模块之间的无线微波链路采用频分全双工(FDD)的工作模式，通过频分多址+码分多址的方式(FDMA+CMDA)完成节点的接入连接，从而实现一主对多从的连续不间断通信功能。主、从机模块为软硬件完全相同的设备，通过指令配置或自主配置实现主机模式和从机模式的切换，实现模块间的互换性。每个模块配置唯一ID号，对应各自发射的伪随机码Cx(x＝1,2,3…n)用于码分多址；每个模块都可以实现收发频点的切换，规定主机模式下，发射频点为F1，接收频点为F2；从机模式下，发射频点为F2，接收频点为F1，用于频分多址。
主机模块和从机模块加电启动后，主机按照自身时标发送无线信号，从机收到主机的信号后，根据主机信号帧时标置本地初始时间，完成与主机的时间粗同步，然后根据自身时标发射无线信号给主机，主机接收到从机的信号后，完成链路的建立。
主机和从机建立双向无线链路后，从机通过双向测量完成与主机之间的高精度时频比对，然后根据获得的钟差、钟漂等参数实时调整本地时频，实现模块间相对时钟同步和频率同步，从而使输出给用户使用的秒脉冲(1PPS)和10MHz频标满足相对同步精度；
主机可以通过网口或高速IO口获取用户的广播数据(10Mbps)或双向通信数据(50bps)，并通过双向无线链路广播(发射)给从机节点，从节点接收后采用透传机制，直接将数据通过高速IO口发送给从机用户，保证数据的低延迟传输；
主机和从机模块加电启动后，同时通过卫星导航天线接收北斗卫星信号，同时以主机作为基准站，从机作为移动站，采用RTK技术实现高精度定位，满足水平和垂直的定位精度要求，主机和从机之间的数据交互通过双向无线链路完成；
当双向无线链路不可用时，主机和从机之间的1PPS时间和10MHz的同步则切换到北斗卫星授时来完成，保障系统的可用性。
在本实施例中，主\从机模块采用相同的硬件设计架构，模块的内部总体架构如图1所示。每个模块内部均包含4个单元，分别为通信与测量一体化单元、频标驯服单元、北斗RTK接收机和电源管理单元，4个单元各自完成相应功能，并配合完成整机任务。
(1)通信与测量一体化单元：分别与频标驯服单元、北斗RTK接收机、电源管理单元相连完成双向链路通信与时频测量、完成对外数据交互；
通信与测量一体化单元包含三个部分，分别是：通信天线、射频收发通道、和基带信号处理，其中，射频收发通道主要包括上下变频和频综；基带信号处理主要包括调制解调、接口处理、双向时间比对等部分。
①通信天线：S波段通信天线主要针对本设计选用的主机3.02GHz发送信号和3.12GHz接收信号、从机3.12GHz发送信号和3.02GHz接收信号进行信号的变换，实现较为稳定的相位中心和较宽的覆盖范围。
②射频收发通道：微波射频收发通道与S波段通信天线协同工作，为主机和从机提供上行和下行通信信道，以高温晶振输出的10MHz频标信号为参考信号，发送端输入调制单元的70MHz中频信号，在接收端向解调单元输出70MHz中频信号，同时提供基带信号处理板卡需要的100MHz工作时钟。
③基带信号处理：
a)调制解调部分：调制部分接收来自接口的通信数据并将其调制至扩频码上，广播数据则直接进行BPSK调制，再经BPSK/QPSK调制至中频输出。
解调单元完成信号接收处理的所有关键算法，其中包括载波和伪码的捕获、跟踪、位同步、帧同步，最终解调出数据信息，并获取本地伪距、多普勒等测量值和对方的观测量值。
b)双向时间部分：
接收调制解调模块输入的本地测量观测量与对方测量的观测量，配对后进行相对距离、速度、钟差、钟漂的解算；将解算结果作为同步跟踪环路的输入，通过环路滤波，精确恢复出同步与主机的1PPS，输出给频标驯服单元；监测无线链路状态，当链路不可用时，将输出的测量1PPS切换为导航接收机输入的1PPS。
c)接口处理部分：接口处理部分主要具备所需要的对外接口处理能力，包括了2路网口和1路高速IO接口，其中网口1完成基于UDP协议的状态数据交互；网口2完成基于TCP的广播数据交互；1路高速IO口基于自定义协议，实现数据的低延迟传输，接口可以直接对接用户的逻辑处理器(如FPGA)。
d)电源管理部分：电源部分电路主要完成对输入的12V二次电源进行分路和转换，变压为板上需要的各种模拟和数据电。
(2)频标驯服单元：分别与通信与测量一体化单元、电源管理单元相连，提供模块使用的高温频标、完成对外输入1PPS的驯服，输出同步后的10MHz频标；
(3)北斗RTK接收机：分别与通信与测量一体化单元、频标驯服单元、电源管理单元相连，完成高精度定位和授时功能；
(4)电源管理：分别与通信与测量一体化单元、频标驯服单元、北斗RTK接收机相连。电源管理单元主要对外部输入的28V直流电源进行滤波、转换，输出内部使用的二次电源，端机的电源输入为28VDC，经过滤波器后输出2路12VA模拟电源供端机模拟电源供电，1路12VD数字电源供端机数字电源。如图2所示。
