同频双向连续高精度测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及同频双向连续高精度测量方法及系统，共有三种方法,前两种方法为：完成时间同步；在主动端和被动端分别建立本地基准时序；计算传输时延，时延可以通过轨道预报信息进行计算获取，也可以采用双向时间比对方法进行测量获取，然后在被动端进行时隙调整，得到本地调整时序；在主动端和被动端分别进行信号重建和连续测量。第三种方法具体为：第一步配置时隙长度，产生本地基准时序；第二步设置参差时序，使得主动端时序TA和被动端时序周期TB满足TA:TB＝M:N，其中M≠N。本发明专利技术同频双向链路，基本对消电离层/对流层附加时延，提高了微波链路测量精度。

High precision measurement method and system of the same frequency and bidirectional

【技术实现步骤摘要】
同频双向连续高精度测量方法及系统
本专利技术涉及同频双向连续高精度测量方法及系统，属于星间/星地链路精密测量
，可应用于对测量有高精度要求的任务，如星地/星间高精度时频传递。
技术介绍
载人航天工程空间站时频柜任务是基于空间站微重力环境的原子钟实验，包括空间钟组、地面高精度原子钟网络以及星地时频传递链路。星地微波链路主要任务是完成空间钟组和地面原子钟中间的超高精度时频传递，期望微波链路自身的时间稳定度@1天达到ps量级。微波时频传递链路为星-地传输，微波信号穿透电离层和对流层时会产生附加延时，制约了测量链路系统性能的提升。附加延时可以用信号传播路径的积分来表达，其数值由信号频率、信号传播路径以及路径特性如温度、水汽压、总电子含量(TEC)决定。目前的典型修正算法有模型修正、双频/三频电离层修正，以导航星座为例其修正精度约为0.2TECU(4cm)，不能满足亚ps/day的时延稳定度要求。针对附加时延特性，若传输链路的频率相同且上下行信号同时传输，上行链路的附加延时和下行链路的附加延时完全相等，那么理论上可以完全对消电离层/对流层的附加延时，极大地提升链路精度。目前对同频收发系统的研究主要集中在两个方向：1).同频分时收发，通过收发时隙切换实现双向收发，在北斗导航系统中Ka星间链路、TDD时分多址通信系统中均有成熟应用；2).同频同时收发(Co_frequencyCo_timeFullDuplex)，实现全双工传输，关键技术在于解决同频自干扰问题，在通信系统中有较多应用。然而，传统的时分体制下，时隙一般设置在ms量级或s量级，LTE-TDD的上下行时隙最快支持ms级切换，北斗星间链路的切换时隙为1.5s，分时切换使得信号不连续，无法适应有高精度测量需求的应用场景；同频同时收发系统较多的应用在5G通信系统中，对于带宽在20MHz以内的信号，同频自干扰抑制大约在30dB～60dB，而且同频自干扰抑制性能会随着信号带宽的扩大而下降；根据卫星测量链路的预算可知，该链路对本地同频自干扰基本要求大于100dB，当前的同频自干扰对消技术尚不能满足当前卫星测量链路的要求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种同频双向连续高精度测量方法及系统，解决传统同频收发系统采用分时体制时信号不连续、采用同频同时收发时自干扰较大，不能满足测量系统高精度需求的问题。本专利技术解决技术的方案是：一种同频双向连续高精度测量方法，该方法包括如下步骤：(1-1)、在主动端和被动端分别进行时间同步处理，使主动端与被动端本地时间同步，得到同步秒脉冲；(1-2)、主动端和被动端在同步秒脉冲基准上，分别产生本地基准时序；(1-3)、主动端根据本地基准时序，在发射时隙对时间连续测量信号加窗并发送，保证测量信号的时间相关性；在接收时隙接收被动端发送的测量信号；(1-4)、被动端估计主动端与被动端之间的传输时延，根据传输时延进行时隙调整，得到本地调整时序；按照本地调整时序，在发射时隙对时间连续测量信号加窗并发送，保证测量信号的时间相关性；在接收时隙接收主动端发送的对接收到的测量信号，被动端与主动端发送的测量信号载波频率相同，从而建立同频双向链路；(1-5)、主动端和被动端分别将接收到的测量信号进行重建，恢复出时间连续的测量信号，根据对方测量信号的载波相位测量值，实现主动端和被动端之间的时频同步，完成基于连续信号的高精度载波相位测量。