技术领域
[0001] 本
发明涉及网络化雷达的时频同步方法，属于组网雷达技术领域。
背景技术
[0002] 当前雷达面临的挑战主要是作战对象、作战环境和作战样式三个方面的变化，作战对象的立体化、多样化，作战环境的复杂化、恶劣化；作战样式的精确化、一体化。具体表现为四大方面的威胁：
电子干扰、隐身目标、反
辐射导弹和低空/超低空突防。受限于平台空间、成本的限制，仅依靠单部雷达已难以抵抗上述四大威胁，为了增强雷达在复杂环境下的作战能
力和生存能力，雷达也在不断地向系统化、一体化方向演变，网络化雷达协同探测是其重要的发展方向。网络化雷达在带来诸多好处的关键是各
节点雷达间通过资源管控和信息融合实现整个大雷达网的协同工作，这将使系统的复杂性大大增加，其中各节点雷达之间的时间、
频率同步就是一个关键的问题，它是网络化雷达联合一体化发挥体系优势的重要保障。
[0003] 在网络化雷达中，不同
站点雷达间有各自独立的时钟源，相互之间的时间和频率存在不同步问题，而对网络化雷达进行信息融合、资源管理的前提就是整个系统有统一的时间频率标准。时间同步是各站在某一时刻系统内部各自计时的时间值一致；频率同步是各站工作在同一频点上，对于需要做相参处理的雷达来说，频率同步还要求保证收发站的相参特性。
[0004] 时间频率的不同步主要表现在以下因素：频率源间的频率固定误差与频率慢漂移；收发站载频
信号存在随机
相位误差；脉冲发射和接收时刻以及PRF的抖动；
采样频率的抖动；回波脉冲宽度的变化。而这些因素导致的时间频率不同步会对后面的雷达
信号处理造成的影响包括：对目标测距
精度的影响、对多普勒测量性能产生严重影响、对目标
跟踪结果的影响、相参处理时，对目标检测时
信噪比的影响。
[0005] 网络化雷达的时间频率同步方法主要有直接同步、间接同步和独立式同步三种。直接同步法是通常是利用某个节点做参考，将该站的时间同步码、频率基准信号和射频编码等同步信息，经数传通道直接送至其他节点，其他站点将接收到的
同步信号进行解码、直接作为时间、频率和相位的基准信号。该方法的同步精度主要取决于数传通信信道引入的误差，而数传通信信道的误差无法估计，同步精度不高。间接同步法是在各节点设置一个相同的高稳定度的时钟，以时钟作为时间基准。用作时间基准的时钟可以是
原子钟和高稳定
石英晶体振荡器，各节点的时钟要定期的用同一时间基准来校准，用作校准的时间基准的精度要更高一些。独立法主要是当各站间有直视距离时，可以采用辅助天线直接从接收直达波中获得发射信号的相位/频率基准信息来作基准信息。一般情况下，独立式同步方法从直达波或地物散射波中提取同步信息，其工作
质量受直达信号信杂比的影响较大，因此很难获得高的同步精度。
发明内容
[0006] 本发明的技术解决问题是：克服
现有技术的不足，提供一种网络化雷达系统时频同步方法，既保证了实现短时间快速可用，又保证了长时间的高精度稳定同步。
[0007] 本发明的技术解决方案是：一种网络化雷达系统时频同步方法，所述网络化雷达系统包括主站和N个副站，N≥1，该方法包括如下步骤：
[0008] (1)、主站、副站开机初始化后，利用GNSS授时模
块，得到与导航卫
星系统时同步的秒脉冲信号和时间码信息，将时间码信息作为本地时间，并将GNSS授时模块输出的秒脉冲信号作为本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号，根据参考秒脉冲信号驯服本地时钟，产生基准频率信号，所述基准频率信号与导航卫星系统时钟时频同步；
