一种地基导航定位系统时间同步方法与流程

1.本发明涉及地基导航定位技术领域，具体而言，涉及一种地基导航定位系统时间同步方法。


背景技术：

2.目前，传统的全球导航定位系统主要有美国的gps系统、中国的北斗卫星导航定位系统、俄罗斯的glonass系统和欧洲的伽利略系统等，能够为用户提供全天候、全方位的定位与授时服务。然而，这些导航定位系统的功能实现严重依赖卫星信号，因此在室内和野外等卫星信号较差的环境下，用户可能无法正常使用。为了解决该问题，澳大利亚的locata公司设计提出了基于地面基站的卫星增强和导航定位系统locata，该系统可以在卫星拒止环境下为用户提供高精度定位服务。地面基站虽然可以代替卫星成为新的导航定位信号发射设备，但其也同样面临着基站间时间同步的困难，站间同步精度会直接影响到地基导航定位系统的位置精度。
3.目前的基站同步方法包括利用有线网络分配时钟和使用高精度高稳定度本地时钟。利用有线网络分配时钟的方法是将某一参考时钟信号分配到定位服务基站，以此来保证系统中所有基站时钟的同源性。
4.然而，地基导航定位系统要求基站能够灵活部署，其基站网络拓扑灵活多变，基站分布分散且彼此间距离远，如此长距离的传输高速时钟信号并保证其相位一致非常困难。
5.使用高精度高稳定度本地时钟(如原子钟)的方法可以将各基站间的时钟误差限制在系统可容忍的范围内，同时再为系统设置一个位置已知的收发机设备作为参考设备，利用该参考设备对系统中所有基站的信号进行接收处理后计算出基站间的时钟误差，并将获得的时钟误差发送到各基站，最后各基站再根据接收到的时钟误差对各自的时钟进行微调从而达到整个系统的时间同步。
6.这种方法虽然在gps等卫星定位系统中得到了应用，但是高精度低漂移率原子钟的使用增加了基站成本，参考设备的使用也增加了系统的复杂度。由此可见，现有的地基导航与定位系统虽然能够解决复杂环境下的导航定位问题，但是存在基站间时间同步精度低、基站建设成本高以及定位精度受限等问题。
7.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是如何结局现有技术中对基站时间同步精度低一级基站建设成本高一级定位精度受限，目的在于提供一种地基导航定位系统时间同步方法，在对地基导航定位系统进行时间同步的时候，实现了时间同步的精度高，建设成本低一级定位精度不受限。
9.本发明通过下述技术方案实现：
10.一种地基导航定位系统时间同步方法，步骤方法包括：
11.s1：通过参考基站向待同步基站发送参考信号，并基于参考信号载波频率调节待同步基站的载波频率，使得待同步基站的载波频率与参考信号的载波频率同步，调节完成，对待同步基站的频率进行锁定，频率锁定完成后进入步骤s2；
12.s2：通过待同步基站对发送过来的参考信号进行时标，基于时标的参考信号，计算参考信号的载波相位参考信号传输的粗时间δt以及参考信号在待同步基站测量的时间间隔δt
′
，并停止参考信号发送；所述粗时间为参考信号从参考基站时钟到待同步基站的本地时钟的时间差；
13.s3：通过所述待同步基站产生本地信号并进行环回，且对环回信号中的码相位不断进行调节，直到所述待同步基站接收环回信号的时间间隔与参考信号在待同步基站测量的时间间隔δt
′
相同，则进入步骤s4；
14.s4：通过待同步基站计算环回信号的载波相位，基于参考信号的载波相位，对环回信号的载波相位不断进行调节，直到环回信号的载波相位与参考信号的载波相位一致，停止调节，则参考基站与待同步基站时间同步完成。
15.传统地在对地基导航定位系统进行时间同步的时候，往往采用的是高精度高稳定度的本地时钟，但是在采用这种方法对地基导航定位系统的时间进行同步的时候，往往会造成建设成本增加，且所使用的设备特别复杂，本发明提供了一种地基导航定位系统时间同步方法，通过调节待同步基站发出的换回信号的时间、频率以及载波相位与参考基站发送的参考信号的时间相同，实现了对地基导航定位系统时间的高精度同步，且简化了所使用的设备。
16.优选地，所述步骤s1中，基于参考信号载波频率调节待同步基站的载波频率的方法为：
17.通过待同步基站对输入的载波信号进行傅里叶变换后提取其频率，并基于该频率调整待同步基站中的本地载波频率；
18.或通过对输入的载波信号和本地载波信号分别进行整周计数，并基于整周计数的差异对本地载波频率进行调节。
19.优选地，所述对待同步基站的频率进行锁定的方法为：待同步基站通过对参考信号进行下变频并通过数字锁频环进行频率锁定。
20.优选地，所述步骤s2中参考信号的载波相位获取是通过所述待同步基站中的鉴相器进行获取的。
21.优选地，所述步骤s2中，获取参考信号传输的粗时间的具体方法为：
