用于分布式定位系统的高精度时间同步系统及其同步方法

用于分布式定位系统的高精度时间同步系统及其同步方法
【专利摘要】一种用于分布式定位系统的高精度时间同步系统及其同步方法，高精度时间同步系统包含主处理装置以及若干与主处理装置进行无线通讯的终端处理装置，各个终端处理装置接收主处理装置发送的参考频率固定信息，保持与主处理装置的计时频率一致，主处理装置给各个终端处理装置分配校时的先后顺序，终端处理装置根据校时顺序向主处理装置发送询问消息，主处理装置记录收到询问消息的时间，并向终端处理装置发送应答消息，终端处理装置记录收到应答消息的时间，终端处理装置采用双向时间同步法计算与主处理装置的时间差，实现终端处理装置与主处理装置之间的时间同步。本发明能长时间保持时间同步精度优于1ns。
【专利说明】用于分布式定位系统的高精度时间同步系统及其同步方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于分布式定位系统的高精度时间同步系统及其同步方法。

【背景技术】
[0002]分布式定位系统目前在很多领域都得到了广泛应用，从日常的手机基站定位，到海上救援卫星定位系统，地下坑道人员、设备定位等都有应用。定位精度的一个重要因素是各个站点之间的时间同步误差。通常时间同步的误差与定位误差成正比，例如Ig的时间误差就会带来300m的圆概率误差。
[0003]通过外部频率源进行时间同步是当今应用最广泛的技术手段。通过卫星导航系统，如GPS、北斗进行时间同步，因为受到大气电离层散射等因素的干扰，其高精度仅仅是在统计意义上可以达到，无法做到实时更新，且实际精度很难超过100ns，并伴有相当多的野值。转发式卫星授时的精度稍高，但也只能达到十几纳秒的水平。其他外部校时方式，如长波、短波、低频时码，精度约为0.1^^0.ls，远低于定位系统的要求。此外，目前常见的基于伪码相位测量的时间同步系统，由于码片相位分辨率低，很难达到5ns以下的精度，且由于缺乏有效的校时协议，校时完成后也很难保持站点间的时间同步。
[0004]如上所述，现有技术在需要校时精度优于5ns，且能够长时间保持的情况下，其实现方法和精度保证是很难满足要求的。


【发明内容】

[0005]本发明提供一种用于分布式定位系统的高精度时间同步系统及其同步方法，能长时间保持时间同步精度优于Ins。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供一种用于分布式定位系统的高精度时间同步系统，该同步系统包含主处理装置，以及若干与主处理装置进行无线通讯的终端处理装置；
所述的主处理装置和终端处理装置的电路结构都包含:
天线；
电性连接天线的功率放大器模块；
电性连接功率放大器模块的上下变频器模块；
电性连接上下变频器模块的中频发射接收及数字处理模块；
所述的中频发射接收及数字处理模块包含:
电性连接上下变频器模块输出端的中频接收模块；
电性连接上下变频器模块输入端的中频发射模块；
电性连接中频接收模块输出端、中频发射模块输入端和频率控制器输出端的数字处理模块；
所述的数字处理模块中还包含数字载波跟踪环电路、伪码跟踪环电路、定时相位误差估计电路和计时时钟。
[0007]所述的高精度时间同步系统还包含电性连接功率放大器模块、上下变频器模块和中频发射接收及数字处理模块的电源。
[0008]所述的功率放大器模块包含:
电性连接天线的双工器，该双工器与天线进行双向数据传输；
电性连接双工器输出端的输入放大器；
电性连接双工器输入端的输出放大器。
[0009]所述的上下变频器模块包含:
电性连接输入放大器输出端和中频接收模块输入端的下变频器；
电性连接输出放大器输入端和中频发射模块输入端的上变频器；
电性连接下变频器、上变频器和数字处理模块的频率控制器。
[0010]所述的中频接收模块包含电性连接下变频器输出端的模数转换器、以及电性连接模数转换器输出端的混频模块；所述的中频发射模块包含电性连接上变频器输入端的放大滤波器、以及电性连接放大滤波器输入端的数模转换器。
[0011]本发明还提供一种用于分布式定位系统的高精度时间同步方法，该方法包含以下步骤:
步骤S1、主处理装置向各个终端处理装置发送参考频率的固定信息，各个终端处理装置接收该固定信息，通过伪码跟踪环电路获得该固定信息中包含的主处理装置的计时频率，通过调整本地计时时钟来保持与主处理装置的计时频率一致；
所述的固定信息是数字处理模块根据主处理装置的时钟参考频率生成的循环播放的伪随机码序列；
步骤S2、主处理装置向各个终端处理装置发送入网消息，给各个终端处理装置分配校时的先后顺序；
