专利名称:基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法
技术领域：
本发明涉及一种基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法，确切地说，涉及一种卫星通信场景中，针对时钟频率变化导致时钟计时发生偏移而采取的卫星时钟自调节或自校正的时钟守时方法，属于卫星时钟自守时的技术领域：
。
背景技术：
在有线通信的场景中，在实施如时分复用业务TDM (Time DivisionMultiplexing)数据处理时，数据传输设备需要保证彼此通信的两端设备时钟能够同步。然而，因为两端的通信设备用作时钟源的时钟晶振不同，且受到设备外界环境其他因素的影响，这两个设备之间的时钟将产生计时不同步的现象。由于每个通信设备内部的时钟源的晶振器件在温度、气压或电磁辐射等因素影响下，晶振工作频率会发生变化。因此两通信设备间就会产生时间计时上的偏差。
特别是在卫星通信场景下，晶振受到温度、气压或电磁辐射等因素的影响程度要比地面场景更加明显。同时，由于通信手段的限制与影响，卫星通信常常遭到阻塞。所以仅仅依靠通信链路传输的时钟校准往往不能满足时钟同步的需求。因此，卫星时钟自守时技术就成为卫星时钟同步技术中不可或缺的一部分。
为保证通信设备之间的时钟实时同步的可靠性，需要采取时钟校准与时钟守时两方面技术来保证。目前，时钟校准技术主要用于时钟精确度较高的时钟设备，以授时方式对其进行时钟计数器的同步，如全球定位系统GPS (Global Positioning System)等。或者通过双向传输同步协议，求得通信两端时钟偏差并进行修正的手段，来维持设备的时钟计时准确，如精确时钟同步协议PTP (Precise time protocol)协议。但是,这些方法造价较高，且相应技术受到通信传输可达性的限制。再者，若单纯采用时钟校准技术，在时钟校准的间歇时间内，仍然不能保证通信设备的时钟计时同步。
尤其是在卫星通信系统中，在卫星与地面通信受阻或在其与其他卫星授时的间隔时间内，在卫星与地面站之间的时钟同步环节中，如何保证卫星时钟的守时精准，已经成为业内科技人员关注的焦点课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法，该方法是基于对固定信道时延测试的结果作为比对基准，对卫星通信的计时时钟进行自调节或自适应的同步调整。本发明能够降低“待调时钟源”与“标准时钟源”因频率抖动所导致的时钟计时偏差，且其操作步骤简单、造价低廉，实现容易，特别适合用于卫星时钟同步自守时需求的通信应用场景。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法，其特征在于在卫星发射前，先在地面利用“标准时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“信道传输标准时延测试值”；再在卫星发射准备阶段，将“待调时钟源”和“测试信道”作为卫星附带装置而设置于卫星内，随卫星一起送入太空；并在卫星在太空运行期间，利用“待调时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“星上信道时延测试值”;然后，对从地面和太空分别利用相同的“测试信道”进行数据包传输时延测试的两个测试结果进行分析对比，获知当前在太空中的“待调时钟源”计时频率与地面的“标准时钟源”的计时频率的两者之比或两者的计时偏移量；最后，根据该两个时钟源的频率差与调整的时间间隔，确定需要调整的计时及工作频率差值，即对“待调时钟源”的当前计时值以及工作频率进行补偿调整，完成卫星时钟的计时调整。
本发明与其他时钟同步技术相比较的创新优势在于其操作步骤非常简单，所需设备少，造价低廉，容易实现，并且实现方式与手段多样化，无需其他特殊设备辅助就能完成卫星时钟的守时目的。而且，计算难度低，影响卫星时钟计时的误差因素少。本发明也可以用于其他具有时钟同步需求的通信应用场景。
图1是本发明基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法操作步骤流程图。
图2是本发明卫星时钟自调节方法实施例测试装置的结构组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法，是在卫星发射前，先在地面利用“标准时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“信道传输标准时延测试值”;再在卫星发射准备阶段，将“待调时钟源”和“测试信道”作为卫星附带装置而设置于卫星内，随卫星一起送入太空；并在卫星运行于太空期间，利用“待调时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“星上信道时延测试值”;然后，对从地面和太空分别利用相同的“测试信道”进行测试的两个测试结果进行分析对比，获知当前在太空中的“待调时钟源”计时频率与地面的“标准时钟源”的计时频率的两者之比或两者的计时偏移量；最后，根据该两个时钟源的频率差与调整的时间间隔，确定需要调整的计时差值以及工作频率差值，即对“待调时钟源”的当前时间计时数值和工作频率进行补偿调整，完成卫星时钟的计时调整。
参见图1，介绍本发明方法的两个具体操作步骤