22.参考基站以t为时间间隔向待同步基站发送n个参考信号，在待同步基站接收到参考信号后，将接收到参考信号的时间作为第一时间，在接收到参考信号后，将接收到参考信号作为第二时间，在所述第一时间与所述第二时间之间的间隔时间为信号传输的粗时间δt。
23.优选地，所述粗时间δt的表达式为：
24.δt＝t τ
p
δ
25.τ
p
＝λ(n n)/c
26.t为参考信号的发送周期，τ
p
为电磁波在从参考基站到待同步基站的自由空间中
的传播时间，δ为b站接收链路耗时，n为电磁波整周数，λ为波长。
27.优选地，所述参考信号在待同步基站测量的时间间隔δt
′
的表达式为：
28.δt
′
＝t λn/c
29.t为参考基站发送的参考信号的时间间隔周期，n为电磁波整周数，λ为波长。
30.优选地，所述步骤s3中，对本地信号中的码相位不断进行调节的具体方法为：
31.所述待同步基站在本地prn码发生器的原始参考时钟链路上设置延迟模块，并基于该延迟模块对该待同步基站的原始参考时钟进行延迟调节，进而对prn码相位进行不断调节。
32.优选地，所述步骤s4中，基于参考信号的载波相位，对环回信号的载波相位不断进行调节的方法为：
33.所述待同步基站通过数字调制的方式改变本地数字载波相位以实现对其环回信号的载波相位的调节。
34.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
35.本发明实施例提供的一种地基导航定位系统时间同步方法，待同步基站以参考信号为依据不断调整本地时钟，使本地时钟能够长时间保持与参考信号的高精度一致，而这个参考信号也不需要依赖于一个具有频率、相位高度稳定的时钟源，即本发明可以保证待同步基站的时基与参考基站的时基高精度同步变化(相对稳定)。在此基础上，本发明可降低系统设计成本及复杂度。另外，已经同步的基站均可继续为系统中的其余基站提供参考，这提高了系统的可扩展能力，使系统能够灵活配置以满足不同的应用要求。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
37.图1：单参考基站
‑
单待同步基站应用场景。
38.图2：单参考基站
‑
多待同步基站应用场景。
39.图3：级联同步应用场景。
40.图4：参考信号发
‑
收时间结构。
41.图5：时间同步方法流程图。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
43.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
44.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味
着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
45.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
46.实施例一
47.本实施例公开了一种地基导航定位系统时间同步方法，如图1～图5所示，步骤方法包括：
48.s1：通过参考基站向待同步基站发送参考信号，并基于参考信号载波频率调节待同步基站的载波频率，使得待同步基站的载波频率与参考信号的载波频率同步，调节完成，对待同步基站的频率进行锁定，频率锁定完成后进入步骤s2；
49.在本实施例的方法中，不限于对待同步基站的个数进行限制，可以是一对一个，也可以采用一对多个的形式对时间同时进行同步，如图2所示，系统中存在参考站a站与待同步站b1站和b2站，进行时间同步时，可一次同步b1站到b2站。
50.由于系统中存在无法接收到参考信号的待同步站，因此该场景中可采用级联同步的方式，即无法接收到参考信号的待同步站可以将系统中任意可见的已经与参考站同步完成的基站作为自己的替代参考站。如图3所示，系统中存在参考站a站与待同步站b1站和b2站，其中b1站已完成于a站的时间同步，但b2站无法接收到a站信号，那么b2站此时可以将b1站作为自己的替代参考站，同样进行前述的时间同步步骤，达到与b1站的时间同步，以此满足a站、b1站和b2站的整体同步。
51.参考基站a以t为周期不断发送参考信号待同步基站b上电复位后开始搜索该信号。待同步基站b搜索到参考信号后，对其进行下变频并通过数字锁频环进行频率锁定。环路中的鉴频器用于计算参考信号载波与本地载波的频率差δf，数字载波发生器用于生成本地载波。
52.当δf较大时，本地载波发生器可以通过调节dds的频率控制字来减小δf(粗调节)，该调节过程的最小步进值为f
clk
/2
m
，其中m为频率控制字位长；当δf＜f
clk