所述的入网消息是主处理装置的数字处理模块生成的一段与终端处理装置约定好的信息序列；
在发送该入网消息的起始时刻，主处理装置的计时时钟清零；
步骤S3、终端处理装置采用双向时间同步法按照主处理装置分配的校时顺序依次实现与主处理装置之间的时间同步。
[0012]所述的步骤S3包含以下步骤:
步骤S3.1、终端处理装置按照主处理装置分配的顺序，向主处理装置发送询问消息；
所述的询问消息包含同步头和询问消息本体，所述的同步头包含由数字处理模块根据主处理模块的时钟参考频率为参考频率而生成的固定信息，该固定信息的长度与步骤SI中主处理装置发送的参考频率的固定信息的长度一致，所述的询问消息本体包含终端处理装置的编号信息；
在发送询问消息本体的起始时刻，终端处理装置的计时时钟清零；
步骤S3.2、经过传输时间tp，主处理装置接收到终端处理装置发送的询问消息，主处理装置通过伪码跟踪环电路计算出询问消息到达时刻TOJlz ；
所述的伪码跟踪环电路计算出从主处理装置的计时时钟零时刻到收到询问消息本体的最后一个比特之间，伪码跟踪环电路总共产生的伪码周期数，并将该伪码周期数换算为询问消息到达时刻T7CMl1;
步骤S3.3、主处理装置在其计时时钟到达td时，向终端处理装置发送应答消息； 所述的应答消息中包含主处理装置收到询问消息本体的时间和终端处理装置的编号信息；
步骤S3.4、经过传输时间tp，终端处理装置收到应答消息，终端处理装置通过伪码跟踪环电路计算出应答消息到达时亥IFQdlp并从应答消息中提取时间；
所述的伪码跟踪环电路计算出从终端处理装置的计时时钟零时刻到收到应答消息本体的最后一个比特之间，伪码跟踪环电路总共产生的伪码周期数，并将该伪码周期数换算为应答消息到达时刻T7CMls ；
步骤S3.5、终端处理装置中的数字处理模块计算终端处理装置自身相对于主处理装置的时钟差ε:
s={T0A1-T0AR+id)i2.其中是主处理装置收到终端处理装置发送的询问消息本体的时间，7041￡是终端处理装置收到主处理装置发送的应答消息的时间，td是主处理装置从其计时时钟清零到向终端处理装置发送应答消息之间的间隔时间；
步骤S3.6、终端处理装置中的数字处理模块根据时钟差ε调整自身的计时时钟，以实现与主处理装置的计时时钟精同步。
[0013]所述的主处理装置在向各个终端处理装置发送应答消息的空隙以及向所有的终端处理装置发送完应答消息以后，主处理装置持续向各个终端处理装置发送参考频率的固定信息，各个终端处理装置接收该固定信息，通过伪码跟踪环电路获得该固定信息中包含的主处理装置的计时频率，通过调整本地计时时钟来保持与主处理装置的计时频率一致。
[0014]所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步同步方法采用频分复用和时分复用；
所述的频分复用体现为:主处理装置采用第一频率Π向终端处理装置发送消息，终端处理装置采用第二频率f2向主处理装置发送消息；
所述的时分复用体现为:当一个终端处理装置完成与主处理装置的时间同步操作之后，另一个终端处理装置才开始向主处理装置发送询问消息，开始与主处理装置的时间同步操作。
[0015]所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法中:
针对主处理装置向终端处理装置发射信号的情况，以及终端处理装置向主处理装置发射信号的情况，发射信号的生成及中频发射的工作流程都包含以下步骤:
A、数字处理模块生成发射信号，对发射信号采用1023倍扩频和DQPSK差分四相相移键控调制；
B、数字处理模块对输入I路和Q路的基带信号分别进行扩频、脉冲成形和差值滤波；
C、数字处理模块利用数字控制振荡器NCO对I路和Q路信号进行正交调制；
D、中频发射模块利用模数转换器对I路和Q路信号进行模数转换；
E、中频发射模块利用放大滤波器对I路和Q路信号进行带通滤波后输出到上下变频器模块进行发送；
针对主处理装置接收终端处理装置发射信号的情况，以及终端处理装置接收主处理装置发射信号的情况，接收信号的中频接收和信号处理的工作流程都包含以下步骤:
A、中频接收模块对经过上下变频器模块进行下变频后的两路正交信号分别采样； B、中频接收模块利用数模转换器对两路正交信号进行数模转换；
C、中频接收模块利用混频模块对数模转换后的两路正交信号进行正交混频；
D、数字处理模块利用定时相位误差估计电路消除正交混频后的信号的定时相位误差;
E、数字处理模块利用伪码跟踪环电路对消除了定时相位误差后的两路信号进行解扩后得到基带信号；
