一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)，包括發(fā)射站和接收站，發(fā)射站用于發(fā)射微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，并接收由接收站返回的微波信號(hào)，將發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)進(jìn)行比相產(chǎn)生誤差信號(hào)，反饋控制發(fā)射微波的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻鎖定，進(jìn)而實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)射站與接收站之間的傳輸距離；接收站用于接收微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，返回一部分接收到的微波信號(hào)到發(fā)射站，在接收站測(cè)量接收到的微波信號(hào)頻率，在接收站也能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量發(fā)射站與接收站之間的傳輸距離，進(jìn)而確定傳輸時(shí)延，在接收站接收到帶有傳輸時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同步。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波傳輸領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于頻率同步的微波測(cè)距以及時(shí)間同步系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于時(shí)間頻率的傳輸系統(tǒng)，目前常用的頻率信號(hào)的傳輸與同步所采用的方法主要有搬運(yùn)鐘法、衛(wèi)星共視法(CV)、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法(TWSTFT)等。其中，除了搬運(yùn)鐘法，其他幾種方法都要依賴(lài)衛(wèi)星的傳遞。目前這些傳輸方法的天穩(wěn)定度只能達(dá)到10_15/天的量級(jí)，無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)間頻率信號(hào)的精確傳輸與高精度使用的用戶(hù)需求。
[0003]本發(fā)明的 申請(qǐng)人:的另一授權(quán)專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào):ZL 201110186493.9)介紹了一種通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)基線(xiàn)(距離)的微波頻率信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)及方法。該系統(tǒng)采用了主動(dòng)補(bǔ)償光纖鏈路的噪聲的方法，通過(guò)對(duì)光纖傳輸鏈路(尤其是超長(zhǎng)距離)的相位噪聲的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定度的微波頻率信號(hào)的傳輸，其天穩(wěn)定度已可以達(dá)到10_18/天的量級(jí)。
[0004]相比利用衛(wèi)星傳遞時(shí)間頻率的方法，上述微波頻率信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)雖然具有非常高的傳輸穩(wěn)定度，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)遇到各種不同的使用需求，在光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋之外的區(qū)域，例如空地、空空、復(fù)雜地形等，這些地點(diǎn)的設(shè)備就無(wú)法利用光纖傳輸與同步頻率信號(hào)，限制了基于光纖的時(shí)頻傳輸系統(tǒng)的適用范圍。
[0005]本發(fā)明 申請(qǐng)人:的另一已申請(qǐng)專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01310467522.8)介紹了一種在自由空間實(shí)現(xiàn)微波頻率信號(hào)傳輸與同步的方法，該方法能夠采用自由空間作為微波頻率信號(hào)的傳遞媒介，實(shí)現(xiàn)不同站點(diǎn)間微波頻率信號(hào)的同步。此外，上述專(zhuān)利通過(guò)實(shí)施相位噪聲探測(cè)及補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由空間傳輸鏈路的相位噪聲的補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化的頻率信號(hào)傳輸與同步。