/2
m
时，通过混频的方式来改变本地载波的频率(精调节)。当δf＝0时即完成频率锁定。
53.步骤s1中，基于参考信号载波频率调节待同步基站的载波频率的方法为：
54.通过待同步基站对输入的载波信号进行傅里叶变换后提取其频率，并基于该频率调整待同步基站中的本地载波频率，采用的傅里叶变换调节的方法的具体操作是现有技术中的调节的方法；
55.或通过对输入的载波信号和本地载波信号分别进行整周计数，并基于整周计数的差异对本地载波频率进行调节，在本实施例中对待同步基站载波频率进行调节的方法不做具体的限定，但是不限于这两种调节的方法，且两种方法的具体实施方式均是通过现有技
术的计算得到的。
56.s2：通过待同步基站对发送过来的参考信号进行时标，基于时标的参考信号，计算参考信号的载波相位参考信号传输的粗时间δt以及参考信号在待同步基站测量的时间间隔δt
′
，并停止参考信号发送；所述粗时间为参考信号从参考基站时钟到待同步基站的本地时钟的时间差；
57.参考信号的载波相位的提取是通过待同步基站中的鉴相器直接获得的。
58.如图4所示，参考信号传输的粗时间δt：参考基站以t为时间间隔向待同步基站发送n个参考信号，在待同步基站接收到参考信号后，将接收到参考信号的时间作为第一时间，在接收到参考信号后，将接收到参考信号作为第二时间，将第二时间与第一时间做差值计算，获得信号传输粗时间δt，这里获得的粗时间δt也可以表达为计算式
59.δt＝t τ
p
δ
60.τ
p
＝λ(n n)/c
61.其中，t为参考信号的发送周期，τ
p
为电磁波在从参考基站到待同步基站的自由空间中的传播时间，δ为b站接收链路耗时，n为电磁波整周数，λ为波长。
62.参考信号在待同步基站测量的时间间隔δt
′
的表达式为：
63.δt
′
＝t λn/c
64.t为参考基站发送的参考信号的时间间隔周期，n为电磁波整周数，λ为波长，当b站接收到足够多的参考信号并通过自身时钟计时测得时间间隔δt
′
后(由于b站时钟频率并不是很高，因此这里获得的δt
′
一般为t λn/c≠δt，即无法精确到载波小数周和接收链路耗时)，请求a站停止发送参考信号。
65.s3：通过所述待同步基站产生本地信号并进行环回，且对环回信号中的码相位不断进行调节，直到所述待同步基站接收环回信号的时间间隔与参考信号在待同步基站测量的时间间隔δt
′
相同，则进入步骤s4；
66.当请求的参考基站停止对参考信号进行发送后，待同步基站就需要自己产生一个本地信号s
slave
，并对产生的本地信号s
slave
环回到接受链路中，由于此时接收本地信号的链路与接收参考信号时相同，接收链路耗时仍然是δ，因此该步骤可以消除δ的影响，即链路环回可以消除δ带来的时间影响；消除δ带来的影响后，需要不断调节s
slave
的码相位使得s
slave
从产生到被接收所经历的时间为δt
′
以完成粗时间同步，因此这里可以消除传播延时中的整数周时间λn/c以及接收链路耗时δ的影响。由于δt
′
不包含传播延时中载波小数周时间λn/c，故这里只能完成粗时间同步。
67.所述步骤s3中，对本地信号中的码相位不断进行调节的具体方法为：
68.待同步基站在本地prn码发生器的原始参考时钟链路上设置延迟模块，通过该模块对原始参考时钟进行不同程度的阻塞(延迟)从而实现对prn码相位的调节。
69.s4：通过待同步基站计算环回信号的载波相位，基于参考信号的载波相位，对环回信号的载波相位不断进行调节，直到环回信号的载波相位与参考信号的载波相位一致，停止调节，则参考基站与待同步基站时间同步完成。
70.为了使得参考基站与待同步基站在时间上实现高精度同步，还需要将上一步中剩
余的时间误差λn/c也消除掉。由于这仅仅是载波的小数周相位差异，只能通过调整b站本地载波的相位，使得s
slave
与的载波同相位以完成载波相位同步，从而实现a站和b站的高精度同步。
71.则待同步基站b通过鉴相器测算接收到的本地信号s
slave
相位通过不断调节发射的本地信号的载波相位，使接收的本地信号s
slave
相位即完成载波层面的精确时间同步。
72.所述步骤s4中，基于参考信号的载波相位，对环回信号的载波相位不断进行调节的方法为：
73.在上变频部分的频率稳定的情况下，待同步基站通过数字调制的方式改变本地数字载波相位以实现对其环回信号的载波相位的调节。改变本地数字载波相位的数学表达为：
[0074][0075]
其中φ为需要调节的相位，q、i分别为原始载波的实部和虚部，q
′
、i
′
分别为移相φ后的数字载波的实部和虚部。
[0076]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。