F、数字处理模块利用载波跟踪环电路对解扩后的基带信号进行载波同步，消除本地载波与接收信号的载波频率和相位误差，减少I路和Q路信号间的串扰，并使得基带信号的信噪比最大化；
G、数字处理模块利用伪码跟踪环电路准确地测量接收信号的伪码相位与本地产生的伪码相位之间的差值，并通过该差值修正本地伪码的相位，以达到与接收信号的伪码保持同步的目的。
[0016]所述的伪码跟踪环电路采用了非等量采样技术，实现了优于百分之一码片精度的伪码相位分辨率。
[0017]本发明能长时间保持时间同步精度优于Ins。

【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构框图。
[0019]图2是本发明的主处理装置和终端装置的电路框图。
[0020]图3是本发明的双向时间同步的原理图。
[0021]图4是本发明的同步方法的流程图。
[0022]图5是实现终端处理装置与主处理装置之间的双向时间同步的流程图。
[0023]图6是本发明的同步方法的实施例。
[0024]图7是发射信号的生成及中频发射的工作流程图。
[0025]图8是接收信号的中频接收和信号处理的工作流程图。
[0026]图9是采用非等量采样技术的伪码跟踪环电路的框图。

【具体实施方式】
[0027]以下根据图1?图9，具体说明本发明的较佳实施例。
[0028]如图1所示，本发明提供一种用于分布式定位系统的高精度时间同步系统，该同步系统包含主处理装置1，以及若干与主处理装置I进行无线通讯的终端处理装置2。
[0029]所述的主处理装置用于对各个终端处理装置进行控制和管理，如网络的接入、校时的启动；及负责接收各个终端处理装置发出的校时询问信息，通过伪码相位测量得到该校时询问消息的准确到达时间，并将时间信息打包在应答信号中发送回终端处理装置；通过无线广播向各个终端处理装置提供精确的参考频率；通过输出秒脉冲用于触发定位设备进行数据采样。
[0030]所述的终端处理装置用于接收主处理装置的控制信号，在接入校时网络后按照主处理装置分配的时隙发送校时询问信息；测量接收到的主处理装置的应答信号的到达时亥IJ，并通过取出应答包中包含的时间信息计算并校正与主处理装置之间的计时起点差；在校时完成以后，通过接收并处理主处理装置广播的参考频率，保持与主处理装置计时频率的一致。
[0031]如图2所示，所述的主处理装置I和终端处理装置2的电路结构都包含:
天线3 ；
电性连接天线3的功率放大器模块4 ；
电性连接功率放大器模块4的上下变频器模块5 ；
电性连接上下变频器模块5的中频发射接收及数字处理模块6 ；
电性连接功率放大器模块4、上下变频器模块5和中频发射接收及数字处理模块6的电源7。
[0032]所述的中频发射接收及数字处理模块6完成对接口数据交换、基带信号处理、中频调制及中频解调、双向时间同步等功能。中频发射接收及数字处理模块6产生的中频信号经过上下变频器模块5的上变频，并经过功率放大器模块4的功率放大后，经过天线3辐射，天线3接收到的射频信号，经过功率放大器模块4的功率放大，并经过上下变频器模块5的下变频后，形成中频信号输出给中频发射接收及数字处理模块6进行处理。
[0033]所述的功率放大器模块4包含:
电性连接天线3的双工器403，该双工器403与天线3进行双向数据传输；
电性连接双工器403输出端的输入放大器401 ；
电性连接双工器403输入端的输出放大器402。
[0034]所述的上下变频器模块5包含:
电性连接输入放大器401输出端的下变频器501 ；
电性连接输出放大器402输入端的上变频器502 ；
电性连接下变频器501和上变频器502的频率控制器503 (提供时钟参考频率)。
[0035]所述的中频发射接收及数字处理模块6包含:
电性连接下变频器501输出端的中频接收模块601 ；
电性连接上变频器502输入端的中频发射模块602 ；
电性连接中频接收模块601输出端、中频发射模块602输入端和频率控制器503输出端的数字处理模块603。
[0036]所述的中频接收模块601包含电性连接下变频器501输出端的模数转换器、以及电性连接模数转换器输出端的混频模块；
所述的中频发射模块602包含电性连接上变频器502输入端的放大滤波器、以及电性连接放大滤波器输入端的数模转换器。
[0037]所述的数字处理模块603中还包含数字载波跟踪环电路、伪码跟踪环电路、定时相位误差估计电路和计时时钟。
[0038]本实施例中，所述的混频模块的型号为XBH-101-1，所述的数字处理模块603采用FPGA (现场可编程门阵列 Field Programmable Gata Array)。
