本公開實施例涉及衛(wèi)星雙向時間比對，尤其涉及一種基于軟件的衛(wèi)星雙向時間比對調(diào)制系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、衛(wèi)星雙向時間比對技術(shù)（two?way?satellite?time?and?frequency?transfer，twstft）是精度最高的遠程時間頻率傳遞方法之一。通過使用合理的調(diào)制方式能夠提高比對的精度與穩(wěn)定度，并能夠減少傳播過程中的誤差。

2、目前主要的信號調(diào)制方式主要包括三種：

3、一是基于模擬信號的調(diào)制方法，其主要代表是satre調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器在發(fā)射端對本地秒脈沖信號進行編碼生成本地原子鐘的時間信號，并通過指定的偽隨機碼（pseudo?random?code，prn）將編碼后的信號進行直接擴頻處理，隨后將擴頻后的基帶信號上變頻到數(shù)字中頻（70mhz）后發(fā)射。

4、二是基于載波的衛(wèi)星雙向比對（twcp）的調(diào)制方式，其主要代表是srs調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器包括中央處理單元（central?processing?unit，cpu）、現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable?gate?array，fpga）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（digital?to?analog?converter，dac）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog?to?digital?converter，adc）、濾波器、放大器、鎖相環(huán)（phase-locked?loop，pll）和1?ghz振蕩器（vcso）。srs輸出信號的頻率為70?mhz，輸出信號由一個數(shù)字帶通濾波器形成，并由一個200?mhz的dac將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后經(jīng)過放大器和模擬低通和帶通濾波器后輸出。信號中碼速率為1?mbps，信號帶寬限制在1.3?mhz以下。prn碼序列采用gps?l2c（m-code），代碼長度為20,000位。傳輸信號攜帶50?bps的數(shù)據(jù)，其中包括對應站點的測量結(jié)果信息。

5、三是基于軟件定義無線電（software?defined?radio，sdr）的調(diào)制方式，其主要代表為twstft調(diào)制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用sdr設備中的fpga將基帶信號上變頻至數(shù)字中頻（intermediate?frequency，if），經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將輸出信號發(fā)送至vsat上變頻器。

6、相關(guān)技術(shù)中，基于模擬信號的調(diào)制方法采用模擬電路實現(xiàn)信號的調(diào)制，基于載波以及基于sdr的調(diào)制方式利用可編程門陣列（fpga）實現(xiàn)基帶信號的生成以及上變頻操作。在驗證不同調(diào)制方法的有效性時，上述兩種方法無法實現(xiàn)快速響應，對雙向時間比對技術(shù)的發(fā)展與應用產(chǎn)生了不利影響。

7、因此，有必要改善上述相關(guān)技術(shù)方案中存在的一個或者多個問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種基于軟件的衛(wèi)星雙向時間比對調(diào)制系統(tǒng)及其使用方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在無法實現(xiàn)快速響應的問題。

2、根據(jù)本公開實施例的第一方面，提供一種基于軟件的衛(wèi)星雙向時間比對調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

3、主控模塊，用于控制配置信息初始化模塊、sdr設備初始化模塊、基帶信號生成模塊、信號數(shù)據(jù)位生成模塊和信號發(fā)射模塊，并控制各模塊之間的信息交互與通信；

4、配置信息初始化模塊，用于獲取sdr設備初始化參數(shù)和基帶信號初始化參數(shù)；

5、sdr設備初始化模塊，用于獲取sdr設備初始化參數(shù)，并根據(jù)10mhz信號、1pps信號和sdr設備初始化參數(shù)完成sdr設備的初始化設置；

6、基帶信號生成模塊，用于根據(jù)基帶信號初始化參數(shù)生成目標基帶數(shù)據(jù)，并將目標基帶數(shù)據(jù)放入全局內(nèi)存中；其中，目標基帶數(shù)據(jù)包括time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)；

7、信號數(shù)據(jù)位生成模塊，用于生成time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位，并根據(jù)順序?qū)⒌谝恍盘枖?shù)據(jù)位放入數(shù)據(jù)位消息隊列；其中，time-tag數(shù)據(jù)與time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位信息一致，信號數(shù)據(jù)位與數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位信息一致；

8、信號發(fā)射模塊，用于從數(shù)據(jù)位消息隊列中按照順序獲取對應的數(shù)據(jù)位信息，根據(jù)該數(shù)據(jù)位信息從全局內(nèi)存中獲取對應的目標基帶數(shù)據(jù)，并將所獲得的目標基帶數(shù)據(jù)發(fā)送給sdr設備。

9、進一步地，sdr設備初始化模塊包括：

10、第一設備初始化子模塊，用于根據(jù)sdr設備初始化參數(shù)，設置sdr設備位置、頻率基準信號源、1pps信號源、采樣率、數(shù)據(jù)bit位數(shù)、載波頻率、信號增益和濾波帶寬；