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在該系統(tǒng)中，在發(fā)射站，由參考頻率源提供參考微波頻率，由發(fā)射補(bǔ)償裝置通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射上行頻率信號(hào)，接收返回的下行頻率信號(hào)，并利用參考微波頻率以及接收的下行頻率信號(hào)主動(dòng)補(bǔ)償頻率信號(hào)在自由空間傳輸過(guò)程中引入的相位噪聲。其中利用參考頻率信號(hào)以及接收的下行頻率信號(hào)主動(dòng)補(bǔ)償頻率信號(hào)在自由空間傳輸過(guò)程中引入的相位噪聲，具體通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn):
[0006]在發(fā)射站分別產(chǎn)生相位鎖定于參考頻率源的第一輔助補(bǔ)償信號(hào)與第二輔助補(bǔ)償信號(hào)，其頻率分別為Ιωρηωρ其中CO11為參考頻率源頻率，同時(shí)產(chǎn)生相位相互鎖定的上行頻率信號(hào)與下行頻率信號(hào)，其頻率分別為ko^，πιω μ COtl與CO11近似相等并且可調(diào)，l，m, η為不相同的正數(shù)，且滿(mǎn)足l+n=2m的數(shù)學(xué)關(guān)系，k為不同于m的正數(shù)。發(fā)射站由第一輔助補(bǔ)償信號(hào)與在發(fā)射站產(chǎn)生的頻率信號(hào)V4混頻產(chǎn)生補(bǔ)償誤差信號(hào)Vel，由第二輔助補(bǔ)償信號(hào)與由接收站返回的下行頻率信號(hào)混頻產(chǎn)生補(bǔ)償誤差信號(hào)Ve2，最終由Vel和Ve2混頻產(chǎn)生補(bǔ)償誤差信號(hào)I，來(lái)反饋控制發(fā)射站上行頻率信號(hào)的頻率與相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由空間傳輸引入相位噪聲的補(bǔ)償。
[0007]在接收站，用于通過(guò)接收天線(xiàn)接收帶有相位噪聲的上行頻率信號(hào)，通過(guò)變頻鎖定裝置將伺服頻率源相位鎖定于上行頻率信號(hào)，并產(chǎn)生相位鎖定于上行頻率信號(hào)的下行頻率信號(hào)回傳至發(fā)射站，供發(fā)射站主動(dòng)補(bǔ)償相位噪聲。其中產(chǎn)生相位鎖定于上行頻率信號(hào)的下行頻率信號(hào)，具體通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn):在接收站設(shè)置與上述參考頻率源頻率相同的伺服頻率源，產(chǎn)生相位鎖定于該伺服頻率源的頻率信號(hào)，其頻率與上行頻率信號(hào)近似相等。將其與接收到的帶有自由空間傳輸中相位噪聲的上行頻率兩者進(jìn)行比相產(chǎn)生誤差信號(hào)，利用該誤差信號(hào)控制伺服頻率源使伺服頻率源的相位鎖定于上行頻率信號(hào)，而相位鎖定于伺服頻率源的另一頻率源產(chǎn)生下行頻率信號(hào)，回傳至發(fā)射站。
[0008]目前在通信領(lǐng)域中，通信基站間對(duì)于頻率以及時(shí)間同步有很高的需求，現(xiàn)有的解決方法是在每個(gè)基站設(shè)備上均配置GPS接收機(jī)。但是通過(guò)在每個(gè)基站加裝GPS模塊來(lái)解決基站時(shí)間頻率同步，存在精度以及安全性問(wèn)題。采用現(xiàn)有技術(shù)，頻率同步的穩(wěn)定度約為10_8?10_9/秒。由于建站的數(shù)據(jù)的傳輸速率與頻率同步的精度成正比，因此想要進(jìn)一步提高基站的通信速率，高精度的時(shí)間頻率同步是必須要解決的問(wèn)題。另外，GPS系統(tǒng)由美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)和控制，可進(jìn)行局部性能劣化設(shè)置和限制使用，在特殊形勢(shì)下會(huì)對(duì)整網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。因此亟需研究通過(guò)地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)提供高精度時(shí)間頻率傳遞的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)及方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射站和接收站，其中發(fā)射站和接收站保持頻率同步，即具有相同的頻率基準(zhǔn)，其中，發(fā)射站用于發(fā)射微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，并接收由接收站返回的微波信號(hào)，將發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)進(jìn)行比相產(chǎn)生誤差信號(hào)，反饋控制發(fā)射微波的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻鎖定，進(jìn)而實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)射站與接收站之間的傳輸距離；接收站用于接收微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，并返回一部分接收到的微波信號(hào)到發(fā)射站，在接收站測(cè)量接收到的微波信號(hào)頻率，由于接收站與發(fā)射站具有相同的頻率基準(zhǔn)，因此在接收站也能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量發(fā)射站與接收站之間的傳輸距離，進(jìn)而確定傳輸時(shí)延，在接收站接收到帶有傳輸時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同步。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提出了一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步方法，用于對(duì)發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行時(shí)間同步，其中發(fā)射站和接收站保持頻率同步，即具有相同的頻率基準(zhǔn)，該方法包括步驟:發(fā)射站的微波發(fā)射源產(chǎn)生微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，發(fā)射站經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)將該微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)發(fā)送到接收站；接收站的反射天線(xiàn)將來(lái)自發(fā)射站的微波信號(hào)部分返回至發(fā)射站；發(fā)射站的比相單元將微波發(fā)射源產(chǎn)生的微波信號(hào)與接收站反射回來(lái)的微波信號(hào)進(jìn)行混頻；發(fā)射站將混頻后的信號(hào)作為誤差信號(hào)反饋控制發(fā)射站的微波發(fā)射源的微波頻率；通過(guò)與發(fā)射站的微波發(fā)射源進(jìn)行連接的第一頻率測(cè)量?jī)x測(cè)得的第一頻率信號(hào)，以及與接收站的反射天線(xiàn)進(jìn)行連接的第二頻率測(cè)量?jī)x測(cè)得的第二頻率信號(hào)，可實(shí)時(shí)測(cè)得發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離，進(jìn)而確定傳輸時(shí)延；在接收站接收到帶有傳輸時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同
止/J/ O[0012]根據(jù)本發(fā)明提出的方案，在利用已有的可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間頻率同步的技術(shù)基礎(chǔ)上，可以通過(guò)變頻鎖定的方案對(duì)站點(diǎn)間微波傳輸距離進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而實(shí)時(shí)確定站點(diǎn)間微波傳輸時(shí)延。進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)鐘參考源，可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間的時(shí)間同步。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間頻率同步的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2是本發(fā)明基于頻率同步的微波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3是本發(fā)明基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]圖2為本發(fā)明基于頻率同步的微波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明是在自由空間利用微波變頻鎖定進(jìn)行測(cè)距。參照?qǐng)D2，其中發(fā)射站與接收站之間是保持頻率同步的，即發(fā)射站與接收站具有相同的微波頻率基準(zhǔn)?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有多種實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間頻率同步的方法，例如搬運(yùn)鐘法、衛(wèi)星共視法(CV)、衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞法(TWSTFT)，以及上述本發(fā)明 申請(qǐng)人:提出的自由空間頻率信號(hào)傳輸與同步方法等，且本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式不限于此。由于實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)間頻率同步不是本發(fā)明要研究的內(nèi)容，因此在此不進(jìn)行詳述。