在本实施例中，如图3、4所示结构外形尺寸：宽(272±1)mm×深(195±1)mm×厚(121±1)mm(不包括连接器、安装脚等突出物)，设备底部采用4个M4螺钉固定。机箱采用模块化结构形式，各模块安装在机箱内部各自的腔内，其中电源单元、北斗RTK接收机、通信与测量一体化单元从设备前面插入，螺钉安装固定，频标驯服单元从背面放入固定。
机箱材质采用导热性能良好的铝合金制成，散热方式以传导散热为主，机箱外部有散热鳍片，各模块散热面均通过螺钉拉紧，增强接触面的热传导效率。
对于表面贴装需要散热的芯片，采用导冷板贴装的方式实现热传递，导冷板为铝合金材质，表面光滑平整，与芯片之间粘贴高导热系数的导热胶垫使之紧密贴合。
导冷板的再散热途径分为两条：冷板外侧与机箱内壁直接紧密贴合实现散热；另外还可通过冷板本身将热量导至楔形锁紧条，通过锁紧条楔形锁紧装置与机箱内壁紧密贴合实现热传递，同时楔形锁紧条锁紧时的机械压力，增大冷板与机箱的接触面积，降低接触热阻，更好的促使模块热量的导出。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种高精度时统与通信组网系统，其特征在于，包括主机模块和若干个从机模块；
所述主机模块同时与所有的所述从机模块建立双向通信链路；
所述从机模块之间互不建立通信链路，各个所述从机模块之间通过所述主机模块进行数据交互；
所述主机模块和所述从机模块之间采用无线微波链路建立双向通信链路；
所述无线微波链路采用频分全双工的工作模式，通过频分多址+码分多址的方式完成所述主机模块和所有所述从机模块的接入连接；
所述主机模块和所有的所述从机模块均采用完全相同的软硬件设备，通过指令配置实现主机模式和从机模式的切换；
所述主机模块和所有的所述从机模块均配置唯一ID号，对应各自发射的伪随机码Cx用于码分多址；所述主机模块和所有的所述从机模块都能够实现收发频点的切换，并设定主机模式下，发射频点为F1，接收频点为F2；从机模式下，发射频点为F2，接收频点为F1，用于频分多址；
所述高精度时统与通信组网系统还通过卫星导航天线接收北斗卫星信号，同时以主机模块作为基准站，以从机模块作为移动站，采用RTK技术实现高精度定位；
所述主机模块和所述从机模块均包括通信与测量一体化单元、频标驯服单元、北斗RTK接收机和电源管理单元；
所述通信与测量一体化单元分别与所述频标驯服单元、所述北斗RTK接收机和所述电源管理单元相连，用于完成双向链路通信与时频测量、以及完成对外数据交互；
所述频标驯服单元分别与所述通信与测量一体化单元和所述电源管理单元相连，用于提供主机模块和所有从机模块使用的高温频标、完成对外输入1PPS的驯服，并输出同步后的10MHz频标；
所述北斗RTK接收机分别与通信与测量一体化单元、频标驯服单元和电源管理单元相连，应用高精度定位和授时功能；
所述电源管理分别与通信与测量一体化单元、频标驯服单元和北斗RTK接收机相连，用于对外部输入的直流电源进行滤波、转换，并输出内部使用的二次电源。
2.根据权利要求1所述的高精度时统与通信组网系统，其特征在于，
所述主机模块按照自身时标发送无线信号，所述从机模块收到主机的信号后，根据主机信号帧时标置本地初始时间，完成与所述主机模块的时间粗同步，然后根据该从机模块自身时标发射无线信号给主机模块，主机模块接收到从机模块的信号后，完成双向通信链路的建立；
所述主机模块和所述从机模块建立双向通信链路后，从机模块通过双向测量完成与主机模块之间的高精度时频比对，然后根据获得的钟差、钟漂参数实时调整本地时频，实现主机模块和所有从机模块间相对时钟同步和频率同步。
3.根据权利要求1所述的高精度时统与通信组网系统，其特征在于，
所述通信与测量一体化单元包括通信天线、射频收发通道和基带信号处理；
所述射频收发通道包括上下变频和频综；
所述基带信号处理包括调制解调、接口处理、双向时间比对部分。
4.根据权利要求3所述的高精度时统与通信组网系统，其特征在于，
所述通信天线采用S波段通信天线，用于针对主机模块的3.02GHz发送信号和3.12GHz接收信号、从机模块的3.12GHz发送信号和3.02GHz接收信号进行信号的变换；
所述射频收发通道采用微波射频收发通道与S波段通信天线协同工作，为主机模块和从机模块提供上行和下行通信信道，以高温晶振输出的10MHz频标信号为参考信号，发送端输入调制单元的70MHz中频信号，在接收端向解调单元输出70MHz中频信号，同时提供基带信号处理需要的100MHz工作时钟。
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| CN116367354A (zh) | 2023-06-30 |
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