[0009] (2)、获取副站与主站之间的时间差，并根据该时间差修正副站的本地秒脉冲信号，使之与主站的秒脉冲同步，修正副站的时间码信息，使之与主站时间码信息同步；
[0010] (3)、副站将修正后的秒脉冲信号作为参考秒脉冲信号，根据参考秒脉冲信号驯服本地时钟，对副站本地频率源输出的时钟频率和相位校正，更新基准频率信号，更新后的基准频率信号与主站的基准频率信号时频同步。
[0011] 所述步骤(2)采用双向时频比对的方法，得到副站与主站之间的时间差，具体步骤为：
[0012] (2.1)、副站发送时频信息
帧给主站，所述时频信息帧包括副站发送该时频信息帧对应的本地时刻t1；
[0013] (2.2)、主站接收副站发送的时频信息帧，从中获取该时频信息帧发送时对应的副站本地时刻t1，并根据接收该时频信息帧时对应的主站本地时刻t2和发送该时频信息帧时对应的副站本地时刻t1，计算副站发送到主站接收的伪距R1；
[0014] (2.3)、主站发送时频信息反馈帧给副站，所述时频信息反馈帧包括主站发送该时频信息帧对应的本地时刻t3和副站发送端到主站接收端的伪距R1；
[0015] (2.4)、副站接收主站发送的时频信息反馈帧，从中获取该时频信息反馈帧发送时对应的主站本地时刻t3，并根据接收该时频信息反馈帧时对应的副站本地时刻t4和发送该时频信息反馈帧时对应的主站本地时刻t3，计算主站发送端到副站接收端的伪距R2；
[0016] (2.5)、副站根据副站发送端到主站接收端的伪距R1、主站发送端到副站接收端的伪距R2、主站发送设备时延DTmain、主站接收设备的时延DRmain，副站发射设备时延DTsec、副站接收设备时延DRsec，计算得到副站相对于主站的时间差；
[0017] (2.6)、副站根据副站相对于主站的时间差，修正副站的秒脉冲和时间码信息，同时，将时间差发送给主站；
[0018] (2.7)、主站对副站相对于主站的时间差进行判定，若该时间差在设定范围内，则结束；否则，重新执行步骤(2.1)～(2.6)。
[0019] 所述副站相对于主站的时间差计算公式为：
[0020]
[0021] 所述副站发送端到主站接收端的伪距R1的计算公式为：t2-t1。
[0022] 所述主站发送端到副站接收端的伪距R2的计算公式：t4-t3。
[0023] 所述步骤(1)或者步骤(3)采用时频校正模块驯服本地时钟频率源，具体的时频校正模块包括频率驯服单元、相位驯服单元、时钟频率再生单元；
[0024] 频率驯服单元，采用本地时钟频率源分频得到1Hz信号，将参考秒脉冲信号与1Hz信号进行鉴频处理，通过不断的
锁相、跟踪，最终得到1Hz信号与参考秒脉冲信号的频率差，并将频率差输出至相位驯服单元；
[0025] 相位驯服单元，将频率驯服单元输出的频率差进行累加，得到1Hz信号与参考秒脉冲信号频率差对应的
相位差，将该相位差与1Hz信号相位相加，消除频率差所带来影响；将参考秒脉冲信号与消除频率误差影响之后的1Hz信号进行鉴相、滤波处理，得到1Hz信号与参考秒脉冲信号的相位差，根据1Hz信号与参考秒脉冲信号的相位差，补偿本地时钟的相位值，得到基准频率相位值，输出至时钟频率再生单元；
[0026] 时钟频率再生单元，根据基准频率相位值，产生基准频率信号，所述基准频率信号与参考秒脉冲信号同步。
[0027] 所述频率驯服单元包括第一相位累加器、
鉴频器、第一驯服相位累加器、频率驯服环路
滤波器；
[0028] 第一相位累加器，对本地时钟进行相位累加，转换成频率为1Hz信号的相位信息，并根据第一驯服相位累加器反馈的相位差，修正1Hz信号的相位，将修正后的1Hz信号相位信息发送给鉴频器；
