阅读说明：本技术 一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法 (Method for realizing synchronization of multi-satellite inter-satellite pulse per second and clock ) 是由 周莉 王竹刚 董文涛 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法,用于为卫星编队的分布式探测提供同步秒脉冲和同步时钟,卫星间采用主从式的组网方式,包括一颗主星和多颗子星,基于部署在每颗卫星中的恒温晶振和DAC实现；该方法包括：基于双向单程伪距原理,子星测量计算得到主星和每个子星的时间差；每个子星通过DAC对本子星的恒温晶振进行调频和调相,使得本子星的恒温晶振均与主星的恒温晶振同频同向；基于主星和每个子星的时间差,每个子星进行初始相位生成,使得本子星的秒脉冲与主星的秒脉冲对齐；根据星间通信工作频率与恒温晶振频率的相位关系,主星和每个子星均对秒脉冲进行相位补偿,使得每个子星的秒脉冲均与主星的时钟同步对齐,且相位固定。(The invention discloses a method for realizing the synchronization of a multi-satellite inter-satellite second pulse and a clock, which is used for providing a synchronous second pulse and a synchronous clock for distributed detection of satellite formation, wherein a master-slave networking mode is adopted among satellites, the satellite inter-satellite multi-satellite synchronization method comprises a main satellite and a plurality of sub-satellites, and the method is realized based on a constant-temperature crystal oscillator and a DAC (digital-to-analog converter) deployed in each satellite; the method comprises the following steps: based on a bidirectional one-way pseudo range principle, the time difference between the main satellite and each subsatellite is obtained through subsatellite measurement and calculation; each subsatellite is used for carrying out frequency modulation and phase modulation on the constant-temperature crystal oscillator of the subsatellite through a DAC (digital-to-analog converter), so that the constant-temperature crystal oscillator of the subsatellite and the constant-temperature crystal oscillator of the main satellite are in the same frequency and direction; based on the time difference between the main satellite and each sub-satellite, each sub-satellite generates an initial phase, so that the second pulse of the sub-satellite is aligned with the second pulse of the main satellite; according to the phase relation between the inter-satellite communication working frequency and the constant-temperature crystal oscillator frequency, the main satellite and each subsatellite carry out phase compensation on the second pulse, so that the second pulse of each subsatellite is synchronously aligned with the clock of the main satellite, and the phase is fixed.)

一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法

技术领域

本发明涉及航空、航天通信和测量技术领域，特别涉及一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法。

背景技术

卫星编队飞行进行分布式探测是近年来兴起并受到国内外航天界普遍关注的一个新的研究领域，而多星星间秒脉冲和时钟同步是实现分布式探测功能的重要基础，是其中一项关键技术和研究热点。

主动无线电测量技术主要是由测量设备主动发射、接收射频信号，根据无线电信号的单向或双向时延特性进行测量。主动式星间无线电测量主要适用于几公里范围到百公里范围内的基线测量。星间链路采用DOWR(Dual One Way Ranging,双向单程伪距测量)体制进行双向测距，经过解算可以同时得到两星的距离和时间差。

DOWR测距系统的原理，如图1所示：进行时间比对的两个卫星同一个定时时刻，相互发送时间标志，为了清晰地表达原理，该时间标志用脉冲表示。卫星1的发送定时信号，该定时信号带着发送时刻的时间戳，从该定时信号发送时刻开始，直到卫星2接收来自卫星1的定时信号结束，测量的时间间隔为T₁，因为卫星2并不知道两颗星的时间差，所以该时间间隔为伪时间间隔，或称为伪距，该伪距包含两星间的时间差Δt。同理，反向时间间隔为T₂。t_t1，t_r1，t_t2，t_r2分别对应两个卫星的发射接收设备时延，天线之间的信号传播时延为τ，可以得到下述测量公式：

T₁＝t_t1+τ+t_r2+Δt (1)

T₂＝t_t2+τ+t_r1-Δt (2)

对两个测量公式进行分离，可以解方程得到两星之间的钟差和距离：

在DOWR系统中，式(1)(2)称为测量方程，式(3)(4)称为分离方程。

上述方程中四个发射接收设备时延未知数，t_t1，t_r1，t_t2，t_r2可以通过地面标定的方法标定出来，这样就可以得到最终解算得到两星之间的时差和距离。

目前国内外均有基于双向单程伪距的测距设计，存在多星星间秒脉冲和时钟同步相位不固定的问题。

发明内容

现有技术中多星星间秒脉冲和时钟同步相位不固定的问题，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法，用于为卫星编队的分布式探测提供同步秒脉冲和同步时钟，卫星之间采用主从式的组网方式，包括一颗主星和多颗子星，基于部署在每颗卫星中的恒温晶振和DA转换芯片实现；所述方法包括：

