一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法 |
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| 申请号 | CN202310514717.7 | 申请日 | 2023-05-09 | 公开(公告)号 | CN116859704A | 公开(公告)日 | 2023-10-10 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 金小军; 周立山; 侯聪; 徐兆斌; 金仲和; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于微 小卫星 射频测量的多星编队时间同步方法，包括：(1)采用基于时分体制和ADS‑TWR的多星射频测量方法获得时差测量结果；(2)各卫星根据自身与发射状态卫星间的时差，计算发射状态卫星的星上时间，并通过直接置数实现 相位 修正；(3)通过计算前后两次时差值的差值，各接收状态卫星得出自身与发射状态卫星间的频差， 修改 NCO的 频率 控制字实现频率修正；(4)当前时隙时间同步完成后，等待进入下一时隙，对下一颗发射状态卫星进行时间同步；(5)依次完成每颗状态卫星的时间同步，实现编队的星间时间同步。本发明有效解决了时分复用体制下的时间同步问题，可扩展性强，为微小卫星多星编队相对导航提供统一的高 精度 时间基准。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法技术领域[0001] 本发明属于卫星编队时间同步领域，尤其是涉及一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法。 背景技术[0002] 随着微小卫星编队逐渐成为航天领域的热点，高精度的星间测量作为微小卫星编队相对导航中的关键支撑技术也得到了愈来愈多的关注。其中，在星间时差测量基础上可以建立星间时间同步，进而为利用测得的星间距离进行导航解算提供统一的时间基准。 [0003] 由于空间环境的频谱资源严重短缺，以及微小卫星功耗和体积的限制，可扩展性差的频分复用(Frequency Division Multiple Access,FDMA)和码分复用(Code Division Multiple Access,CDMA)测量体制不适合应用于多星编队。时分复用(Time Division Multiple Access,TDMA)体制可以有效解决可扩展性问题，典型的例子是全球定位系统(Global Positioning System,GPS)IIR/IIF和北斗导航星座的星间链路设计。 [0004] 时间同步方法需要考虑两个方面：第一个是采用的时差补偿方法，即如何实现节点本地时间调节；第二个是基于时差补偿方法的卫星编队网络时间同步架构。 [0005] 目前有多种方法能够实现时钟调节，主要包括压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)，数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)和全数字振荡器(Digitally Controlled Oscillator,DCO)。 [0007] DCO模块由两个部分组成，一个是产生时钟的cyclic‑controlled stage(CCS)，另一个是调节相位的coarse‑tuning delay stage(CTDS)和fine‑tuning delay stage(FTDS)。CTDS负责实现相位的粗调，FTDS负责实现相位的细调。DCO相位调节的优势是调节精度高，但是缺点是对线路延迟时间的准确度有极高的要求，因此多在专用集成电路中得到应用。NCO由一个加法器和一个寄存器构成，通过ROM形式的查找表产生时钟信号。NCO时差补偿可以通过直接调节时钟频率控制字和相位控制字来实现，容易在FPGA上得到实现。