[0018]如圖2所示，本 發(fā)明的基于頻率同步的微波測(cè)距系統(tǒng)包括發(fā)射站和接收站。發(fā)射站進(jìn)一步包括微波發(fā)射源、比相單元、發(fā)射天線(xiàn)和第一頻率測(cè)量?jī)x，接收站進(jìn)一步包括反射天線(xiàn)，微波接收裝置和第二頻率測(cè)量?jī)x。發(fā)射站與接收站均可以是移動(dòng)通信基站等站點(diǎn)，且不限于此。
[0019]其中發(fā)射站與接收站兩站點(diǎn)間信號(hào)傳輸距離為D，包括站點(diǎn)間的空間距離以及傳輸路徑中的所有線(xiàn)纜及器件引入的時(shí)延。發(fā)射站處設(shè)有發(fā)射天線(xiàn)，接收站處設(shè)有反射天線(xiàn)。
[0020]在發(fā)射站處，由微波發(fā)射源產(chǎn)生頻率為w的微波信號(hào)，其信號(hào)可以表示為:
[0021]V1=A1Cos (wt+ j)
[0022]其中，A1表不信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，(J)1表不信號(hào)的初相位。
[0023]信號(hào)V1由發(fā)射站處發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)傳輸距離D后到達(dá)接收站處反射天線(xiàn)。存在以下關(guān)系式:
[0024]D= (N+ 4) c/2 JI ) ?入
[0025]其中D為傳輸距離。N為某一未知整數(shù)，表示傳輸距離中微波波長(zhǎng)的整數(shù)周期個(gè)數(shù)，0。表示傳輸距離中不足一個(gè)波長(zhǎng)的剩余相位部分，、表示傳輸微波信號(hào)的波長(zhǎng)。
[0026]上述微波信號(hào)在接收站處由反射天線(xiàn)接收并反射。接收站處接收到的微波信號(hào)可表示為:
[0027]V2=A2COS (wt+ 2)
[0028]其中，A2表不信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，小2表不信號(hào)的相位。^與小1存在以下關(guān)系:
[0029](J)2=(J)^(J)c
[0030]上述由接收站反射天線(xiàn)反射的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)同一傳輸路徑返回發(fā)射站處，發(fā)射站接收到的反射信號(hào)可表示為:
[0031 ] V3=A3Cos (wt+ (J) 3)
[0032]其中，A3表不信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，小3表不信號(hào)的相位。小3與存在以下關(guān)系:[0033](J) 3= 4) !+2 4) c
[0034]需要說(shuō)明的是在上述關(guān)系中，忽略了傳輸線(xiàn)纜以及微波器件引入的相位延遲，這樣做相當(dāng)于將其計(jì)算在傳輸距離D的部分，這在之前對(duì)D的定義中已經(jīng)提及。
[0035]在發(fā)射站，通過(guò)將接收到的反射信號(hào)V3與發(fā)射信號(hào)V1混頻，可以得到:
[0036]V4=A4Cos ((J) 3- j) =A4Cos (2 J
[0037]其中A4表示混頻信號(hào)的幅度，由上式可知，V4是正比于cos (2小。)的直流信號(hào)，通過(guò)將V4作為誤差信號(hào)，反饋控制微波發(fā)射源的微波頻率W，(例如微波發(fā)射源為壓控振蕩器，通過(guò)電壓信號(hào)反饋控制其輸出頻率，且本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方式不限于此)實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳輸鏈路的變頻鎖定，可以得到:
[0038]cos(2 4)c)=l
[0039]也即:<j5c=0
[0040]此時(shí)，傳輸距離D為鎖定后傳輸波長(zhǎng)入I的整數(shù)倍:
[0041]D=N ? A:
[0042]然后，通過(guò)在發(fā)射站連續(xù)改變微波傳輸信號(hào)波長(zhǎng)的方式，可以得到相鄰的鎖定波長(zhǎng)X 2 ,滿(mǎn)足:
[0043]D= (N-1) ?入2
[0044]此處假設(shè)X 2> X工，事實(shí)上，如果X 2〈 X p則N-1相應(yīng)地變?yōu)镹+1，并不對(duì)本發(fā)明的結(jié)論產(chǎn)生影響，因此本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法不限于此。
[0045]由以上兩式聯(lián)立可得到:
[0046]D=N ? A J= (N-1) ?入 2