[0029] 鉴频器，对修正后的1Hz信号相位信息与将参考秒脉冲信号的相位进行比较，得到修正后的1Hz信号与参考秒脉冲的相位差，并转换为频率差；
[0030] 频率驯服
环路滤波器，对鉴频器输出的频率差进行滤波处理，将滤波后的频率差输出至相位驯服单元和驯服相位累加器；
[0031] 第一驯服相位累加器，将频率驯服环路滤波器输出的频率差进行累加，得到1Hz信号与参考秒脉冲频差对应的相位差，反馈至第一相位累加器。
[0032] 所述频率驯服环路滤波器为一阶环路滤波器、可变带宽二阶环路滤波器或者Kalman滤波器。
[0033] 所述相位驯服单元包括第二相位累加器、鉴相器、第二驯服相位累加器、相位驯服环路滤波器；
[0034] 鉴相器，对修正后的1Hz信号相位信息与将参考秒脉冲信号的相位进行比较，得到修正后的1Hz信号与参考秒脉冲的相位差；
[0035] 相位驯服环路滤波器，对鉴相器输出的修正后的1Hz信号与参考秒脉冲的相位差进行滤波，将滤波后的相位差输出至第二相位累加器；
[0036] 第二驯服相位累加器，将频率驯服单元输出的频率差进行累加，得到1Hz信号与参考秒脉冲信号频率差对应的相位差，并输出至第二相位累加器；
[0037] 第二相位累加器，对本地时钟进行相位累加得到本地时钟的相位值；将相位驯服环路滤波器反馈的相位差与第二驯服相位累加器输出的相位值相加，相加结果用来补偿本地时钟的相位值；根据补偿后的本地时钟的相位值，将本地时钟转换成频率为1Hz信号的相位信息，将修正后的1Hz信号相位信息发送给鉴相器；补偿后的本地时钟的相位值即为基准频率相位值。
[0038] 所述相位驯服环路滤波器为可变带宽二阶环路滤波器或者4阶以上的FIR环路滤波器。
[0039] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0040] (1)、本发明主站和副站首先采用GNSS授时模块实现初始同步，并在初始同步的
基础上，不断驯服本地基准频率信号，然后在利用主站与副站之间的数传通道，实现副站与主站之间的同步，并进一步利用与主站同步后的时钟脉冲驯服本地基准频率信号，多种时间频率同步相结合，进一步提高时间频率同步精度，不同工作模式下的时频同步互为备份，增强了可靠性。
[0041] (2)、本发明在原有的主站和各副站间数据通信通道传输的探测信息、控制信息、状态信息等信息的基础上加入时间频率比对信息，在主站和副站之间进行双向时频比对，计算主站与副站间的时间差，各站之间的传输通道实现了数据通信与双向时间比对，实现了二合一的功能，有效地利用了现有的通信资源。
[0042] (3)、本发明在进行时频校正驯服时，频率驯服滤波器和相位驯服滤波器多种可选择，既保证了实现短时间快速可用，又保证了长时间的高精度稳定同步。
附图说明
[0044] 图2为本发明实施例设备组成示意图；
[0045] 图3为本发明实施例工作流程示意图；
[0046] 图4为本发明实施例设备架构示意图。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0048] 如图1所示，本发明公开了一种网络化雷达系统时频同步方法的具体实施例。所述网络化雷达系统将融控中心定义为主站，作为整个网络化雷达系统的参考基准，其他雷达站作为副站，主站和副站能够接收卫星授时，且在原有的主站和各副站间数据通信通道传输的探测信息、控制信息、状态信息等信息的基础上加入时间频率比对信息，在主站和副站之间进行双向时频比对，实现网络化雷达系统的时频同步。
[0049] 如图3所示为系统工作流程，如图可知，本发明所提供的网络化雷达系统时频同步方法主要流程为：