但是，NCO时差补偿也存在一个不容忽视的问题，由于时域中NCO的相位周期性溢出，导致NCO产生的时钟具有较大的频率杂散，从而使得补偿后的时钟在频域上的特性严重恶化。现有传感器网络时间同步架构主要有两种，分别为层级树式时钟同步网络架构和分布式时钟网络架构。 [0008] 层级树式时钟中网络中某一节点被分配作为根节点，其余节点根据传感器网络的通信范围等条件，被分配为不同的层级。层级树的时钟同步是逐层进行的，即第一层的节点首先向根节点进行时钟同步，之后第二层向第一层进行时钟同步，依此类推。不难发现，该架构下，根节点时钟将作为整个网络的同步时钟基准，因此根节点时钟的精度决定了整个网络的时钟同步精度。与此同时，层级树结构同步方式的误差会逐层累积，层级数越大的节点的时钟同步精度越差，且其中任何一个节点无法同步会导致其后级的所有子节点无法完成时间同步。层级树式时钟同步网络架构可扩展性较差，随着多星编队卫星数目的增加，层级树结构的层数也会随之增加，这将会对层级数较大的节点带来较大的时间同步误差。 [0009] 分布式时钟同步网络可以有效克服上述缺点，Consensus时钟同步网络为一种典型的分布式时钟同步网络。Consensus同步网络不再以任何一个节点的时钟作为参考时钟，而是通过节点间的通信和测量，构建出一个虚拟同步时钟，所有节点向虚拟时钟进行同步。该网络架构下的同步时钟由编队内所有节点的本地时钟所决定。Consensus同步网络架构存在一个较大的问题，即如果各节点向虚拟时钟进行相位修正的时刻不能保持一致，则会引入较大的同步误差。对于时分体制且各自进行时间同步的卫星编队而言，在无地面站辅助的情况下，难以满足上述条件。同时，Consensus网络内任一节点的时钟失效，例如不断跳变，会导致所有节点无法实现向虚拟时钟的同步。Consensus时钟同步网络也存在可扩展性差的问题，多星编队卫星数目的增加会增大有卫星发生故障的概率，从而使得Consensus网络时钟同步失败。 发明内容[0010] 本发明提供了一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法，经过同步后时钟误差减少至1纳秒左右，具有可扩展性强、同步周期短、同步误差不累计、精度不受限于单一节点、编队内任一卫星时钟失效对编队时间同步的影响小、各节点独立进行时间同步等优势。 [0011] 一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤： [0012] (1)采用基于时分体制和非对称双边双程方法的多星射频测量方法获得发射状态卫星与接收状态卫星的时差测量结果； [0013] (2)各接收状态卫星根据自身与处于发射状态卫星间的时差，计算出发射状态卫星的星上时间，并通过直接置数的方式实现相位修正； [0015] (4)当前时隙时间同步完成后，等待进入下一时隙，对下一颗发射状态卫星进行时间同步； [0016] (5)依次完成每一颗状态卫星的时间同步，最终实现编队的星间时间同步。 [0017] 步骤(1)的具体过程如下： [0018] 假设编队内共有K颗卫星，编队内每一颗卫星、单个测量周期内的每一个时隙都配置了编号，编号S1～SK；每一颗卫星占用与自身编号相同的时隙，并且只在自身占用的时隙内发射信号，其它时隙内只接收信号，从而依次完成信号的发射和接收，编队内任意两颗卫星间的三次信号传输即完成一次非对称双边双程测量； [0019] 两卫星间的时差测量公式为： [0020] ΔT＝TA(t4)‑RAT/c‑TB(t3) [0021] ＝[TA(t3)‑TB(t3)]+[TA(t4)‑TA(t3)‑RAT/c] [0022] 其中，TA(t3)、TB(t3)分别为非对称双边双程测量过程中第二次测量时卫星A和B的信号发射时刻，TA(t4)为卫星A的信号接收时刻，RAT为星间距离测量值，c为光速； [0023] 式中，TA(t3)‑TB(t3)即为两星时差，而TA(t4)‑TA(t3)‑RAT/c为时差测量的误差项。 [0024] 步骤(2)中，通过直接置数的方式，使得接收状态卫星的时钟与发射状态卫星的时钟保持一致，不同时隙切换不同的发射状态卫星，同时其余接收状态卫星进行一次相位修正。 [0025] 步骤(3)中，两卫星间的频差计算公式为： [0026] [0027] 式中，Δf(i)为i时刻的频差，ΔT(i)为i时刻的时差测量结果，Tupdate为时间同步周期时长，flocal为接收卫星本地时钟频率； [0028] 通过前后两次时差测量结果，计算出对应节点间的频差，并将其反馈到NCO的频率控制字上实现频率修正。 [0029] 步骤(3)中，在频率修正后计算同步误差，同步误差表达式为： [0030] [0031] 式中，Terror表示最大同步误差，KA和KB分别代表卫星A与卫星B星载时钟源频率与标称频率的比值，f0为标称频率。 [0033] 其中，Dither算法采用一个伪码发生器实现，伪码发生器的位数为36位，其表达式如下： [0034] F(x)＝1+x11+x36 [0035] 伪码发生器产生的伪码具有伪随机性，将产生的伪码序列整合成一个范围为(0～36 2 ‑1)的随机数，之后，对产生的随机数进行归一化用于NCO杂散的白化；通过Dither算法对NCO输出进行白化后，通过低通滤波器LPF对产生的噪声进行抑制。 [0036] 低通滤波器LPF采用以x(n)为输入、y(n)为输出的长度为M的有限长单位冲激响应滤波器，通过以下差分方程表示 [0037] [0038] 其中，bk代表滤波器系数的集合，采用5阶滤波器，滤波器系数如下式所示[0039] H(z)＝‑0.0232+0.2017z‑1+0.4029z‑2+0.4029z‑3+0.2017z‑4+‑0.0232z‑5。 [0040] 步骤(5)的具体过程为： [0041] 假设编队内共有K颗卫星，编号分别为S1、S2...SK，K颗卫星依次进入发射状态； [0042] 当S1进入发射状态时，编队内剩余K‑1颗卫星测得自身与S1间的时差，从而以S1为主节点，向S1进行同步；当卫星S1的时隙结束后，卫星S2进入发射状态，S2作为新的主节点，剩余K‑1颗卫星向S2进行时间同步，依此类推，实现编队的星间时间同步。 [0043] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0044] 1、本发明的方法，获得时差测量结果后通过相位修正和频率修正实现时间同步同时，有效解决了时分复用体制下的时间同步问题，具有可扩展性强的优势，适用于大规模编队，为微小卫星多星编队相对导航提供统一的高精度时间基准。 [0046] 图1为本发明一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法流程图； [0047] 图2是本发明实施例中基于时分复用体制和ADS‑TWR多星测量方案示意图； [0048] 图3是本发明实施例中NCO优化方案图； [0049] 图4是本发明实施例中时间同步网络架构示意图； [0050] 图5是本发明实施例中两星时间同步整体设计框图； [0051] 图6是本发明实验平台实物图； [0052] 图7是本发明实施例中NCO优化效果图； [0053] 图8是本发明实施例中频率修正前后同步结果图； [0054] 图9是本发明实施例中多节点实验同步结果图。 具体实施方式[0055] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 [0056] 如图1所示，一种基于微小卫星射频测量的多星编队时间同步方法，包括以下步骤： [0057] S101，根据基于时分体制和ADS‑TWR的多星射频测量方案获得发射卫星于接收卫星的时差测量结果。 [0058] 如图2所示，假设编队内共有K颗卫星，编队内每一颗卫星、单个测量周期内每一个时隙都配置了编号，编号数值为1～K。每一颗卫星占用与自身编号相同的时隙，并且只在自身占用的时隙内发射信号，其它时隙内只接收信号，从而依次完成信号的发射和接收。 [0059] 两卫星间的时差测量公式为： [0060] ΔT＝TA(t4)‑RAT/c‑TB(t3) [0061] ＝[TA(t3)‑TB(t3)]+[TA(t4)‑TA(t3)‑RAT/c] [0062] 其中TA(t3)、TB(t3)分别为非对称双边双程测量过程中第二次测量时卫星A和B的信号发射时刻，TA(t4)为卫星A的信号接收时刻，RAT为星间距离测量值，c为光速； [0063] 式中TA(t3)‑TB(t3)即为两星时差，而TA(t4)‑TA(t3)‑RAT/c为时差测量的误差项。 [0064] S102，所有接收状态的卫星获取自身与发射状态卫星的时差，之后通过直接置数的方式，使得自身时钟与发射状态时钟保持一致，每一个时隙切换不同的发射状态卫星，同时其余接收状态卫星进行一次相位修正。 [0065] S103，通过计算前后两次的时差值的差值，各接收状态卫星得出自身与处于发射状态卫星间的频差，修改NCO的频率控制字实现频率修正。 [0066] 本发明采用FPGA实现星间联合测量，因此采用NCO方法实现时差补偿最符合本发明的软硬件系统设计，且NCO方法可以克服VCO和DCO的缺点。针对NCO产生的时钟具有较大的频率杂散的问题，采用杂散功率白化算法(Dither算法)和低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)优化NCO产生的星上时钟，如图3所示，具有较好的稳定性。 [0067] 频率修正参数的计算方法为： [0068] [0069] 式中，Δf(i)为i时刻的频差，ΔT(i)为i时刻的时差测量结果，Tupdate为时间同步周期时长，flocal为接收卫星本地时钟频率，因此可以通过前后两次时差测量结果，计算出对应节点间的频差，并将其反馈到NCO的频率控制字上。 [0070] 时间同步的误差源包括频率源误差、时差测量误差和NCO频率控制字精度误差。 [0071] 频率修正后的同步误差表达式为： [0072] [0073] 式中，Terror表示最大同步误差，KA和KB分别代表卫星A与卫星B星载时钟源频率与标称频率的比值，f0为标称频率。 [0074] 为解决NCO的频谱杂散过多，且分布与NCO的周期相关的问题，杂散功率白化算法通过在NCO输出端加入一个随机的抖动，将杂散进行白化，从而将杂散的功率均摊到整个频谱上。Dither算法采用一个伪码发生器实现，本发明采用的伪码发生器的位数为36位。本发明选用的Dither算法的伪码发生器的表达式如下所示， [0075] F(x)＝1+x11+x36 [0076] 由于伪码发生器产生的伪码具有伪随机性，所以可以将产生的伪码序列整合成一36 个范围为(0～2 ‑1)的随机数。之后，对产生的随机数进行归一化，即可用于杂散的白化。 [0077] 通过Dither算法对NCO输出进行白化后，会导致输出时钟具有更大的噪声。因此，可以通过低通滤波器对噪声进行抑制。理想滤波器是非因果的，在物理上无法实现，本发明采用有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器实现所需低通滤波器的设计。以x(n)为输入，y(n)为输出的长度为M的FIR滤波器，可以用以下的差分方程进行表示， [0078] [0079] 其中，bk代表滤波器系数的集合。在频域上，其系统函数可以表示为H(z)＝h(0)+h‑1 ‑2 (M‑2) (M‑1)(1)z +h(2)z +...+h(M‑2)z‑ +h(M‑1)z‑ [0080] 本发明采用的滤波器系数如下式所示， [0081] H(z)＝‑0.0232+0.2017z‑1+0.4029z‑2+0.4029z‑3+0.2017z‑4+‑0.0232z‑5[0082] 本发明采用5阶滤波器设计，滤波器阶数越高，性能越好，但是资源占用越多，设计越复杂。本文设计的滤波器足以使得高频成分和噪声得到有效滤除。 [0083] 通过NCO的频率字和相位字调节可以有效实现卫星星上时钟的调整，从而实现时差的补偿，Dither算法和LPF可以进一步解决NCO频谱杂散多，相位周期性溢出的问题，从而改善时钟质量。 [0084] S104，当前时隙时间同步完成后，等待进入下一时隙，对下一颗发射状态卫星进行时间同步。 [0085] S105，基于时间同步方案，最终实现并验证多星时间同步方法。 [0086] 依照上述公式，假设时隙为5s，频率源稳定度为0.01ppb，频率源准确度为0.01ppm，时间同步精度可以达到1纳秒左右。 [0087] 考虑层级树式网络架构和Consensus网络架构各自的优缺点，以及本发明基于的多星测量方案，本发明的时钟同步方法如图4所示，测量流程可以描述为：考虑到多星测量方案中各卫星仅在自身时隙内进行发射，其余时隙处于接收状态，假设编队内有五颗卫星，编号分别为S1、S2、S3、S4、S5，五颗卫星依次进入发射状态。当S1进入发射状态时，编队内剩余四颗卫星根据联合测量方法测得自身与S1间的时差，从而以S1为主节点，向S1进行同步。当卫星S1的时隙结束后，卫星S2进入发射状态，S2作为新的主节点，剩下四颗卫星向S2进行时间同步，依此类推，实现编队的星间时间同步。 [0088] 下面介绍软硬件实现方案设计。时间同步模块主要包含控制、时差补偿、相位修正模块，频率修正四个功能模块，编队内两颗卫星同步的整体设计框图如图5所示。 [0089] 编队内两星联合测量可以得到两颗卫星发射机之间的时差，或者说两台发射机间的相位差 同时由于星上时间模块和发射机模块均在一个FPGA内实现，因此我们可以很轻松地得到两者之间的相位差 和 正处于发射状态的卫星会将自身的星上时间与发射机时间的相位差传输给对侧接收机，接收机根据 和 可以计算出两星星上时间模块间的时差。 [0090] 控制模块控制编队内卫星在每个接收时隙进行相位修正和频率修正，始终保持编队时间同步误差最大为1纳秒左右。相位修正模块在ADS‑TWR模块计算出两星星上时差后，向星上时钟模块传输一个置数信号，从而完成相位修正。频率修正模块则根据前后两次测量的时差值与时间间隔，计算出频率参数并调节NCO频率控制字。 [0091] 下面结合实测和附图来详细验证本发明的推导，但本发明不限于下文所示的实施场景。 [0092] 实验场景如图6所示，联合测量设备之间以射频线缆和衰减器相互连接。在实验前，需要对系统的硬件延时和射频线缆的传输速度进行标定，两者的标定结果分别为3.294μs和20,660,000m/s。 [0093] 首先对NCO时钟优化的效果进行检验，检验结果如图7所示，可以看出，对NCO的优化有效解决了NCO频谱杂散和周期性溢出的问题，进而有效提高了星上时钟模块输出的时钟质量。 [0094] 时隙设置为5s，载噪比为70dBHz，图8中(a)展示了频率修正前后时间同步精度的对比结果。可以看出，未进行频率修正的情况下，两次相位修正之间的误差可达到百纳秒级，远远大于频率修正后的同步结果。图8中(b)对频率修正后时间同步结果的进行单独展示。可以看出，经过频率修正，两次相位修正之间的误差最大仅为1纳秒左右，符合前文的理论分析结论。 [0095] 多节点实验中时隙设置为5s，载噪比为70dBHz，由于各卫星独立进行时间同步，因此多节点时间同步的结果与双节点时间同步结果类似。为更直观地展示不同编号的卫星作为主节点的情况下的编队时间同步误差，对不同编号卫星处于发射机状态的时隙内的多节点时间同步情况进行局部放大展示，结果如图9所示。可以看出，多节点情况下，当编队内卫星依次成为主节点时，系统依旧能够良好工作，且保持极高的同步精度。 [0096] 本发明提出的多星编队时间同步方法，基于时分体制和ADS‑TWR方法的多星射频测量方案获得时差测量结果，进行多星编队时间同步并通过实测验证。同时，针对NCO产生的时钟具有较大的频率杂散的问题，采用Dither算法和LPF优化NCO产生的星上时钟。实测结果表明，本发明的时间同步精度误差维持在1纳秒以内，验证了本方案的正确性。本发明有效解决了时分复用体制下的时间同步问题，具有可扩展性强的优势，适用于大规模编队，为微小卫星多星编队相对导航提供统一的高精度时间基准。 [0097] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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