基于双向单程伪距原理，子星测量计算得到主星和每个子星的时间差；

每个子星通过DA转换芯片对本子星的恒温晶振进行调频和调相，使得本子星的恒温晶振均与主星的恒温晶振同频同向；

基于主星和每个子星的时间差，每个子星进行初始相位生成，使得本子星的秒脉冲与主星的秒脉冲对齐；

根据星间通信工作频率与恒温晶振频率的相位关系，主星和每个子星均对秒脉冲进行相位补偿，使得每个子星的秒脉冲均与主星的时钟同步对齐，且相位固定。

作为上述方法的一种改进，在基于双向单程伪距原理，子星测量计算得到主星和每个子星的时间差的步骤之前，还包括通过每个子星的DA转换芯片预设恒温晶振的初始电压值，使主星和子星的恒温晶振上电后的频率尽可能保持一致，以减少调频和调相的时间。

作为上述方法的一种改进，所述基于主星和每个子星的时间差，每个子星进行初始相位生成，使得本子星的秒脉冲与主星的秒脉冲对齐；具体包括：

基于主星和每个子星的时间差，每个子星将对应的时间差，分别转换成帧计数、比特计数和相位计数，加到本子星的帧计数、比特计数和相位计数上，主星相应的计数保持不变，从而使得每个子星的秒脉冲均与主星的秒脉冲对齐。

作为上述方法的一种改进，所述根据星间通信工作频率与恒温晶振频率的相位关系，主星和每个子星均对秒脉冲进行相位补偿，使得每个子星的秒脉冲均与主星的时钟同步对齐，且相位固定；具体包括：

通过星间通信工作频率对恒温晶振二分频进行采样，恒温晶振频率为f0，星间通信工作频率fs为恒温晶振二分频f_com的N倍，得到fs与f_com的相位关系为X，X为满足(N-1)≥X≥0的整数；

主星对秒脉冲进行相位补偿，补偿量Y＝X，子星对相位的补偿量Z＝N*M-(N0+X)，其中N0为初始相位生成时子星的初始相位；M为使Z>0的最小整数。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：各卫星将本地的相位补偿量需要通过星间链路发送给对方星，用于相位跟踪时将该相位补偿量加入到时间差中。

作为上述方法的一种改进，所述主星和每个子星之间包括前向链路和反向链路，其中，所述前向链路，用于主星通过广播方式发送星间数据包至子星，所述反向链路，用于子星以点对点方式发送星间数据包至主星；前向链路与反向链路通信速率不一致。

作为上述方法的一种改进，所述反向链路的星间数据包包括子星频率调整完成信息；所述前向链路的星间数据包包括：秒脉冲输出使能信号；当主星收到各子星频率调整完成信息后，通过前向链路统一发送秒脉冲输出使能信号至各子星，从而主星与各子星同时输出秒脉冲。

作为上述方法的一种改进，主星和多颗子星之间采用频分复用通信方式，同时实现多星的星间通信测距和时钟同步。

作为上述方法的一种改进，秒脉冲和时钟同步包括两步，首先不做相位补偿，让多星的秒脉冲对齐；然后再加上相位补偿量，达到秒脉冲和同步时钟同时对齐。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法，具有原理清晰、实现简单、扩展性好的优点；

2、本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法，可以一条无线链路上实现通信、测距和时钟同步，可以采用频分复用的方法同时实现多星的星间通信测距和时钟同步，具有实现简单、成本低的优点。

附图说明

图1是双向单程伪距DOWR星间测距时序原理；

图2是本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步实现的示意图；

图3是本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法中时钟同步硬件实现框图；

图4是本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法流程图；

图5是本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法中通信工作时钟和恒温晶振时钟之间的相位关系示意图；

图6是本发明的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法中相位补偿原理示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法，为卫星编队飞行进行分布式探测提供同步秒脉冲和同步时钟，各星之间时间同步精度可以达到3.3ns以内，尤其适用于没有GPS覆盖的高轨和深空轨道。一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法基本思想是主星和子星都配置有一个压控恒温晶振，首先测量出两星的时间差，再将子星的恒温晶振经过调频和调相调整成和主星恒温晶振同频同向；各子星均与主星对齐，从而实现多星之间的秒脉冲和时钟同步。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明提出了一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法，为卫星编队飞行进行分布式探测提供同步秒脉冲和同步时钟，图2为多星星间秒脉冲和时钟同步实现的示意图。本方法具体包括：