步骤1，信道传输标准时延的测量阶段在卫星发射前，采用“标准时钟源”在地面对“测试信道”进行传输时延测试，并存储测试结果数据。
该步骤为本发明的守时初始化操作，具体操作内容是
(11)以“标准时钟源”作为“测试信道”中的测试信道接口控制器的计时时钟协助“测试接口控制器”进行数据包收发包测试时，提供数据包离开和到达“测试接口控制器”的时间值。
(12)以“测试接口控制器”对测试信道实施数据包收发包测试，完成数据包的收发测试计时后，得到该数据包离开和到达该测试信道控制器的两个时间值之差该两个时间值的差就是该数据包在“测试信道”上的传输时延，即信道传输标准时延测试值/。[0018]步骤2，同步自校正阶段在卫星发射后，以通信卫星中用作时钟计时器的时钟源作为替代“标准时钟源”作为卫星的计时器件，测量“测试信道”的传输时延；再将得到的测量结果与步骤I的测试结果进行分析比较，计算得到需要对该通信卫星中的时钟源进行计时值以及工作频率调整的数值。
该阶段的卫星时自同步场景是运行于卫星由于与地面通信受阻、或在与其他卫星授时间隔时间段内，通过本阶段的操作结果，可以直接调整该卫星的时钟计时值及工作频率。该步骤阶段包括下列操作内容
(21)初始化准备将“待调时钟源”作为测试信道接口控制器的计时时钟，用于协助测试接口控制器在进行数据包的收发时间计时测试时，提供数据包离开和到达测试接口控制器的时间值。
(22)测试信道接口控制器对测试信道进行数据传输收发测试以数据包离开和到达测试接口控制器的两个时间值的差，作为该数据包在“测试信道”上的传输时延Z2，即星上信道时延测试值。
(23)处理测试结果根据星上信道时延测试量Z2与标准信道时延测试值Z1进行计算，得到此时的“待调时钟源”需要调整的时间计时值以及工作频率
设卫星在太空运行时的当前工作频率为F2与地面测量时的“标准时钟源”工作频 率为F1 ;由于在相同时间间隔内，工作频率与时钟计时值呈正比关系=每次经
过设定时间间隔T，卫星需要按照下述两个公式计算的时钟计时补偿值Ztl =Ztl=Z1-Z2 ;和时钟频率补偿值Ftl :FU=￥进行调整。
(24)对计时时钟进行补偿调整根据时钟补偿值Ztl和时钟频率补偿值Ftl对“待调时钟源”的时间计时及工作频率值进行自适应调整或自调节、即对其时间计时值以及工作频率进行相应的补偿。
(25)结束当前补偿调整周期返回步骤(22)，执行下一次的自适应调整或自调节周期。
参见图2，介绍本发明实施例测试装置的结构组成
标准时钟源能够以稳定的工作频率进行计时的时钟装置(例如原子钟)，要求其频率精确度不易受环境变化影响；该装置只在地面使用，不随卫星发射升空。
待调时钟源其晶振偏移参数小于IOppm的时钟装置，自重轻，且随卫星运载升空；受到温度与压强变化的影响，其计时频率出现偏差时，利用基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法计算得到的时钟计时差值，对计时及工作频率偏差进行补偿调整。
测试信道装置由“测试信道接口控制器”和与其连接的“测试信道”所组成。测试信道接口控制器是用于对与其连接的测试信道实施数据包发送和接收的接口装置，并在数据包离开和到达该接口装置时，记录当前计时时钟所记载的时钟计时数值，用于计算数据包在测试信道中的传输时延；该测试接口控制器是采用包括现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)或复杂可编程逻辑器件 CPLD (Complex ProgrammableLogic Device)的可编程逻辑电路器件实现的。测试信道是具有设定距离长度的光缆或电缆，其外围设有真空或聚氯乙烯PVC (PolyVinyl Chloride)恒温塑料的“信道保护介质”，以使该测试信道的数据传输介质的温度和压强都处于稳定状态，数据信号能在恒温与恒压环境下传输，所产生的实际传输时延偏差应小于地面普通环境中传输时延的万分之一。
图2中的各个接口功能介绍
1:标准时钟源的计时器时间计数接口 用于传输由标准时钟源晶振的时钟信号所产生的时间计时值。
2 :待调时钟源的计时器时间计数接口 用于传输由待调时钟源晶振的时钟信号所产生的时间计时值。
3 :待调时钟源的计时器时间调整数据接口 用于传输待调时钟源的时钟计时和工作频率的偏移量，即时钟计时和工作频率补偿值。
4 :测试数据传输的双向接口 在接收和发送测试数据包时传输数据信号。
本发明已经进行了多次实施试验，实验结果是成功的，实现了发明目的。
权利要求
1.一种基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法，其特征在于在卫星发射前，先在地面利用“标准时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“信道传输标准时延测试值”；再在卫星发射准备阶段，将“待调时钟源”和“测试信道”作为卫星附带装置而设置于卫星内，随卫星一起送入太空；并在卫星在太空运行期间，利用“待调时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“星上信道时延测试值”;然后，对从地面和太空分别利用相同的“测试信道”进行数据包传输时延测试的两个测试结果进行分析对比，获知当前在太空中的“待调时钟源”计时频率与地面的“标准时钟源” 的计时频率的两者之比或两者的计时偏移量；最后，根据该两个时钟源的频率差与调整的时间间隔，确定需要调整的计时及工作频率差值，即对“待调时钟源”的当前计时值以及工作频率进行补偿调整，完成卫星时钟的计时调整。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述“标准时钟源”是包括原子钟的、能够以稳定的工作频率进行计时的时钟装置，要求其频率精确度不易受环境变化影响；该装置只在地面使用，不随卫星发射升空。
