基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法技术

本发明专利技术公开了基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，涉及协作导航与通信领域。本发明专利技术方法包括：一、信号源具有信号发送和接收天线，同一信号源收发天线距离作为信号源内部预设数值；全部信号源之间收发天线距离作为全部信号源的内部预设数值，或通过通信链路进行发播；二、时间同步的拓扑结构作为全部信号源的内部预设数值，或通过通信链路进行发播；三、基于通信链路或内部预设数值获取时间同步拓扑结构和全部相对距离；四、计算相对钟差和频差并进行调整，完成时间同步过程。本发明专利技术方法，可满足天线几何相对距离可确定的信号源之间的高精度时间同步能力；无需对设备群延迟开展标定过程和设计维持方法；可维持长时间的时间同步精度。

Time synchronization method of signal source based on signal comparison and frequency difference on-line estimation

The present invention discloses a signal source time synchronization method based on signal comparison and frequency difference on-line estimation, which involves the field of cooperative navigation and communication. The method of the invention includes: a signal source with a signal transmitting and receiving antenna, a signal source antenna distance as the signal source within the preset value; all signal source antenna distance between the internal signal source as all preset values, or broadcast via the communication link; numerical preset two, time synchronization topology as all of the signal source, or broadcast through the communication link; three, based on the communication link or internal default value obtaining time synchronization topology and all relative distance; four, the calculation of relative clock offset and frequency difference and adjustment, complete the time synchronization process. The method can meet the high-precision time synchronization between signal sources that can be determined by geometric relative distance of the antenna, do not need to carry out the calibration process and design maintenance method for device group delay, and can maintain long time synchronization accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法
本专利技术涉及导航定位领域，特别是一种具有确定相对距离的信号源之间的时间同步方法。
技术介绍
信号源是指能够发射无线信号的装置，常用信号源包括导航信号源和通信信号源。实现不同位置信号源之间的高精度时间同步，是实现精确定位和高速协作通信的核心条件之一。目前，常用的时间同步技术是信号源通过集成卫星导航授时接收机，以卫星授时的方式实现时间同步，但由于卫星导航授时精度在20～50ns水平，由此实现的时间同步精度会达到40ns以上，并不利于高精度导航或协同高速通信。一种改进的方法是双向时间同步技术，信号源通过向彼此发送并接收无线信号，通过测距值比对计算钟差并实现时间同步，并在良好应用条件下可达到ns级时间同步精度，但由于双向时间同步计算过程包含了设备群延迟，为达到信号出天线时刻的一致需要对设备群延迟进行标校，且标校误差随着温度变化而出现较大抖动，在温度、湿度易变的自然环境下时间同步精度变差。此外，当前的时间同步技术均是实现1Hz测量下的对时过程，在对时周期内受时钟器件频漂影响将造成时间同步误差的发散。基于上述原因，需要一种针对信号源的更稳定、更精确的时间同步方法，克服设备群延迟和时钟频漂的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，在信号源天线几何相对距离可确定的条件下，避免信号源设备群延迟的影响，并通过对时钟频差的在线估计和校正，提高连续时间同步精度。为了达到上述目的，基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，包括以下步骤：(1)确定信号源具有信号发送天线和接收天线，获取信号源自身收发天线之间的几何距离以及不同信号源收发天线之间的几何距离，作为所有信号源的内部预设数值，或通过通信链路在所有信号源之间进行发播；(2)指定所有信号源进行时间同步的拓扑结构，将拓扑结构作为所有信号源的内部预设数值，或通过通信链路在所有信号源之间进行发播；(3)所有信号源分别发送具有测距和抗远近效应能力的无线信号，并基于通信链路或内部预设数值获取信号源进行时间同步的拓扑结构和不同信号源收发天线之间的几何距离；(4)所有信号源基于接收天线同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，计算相对钟差和频差并进行调整，完成时间同步过程。其中，所述的步骤(4)中所有信号源基于接收天线同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，计算相对钟差和频差，具体包括以下步骤：(401)信号源同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，并获取两个无线信号的测距值的差值；(402)根据两个无线信号的测距值的差值、信号源自身与指定实现同步的信号源收发天线之间的几何距离以及信号源自身收发天线之间的几何距离计算观测向量；(403)定义时钟状态估计值矩阵，并根据观测向量构建针对时钟特征估计的钟差状态递推方程和观测方程；(404)基于通用的卡尔曼滤波算法对(403)中钟差状态递推方程和观测方程进行递推计算，得到信号源的时钟状态估计值矩阵，矩阵前两项即滤波估计下的钟差值和频差值。其中，步骤(402)中的计算公式为:h(t)＝p(t)-(Li,j+di,j-Li)，取信号测距周期为T0，在不同时间点上{T0,2T0,3T0…..kT0…}得到的h(t)构成观测向量；式中Li,j为信号源自身与指定实现同步的信号源收发天线之间的几何距离，di,j为通过对流层模型估计的对流层时延，Li为信号源自身收发天线之间的几何距离，p(t)为两个无线信号的测距值的差值；i,j均为自然数。其中，步骤(403)具体为:定义kT0时刻时钟状态估计值矩阵X(k)＝[x1(k),x2(k),x3(k)]T，式中x1(k)为钟差，x2(k)为频差/f0，x3(k)为频漂参数/f0；建立钟差状态递推方程式中u1(k)为调频白噪声和调频闪变噪声，u2(k)为调频随机游走噪声，u3(k)为时钟老化的非线性频漂过程，这三个参数为预设值，以钟差为观测量；建立观测方程Z(k)＝HX(k)+V(k)W(k)与V(k)中各参量近似为零均值随机误差，Z(k)为观测向量。本专利技术方法具有如下优点：(i)本专利技术提出了一种基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，可满足天线几何相对距离可确定的信号源之间的高精度时间同步能力；(ii)本专利技术提出的基于信号比对的时间同步架构，通过信号差分计算将设备群延迟进行了抵消，直接实现信号出天线时刻的时间同步能力，无需对设备群延迟开展标定过程和设计维持方法。(iii)本专利技术提出的基于卡尔曼滤波的频差在线估计方法，通过对时钟频率特征的在线估计，可在对时周期内抑制频差导致的时间同步发散，并可在时间同步测量终止下维持较长时间的时间同步精度。附图说明图1是本专利技术提出的基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法的示意图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术做进一步的描述。在应用环境中，多个固定或移动的信号源分别部署在不同区域，构成区域无线信号网络，各信号源具有接收和发送天线，并且接收天线可接收信号源自身和其他信号源发播的无线信号。在时间同步过程中，信号源通过卡尔曼滤波对接收信号的测距比对值进行在线滤波和参数估计，获取钟差和频差参数，并通过信号源发播信号的频率产生模块实现对钟差和频差的调整，完成时间同步过程。基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，包括以下步骤：(1)信号源具有信号发送天线和接收天线，下文用TXn表示编号为n的信号源发射天线相位中心的空间坐标，RXn表示其接收天线相位中心的空间坐标。通过光学相对测量或采用RTK接收机对天线精确定位的方式确定不同信号源自身及相对收发天线的几何距离，对于编号i，j的信号源，定义符号Li,j为空间坐标RXi和TXj的几何距离，Li为空间坐标RXi和TXi的几何距离。距离Li作为编号i的信号源内部的预设数值；全部距离Li,j作为全部信号源的内部预设数值，或通过通信链路进行发播；(2)指定全部信号源进行时间同步的拓扑结构，即设定各信号源向指定编号的信号源进行时间同步，如设定编号i的信号源向编号j的信号源进行时间同步，是指编号i的信号源调整自身时间参数实现与编号j的信号源在时间上的一致。信号源时间同步拓扑结构为固定的或时变的，作为全部信号源的内部预设数值，或通过通信链路进行发播；(3)全部信号源发送具有测距和抗远近效应能力的无线信号，并基于通信链路或内部预设数值获取信号源时间同步拓扑结构和全部距离Li,j；(4)信号源基于接收天线同时接收自身发送和指定实现时间同步的信号源发送的测距信号，计算相对钟差和频差；基于信号源发播信号的频率产生模块实现对钟差和频差的调整，完成时间同步过程。所述步骤(4)中信号源计算相对钟差和频差具体步骤为：(401)信号源同时接收自身发送和指定实现时间同步的信号源发送的测距信号，并获取两个信号的测距值的差值，如编号i的信号源向编号j的信号源进行时间同步，编号i的信号源在天线RXi接收和TXi和TXj的信号，在时刻t对应的测距值分别为pi和pj，差值为p(t))＝pj-pi；(402)编号i的信号源通过对流层模型估计在本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定信号源具有信号发送天线和接收天线，获取信号源自身收发天线之间的几何距离以及不同信号源收发天线之间的几何距离，作为所有信号源的内部预设数值，或通过通信链路在所有信号源之间进行发播；(2)指定所有信号源进行时间同步的拓扑结构，将拓扑结构作为所有信号源的内部预设数值，或通过通信链路在所有信号源之间进行发播；(3)所有信号源分别发送具有测距和抗远近效应能力的无线信号，并基于通信链路或内部预设数值获取信号源进行时间同步的拓扑结构和不同信号源收发天线之间的几何距离；(4)所有信号源基于接收天线同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，计算相对钟差和频差并进行调整，完成时间同步过程。