[0039]如图3所示，显示了双向时间同步的原理。其中，70為是由主处理装置确定的询问消息到达的时间，7?為5是由终端处理装置确定的应答消息到达时间^力询问消息持续时间，&为应答消息的传播时间，其值包括传播时间真值^和传播时间误差^,即b =4+4, ε为主处理装置和终端处理装置之间的初始时间偏移。其中，& = Γ04-S = TOAr + 则终端处理装置根据F= (TOA1-TOAp+td)i 2可计算出自己的定时偏差，终端处理装置根据ε调整自己的时钟，以实现精同步。由以上过程可见，在求钟差ε的过程中距离时延被消去，所以采用双向时间同步法可以消除主处理装置和终端处理装置之间由信号传播距离造成的系统误差。
[0040]如图4所示，本发明提供的一种用于分布式定位系统的高精度时间同步方法，包含以下步骤:
步骤S1、主处理装置向各个终端处理装置发送参考频率的固定信息，各个终端处理装置接收该固定信息，通过伪码跟踪环电路获得该固定信息中包含的主处理装置的计时频率，通过调整本地计时时钟来保持与主处理装置的计时频率一致；
所述的固定信息是数字处理模块根据主处理装置的时钟参考频率生成的循环播放的伪随机码序列；
所述的终端处理装置中的计时时钟采用DDS (直接数字式频率合成器Direct DigitalSynthesizer),该DDS电路是在所述的数字处理模块中编程实现的；
步骤S2、主处理装置向各个终端处理装置发送入网消息，给各个终端处理装置分配校时的先后顺序；
所述的入网消息是主处理装置的数字处理模块生成的一段与终端处理装置约定好的信息序列；
在发送该入网消息的起始时刻，主处理装置的计时时钟清零；
步骤S3、终端处理装置采用双向时间同步法按照主处理装置分配的校时顺序依次实现与主处理装置之间的时间同步；
如图5所示，所述的步骤S3包含以下步骤:
步骤S3.1、终端处理装置按照主处理装置分配的顺序，向主处理装置发送询问消息；
所述的询问消息包含同步头和询问消息本体，所述的同步头包含由数字处理模块根据主处理模块的时钟参考频率为参考频率而生成的固定信息，该固定信息的长度与步骤SI中主处理装置发送的参考频率的固定信息的长度一致，所述的询问消息本体包含终端处理装置的编号信息；在发送询问消息本体的起始时刻，终端处理装置的计时时钟清零；
步骤S3.2、经过传输时间tp，主处理装置接收到终端处理装置发送的询问消息，主处理装置通过伪码跟踪环电路计算出询问消息到达时刻TOJli ；
所述的伪码跟踪环电路计算出从主处理装置的计时时钟零时刻到收到询问消息本体的最后一个比特之间，伪码跟踪环电路总共产生的伪码周期数，并将该伪码周期数换算为询问消息到达时刻TOJlz ；
步骤S3.3、主处理装置在其计时时钟到达td时，向终端处理装置发送应答消息；
所述的应答消息中包含主处理装置收到询问消息本体的时间和终端处理装置的编号信息；
步骤S3.4、经过传输时间tp，终端处理装置收到应答消息，终端处理装置通过伪码跟踪环电路计算出应答消息到达时刻并从应答消息中提取时间;
所述的伪码跟踪环电路计算出从终端处理装置的计时时钟零时刻到收到应答消息本体的最后一个比特之间，伪码跟踪环电路总共产生的伪码周期数，并将该伪码周期数换算为应答消息到达时刻TOJljs ； 步骤S3.5、终端处理装置中的数字处理模块计算终端处理装置自身相对于主处理装置的时钟差ε:
ε = (TQi4‘r— TOAsl +Ii) / 2 ；
其中是主处理装置收到终端处理装置发送的询问消息本体的时间，是终端处理装置收到主处理装置发送的应答消息的时间，td是主处理装置从其计时时钟清零到向终端处理装置发送应答消息之间的间隔时间；
步骤S3.6、终端处理装置中的数字处理模块根据时钟差ε调整自身的计时时钟，以实现与主处理装置的计时时钟精同步。
[0041]所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步同步方法中，主处理装置在向各个终端处理装置发送应答消息的空隙以及向所有的终端处理装置发送完应答消息以后，主处理装置持续向各个终端处理装置发送参考频率的固定信息，各个终端处理装置接收该固定信息，通过伪码跟踪环电路获得该固定信息中包含的主处理装置的计时频率，通过调整本地计时时钟来保持与主处理装置的计时频率一致。
[0042]所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步同步方法中，主处理装置采用第一频率fl向终端处理装置发送消息，终端处理装置采用第二频率f2向主处理装置发送消息。
