一種導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法
【專利摘要】本發明公開了一種導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其步驟為：S1：對來自星載時頻單元的1PPS進行整秒檢測；S2：由星載時頻單元提供一路模擬參考時鐘信號，與1PPS保持相位嚴格一致，星間鏈路設備通過對參考時鐘信號相位的跟蹤測量獲得本地時鐘的精細刻度；S3：對本地時鐘進行模糊度處理，生成與衛星系統時間精確同步的本地時間。本發明具有原理簡單、易實現、能夠提高精確度等優點。
【專利說明】
一種導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法
技術領域
[0001] 本發明主要涉及到衛星通信與精密測量領域，特指一種導航衛星星間鏈路設備自 適應精準時間建立方法。
【背景技術】
[0002] 全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)能夠為地球及 近地空間的任意地點提供全天候的精密位置和時間信息。在全球衛星導航系統中，維持較 高的衛星軌道確定精度和鐘差確定精度是確保導航接收終端獲得大系統要求的定位或授 時精度的關鍵。
[0003] 導航衛星精密定軌與時間同步對星間測距功能的需求催生出了導航星座星間鏈 路的概念。一旦通過星間鏈路在導航衛星間建立聯系，導航系統的空間段將不再是孤立衛 星的組合，成為相互協同的一個整體。通過星地鏈路的配合，整個導航系統的控制段和空間 段真正形成了一個全天候全天時的無縫網絡，這為導航系統的業務運行管理提供了巨大的 發揮空間。星間鏈路可實現衛星導航系統在僅配置少數監測站的情況下通過星間鏈路的精 密測量獲得軌道上其它弧段的測量信息，從而達到獲得精密軌道參數的能力。
[0004] 導航衛星星間鏈路的精密定軌與時間同步功能需要星間鏈路設備的時鐘準確度 優于亞納秒量級。理想條件下，星載設備通過同步衛星系統時頻單元1PPS即可實現時間的 統一溯源，其中，1PPS的同步依靠跳沿檢測實現，在高精度條件下則需要設備完成寬帶檢 測，亞納秒級的跳沿檢測精度對星載設備提出了巨大挑戰。利用與1PPS相位嚴格一致的參 考時鐘信號，則有助于實現1PPS跳沿的精確檢測以及本地時間的精細表達，但仍需要解決 好兩方面問題:一是通過提高參考時鐘信號相位的測量精度，實現1PPS跳沿的高精度檢測； 二是避免對參考時鐘信號相位的測量出現整周模糊。實際情況下，參考信號相位測量的不 確定度、1PPS跳沿檢測的不確定度以及兩者之間相位差的不確定度均會引起整周模糊。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一 種原理簡單、易實現、能夠提高精確度的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
[0007] -種導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其步驟為：
[0008] S1:對來自星載時頻單元的1PPS進行整秒檢測；
[0009] S2:由星載時頻單元提供一路模擬參考時鐘信號，與1PPS保持相位嚴格一致，星間 鏈路設備通過對參考時鐘信號相位的跟蹤測量獲得本地時鐘的精細刻度；
[001 0] S3:對本地時鐘進行模糊度處理，生成與衛星系統時間精確同步的本地時間。
[0011]作為本發明的進一步改進:所述步驟S1中，整秒檢測的過程為:星間鏈路設備采用 工作時鐘對數字1PPS進行上升沿檢測，在工作時鐘前一節拍檢測1PPS信號為低電平，當前 節拍檢測為高電平即認為檢測到1PPS上升沿，星間鏈路設備同時完成整秒計數N。
[0012] 作為本發明的進一步改進:所述工作時鐘的頻率為fw，周期為Tw。
[0013] 作為本發明的進一步改進:所述步驟S2中，對參考時鐘信號相位的跟蹤測量過程 為:星間鏈路設備對模擬參考時鐘信號進行采樣，并采用數字相位鎖定環路實現參考時鐘 信號的相位測量，其相位值由參考時鐘周期計數*%及周內相位 組成。
[0014] 作為本發明的進一步改進:所述步驟S3中，模糊度處理的過程為:星間鏈路設備采 集1PPS上升沿檢測時刻的參考時鐘信號跟蹤測量相位，統計得到1PPS與參考時鐘信號的初 始相位差值，根據其所在相位區間確定本地時鐘的參考時鐘周期計數。