3.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述“待调时钟源”是其晶振偏移参数小于IOppm的时钟装置，自重轻，且随卫星运载升空；受到温度与压强变化的影响，其计时频率出现偏差时，利用基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法计算得到的时钟计时偏移量以及工作频率的偏差，对时间计时以及工作频率偏差进行补偿调整。
4.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述“测试信道”装置是由测试信道接口控制器与其连接的测试信道所组成，所述测试信道接口控制器是用于对与其连接的测试信道实施数据包发送和接收的接口装置，并在数据包离开和到达该接口装置时，记录当前计时时钟所记载的时钟计时数值，用于计算数据包在测试信道中的传输时延；该测试接口控制器是采用包括现场可编程门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD的可编程逻辑电路器件实现的；所述测试信道是一个具有设定距离长度的光缆或电缆，其外围设有真空或聚氯乙烯PVC恒温塑料的保护介质，以使该测试信道的数据传输介质的温度和压强都处于稳定状态，数据信号能在恒温与恒压环境下传输，所产生的实际传输时延偏差应小于地面普通环境中传输时延的万分之一。
5.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于所述方法包括下列两个操作步骤(1)测量信道传输时延的标准时延在卫星发射前，采用“标准时钟源”在地面对“测试信道”进行数据包传输时延测试，并存储测试结果数据；(2)同步自校正在卫星发射后，以通信卫星中用作时钟计时器的时钟源替代“标准时钟源”作为卫星的计时器件，测量“测试信道”的传输时延；再将得到的测量结果与步骤(I) 的测试结果进行分析比较，计算得到需要对该通信卫星中的时钟源进行计时和工作频率调整的数值。
6.根据权利要求
5所述的方法，其特征在于所述步骤(I)为守时初始化操作，具体操作内容是以“标准时钟源”作为“测试信道”中的测试信道接口控制器的计时时钟，完成数据包的收发测试计时，得到该数据包离开和到达该测试信道控制器的两个时间值；该两个时间值的差就是该数据包在“测试信道”上的传输时延即标准信道时延测试值Z1。
7.根据权利要求
5所述的方法，其特征在于所述步骤(2)包括下列操作内容(21)初始化准备将“待调时钟源”作为测试信道接口控制器的计时时钟，用于协助测试接口控制器在进行数据包的收发计时测试时，提供数据包离开和到达测试接口控制器的时间值；(22 )测试信道接口控制器对测试信道进行数据传输收发测试以数据包离开和到达测试接口控制器的两个时间值的差，作为该数据包在“测试信道”上的传输时延Z2，即星上信道时延测试值；(23)处理测试结果根据星上信道时延测试量Z2与标准信道时延测试值Z1进行计算， 得到此时的“待调时钟源”需要调整的时间计时及工作频率值设卫星在太空运行时的当前工作频率为F2与地面测量时的“标准时钟源”工作频率为F1 ;由于在相同时间间隔内，工作频率与时钟计时值呈正比关系，则每次经过设定时间间隔T，卫星需要按照下述两个公式进行计算而得到的时钟补偿值Ztl =Ztl=Z1-Z2和时钟频率补偿值Ftl =行调整(24)对计时时钟进行补偿调整根据时钟补偿值Ztl和时钟频率补偿值Ftl对“待调时钟源”的时间计时和工作频率值进行自适应调整或自调节、即对其时间计时值和工作频率进行相应的补偿；(25)结束当前补偿调整周期返回步骤(22)， 执行下一次的自适应调整或自调节周期。
专利摘要
一种基于信道时延测试的卫星时钟自调节方法，首先在地面将“标准时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包的收发测试，得到“信道传输标准时延测试值”；再将“待调时钟源”和“测试信道”作为附带装置设置于卫星内，随卫星一起送入太空；并在卫星运行于太空时，将“待调时钟源”作为时钟计时器，对“测试信道”进行数据包收发测试，得到“星上信道时延测试值”；再对利用相同“测试信道”测得的地面和太空两个测试结果进行分析，获知当前“待调时钟源”与地面“标准时钟源”两者的计时频率偏差；并根据该两个时钟源的频率差与调整的时间间隔，确定需要调整的计时及频率差值，即对“待调时钟源”进行补偿，完成卫星时钟的调整。
文档编号G04R40/06GKCN103048919SQ201210575775
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月26日
发明者袁东明, 邵恩, 刘元安, 胡鹤飞, 冉静 申请人:北京邮电大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan