多站高精度时间频率同步方法与流程

本发明涉及一种多站高精度时间频率同步方法，该方法可应用于地基区域导航、雷达组阵等技术领域。

背景技术：

随着站间协同工作需求的不断增加，地基导航及雷达组阵等多节点系统多站间高精度时间同步有了更高的要求。目前站间时间同步方法主要包括导航卫星共视法和基于通信卫星的双向时间频率传递两种方案。其中导航卫星共视法需两站同时接收导航卫星信号实现站间高精度时间同步，由于两站传输路径不同，无法完全消除对流层和电离层的附加时延误差，且无法实时调整两站的时钟实现时间频率同步；基于通信卫星的双向时间频率传递技术尽管精度较高，但是需两站发射各自发射同步信号到通信卫星，并经通信卫星转发到对方，因此系统较为复杂。

而对于由多站组成的区域组网系统，基于微波链路或光纤传输的站间时间同步技术是一种较为理想的站间整网时间同步方法。传统基于微波链路或者光纤传输的时间同步方法采用双向测量来实现，即两站基于各自的时钟，在同一钟面时刻向对方发射扩频测距信号，并分别基于本地时钟测量信号传输时延，并将两站测量的时延作差求取两站的时差，并通过求微分获取两站的频率差。该时间频率同步方案需要双向测量，系统较为复杂，且要求两站的时钟为同一量级，组网系统成本较高。该方法整网站间时间频率同步往往采取主从模式，即选取其中一个站为主站，其他站分别与主站进行时间频率同步。该方法要求各从站与主站可视或通过光纤直接互联。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种同步方案简单，时间频率同步精度高的多站高精度时间频率同步方法，该方法可有效地解决主站与部分副站不可见的情况下，基于微波链路实现整个系统各站之间高精度时间频率同步的问题。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种多站高精度时间频率同步方法，其特征在于包括如下步骤：首先，各站之间通过接收卫星导航信号，基于相对定位方法实现站间相对距离高精度测量；其次，主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，实现对传输路径大气延迟精确估计，主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，由扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，经过发射射频前端，通过天线发射到与主站可视的副站1；副站1接收天线接收该测距信号，通过接收射频前端送入接收信号处理模块，完成对接收信号的捕获跟踪；当跟踪环路跟踪稳定后，副站1将码环滤波器输出的码频率控制字送入高精度直接数字频率合成器dds，该高精度直接数字频率合成器dss将输出的正弦波信号与副站的恒温晶振的输出值进行鉴相处理，将鉴相处理器鉴相值送入环路滤波器进行滤波，并送入恒温晶振对晶振输出频率进行调整，实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步；同时将主站与副站1的几何时延测量值、大气延迟估计值及副站1接收主站帧头与本地1pps的高精度时延差之和作为调整指令实现对副站1的1pps精确调整；然后，副站1基于自身的已同步的参考时钟，将扩频测距信号产生模块产生的扩频测距信号，经发射射频前端天线发射到与副站1可视与主站不可视副站2，副站2接收天线接收该测距信号，通过接收射频前端完成对接收信号的捕获跟踪，当跟踪环路跟踪稳定后，将码环滤波器输出的码频率控制字送入直接数字频率合成器dds，直接数字频率合成器dds将输出的正弦波信号与副站2锁相环路的恒温晶振进行鉴相，运用恒温晶振输出的高精度参考时钟实现副站2恒温晶振与副站1恒温晶振的频率同步；同时将副站1与副站2的几何时延测量值、大气延迟估计值及副站1接收主站帧头与本地1pps的高精度时延差之和作为调整指令，实现对副站2的1pps精确调整，实现副站1与副站2的高精度时间同步；以此类推，实现整个网络各站之间的高精度时间频率同步。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1)成本低。本发明通过主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，产生扩频测距信号，并向副站1发射该扩频测距信号，副站1对接收测距信号捕获跟踪，码环滤波器输出的码频率控制字送入高精度dds，经高精度dds输出的10.23mhz正弦波信号与副站1锁相环路的恒温晶振进行鉴相，实现副站1恒温晶振与主站铷钟的频率同步；同理利用已与主站铷钟频率同步的恒温晶振实现对副站2恒温晶振的频率同步，依次类推，所有的副站仅需配备恒温晶振，无需昂贵的铷钟作为参考时钟，因此成本低。

2)同步方案简单。本发明采用各站之间通过接收卫星导航信号，基于相对定位方法实现站间相对距离高精度测量；通过主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，实现对传输路径大气延迟精确估计，主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，由扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，经过发射射频前端，通过天线发射到与主站可视副站1；副站1接收天线接收该测距信号，通过接收射频前端送入接收信号处理模块，完成对接收信号的捕获跟踪，系统较为简单。避免了现有技术基于两站各自的时钟，采用双向测量来实现，在同一钟面时刻向对方发射扩频测距信号，分别基于本地时钟测量信号传输时延，将两站测量的时延作差求取两站的时差，通过求微分获取两站的频率差，时间频率同步方案需要双向测量，系统较为复杂的缺陷。同时本发明通过级联的模式实现整个网络多站之间的时间频率同步，即未同步的站只要与其中已同步的任何一站可视即可实现站间高精度时间频率同步，避免了现有的主从式时间频率同步方案要求整个网络中各副站均与主站可视的不足。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明多站高精度时间频率同步流程框图。