[0015] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0016] 1、本發明的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，借助參考時鐘信號 的跟蹤測量，實現了 1PPS的精準同步以及本地時鐘的精細表達，避免了針對1PPS的復雜寬 帶檢測。
[0017] 2、本發明的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，通過整秒檢測以及 連續跟蹤參考時鐘信號，星間鏈路設備能夠適應導航衛星對1PPS的調整以及1PPS與工作時 鐘之間的相位相對變化。
[0018] 3、本發明的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，通過統計1PPS與參 考時鐘信號的初始相位差，并進行模糊度處理，使得星間鏈路設備能夠自動適應電路延遲 的任意變化，避免設備或設備連接關系變化情況下的零值標定。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明的應用實例中導航衛星星間鏈路設備時鐘同步的原理示意圖。
[0020] 圖2是本發明的應用實例中1PPS上升沿檢測的原理示意圖。
[0021] 圖3是本發明的應用實例中參考時鐘信號相位跟蹤測量方法的原理示意圖。
[0022] 圖4是本發明的應用實例中模糊度處理的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0024]本發明的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其步驟為：
[0025] S1:對來自星載時頻單元的1PPS進行整秒檢測；
[0026] S2:由星載時頻單元提供一路模擬參考時鐘信號，與1PPS保持相位嚴格一致，星間 鏈路設備通過對參考時鐘信號相位的跟蹤測量獲得本地時鐘的精細刻度；
[0027] S3:對本地時鐘進行模糊度處理，生成與衛星系統時間精確同步的本地時間。
[0028] 在上述步驟S1中，整秒檢測的過程為：星間鏈路設備采用工作時鐘(頻率為fw，周 期為Tw)對數字1PPS進行上升沿檢測，在工作時鐘前一節拍檢測1PPS信號為低電平，當前節 拍檢測為高電平即認為檢測到1PPS上升沿，星間鏈路設備同時完成整秒計數N。
[0029] 整秒檢測實現了以秒為單位的計時，但對于整秒內的小尺度精細計時則通過參考 時鐘信號相位表示。在上述步驟S2中，對參考時鐘信號相位的跟蹤測量過程為:星間鏈路設 備對模擬參考時鐘信號進行采樣，并采用數字相位鎖定環路實現參考時鐘信號的相位測 量，其相位值由參考時鐘周期計數、及周內相位 < 組成。
[0030] 星間鏈路設備工作時鐘與1PPS并非保持嚴格相位同步，而是存在相位的相對變 化，當這種變化造成參考時鐘信號測量相位跨周，便會引起整周模糊。在上述步驟S3中，模 糊度處理的過程為：星間鏈路設備采集1PPS上升沿檢測時刻的參考時鐘信號跟蹤測量相 位，統計得到1PPS與參考時鐘信號的初始相位差值，根據其所在相位區間確定本地時鐘的 "參考時鐘周期計數"。
[0031]基于上述本發明的方法，構建了如圖1所示的導航衛星星間鏈路設備時鐘同步的 原理示意圖。星載時頻單元提供1PPS、一路模擬參考時鐘信號以及工作時鐘給星間鏈路設 備，其中，1PPS與參考時鐘信號保持相位嚴格一致，即1PPS跳沿對應的參考信號相位恒定。 參考時鐘信號由模數轉換器(ADC)進行采樣，采樣后的信號通過數字鎖相環路跟蹤測量參 考時鐘相位，在驅動直接數字頻率合成器(DDS)產生本地參考信號的同時，連續輸出周期計 數《：4以及相位<。整秒檢測模塊對1PPS上升沿進行檢測，并進行整秒累加計數，在檢測到 上升沿的同時采集參考時鐘相位，并用于后續模糊度處理。模糊度處理模塊根據初始階段 "上升沿時刻"采集的參考時鐘相位，統計得到1PPS與參考時鐘信號的初始相位差值，并根 據其所在相位區間確定本地時鐘的"參考時鐘周期計數"。最終，由整秒計數、參考時鐘周期 計數以及參考時鐘相位構成本地時鐘。