11、第二設備初始化子模塊，用于根據(jù)10mhz信號和1pps信號進行sdr設備本地時鐘的設置，并指定信號發(fā)射的開始時間。

12、進一步地，基帶信號生成模塊包括：

13、擴頻碼生成子模塊，用于根據(jù)基帶信號初始化參數(shù)中的prn編碼和prn碼長度生成對應擴頻碼；

14、prn基帶數(shù)據(jù)生成子模塊，用于根據(jù)碼速率與sdr設備采樣率對擴頻碼進行內(nèi)插、偏移和翻轉(zhuǎn)操作，以生成數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)；

15、濾波子模塊，用于對數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)進行濾波處理，以得到濾波后的數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和濾波后的time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)；根據(jù)濾波后的數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和濾波后的time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)得到目標基帶數(shù)據(jù)；

16、存儲子模塊，用于將目標基帶數(shù)據(jù)放入全局內(nèi)存中。

17、進一步地，對數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)進行濾波處理包括：

18、將一個碼周期的數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)進行傅里葉變換fft，獲得該數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和該time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)的頻域數(shù)據(jù)；

19、根據(jù)濾波帶寬以及頻率的分辨率將帶外值設置為0；

20、將數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)的頻域數(shù)和time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)的頻域數(shù)據(jù)進行反傅里葉變換ifft，獲得濾波后的數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和濾波后的time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)；

21、根據(jù)濾波后的數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和濾波后的time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)得到目標基帶數(shù)據(jù)。

22、進一步地，根據(jù)sdr設備對應數(shù)據(jù)bit位數(shù)和信號幅值將所有prn基帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為預設的數(shù)據(jù)類型。

23、進一步地，信號發(fā)射模塊還包括：

24、時間比對子模塊，用于當探測到time-tag數(shù)據(jù)時，指定對應prn基帶數(shù)據(jù)的發(fā)送時間與sdr設備的1pps信號上升沿對齊。

25、根據(jù)本公開實施例的第二方面，提供一種基于軟件的衛(wèi)星雙向時間比對調(diào)制系統(tǒng)的使用方法，該方法包括：

26、sdr設備初始化模塊獲取配置信息初始化模塊發(fā)送的sdr設備初始化參數(shù)，并結(jié)合10mhz信號和1pps信號完成sdr設備的初始化設置；

27、基帶信號生成模塊提前生成所有time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)；

28、基帶信號生成模塊對time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)進行濾波處理，以得到濾波后的數(shù)據(jù)位prn碼基帶數(shù)據(jù)和濾波后的time-tag?prn碼基帶數(shù)據(jù)，且得到目標基帶數(shù)據(jù)，并將目標基帶數(shù)據(jù)放入全局內(nèi)存中；

29、信號數(shù)據(jù)位生成模塊實時生成time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位，并將time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位按順序發(fā)送至數(shù)據(jù)位消息隊列；

30、信號發(fā)射模塊按順序獲取數(shù)據(jù)位消息隊列中的time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位，根據(jù)time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位從全局內(nèi)存中獲取對應的目標基帶數(shù)據(jù)；

31、信號發(fā)射模塊將獲取到的目標基帶數(shù)據(jù)按順序傳輸給sdr設備。

32、進一步地，該方法還包括：

33、sdr設備根據(jù)配置將目標基帶數(shù)據(jù)進行上變頻操作，以得到數(shù)據(jù)中頻信號；

34、將數(shù)據(jù)中頻信號發(fā)送至外部設備。

35、進一步地，信號發(fā)射模塊按順序獲取數(shù)據(jù)位消息隊列中的time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位，根據(jù)time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位從全局內(nèi)存中獲取對應的目標基帶數(shù)據(jù)的步驟中，包括：

36、驗證當前時間與上次發(fā)送時間是否發(fā)生變化，若發(fā)生秒變更，則實時生成time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位，并將time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位順序發(fā)送至數(shù)據(jù)位消息隊列；

37、按順序獲取數(shù)據(jù)位消息隊列中的time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位，根據(jù)time-tag數(shù)據(jù)與信號數(shù)據(jù)位從全局內(nèi)存中獲取對應的目標基帶數(shù)據(jù)；

38、判斷所獲取到的目標基帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型，若為time-tag類型則設置該目標基帶數(shù)據(jù)的發(fā)射時間與下次1pps信號上升沿對齊。

39、本公開的實施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

40、本公開的實施例中，通過上述基于軟件的衛(wèi)星雙向時間比對調(diào)制系統(tǒng)及其使用方法，各模塊之間的松耦合設計能夠快速實現(xiàn)不同精度、不同頻率、不同調(diào)制方式以及不同編碼模式的衛(wèi)星雙向時間比對信號的生成。在保證測量精度與穩(wěn)定度的同時，使衛(wèi)星雙向時間比對調(diào)制系統(tǒng)靈活化、通用化，實現(xiàn)了科學實驗與實際應用之間的快速遷移。且能夠克服模擬設備以及基于fpga的設備設計難度高、設計周期長、靈活度差的問題。