本發(fā)明屬于航空導(dǎo)航，尤其是涉及一種基于csac的ldacs地面站高精度時(shí)間同步系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

1、l波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)(l-band?digital?aeronautical?communicationssystem,ldacs)，是未來(lái)航空通信基礎(chǔ)設(shè)施中的一種重要數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。ldacs采用ofdm技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，通信帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率相較于vdl?m2等現(xiàn)有航空通信系統(tǒng)有了極大的提升，可以有效緩解航空頻譜資源緊張的現(xiàn)狀。鑒于ldacs頻譜效能高、集成度高、安全性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，國(guó)際民航組織在第6版全球空中航行計(jì)劃中明確提出ldacs將逐漸替代現(xiàn)有的acars和vdl?m2窄帶甚高頻數(shù)據(jù)鏈，ldacs地面站的建設(shè)是該計(jì)劃實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。此外，備用定位、導(dǎo)航和授時(shí)(alternative?positioning,navigation?and?timing,apnt)技術(shù)一直是導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而ldacs的信號(hào)體制和工作模式支持導(dǎo)航功能，所以基于ldacs的陸基導(dǎo)航可作為apnt服務(wù)的有效補(bǔ)充手段，而ldacs地面站提供的高精度時(shí)間同步服務(wù)是ldacs陸基導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的重要前提，因此，開(kāi)展ldacs地面站時(shí)間同步技術(shù)研究意義重大。

2、gnss馴服時(shí)鐘是一種利用gnss授時(shí)信號(hào)對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間同步和時(shí)鐘頻率校準(zhǔn)的技術(shù)，該技術(shù)將gnss接收機(jī)輸出的時(shí)間信號(hào)作為參考信號(hào)，以此測(cè)量并校準(zhǔn)本地時(shí)鐘偏差。本地時(shí)鐘的選取是gnss馴服時(shí)鐘技術(shù)的關(guān)鍵。原子鐘作為目前已知的最準(zhǔn)確的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)，是一種常用的高精度計(jì)時(shí)裝置，其工作原理可簡(jiǎn)述為利用原子內(nèi)部的電子在特定能級(jí)間的躍遷頻率實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)時(shí)。因其優(yōu)異的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，在定位、導(dǎo)航、通信、雷達(dá)等尖端技術(shù)領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。銣原子鐘是目前廣泛使用的原子鐘類(lèi)型之一，gnss馴服時(shí)鐘技術(shù)可以充分結(jié)合銣原子鐘短期頻率穩(wěn)定度高和gnss授時(shí)信號(hào)準(zhǔn)確度高的特性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而滿足用戶對(duì)高精度時(shí)間頻率的需求，進(jìn)一步地可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)大量時(shí)鐘的頻率校準(zhǔn)和時(shí)間同步工作。芯片級(jí)原子鐘(chip-scale?atomic?clock,csac)是一種小型化的新一代原子鐘，在兼顧傳統(tǒng)原子鐘高精度特性的同時(shí)，還具有體積小，功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)，隨著市場(chǎng)需求刺激及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，其性能也在不斷提升，可見(jiàn)csac未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?。因此，開(kāi)展gnss馴服csac技術(shù)研究前景廣闊。綜上，亟需提出一種基于csac的ldacs地面站高精度時(shí)間同步系統(tǒng)與方法，完善航空導(dǎo)航體系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于csac的ldacs地面站高精度時(shí)間同步系統(tǒng)與方法，可以為ldacs地面站提供高精度的時(shí)鐘源，并實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步與頻率校準(zhǔn)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于csac的ldacs地面站高精度時(shí)間同步系統(tǒng)，包括csac、gnss接收機(jī)、鑒相器和微控制器模塊；

3、所述csac用于產(chǎn)生1pps時(shí)鐘信號(hào)，作為ldacs地面站的時(shí)鐘源；

4、所述gnss接收機(jī)用于接收gnss授時(shí)信號(hào)，并根據(jù)授時(shí)信息產(chǎn)生1pps時(shí)鐘信號(hào)，作為馴服ldacs地面站時(shí)鐘源的參考信號(hào)；

5、所述鑒相器用于同時(shí)接收csac和gnss接收機(jī)輸出的1pps信號(hào)，測(cè)量并輸出兩路輸入信號(hào)的相位差；

6、所述微控制器模塊用于接收并處理鑒相器輸出的相位差，計(jì)算調(diào)整量并發(fā)送相應(yīng)指令到csac。

7、本發(fā)明還提供了一種基于csac的ldacs地面站高精度時(shí)間同步方法，具體步驟如下：

8、s1、起始相位粗同步：起始時(shí)刻，啟動(dòng)csac粗同步功能，使csac產(chǎn)生的1pps信號(hào)與gnss接收機(jī)輸出的1pps信號(hào)的上升沿對(duì)齊，完成相位的粗同步；

9、s2、頻偏初始化校準(zhǔn)：起始相位粗同步結(jié)束后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄鐘差測(cè)量值，當(dāng)鐘差小于設(shè)定閾值后，利用記錄的鐘差數(shù)據(jù)集對(duì)csac初始鐘差模型進(jìn)行擬合，得到初始頻偏和初始鐘差駕馭調(diào)整量，然后對(duì)csac調(diào)頻，完成初始頻偏補(bǔ)償；

10、s3、頻偏精確化校準(zhǔn)：頻偏初始化校準(zhǔn)結(jié)束后，繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄鐘差測(cè)量值，到達(dá)預(yù)設(shè)駕馭周期后根據(jù)鐘差值、變化趨勢(shì)、初始頻偏值計(jì)算周期內(nèi)所需的鐘差駕馭調(diào)整量并基于鐘差駕馭調(diào)整量對(duì)csac調(diào)頻，完成頻偏精確化校準(zhǔn)。