[0043]如图6所示，以一个主处理装置和两个终端处理装置为例来说明本发明的高精度时间同步同步方法，该同步方法通过频分复用和时分复用的方式实现了一个主处理装置与多个终端处理装置之间的双向校时机制。频分复用表现在主处理装置的发射频率为Π，终端处理装置的发射频率为f2 ;时分复用表现为两个终端处理装置分别在互补交叠的时间区域发射校时询问信息。通过以上方式有效避免了上下行链路以及各个终端处理装置上行链路之间的干扰。具体实现方式如下:首先由主处理装置在频点Π广播固定信息(参考频率)，以帮助两个终端处理装置的接收机完成信号的同步，包括定时同步、载波同步和码环同步。广播固定信息的持续时间根据终端处理装置采用的具体算法及硬件相关，通常l(T30s可满足以上条件。接着主处理装置在频点f I广播入网消息，该消息规定了两个终端处理装置校时的先后顺序。同时，在广播该入网消息的起始时刻，主处理装置将本地的计时时钟清零。终端处理装置I在收到入网消息后开始在频点f2发送询问消息。该询问消息由同步头和询问消息本体组成。同步头的作用与主处理装置的固定信息相同，因而也是预先设定好的固定序列，同步头的长度也和主处理装置的固定信息相同；询问消息本体包括了终端处理装置的编号等信息。在发送询问消息的时刻，终端处理装置I将本地的计时时钟清零。经过传输时间tlp，主处理装置收到终端处理装置I发送的询问消息，主处理装置并记录下收到询问消息本体的时刻TOJI1;接着，主处理装置在本地计时时钟到达η时，发送应答消息。应答消息中包括了rCMljP终端处理装置I的编号。经过传输时间tlp，终端处理装置I收到应答消息，终端处理装置I并将收到应答消息的时刻录下来，结合从应答消息中提取的带入公式E= CTCMz-Γ04+&)/2中即可计算出终端处理装置I相对于主处理装置的时钟差。终端处理装置2与终端处理装置I类似，在收到入网消息后等待一段时间，然后在频点f2发送询问消息。在发送询问消息的时刻，终端处理装置2将本地的计时时钟清零。经过传输时间t2p，主处理装置收到终端处理装置2发送的询问消息，并记录下收到询问消息本体的时刻TOJ2/;接着，在本地计时时钟到达?时，主处理装置发送应答消息。应答消息中包括了终端处理装置2的编号。经过传输时间t2p，终端处理装置2收到应答消息，并将收到应答消息的时刻记录下来，结合从应答消息中提取的7*^42^带入公式6=(704-7^4+6)/2中即可计算出其相对于主处理装置的时钟差。主处理装置在向两个终端处理装置发送应答消息的空隙以及发送完应答消息以后，持续发送固定的序列(广播固定信息)，以帮助两个终端处理装置能够始终与主处理装置保持计时频率的一致。
[0044]所述的主处理装置I中的天线3、功率放大器模块4、上下变频器模块5、中频接收模块601和中频发射模块602负责通过无线链路发送参考频率的固定信息、入网消息、应答消息，并接收终端处理装置的询问信息；主处理装置I中的数字处理模块603生成参考频率的固定信息和入网消息，对接收到的基带信号(询问信息)进行处理，通过伪码跟踪环电路对接收到的询问消息进行信号伪码相位测量获得询问消息的到达时间，并将该时间信息打包在应答消息中。
[0045]所述的终端处理装置2中的天线3、功率放大器模块4、上下变频器模块5、中频接收模块601和中频发射模块602负责通过无线链路发送询问消息，并接收主处理装置发送的参考频率的固定信息、入网消息和应答消息；终端处理装置2中的数字处理模块603生成询问消息，并对接收到的基带信号(固定信息、入网消息和应答消息)进行处理，通过提取出主处理装置发送的应答消息中包含的询问消息的到达时刻，并通过伪码跟踪环电路对接收到的应答消息进行伪码相位测量获得应答消息的到达时间。
[0046]如图7所示，发射信号的生成及中频发射的工作流程包含以下步骤:
A、数字处理模块603生成发射信号，对发射信号采用1023倍扩频和DQPSK(差分四相相移键控 differential quadrature phase shift keying)调制；
B、数字处理模块603对输入I路和Q路的基带信号分别进行扩频、脉冲成形和差值滤波；
C、数字处理模块603利用数字控制振荡器(NCO,numerical controlled oscillator)对I路和Q路信号进行正交调制；
D、中频发射模块602利用模数转换器对I路和Q路信号进行模数转换；
E、中频发射模块602利用放大滤波器对I路和Q路信号进行带通滤波后输出到上下变频器模块5进行发送。
[0047]其中，I路和Q路基带信号的输入速率各为10kbps，扩频以后的码片速率为