[0032]如圖2所示，為1PPS上升沿檢測的原理示意圖。當工作時鐘邊沿檢測到電平由低至 高的變化后即認定檢測到上升沿，在檢測到上升沿的同時進行整秒計數并記錄下參考時鐘 測量相位。如圖所示，受設備信號傳輸帶寬限制，1PPS跳沿的上升過程并非垂直變化，使得 上升沿的檢測存在一個檢測區域，當工作時鐘當前脈沖位于該檢測區域內，而前一脈沖位 于檢測區域外時便會檢測出上升沿。由于工作時鐘與1PPS之間存在相位的相對變化，在檢 測區域內上升沿的檢測時刻會隨之變化。圖中"實線"表示的一組工作時鐘脈沖以及"虛線" 表示的另一組工作時鐘脈沖均在檢測區域內檢測到上升沿，但對應的檢測時刻卻不同，分 另|J為to和ti，其中，to由N〇，《f。，蠓表示，ti則由Ni，4,蚊表示。
[0033]由于檢測到同一個1PPS上升沿，因此，整秒計數相同，即心=見。對于參考時鐘信號 整周計數，當出現圖中所示的參考時鐘跨周(實線表示的參考信號），滿足但若 未出現跨周(虛線表示的參考信號），則滿足< 。在模糊度處理環節需要對是否可能出 現跨周做出準確判斷，否則會引起整周模糊。
[0034] 如圖3所示，是本發明中參考時鐘信號相位跟蹤測量方法的示意圖。星間鏈路設備 利用數字鎖相環(PLL)實現參考信號相位的跟蹤測量，其理論模型是一個s域上PLL環的數 學模型，其中巾（s)表示需要測量的參考時鐘信號的相位，表示經過環路濾波的估計值； 包括了鑒相器、環路濾波器(F(s))，壓控振蕩器（）等環節。采用跟蹤環路測量靜態參考時
鐘信號相位，跟蹤精度主要受到熱噪聲影響，取決于環路帶寬Bl及信噪比。當環路帶寬Bl取 20Hz，信噪比大于0的情況下，對于通常采用的頻率為10.23MHz的參考時鐘，相位測量精度 在50ps以內。
[0035] 如圖4所示，是本發明中進行模糊度處理的流程示意圖。根據整秒計數N、參考信號 整周計數％以及參考信號相位&可以表達任意時刻的本地時間，其中，1PPS上升沿檢測時 亥IJ，由于參考信號整周計數為〇，可表示為：
[0037] 其中，To表示參考時鐘周期，〇表示整周最大相位值。由于工作時鐘與1PPS之間存 在不確定性，1PPS上升沿檢測時刻相對整秒時刻N存在最大兩個工作時鐘周期的變化，其變 化范圍介于
之間，對于若干個工作時鐘周期(mTw)后的某個時刻， 相對整秒時刻的變化范圍將介于
之間，對應的參考時
，其中，[?]表示向下取整。
[0038] 模糊度處理的原理在于:通過調整m，使得某一時刻的"，為確定值，即滿足：
[0040] 從而確保后續的本地時間不存在整周模糊。
[0041] 接下來，給出關于m的確定方法。
表示為 以下形式：
[0044] 式中，M為整數，其中，0SSKK，那么，
[0050]使公式(2)成立，即等價為通過調整m，進而改變知，^，使得
[0052]等式成立的充要條件為：
[0054] 根據(3)，（4)，顯然滿足52彡51+2，因此，式（10)等價為
[0055] 〇^e+8i<K-2 (11)
[0056] 或者
[0057] K^e+8i<2K-2 (12)
[0058] 分兩種情況討論：
[0059] 1)為滿足公式（11)，當e〈K-3，選取m，使得^至區間[0，1 ]，此時：
[0060] nk = M (13)
[00611 2)為滿足公式（12)，將e分成3個區間，當K-3<e〈K_2,選取m，使得^至區間[3，K] ; 當K-2$e〈K-l，選取m，使得心至區間[2，K_1];當K_l<e〈K，選取m，使得^至區間[1，K_2]，三 種情形下：
[0062] = M+1 (14)
[0063]顯然，1 )，2)成立需滿足K>3，即工作時鐘頻率是參考時鐘信號頻率3倍以上。
[0064]根據上述過程，得出模糊度處理的流程如下：
[0065] S301:在星間鏈路設備開機后，在檢測到1PPS上升沿時刻記錄參考時鐘信號相位， 統計平均值為小〇;
[0067] 3303:當￡〈1(-3，按照情況1)選取111，并固化周期計數為％=1.，然后，進入步驟 S305,否則，進入S304;
[0068] S304:按照情況2)，根據e所在3個不同區間選擇m，并固化周期計數為％ 然后，進入S305;
[0069] S305:本地時間中的整周計數％將以當前固化的周期計數為起點，之后每經過一 個參考時鐘周期，整周計數加1，每當周期計數達到1秒便對％。清零。
[0070] 最終，得到精確的星間鏈路設備本地時間：
[0071] I = N(l) + n.(l)+ <!>.{)) (15)