【技术特征摘要】
1.基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定信号源具有信号发送天线和接收天线，获取信号源自身收发天线之间的几何距离以及不同信号源收发天线之间的几何距离，作为所有信号源的内部预设数值，或通过通信链路在所有信号源之间进行发播；(2)指定所有信号源进行时间同步的拓扑结构，将拓扑结构作为所有信号源的内部预设数值，或通过通信链路在所有信号源之间进行发播；(3)所有信号源分别发送具有测距和抗远近效应能力的无线信号，并基于通信链路或内部预设数值获取信号源进行时间同步的拓扑结构和不同信号源收发天线之间的几何距离；(4)所有信号源基于接收天线同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，计算相对钟差和频差并进行调整，完成时间同步过程。2.根据权利要求1所述的基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法，其特征在于：所述的步骤(4)中所有信号源基于接收天线同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，计算相对钟差和频差，具体包括以下步骤：(401)信号源同时接收自身发送的无线信号和拓扑结构中指定实现时间同步的信号源发送的无线信号，并获取两个无线信号的测距值的差值；(402)根据两个无线信号的测距值的差值、信号源自身与指定实现同步的信号源收发天线之间的几何距离以及信号源自身收发天线之间的几何距离计算观测向量；(403)定义时钟状态估计值矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：何成龙，于雪岗，晁磊，王垚，邓志鑫，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13