10.23MHz，I路和Q路基带信号合成的QPSK (四相相移键控quadrature phase shiftkeying)信号调制速率为20.46MHz，脉冲成型采用滚降系数为0.5的根升余弦滤波器，3dB带宽约为15MHz，数字控制振荡器进行正交调制的中心频率为75MHz。
[0048]如图8所示，接收信号的中频接收和信号处理的工作流程包含以下步骤:
A、中频接收模块601对经过上下变频器模块5进行下变频后的两路正交信号分别采样；
B、中频接收模块601利用数模转换器对两路正交信号进行数模转换；
C、中频接收模块601利用混频模块对数模转换后的两路正交信号进行正交混频；
D、数字处理模块603利用定时相位误差估计电路消除正交混频后的信号的定时相位误差;
E、数字处理模块603利用伪码跟踪环电路对消除了定时相位误差后的两路信号进行解扩后得到基带信号；
F、数字处理模块603利用载波跟踪环电路对解扩后的基带信号进行载波同步，消除本地载波与接收信号的载波频率和相位误差，减少I路和Q路信号间的串扰，并使得基带信号的信噪比最大化；
G、数字处理模块603利用伪码跟踪环电路准确地测量接收信号的伪码相位与本地产生的伪码相位之间的差值，并通过该差值修正本地伪码的相位，以达到与接收信号的伪码保持同步的目的。
[0049]其中，本发明采用的载波跟踪为数字两阶锁频环辅助三阶锁相环的结构，伪码跟踪采用了数字式延迟滞后的二阶跟踪环路。这两种环路都是通过在FPGA(现场可编程门阵列Field Programmable Gata Array)上编程实现的。载波跟踪环电路的作用是将多频率偏移牵引到载波跟踪的线性范围内，可以提高伪码跟踪环电路的时间分辨率。定时相位误差估计电路也是基于成熟的差值滤波算法在FGPA内编程得到的。
[0050]如图9所示，是采用非等量采样技术的伪码跟踪环电路的框图。该伪码跟踪环电路的工作原理是:输入的I路和Q路信号与载波跟踪环电路复现的载波相乘，恢复出基带信号(I路信号与SIN复现载波相乘恢复出基带I路信号，Q路信号与COS复现载波相乘恢复出基带Q路信号)；基带I路和Q路信号分别与由数控振荡器(码NC0)控制输出的本地伪码发生器的输出E相乘；2比特移位寄存器的作用是对伪码发生器产生一个时钟的超前和滞后输出#代表超前的本地伪码、E代表当前的本地伪码、L代表滞后的本地伪码；基带I路和Q路信号与超前、当前和滞后的本地伪码相乘的结果进入积分和清零器，积分和清零器按照伪随机码的周期进行积分操作，之后清空积分结果；每个伪码周期结束后，码环鉴别器比较E、P、L各路的积分结果，将E路与P路之间的差值换算为载波频率偏差，P路与L路之间的差值换算为码NCO的偏差，并将结果送往码环滤波器；经过码环滤波器输出的结果分别用于修正载波频率偏差和数控振荡器(码NC0)的偏差，使得本地伪码与接收信号中包含的伪码相位保持一致，之后进入下一个伪码周期的运算。码环鉴别器和码环滤波器的组合决定其热噪声误差和最大视线方向动态应力门限。码环鉴别器应用的鉴相算法是被超前加滞后包络归一化的非相干超前减去滞后包络。鉴相算法采用了反正切法，该算法降低了对幅度的敏感性，它的鉴相精度通过使用非等量采样技术得以保证。伪码跟踪环电路的码环滤波器采用二阶环路滤波器。在采样率方面，该伪码跟踪环电路采用10MHz的采样率对10.23MHz的伪码进行采样。该采样频率在满足乃奎斯特采样条件的前提下，与伪码速率成互质关系。通过该方法，伪码跟踪环路可以获得优于码片速率1/100的时间分辨率。如果采用整数倍采样，要达到这样的分辨率，则采样率至少需要4GHz以上，这是目前的电路水平难以实现的。因而采用本发明的采样方法可以通过很小的代价时间高精度的时间分辨率。
[0051]本发明通过在FPGA中编程实现的数字载波跟踪环与伪码跟踪环综合作用，通过数字载波跟踪环测得本地载波与接收信号载波之间的频率与相位差值，消除这种误差造成的信号串扰并增加信号的信噪比，在此基础上通过伪码跟踪环电路准确地测量接收信号的伪码相位与本地产生的伪码相位之间的差值，并通过该差值修正本地伪码的相位以达到与接收信号的伪码保持同步的目的。其中，伪码跟踪环电路采用了非等量采样技术，实现了优于百分之一码片精度的伪码相位分辨率，为精度优于Ins的时间同步精度提供了基础。