上述本地基准时序可以依据如下两种规则建立：第一种规则为：(1-2.1a)、由接收时隙和发射时隙轮番交替组成，发射时隙时间长度小于预估的主动端与被动端之间最大传输时延；(1-2.2a)、本地基准时序时隙长度可配置，定义发射时隙时长为Tx，接收时隙时长Tr，切换周期T为发射时隙时长加上接收时隙时长，即：T＝Tx+Tr，接收时隙长度大于发射时隙，即：Tr≥Tx；(1-2.3a)、本地基准时序对齐到本地同步秒脉冲，即本地发射时隙的前沿和同步秒脉冲的上升沿对齐；(1-2.4a)、定义1s内时隙编号依次为1～N，主动端和被动端本地基准时序中奇数编号的时隙为发射时隙，偶数编号的时隙为接收时隙。第二种规则为：(1-2.1b)、由接收时隙和发射时隙轮番交替组成，发射时隙时间长度小于预估的主动端与被动端之间最大传输时延；(1-2.2b)、本地基准时序时隙长度可配置，定义发射时隙时长为Tx，接收时隙时长Tr，切换周期T为发射时隙时长加上接收时隙时长，即：T＝Tx+Tr，接收时隙长度大于发射时隙，即：Tr≥Tx；(1-2.3b)、接收时隙在原来的基础上增加保护时隙Ts，延长本地接收时隙的时长，使得接收时隙时长变为Tr'＝Tr+Ts，且满足如下条件：Tr'≥3Tx，从而得到本地基准时序；(1-2.4b)、本地基准时序对齐到本地同步秒脉冲，即本地发射时隙的前沿和同步秒脉冲的上升沿对齐；(1-2.5b)、定义1s内时隙编号依次为1～N，主动端和被动端本地基准时序中奇数编号的时隙为发射时隙，偶数编号的时隙为接收时隙。所述发射端与接收端的本地基准时序相对偏差不超过20ns。发送端和接收端参考GNSS时间完成时间同步或者采用双向时间比对方法实现时间同步。所述双向时间比对方法采用两条单程伪距测量链路实现，主动端至被动端为前向链路，前向链路工作频点为f1，被动端至主动端为返向链路，返向链路工作频点为f2，使得f1≠f2，主动端和被动端各自在本地获得单向伪距测量值，在被动端根据本地的单向伪距测量值pd_B和主动端回传的单向伪距测量值pd_A，按照公式获取相对时间偏差dt，然后根据相对时间偏差dt调整本地秒脉冲，使得它与主动端的本地秒脉冲同步，记为同步秒脉冲。发送端和接收端根据GNSS时间完成时间同步的具体方法为：发送端和接收端获取GNSS接收机给出的秒脉冲，并调整本地秒脉冲信号与GNSS接收机输出的秒脉冲同步。当主动端和被动端分别位于两颗卫星上，或者主动端位于卫星上、被动端位于地面站。当主动端和被动端分别位于两颗卫星上时，被动端通过如下方法获取主动端和被动端的传输时延，具体为：(4.1-1a)、主动端和被动端分别读取各自卫星的轨道预报信息，根据轨道预报信息，计算当前时刻所在卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置；所述轨道预报信息为轨道六根数及其对应的参考时刻，或者是卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的运动状态矢量及其对应的参考时刻，所述运动状态矢量包括卫星的位置和速度；(4.1-2a)、主动端和被动端获取各自终端天线相位中心在卫星本体坐标系下的位置；(4.1-3a)、主动端和被动端分别根据当前时刻所在卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置、各卫星本体坐标系到ECEF坐标系或ECI坐标系转移矩阵，将各自微波终端天线相位中心位置转换到ECEF坐标系或ECI坐标系下；(4.1-4a)、主动端将当前时刻微波终端天线相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1-1)、在主动端和被动端分别进行时间同步处理，使主动端与被动端本地时间同步，得到同步秒脉冲；/n(1-2)、主动端和被动端在同步秒脉冲基准上，分别产生本地基准时序；/n(1-3)、主动端根据本地基准时序，在发射时隙对时间连续测量信号加窗并发送，保证测量信号的时间相关性；在接收时隙接收被动端发送的测量信号；/n(1-4)、被动端估计主动端与被动端之间的传输时延，根据传输时延进行时隙调整，得到本地调整时序；按照本地调整时序，在发射时隙对时间连续测量信号加窗并发送，保证测量信号的时间相关性；在接收时隙接收主动端发送的对接收到的测量信号，被动端与主动端发送的测量信号载波频率相同，从而建立同频双向链路；/n(1-5)、主动端和被动端分别将接收到的测量信号进行重建，恢复出时间连续的测量信号，根据对方测量信号的载波相位测量值，实现主动端和被动端之间的时频同步，完成基于连续信号的高精度载波相位测量。/n

