[发明专利]基于信号比对和频差在线估计的信号源时间同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及导航定位领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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)-(L_i,j+d_i,j-L_i)，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L_i,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，d_i,j为通过对流层模型估计的对流层时延，L_i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