图2本发明主站高精度时间频率同步系统的工作原理框图。

图3是对应图2主站的副站高精度时间频率系统的工作原理框图。

具体实施方式

参阅图1-图2。在以下描述的实例中，本发明的多站高精度时间频率同步方法其工作原理是：首先，各站之间通过接收卫星导航信号基于相对定位方法实现站间相对距离高精度测量；其次，主站利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，实现对传输路径大气延迟精确估计，主站利用自身配备的铷钟作为参考时钟，由扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，经过发射射频前端，通过天线发射到副站1(与主站可视)；副站1接收天线接收该测距信号，经接收射频前端送入接收信号处理模块，完成对接收信号的捕获跟踪，当跟踪环路跟踪稳定后，副站1将码环滤波器输出的码频率控制字送入高精度直接数字频率合成器dds，该高精度直接数字频率合成器dss将输出的正弦波信号与副站的恒温晶振的输出值进行鉴相处理，鉴相处理器将鉴相值送入环路滤波器进行滤波，并送入恒温晶振对晶振输出频率进行调整，实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步；同时将主站与副站1的几何时延测量值、大气延迟估计值及副站1接收主站帧头与本地1pps的高精度时延差之和作为调整指令实现对副站1的1pps精确调整；然后，副站1基于自身的已同步的参考时钟，由扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，经过发射射频前端，通过天线发射到副站2(该站与副站1可视，与主站不可视)，副站2接收天线接收该测距信号，经接收射频前端，副站2完成对接收信号的捕获跟踪，当跟踪环路跟踪稳定后，副站2将码环滤波器输出的码频率控制字送入码频率控制字送入直接数字频率合成器dds，直接数字频率合成器dds将输出的正弦波信号与副站锁相环路的恒温晶振进行鉴相，运用恒温晶振输出的高精度参考时钟实现副站2恒温晶振与副站1恒温晶振的频率同步；同时将副站1与副站2的几何时延测量值、大气延迟估计值及副站1接收主站帧头与本地1pps的高精度时延差之和作为调整指令实现对副站2的1pps精确调整，实现副站1与副站2的高精度时间同步；以此类推，实现整个网络各站之间的高精度时间频率同步。

具体步骤包括：

(1)各站通过卫星导航相对定位技术实现站间相对距离的高精度测量；主站与副1站、副站1与副站2分别通过卫星导航相对定位实现站间相对距离高精度测量，计算扩频测距信号从主站到副站1、副站1到副站2的几何时延；主站采用高精度铷钟输出工作频率为10.23mhz参考时钟，利用气象计对周围的温度、湿度及气压进行测量，精确估计各自传输路径的大气延迟。

(2)主站利用配备的高精度铷钟作为参考时钟，通过扩频测距信号产生模块产生码速率为10.23mcp扩频码的扩频测距信号，该信号经过发射射频前端并通过天线发射到副站1。副站1接收天线接收该测距信号，经接收射频前端送入接收信号处理模块，完成对接收信号的捕获跟踪，当跟踪环路跟踪稳定后，副站1将码环滤波器输出的码频率控制字送入高精度直接数字频率合成器dds，该高精度直接数字频率合成器dss将输出的正弦波信号与副站的恒温晶振的输出值进行鉴相处理，鉴相处理器将鉴相值送入环路滤波器进行滤波，并送入恒温晶振对晶振输出频率进行调整，实现副站恒温晶振与主站铷钟的频率同步；同时将主站与副站1的几何时延测量值、大气延迟估计值及副站1接收主站帧头与本地1pps的高精度时延差之和作为调整指令实现对副站1的1pps精确调整；

(3)副站1基于自身的已同步的参考时钟，由扩频测距信号产生模块产生扩频测距信号，经过发射射频前端，通过天线发射到副站2(该站与副站1可视，与主站不可视)，副站2接收天线接收该测距信号，经接收射频前端，副站2完成对接收信号的捕获跟踪。当跟踪环路跟踪稳定后，副站2将接收射频前端输出的信号分为两路，两路信号解扩、积分后的捕获跟踪信号送入码环鉴相器和载波鉴相器，通过码环鉴相器和载波鉴相器分别送入载波环滤波器和码环滤波器，载波环滤波器将捕获跟踪信号送入载波dds产生两路正交的载波信号，一路与i路信号进行混频，一路与q路信号混频，码环滤波器将输出的码频率控制字分为两路，一路通过伪码dds，伪码dds产生的伪码产生器驱动频率驱动伪码发生器产生伪码信号并送入解扩模块进行解扩，另一路送入直接数字频率合成器dds将输出的10.23mhz正弦波信号送入鉴相器，经环路滤波器送入恒温晶振输出高精度的10.23mhz参考时钟，恒温晶振输出的高精度10.23mhz参考时钟通过锁相环路反馈到鉴相器进行鉴相，实现副站2恒温晶振与副站1恒温晶振的频率同步，其中dds设计为32位。同时将副站1与副站2的几何时延测量值、大气延迟估计值及副站1接收主站帧头与本地1pps的高精度时延差之和作为调整指令实现对副站2的1pps精确调整，实现副站1与副站2的高精度时间同步；

(4)以此类推，实现整个网络n个站之间的高精度时间频率同步。