【技术特征摘要】
1.一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1-1)、在主动端和被动端分别进行时间同步处理，使主动端与被动端本地时间同步，得到同步秒脉冲；
(1-2)、主动端和被动端在同步秒脉冲基准上，分别产生本地基准时序；
(1-3)、主动端根据本地基准时序，在发射时隙对时间连续测量信号加窗并发送，保证测量信号的时间相关性；在接收时隙接收被动端发送的测量信号；
(1-4)、被动端估计主动端与被动端之间的传输时延，根据传输时延进行时隙调整，得到本地调整时序；按照本地调整时序，在发射时隙对时间连续测量信号加窗并发送，保证测量信号的时间相关性；在接收时隙接收主动端发送的对接收到的测量信号，被动端与主动端发送的测量信号载波频率相同，从而建立同频双向链路；
(1-5)、主动端和被动端分别将接收到的测量信号进行重建，恢复出时间连续的测量信号，根据对方测量信号的载波相位测量值，实现主动端和被动端之间的时频同步，完成基于连续信号的高精度载波相位测量。


2.根据权利要求1所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于包括如下步骤：所述本地基准时序的规则如下：
(1-2.1a)、由接收时隙和发射时隙轮番交替组成，发射时隙时间长度小于预估的主动端与被动端之间最大传输时延；
(1-2.2a)、本地基准时序时隙长度可配置，定义发射时隙时长为Tx，接收时隙时长Tr，切换周期T为发射时隙时长加上接收时隙时长，即：T＝Tx+Tr，接收时隙长度大于发射时隙，即：Tr≥Tx；
(1-2.3a)、本地基准时序对齐到本地同步秒脉冲，即本地发射时隙的前沿和同步秒脉冲的上升沿对齐；
(1-2.4a)、定义1s内时隙编号依次为1～N，主动端和被动端本地基准时序中奇数编号的时隙为发射时隙，偶数编号的时隙为接收时隙。


3.根据权利要求1所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于包括如下步骤：所述本地基准时序的规则如下：
(1-2.1b)、由接收时隙和发射时隙轮番交替组成，发射时隙时间长度小于预估的主动端与被动端之间最大传输时延；
(1-2.2b)、本地基准时序时隙长度可配置，定义发射时隙时长为Tx，接收时隙时长Tr，切换周期T为发射时隙时长加上接收时隙时长，即：T＝Tx+Tr，接收时隙长度大于发射时隙，即：Tr≥Tx；
(1-2.3b)、接收时隙在原来的基础上增加保护时隙Ts，延长本地接收时隙的时长，使得接收时隙时长变为Tr'＝Tr+Ts，且满足如下条件：Tr'≥3Tx，从而得到本地基准时序；
(1-2.4b)、本地基准时序对齐到本地同步秒脉冲，即本地发射时隙的前沿和同步秒脉冲的上升沿对齐；
(1-2.5b)、定义1s内时隙编号依次为1～N，主动端和被动端本地基准时序中奇数编号的时隙为发射时隙，偶数编号的时隙为接收时隙。


4.根据权利要求2或3任一项所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于所述发射端与接收端的本地基准时序相对偏差不超过20ns。


5.根据权利要求2或3任一项所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于发送端和接收端参考GNSS时间完成时间同步或者采用双向时间比对方法实现时间同步。