[0050] (1)、主站、副站开机初始化后，利用GNSS授时模块，得到与导航卫星系统时同步的秒脉冲信号和时间码信息，将时间码信息作为本地时间，并将GNSS授时模块输出的秒脉冲信号作为本地秒脉冲信号和参考秒脉冲信号，根据参考秒脉冲信号驯服本地时钟，产生基准频率信号，所述基准频率信号与导航卫星系统时钟时频同步；
[0051] (2)、采用双向时频比对的方法，获取副站与主站之间的时间差，并根据该时间差修正副站的本地秒脉冲信号，使之与主站的秒脉冲同步，修正副站的时间码信息，使之与主站时间码信息同步；
[0052] (2.1)、副站发送时频信息帧给主站，所述时频信息帧包括副站发送该时频信息帧对应的本地时刻t1；
[0053] (2.2)、主站接收副站发送的时频信息帧，从中获取该时频信息帧发送时对应的副站本地时刻t1，并根据接收该时频信息帧时对应的主站本地时刻t2和发送该时频信息帧时对应的副站本地时刻t1，计算副站发送到主站接收的伪距R1；
[0054] (2.3)、主站发送时频信息反馈帧给副站，所述时频信息反馈帧包括主站发送该时频信息帧对应的本地时刻t3和副站发送端到主站接收端的伪距R1；副站发送端到主站接收端的伪距R1的计算公式为：t2-t1。
[0055] (2.4)、副站接收主站发送的时频信息反馈帧，从中获取该时频信息反馈帧发送时对应的主站本地时刻t3，并根据接收该时频信息反馈帧时对应的副站本地时刻t4和发送该时频信息反馈帧时对应的主站本地时刻t3，计算主站发送端到副站接收端的伪距R2；主站发送端到副站接收端的伪距R2的计算公式：t4-t3。
[0056] (2.5)、副站根据副站发送端到主站接收端的伪距R1、主站发送端到副站接收端的伪距R2、主站发送设备时延DTmain、主站接收设备的时延DRmain，副站发射设备时延DTsec、副站接收设备时延DRsec，计算得到副站相对于主站的时间差；
[0057] 所述副站相对于主站的时间差计算公式为：
[0058]
[0059] 主站发送设备时延DTmain、主站接收设备的时延DRmain，副站发射设备时延DTsec、副站接收设备时延DRsec在进行双向比对前进行标校。
[0060] (2.6)、副站根据副站相对于主站的时间差，修正副站的秒脉冲和时间码信息，同时，将时间差发送给主站；
[0061] (2.7)、主站对副站相对于主站的时间差进行判定，若该时间差在设定范围内，则结束；否则，重新执行步骤(2.1)～(2.6)。
[0062] 通过上述双向单程伪距测量模式进行伪距测量，可最大限度地消除影响双向测距与时间同步系统测量精度的传播路径误差。
[0063] (3)、副站将修正后的秒脉冲信号作为参考秒脉冲信号，根据参考秒脉冲信号本地时钟，对副站本地频率源输出的时钟频率和相位校正，更新基准频率信号，更新后的基准频率信号与主站的基准频率信号时频同步。
[0064] 根据上述方法，本发明的某一具体实施例为主站和各副站均配有时频同步设备，如图2所示为设备的组成
框图。时频同步设备的组成包括GNSS授时模块、频率源模块、时频校正模块和双向时频比对模块。频率源模块选用高精度的原子钟，提供高准确度和高稳定度的本地时钟，本实施例中，本地时钟频率为100MHz。GNSS授时模块接收GNSS时间信号，并生成时间码及秒脉冲信号，作为参考秒脉冲信号，输出给时频校正模块。双向时频比对模块根据本地的时频信息在主/副站间进行信息交互，并计算得到主副站之间的时间差，副站根据时间差将本地秒脉冲和本地时间码进行修正，将修正后的秒脉冲信号作为参考秒脉冲信号输出给时频校正模块。时频校正模块接收GNSS授时模块或者双向时频比对模块的时间码和秒脉冲，并直接作为基准时间码和基准秒脉冲输出，供本地雷达站使用；将秒脉冲作为参考参考秒脉冲信号，对本地时钟进行校正，最终输出基准频率供本地雷达站使用。