1)主星和子星都配置有一个压控恒温晶振，首先基于双向单程伪距原理测量出两星的时间差，再通过DA转换芯片(DAC)对子星的恒温晶振进行调频和调相，将子星恒温晶振调整成和主星同频同向；经过初始相位生成后，各子星秒脉冲(Pulse Per Second，简称PPS)均与主星对齐；

2)主星和子星的星间通信工作频率由恒温晶振频率经过FPGA的锁相环(phase-locked loop，简称PLL)获得，根据星间通信工作频率与恒温晶振频率的相位关系，对输出的秒脉冲进行补偿，达到各子星的PPS和同步时钟对齐，且相位固定。

3)支持不对称的前向链路(主星到子星的无线链路)和反向链路(子星到主星的无线链路)，即前向链路与反向链路通信速率不一致。

下面对本发明中的多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法做进一步的说明。

如图3所示，为本发明的一种多星星间通信测距的实现方法的时钟同步硬件实现框图：主星和子星都配置有一个压控恒温晶振，主星和子星压控恒温晶振的压控调整端，通过DA转换芯片预设一个初始电压值，使主星和子星恒温晶振上电后的频率尽可能的一致，可以减少后面调频调相的时间。

如图4所示，为本发明的一种多星星间通信测距的实现方法的实现流程，首先基于双向单程伪距原理测量出两星的时间差，然后通过DA转换芯片对子星的恒温晶振进行频率调整，直到△t小于设置的门限值；初始相位生成是将基于双向单程伪距原理测量出两星的时间差，转换成帧、比特、相位计数加到子星的帧、比特、相位计数上，主星的不变，此时可以达到多星星间的秒脉冲对齐；然后根据星间通信工作频率与恒温晶振频率的相位关系，对输出的秒脉冲进行补偿，达到各子星的PPS和同步时钟对齐，且相位固定。最后进入相位跟踪的过程。主星和子星之间互传的星间数据包，包含子星频率调整完成信息、主星统一发起秒脉冲输出信息。主星收到各子星频率调整完成的信息后，通过星间通信统一发送秒脉冲使能信号给各子星，从而主星与各子星同时输出秒脉冲。

如图5所示，是本发明的一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法中通信工作时钟和恒温晶振时钟之间的相位关系示意图。主星和子星的星间通信工作频率由恒温晶振频率经过FPGA的PLL获得。通信工作时钟为120MHz，恒温晶振为80MHz，它们的公倍数是240MHz，那么120MHz和80MHz就会有这三种相位关系。秒脉冲是由通信时钟产生的，此时即使秒脉冲对齐，80MHz的同步时钟会和秒脉冲有3种相位关系；多星的恒温晶振的时钟无法同步。

如图6所示，是本发明的一种多星星间秒脉冲和时钟同步的实现方法中相位补偿原理示意图。星间通信工作频率设为恒温晶振二分频的倍数；

星间通信工作频率与恒温晶振频率的相位关系，可以通过星间通信工作频率对恒温晶振二分频进行采样，根据采样结果确定相位补偿量。

相位补偿量的确定方法如下：恒温晶振频率为f0，二分频后频率为f_com＝f0/2，通信工作频率为fs＝N*f_com(N为整数)，fs与f_com的相位关系为X，其中(N-1)≥X≥0的整数；初始相位生成时子星的初始相位为N0；主星相位补偿量Y＝X，子星的补偿量Z＝N*M-(N0+X)，其中M为使Z>0的最小整数。

以图6为例，恒温晶振频率为80MHz，恒温晶振二分频为40MHz，通信工作时钟为120MHz；如果各星的恒温晶振频率和通信工作时钟各自与40MHz对齐，秒脉冲与40MHz对齐，秒脉冲又通过初始相位生成的时候对齐，那么多星星间的恒温晶振频率和秒脉冲就能达到全部同步。具体的，在本案例中通信工作频率120MHz，去采样40MHz信号，而40MHz信号有两种可能，那么通信工作频率采到的值就有几种可能，如图6所示，如果为三个周期采样值为110或者001，表示不需要补偿，直接对齐；如果采样值为101或者010，表示补偿2个120MHz周期才能对齐。

多星星间秒脉冲和时钟同步的实现时，调试分为两步，首先不做相位补偿，让多星的秒脉冲对齐；然后再加上相位补偿量，达到秒脉冲和同步时钟对齐。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。