6.根据权利要求5所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于所述双向时间比对方法采用两条单程伪距测量链路实现，主动端至被动端为前向链路，前向链路工作频点为f1，被动端至主动端为返向链路，返向链路工作频点为f2，使得f1≠f2，主动端和被动端各自在本地获得单向伪距测量值，在被动端根据本地的单向伪距测量值pd_B和主动端回传的单向伪距测量值pd_A，按照公式获取相对时间偏差dt，然后根据相对时间偏差dt调整本地秒脉冲，使得它与主动端的本地秒脉冲同步，记为同步秒脉冲。


7.根据权利要求5所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于发送端和接收端根据GNSS时间完成时间同步的具体方法为：
发送端和接收端获取GNSS接收机给出的秒脉冲，并调整本地秒脉冲信号与GNSS接收机输出的秒脉冲同步。


8.根据权利要求2或3任一项所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于当主动端和被动端分别位于两颗卫星上，或者主动端位于卫星上、被动端位于地面站。


9.根据权利要求8所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于当主动端和被动端分别位于两颗卫星上时，被动端通过如下方法获取主动端和被动端的传输时延，具体为：
(4.1-1a)、主动端和被动端分别读取各自卫星的轨道预报信息，根据轨道预报信息，计算当前时刻所在卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置；所述轨道预报信息为轨道六根数及其对应的参考时刻，或者是卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的运动状态矢量及其对应的参考时刻，所述运动状态矢量包括卫星的位置和速度；
(4.1-2a)、主动端和被动端获取各自终端天线相位中心在卫星本体坐标系下的位置；
(4.1-3a)、主动端和被动端分别根据当前时刻所在卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置、各卫星本体坐标系到ECEF坐标系或ECI坐标系转移矩阵，将各自微波终端天线相位中心位置转换到ECEF坐标系或ECI坐标系下；
(4.1-4a)、主动端将当前时刻微波终端天线相位中心位置在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置发送被动端，被动端将主动端和被动端微波终端天线相位中心位置在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置作差，计算得到主动端和被动端天线相位中心的距离R(k)，进而可以得到传输时延τ(k)。


10.根据权利要求8所述一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于当主动端位于卫星，被动端位于地面站时，被动端通过如下方法获取主动端和被动端的传输时延，具体为：
(4.1-1b)、主动端读取所在卫星的轨道预报信息，根据轨道预报信息，计算当前时刻所在卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置；所述轨道预报信息可为轨道六根数及其对应的参考时刻，或者是卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的运动状态矢量及其对应的参考时刻，，所述运动状态矢量包括卫星的位置和速度；
(4.1-2b)、主动端获取其终端天线相位中心在卫星本体坐标系下的位置；
(4.1-3b)、主动端根据当前时刻所在卫星在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置、卫星本体坐标系到ECEF坐标系或ECI坐标系转移矩阵，将各自微波终端天线相位中心位置转换到ECEF坐标系或ECI坐标系下；
(4.1-4b)、主动端将当前时刻微波终端天线相位中心位置在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置发送被动端；
(4.1-4b)、被动端获取当前时刻微波终端天线相位中心位置在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置发送被动端，并将主动端和被动端微波终端天线相位中心位置在ECEF坐标系或ECI坐标系下的位置作差，计算得到主动端和被动端天线相位中心的距离R(k)，进而可以得到传输时延τ(k)。


11.根据权利要求8所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于：被动端采用双向时间比对方法获得主动端与被动端之间的传输时延，定义主动端至被动端为前向链路，前向链路工作频点为f1，被动端至主动端为返向链路，返向链路工作频点为f2，使得f1≠f2，主动端和被动端各自在本地获得单向伪距测量值，在被动端根据本地的单向伪距测量值pd_B和主动端回传的单向伪距测量值pd_A，按照公式获取主动端与被动端之间的传输时延，C为光速。


12.根据权利要求9～11任一项所述的一种同频双向连续高精度测量方法，其特征在于被动端估计主动端与被动端之间的传输时延的更新周期T_...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙艳松，杨瑞强，徐连军，王登峰，郑先安，王延光，胡涛，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61