11、優(yōu)選的，s1的具體過(guò)程如下：

12、s11、設(shè)置初始相位偏差閾值φ1；

13、s12、將csac產(chǎn)生的1pps信號(hào)歸一化為x1(t)，將gnss接收機(jī)輸出的1pps信號(hào)歸一化為x2(t)，且將二者的上升沿對(duì)齊；

14、s13、計(jì)算初始相位偏差，具體表達(dá)式如下：

15、

16、其中，a0表示初始相位偏差，t0表示初始檢測(cè)時(shí)刻，δt表示積分時(shí)長(zhǎng)，表示初始鐘差測(cè)量值；

17、s14、判斷初始相位偏差的絕對(duì)值|a0|是否小于φ1，如若為是，則完成相位的粗同步，如若為否，則啟動(dòng)csac手動(dòng)同步功能，然后返回至s13，重新計(jì)算。

18、優(yōu)選的，s2的具體過(guò)程如下：

19、s21、設(shè)置鐘差測(cè)量值閾值φ2，起始相位粗同步結(jié)束后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄鐘差測(cè)量值至鐘差集并判斷其絕對(duì)值是否小于φ2；

20、s22、當(dāng)時(shí)，基于已記錄的鐘差集對(duì)csac的鐘差模型進(jìn)行擬合得到初始鐘差模型y1(t)及初始頻偏a11，具體表達(dá)式如下：

21、

22、其中，y1(t)表示初始鐘差集t時(shí)刻csac的鐘差，a10表示初始鐘差集csac的初始相位偏差，a12表示初始鐘差集csac由于自身引起的頻率漂移率，ε1(t)表示初始鐘差集csac的隨機(jī)噪聲；

23、s23、根據(jù)s22得到的初始頻偏a11，獲得初始鐘差駕馭調(diào)整量s0并對(duì)csac進(jìn)行補(bǔ)償。

24、優(yōu)選的，s3的具體過(guò)程如下：

25、s31、設(shè)置相對(duì)頻率偏差閾值a1、駕馭周期t、衰減因子β，頻偏初始化校準(zhǔn)結(jié)束后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄鐘差測(cè)量值至鐘差集

26、s32、當(dāng)鐘差集到達(dá)預(yù)設(shè)的駕馭周期t，對(duì)駕馭周期t內(nèi)的鐘差模型進(jìn)行擬合得到擬合模型y2(t)，具體表達(dá)式如下：

27、

28、其中，y2(t)表示平穩(wěn)鐘差集t時(shí)刻csac的鐘差，a20表示平穩(wěn)鐘差集csac的初始相位偏差，a21表示平穩(wěn)鐘差集在當(dāng)前駕馭周期內(nèi)的相對(duì)頻率偏差，a22表示平穩(wěn)鐘差集csac的頻率漂移率，ε2(t)表示平穩(wěn)鐘差集csac的隨機(jī)噪聲；

29、s33、根據(jù)鐘差測(cè)量值鐘差變化趨勢(shì)y'2(t)以及a21計(jì)算鐘差駕馭調(diào)整量s；

30、s34、根據(jù)計(jì)算得到的鐘差駕馭調(diào)整量s對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

31、優(yōu)選的，s33中計(jì)算鐘差駕馭調(diào)整量s包括以下情況：

32、①若鐘差測(cè)量值的絕對(duì)值大于閾值φ2，且則鐘差駕馭調(diào)整量的計(jì)算公式為其中，表示鐘差測(cè)量值，β表示衰減因子；

33、②若鐘差測(cè)量值的絕對(duì)值不大于閾值φ2，且平穩(wěn)鐘差集在當(dāng)前駕馭周期內(nèi)的相對(duì)頻率偏差的絕對(duì)值|a21|大于a1，則鐘差駕馭調(diào)整量的計(jì)算公式為其中，a21表示平穩(wěn)鐘差集在當(dāng)前駕馭周期內(nèi)的相對(duì)頻率偏差；

34、③若鐘差測(cè)量值的絕對(duì)值大于閾值φ2，且則鐘差駕馭調(diào)整量的計(jì)算公式為

35、④若鐘差測(cè)量值的絕對(duì)值不大于閾值φ2，且平穩(wěn)鐘差集在當(dāng)前駕馭周期內(nèi)的相對(duì)頻率偏差的絕對(duì)值|a21|不大于閾值a1，為了保證原子鐘的短期穩(wěn)定度，不進(jìn)行駕馭操作。

36、因此，本發(fā)明采用上述一種基于csac的ldacs地面站高精度時(shí)間同步系統(tǒng)與方法，具有以下有益效果：

37、(1)本發(fā)明提供的系統(tǒng)具有顯著的低成本、模塊化優(yōu)勢(shì)，這不僅大幅節(jié)省了ldacs地面站規(guī)模化搭建及維護(hù)成本，也為未來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)提供了便利；

38、(2)本發(fā)明利用gnss馴服技術(shù)高精度優(yōu)勢(shì)，依據(jù)gnss可馴鐘原理設(shè)計(jì)了一種基于ldacs地面站時(shí)鐘系統(tǒng)的gnss馴服方法用于參考信號(hào)有效時(shí)的鐘駕馭操作，該方法在減小駕馭操作對(duì)csac短期穩(wěn)定度影響的同時(shí)，有效提升了系統(tǒng)時(shí)間同步精度。

39、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。