[0065] 如图4所示，各模块详细说明如下：
[0066] (1)双向时频比对模块
[0067] 双向时频比对模块包括发射通道和接收通道，既向外发送本站的时间信息，由接收它站的时间信息。
[0068] 发射通道主要是完成发送数据的装帧，帧信息主要包括了帧类别、发送时刻的时码、伪距测量值等，之后对帧数据进行扩频处理，对扩频信号进行调制，调制后的信号，最终通过数传通道发送给其他站。副站发送给主站的帧数据包括时频信息帧和时间差信息帧，所述时频信息帧包括副站发送该时频信息帧对应的本地时刻t1；所述时间差信息帧包括副站相对于主站的时间差。主站发送给副站的帧数据包括时频信息反馈帧，所述时频信息反馈帧包括主站发送该时频信息帧对应的本地时刻t3和副站发送端到主站接收端的伪距R1。
[0069] 接收通道主要是完成接收信号的解扩和解调处理后，获取帧内信息，根据帧内信息进行
基带处理，基带处理主要是根据帧内的时码信息以及接收时刻的信息，计算从其他站发送到本站接收的伪距，副站根据主站的伪距测量值和本站的伪距测量值计算副站与主站的时间差，经过多次测量计算出时间差。副站将根据时间差对秒脉冲和时间码进行修正，得到校正秒脉冲和校正时间码，输出给时频校正模块。
[0070] 数据帧结构里包含了完成双向授时的关键信息，其内容组成如下：
[0071] 1)帧头(32bits)。从比特流中获取帧的
位置；
[0072] 2)本地地址(8bits)。作为设备识别的唯一ID。
[0073] 3)目的地址(8bits)。进行通信的接收端ID。
[0074] 4)帧类型(4bits)。包括命令帧、数据帧、空闲帧。
[0075] ·命令帧。主站向从站发起双向授时命令。
[0076] ·数据帧。主副站校时过程中发送的帧，帧内包含了时码、伪距等信息，包括时频信息帧、时频信息反馈帧和时间差信息帧。
[0077] ·空闲帧。
[0078] 5)计数器(12bits)。一对主从站间进行校时过程中，各站发送的帧计数。
[0079] 6)时码(32bits)。本地时码信息，例如，时频信息帧发送时对应的副站本地时刻t1或者时频信息反馈帧发送时对应的主站本地时刻t3。
[0080] 7)伪距测量值(32bits)。时频信息反馈帧中主站将接收到从站帧的时刻的时码减去副站发来的帧中包含的时码，得到伪距测量值，将这个值再发回给副站。
[0081] (2)时频校正模块
[0082] 时频校正模块用于根据参考秒脉冲信号驯服本地时钟频率源，时频校正采用了高精度全数字鉴相与高精度DDS方法，将频率产生与矫正分离，这样便于钟的特性识别与校正，整体性能也更稳定。时频校正模块的驯服源参考秒脉冲信号可以在GNSS模块的秒脉冲和双向时频比对模块输出的秒脉冲二者之间进行选择。具体的时频校正模块包括频率驯服单元、相位驯服单元、时钟频率再生单元。
[0083] 频率驯服单元，采用本地时钟频率源分频得到1Hz信号，将参考秒脉冲信号与1Hz信号进行鉴频处理，通过不断的锁相、跟踪，最终得到1Hz信号与参考秒脉冲信号的频率差，并将频率差输出至相位驯服单元；
[0084] 相位驯服单元，将频率驯服单元输出的频率差进行累加，得到1Hz信号与参考秒脉冲信号频率差对应的相位差，将该相位差与1Hz信号相位相加，消除频率差所带来影响；将参考秒脉冲信号与消除频率误差影响之后的1Hz信号进行鉴相、滤波处理，得到1Hz信号与参考秒脉冲信号的相位差，根据1Hz信号与参考秒脉冲信号的相位差，补偿本地时钟的相位值，得到基准频率相位值，输出至时钟频率再生单元；