[0072]以一個具體應用實例為例，參考時鐘信號頻率為10.23MHz，工作時鐘頻率為 50MHz，因此，K = 4,可以按照1)，2)將參考信號相位分成4個區間。假設由16位的相位累加器 表示參考信號測量相位，那么值為65536,參考信號相位對應的4個區間為{0,16383}， {16384,32767}，{32768,49151}，{49152,65535}，那么，在設備開機統計出為后，按照其所 在區間，模糊度處理結果如下：
[0073] ?若'位于{0，16383}，選取m = 2，設定，對應的秒內時間區間為[0ns， 97.75ns]，完全覆蓋巾〇的變化區間[20ns，84.4ns]，不存在整周模糊；
[0074] ?若美位于{ 16384,32767}，選取m = 5,設定\ =1，對應的秒內時間區間為 [97.75ns，195.5ns]，完全覆蓋巾〇的變化區間[104.4ns，168.9ns]，不存在整周模糊；
[0075] ?若為位于{32768,49151 }，選取m = 4,設定=1，對應的秒內時間區間為 [97.75ns，195.5ns]，完全覆蓋巾〇的變化區間[108.9ns，173.3ns]，不存在整周模糊；
[0076] 若表位于{49152,65535}，選取m = 3,設定《/。=1，對應的秒內時間區間為 [97.75ns，195.5ns]，完全覆蓋巾〇的變化區間[113.3ns，177.8ns]，不存在整周模糊。
[0077] 因此，對于具有固定相位關系的1PPS與參考時鐘，無論在星間鏈路設備內的初始 相位差大小如何，本發明的方法都能自適應的確定參考時鐘測量周期計數，并通過對參考 時鐘鎖相跟蹤實現對系統時間的精準同步。
[0078]以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例， 凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的 普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護 范圍。
【主權項】
1. 一種導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其特征在于，步驟為： S1:對來自星載時頻單元的1PPS進行整秒檢測； S2:由星載時頻單元提供一路模擬參考時鐘信號，與1PPS保持相位嚴格一致，星間鏈路 設備通過對參考時鐘信號相位的跟蹤測量獲得本地時鐘的精細刻度； S3:對本地時鐘進行模糊度處理，生成與衛星系統時間精確同步的本地時間。2. 根據權利要求1所述的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其特征在 于，所述步驟S1中，整秒檢測的過程為:星間鏈路設備采用工作時鐘對數字1PPS進行上升沿 檢測，在工作時鐘前一節拍檢測1PPS信號為低電平，當前節拍檢測為高電平即認為檢測到 1PPS上升沿，星間鏈路設備同時完成整秒計數N。3. 根據權利要求2所述的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其特征在 于，所述工作時鐘的頻率為fw，周期為T w。4. 根據權利要求1或2或3所述的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其 特征在于，所述步驟S2中，對參考時鐘信號相位的跟蹤測量過程為:星間鏈路設備對模擬參 考時鐘信號進行采樣，并采用數字相位鎖定環路實現參考時鐘信號的相位測量，其相位值 由參考時鐘周期計數、及周內相位&組成。5. 根據權利要求1或2或3所述的導航衛星星間鏈路設備自適應精準時間建立方法，其 特征在于，所述步驟S3中，模糊度處理的過程為:星間鏈路設備采集1PPS上升沿檢測時刻的 參考時鐘信號跟蹤測量相位，統計得到1PPS與參考時鐘信號的初始相位差值，根據其所在 相位區間確定本地時鐘的參考時鐘周期計數。
【文檔編號】G04R20/02GK106054589SQ201610622492
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】郭熙業, 楊俊 , 周永彬, 陳建云, 孟志軍, 胡梅, 劉長水
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學