[0052]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种用于分布式定位系统的高精度时间同步系统，其特征在于，该高精度时间同步系统包含主处理装置(I )，以及若干与主处理装置(I)进行无线通讯的终端处理装置(2); 所述的主处理装置(I)和终端处理装置(2)的电路结构都包含: 天线(3)； 电性连接天线(3)的功率放大器模块(4)； 电性连接功率放大器模块(4)的上下变频器模块(5)； 电性连接上下变频器模块(5)的中频发射接收及数字处理模块(6)； 所述的中频发射接收及数字处理模块(6)包含: 电性连接上下变频器模块(5)输出端的中频接收模块(601); 电性连接上下变频器模块(5)输入端的中频发射模块(602)； 电性连接中频接收模块(601)输出端、中频发射模块(602)输入端和频率控制器(503)输出端的数字处理模块(603)； 所述的数字处理模块(603)中还包含数字载波跟踪环电路、伪码跟踪环电路、定时相位误差估计电路和计时时钟。
2.如权利要求1所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步系统，其特征在于，所述的高精度时间同步系统还包含电性连接功率放大器模块(4)、上下变频器模块(5)和中频发射接收及数字处理模块(6)的电源(7)。
3.如权利要求1所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步系统，其特征在于，所述的功率放大器模块(4)包含: 电性连接天线(3)的双工器(403)，该双工器(403)与天线(3)进行双向数据传输； 电性连接双工器(403)输出端的输入放大器(401)； 电性连接双工器(403)输入端的输出放大器(402)； 所述的上下变频器模块(5)包含: 电性连接输入放大器(401)输出端和中频接收模块(601)输入端的下变频器(501)； 电性连接输出放大器(402)输入端和中频发射模块(602)输入端的上变频器(502)； 电性连接下变频器(501)、上变频器(502)和数字处理模块(603)的频率控制器(503)。
4.如权利要求3所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步系统，其特征在于，所述的中频接收模块(601)包含电性连接下变频器(501)输出端的模数转换器、以及电性连接模数转换器输出端的混频模块；所述的中频发射模块(602)包含电性连接上变频器(502)输入端的放大滤波器、以及电性连接放大滤波器输入端的数模转换器。
5.一种用于如权利要求1-4中任意一个所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法，其特征在于，该方法包含以下步骤: 步骤S1、主处理装置(I)向各个终端处理装置(2 )发送参考频率的固定信息，各个终端处理装置(2)接收该固定信息，通过伪码跟踪环电路获得该固定信息中包含的主处理装置的计时频率，通过调整本地计时时钟来保持与主处理装置的计时频率一致； 所述的固定信息是数字处理模块根据主处理装置的时钟参考频率生成的循环播放的伪随机码序列； 步骤S2、主处理装置(I)向各个终端处理装置(2 )发送入网消息，给各个终端处理装置(2)分配校时的先后顺序； 所述的入网消息是主处理装置的数字处理模块(603)生成的一段与终端处理装置约定好的信息序列； 在发送该入网消息的起始时刻，主处理装置的计时时钟清零； 步骤S3、终端处理装置(2)采用双向时间同步法按照主处理装置分配的校时顺序依次实现与主处理装置之间的时间同步。
6.如权利要求5所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S3包含以下步骤: 步骤S3.1、终端处理装置(2)按照主处理装置分配的顺序，向主处理装置(I)发送询问消息； 所述的询问消息包含同步头和询问消息本体，所述的同步头包含由数字处理模块根据主处理模块的时钟参考频率为参考频率而生成的固定信息，该固定信息的长度与步骤SI中主处理装置发送的参考频率的固定信息的长度一致，所述的询问消息本体包含终端处理装置的编号信息； 在发送询问消息本体的起始时刻，终端处理装置(2)的计时时钟清零； 步骤S3.2、经过传输时间tp，主处理装置(I)接收到终端处理装置发送的询问消息，主处理装置(I)通过伪码跟踪环电路计算出询问消息到达时刻TOAl1 ； 所述的伪码跟踪环电路计算出从主处理装置的计时时钟零时刻到收到询问消息本体的最后一个比特之间，伪码跟踪环电路总共产生的伪码周期数，并将该伪码周期数换算为询问消息到达时刻TOil1 ； 步骤S3.3、主处理装置(I)在其计时时钟到达td时，向终端处理装置(2)发送应答消息； 所述的应答消息中包含主处理装置收到询问消息本体的时间TCWlz和终端处理装置的编号信息； 步骤S3.4、经过传输时间tp，终端处理装置(2)收到应答消息，终端处理装置(2)通过伪码跟踪环电路计算出应答消息到达时刻TCMlis,并从应答消息中提取时间TtMli ; 所述的伪码跟踪环电路计算出从终端处理装置的计时时钟零时刻到收到应答消息本体的最后一个比特之间，伪码跟踪环电路总共产生的伪码周期数，并将该伪码周期数换算为应答消息到达时刻； 步骤S3.5、终端处理装置中的数字处理模块(603)计算终端处理装置自身相对于主处理装置的时钟差ε: S=(JOA1-TOA^td)Il., 其中是主处理装置收到终端处理装置发送的询问消息本体的时间，'FCWlii是终端处理装置收到主处理装置发送的应答消息的时间，td是主处理装置从其计时时钟清零到向终端处理装置发送应答消息之间的间隔时间； 步骤S3.6、终端处理装置中的数字处理模块(603)根据时钟差ε调整自身的计时时钟，以实现与主处理装置的计时时钟精同步。
7.如权利要求6所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法，其特征在于，所述的主处理装置(I)在向各个终端处理装置(2)发送应答消息的空隙以及向所有的终端处理装置(2 )发送完应答消息以后，主处理装置(I)持续向各个终端处理装置(2 )发送参考频率的固定信息，各个终端处理装置(2)接收该固定信息，通过伪码跟踪环电路获得该固定信息中包含的主处理装置的计时频率，通过调整本地计时时钟来保持与主处理装置的计时频率一致。
8.如权利要求7所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法，其特征在于，所述的用于分布式定位系统的高精度时间同步同步方法采用频分复用和时分复用； 所述的频分复用体现为:主处理装置(I)采用第一频率Π向终端处理装置(2)发送消息，终端处理装置(2)采用第二频率f2向主处理装置(I)发送消息； 所述的时分复用体现为:当一个终端处理装置(2)完成与主处理装置(I)的时间同步操作之后，另一个终端处理装置(2)才开始向主处理装置(I)发送询问消息，开始与主处理装置(I)的时间同步操作。
9.如权利要求8所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法，其特征在于，所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法中: 针对主处理装置(I)向终端处理装置(2)发射信号的情况，以及终端处理装置(2)向主处理装置(I)发射信号的情况，发射信号的生成及中频发射的工作流程都包含以下步骤: A、数字处理模块(603)生成发射信号，对发射信号采用1023倍扩频和DQPSK差分四相相移键控调制； B、数字处理模块(603)对输入I路和Q路的基带信号分别进行扩频、脉冲成形和差值滤波； C、数字处理模块(603)利用数字控制振荡器NCO对I路和Q路信号进行正交调制； D、中频发射模块(602)利用模数转换器对I路和Q路信号进行模数转换； E、中频发射模块(602)利用放大滤波器对I路和Q路信号进行带通滤波后输出到上下变频器模块(5)进行发送； 针对主处理装置(I)接收终端处理装置(2 )发射信号的情况，以及终端处理装置(2 )接收主处理装置(I)发射信号的情况，接收信号的中频接收和信号处理的工作流程都包含以下步骤: A、中频接收模块(601)对经过上下变频器模块(5)进行下变频后的两路正交信号分别采样； B、中频接收模块(601)利用数模转换器对两路正交信号进行数模转换； C、中频接收模块(601)利用混频模块对数模转换后的两路正交信号进行正交混频； D、数字处理模块(603)利用定时相位误差估计电路消除正交混频后的信号的定时相位误差; E、数字处理模块(603)利用伪码跟踪环电路对消除了定时相位误差后的两路信号进行解扩后得到基带信号； F、数字处理模块(603)利用载波跟踪环电路对解扩后的基带信号进行载波同步，消除本地载波与接收信号的载波频率和相位误差，减少I路和Q路信号间的串扰，并使得基带信号的信噪比最大化； G、数字处理模块(603)利用伪码跟踪环电路准确地测量接收信号的伪码相位与本地产生的伪码相位之间的差值，并通过该差值修正本地伪码的相位，以达到与接收信号的伪码保持同步的目的。
10.如权利要求9所述的分布式定位系统的高精度时间同步方法，其特征在于，所述的伪码跟踪环电路采用了非等量采样技术，实现了优于百分之一码片精度的伪码相位分辨率。
【文档编号】G04R20/00GK104166343SQ201410443453
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】刘晓健, 李名祺, 刁卓智, 詹毅 申请人:上海无线电设备研究所