[0085] 时钟频率再生单元，根据基准频率相位值，产生基准频率信号，所述基准频率信号与参考秒脉冲信号同步。
[0086] 所述频率驯服单元包括第一相位累加器、鉴频器、第一驯服相位累加器、频率驯服环路滤波器；
[0087] 第一相位累加器，对本地时钟进行相位累加，转换成频率为1Hz信号的相位信息，并根据第一驯服相位累加器反馈的相位差，修正1Hz信号的相位，将修正后的1Hz信号相位信息发送给鉴频器；
[0088] 鉴频器，对修正后的1Hz信号相位信息与将参考秒脉冲信号的相位进行比较，得到修正后的1Hz信号与参考秒脉冲的相位差，并转换为频率差；
[0089] 频率驯服环路滤波器，对鉴频器输出的频率差进行滤波处理，将滤波后的频率差输出至相位驯服单元和驯服相位累加器；频率驯服环路滤波器包括3个支路：
[0090] 1)一阶环路滤波器，在系统刚上电时使用，用以实现系统的低精度短时间快速锁定。
[0091] 2)可变带宽二阶环路滤波器(BW＝2-10～2-17Hz)，滤波器的带宽可以根据当前的频率差值的变小而同步变小，最终实现频率高精度同步于驯服源。为了实现高精度的同步，该过程是一个不断反馈校正的过程，达到稳定状态的时间与一阶环路滤波器相比时间要长。因此，上电时使用一阶环路滤波器，并设定频差值Δf，在频差值小于Δf时，转换为二阶滤波器。
[0092] 3)可选用的Kalman滤波器，该滤波器主要用于在无驯服源时，本地时钟自守时使用，可以通过滤波提高本地时钟自守时精度。
[0093] 第一驯服相位累加器，将频率驯服环路滤波器输出的频率差进行累加，得到1Hz信号与参考秒脉冲频差对应的相位差，反馈至第一相位累加器。
[0094] 所述频率驯服环路滤波器为一阶环路滤波器、可变带宽二阶环路滤波器或者Kalman滤波器。
[0095] 相位驯服单元包括第二相位累加器、鉴相器、第二驯服相位累加器、相位驯服环路滤波器；
[0096] 鉴相器，对修正后的1Hz信号相位信息与将参考秒脉冲信号的相位进行比较，得到修正后的1Hz信号与参考秒脉冲的相位差；
[0097] 相位驯服环路滤波器，对鉴相器输出的修正后的1Hz信号与参考秒脉冲信号的相位差进行滤波，将滤波后的相位差输出至第二相位累加器。
[0098] 相位驯服环路滤波器包括2个支路：
[0099] 1)可变带宽二阶环路滤波器(BW＝2-0～2-10Hz)来实现时间扩展，在只采用100MHz-10工作时钟的情况下，使得鉴相
分辨率达到10×2 ns。
[0100] 2)可选用的高阶FIR环路滤波器，至少是四阶FIR环路滤波器，用以实现对驯服源1PPS脉冲相位的稳定跟踪与平滑，以满足系统对1PPS秒脉冲输出性能的要求。在使用可变带宽环路滤波器达到的相位差小于设定的Δφ值时，将滤波器转换为高阶FIR环路滤波器。
[0101] 第二驯服相位累加器，将频率驯服单元输出的频率差进行累加，得到1Hz信号与参考秒脉冲信号频率差对应的相位差，并输出至第二相位累加器；
[0102] 第二相位累加器，对本地时钟进行相位累加得到本地时钟的相位值；将相位驯服环路滤波器反馈的相位差与第二驯服相位累加器输出的相位值相加，相加结果用来补偿本地时钟的相位值；根据补偿后的本地时钟的相位值，将本地时钟转换成频率为1Hz信号的相位信息，将修正后的1Hz信号相位信息发送给鉴相器；补偿后的本地时钟的相位值即为基准频率相位值。
[0103] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