[0047]由上式即可得到:
[0048]N=入 2/(入 2_ 入 D
[0049]D=A j A2/(A2-A
[0050]根據(jù)波長(zhǎng)與頻率關(guān)系f ? X =c (其中c為大氣中電磁波速度，可認(rèn)為是常數(shù))，可以得到:
[0051]N=JV (f「f2)
[0052]D=c/ (Fff2)
[0053]根據(jù)上式可知，發(fā)射站和接收站之間傳輸距離D僅與鎖定頻率和f2有關(guān)，由于發(fā)射站和接收站之間是頻率同步的，具有相同的頻率基準(zhǔn)。因此在發(fā)射站以及接收站分別設(shè)置頻率測(cè)量裝置，即可由此確定和f2，從而確定傳輸周期N和傳輸距離D。
[0054]不同于其他測(cè)距方法，本發(fā)明提出的基于頻率同步的變頻鎖定測(cè)距方案可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)距，即在發(fā)射站與接收站同時(shí)測(cè)得傳輸距離以及傳輸時(shí)延。
[0055]測(cè)距精度:
[0056]A D=c/ (f「f2)2 ? A f=D2/c ? A f
[0057]測(cè)時(shí)延精度:[0058]Λ T= Λ D/c
[0059]由上式可知，本發(fā)明提出的方法其測(cè)距精度AD與距離D的平方，以及測(cè)頻精度Af成正比關(guān)系。以測(cè)量距離D為103m量級(jí)，測(cè)頻精度Af在Hz量級(jí)作為估計(jì)，測(cè)距精度AD可以達(dá)到3xl0_3m量級(jí),相應(yīng)的時(shí)延測(cè)量精度ΔΤ可以達(dá)到IOps量級(jí)。
[0060]圖3示意了在實(shí)現(xiàn)微波測(cè)距基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)間同步的方法。
[0061]圖3中，發(fā)射站在圖2所示測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了第一時(shí)鐘信號(hào)參考源，與發(fā)射天線(xiàn)直接相連，用于發(fā)射時(shí)鐘參考信號(hào)。接收站在圖2所示測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了時(shí)鐘信號(hào)接收裝置以及第二時(shí)鐘參考源，用于接收帶有延時(shí)的時(shí)鐘參考信號(hào)，并對(duì)第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。其中在接收站，時(shí)鐘信號(hào)接收裝置直接與天線(xiàn)連接，第二時(shí)鐘參考源連接到時(shí)鐘信號(hào)接收裝置。時(shí)間同步系統(tǒng)與測(cè)距具有相同發(fā)射天線(xiàn)與傳輸路徑，因此發(fā)射站和接收站之間信號(hào)傳輸距離仍為D，可精確確定。與上類(lèi)似，傳輸距離D包括發(fā)射站和接收站之間的自由空間距離以及傳輸路徑中所有線(xiàn)纜及器件引入的時(shí)延。
[0062]發(fā)射站處設(shè)有第一時(shí)鐘信號(hào)參考源，其可以是產(chǎn)生時(shí)鐘參考信號(hào)的任意裝置，例如秒脈沖發(fā)生器或氫原子鐘。由第一時(shí)鐘參考源產(chǎn)生的時(shí)鐘參考信號(hào)為T(mén)tl，此參考信號(hào)通過(guò)與變頻鎖定測(cè)距相同的傳輸路徑進(jìn)行自由空間傳輸，在接收站由時(shí)鐘信號(hào)接收裝置接收。
[0063]在接收站處接收到的時(shí)鐘信號(hào)為:
[0064]T0+ Δ T
[0065]上式中，時(shí)鐘參考信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸路徑后增加的時(shí)延為AT，滿(mǎn)足關(guān)系:
[0066]ΔT=D/c`
[0067]其中D為傳輸距離，由本發(fā)明提出的微波測(cè)距方法可以精確實(shí)時(shí)測(cè)量確定；c為自由空間電磁波速度。
[0068]在接收站接收到時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同步。根據(jù)變頻測(cè)距部分對(duì)測(cè)距精度以及時(shí)延精度的估算，以測(cè)量距離D為103m量級(jí)，測(cè)頻精度Af在Hz量級(jí)作為估計(jì)，測(cè)距精度八0可以達(dá)到3110_3111量級(jí)，相應(yīng)的時(shí)延測(cè)量精度Δ T可以達(dá)到IOps量級(jí)。
[0069]另外，本發(fā)明還提出了一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步方法，該方法是由上述的基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。該方法用于對(duì)發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行時(shí)間同步。其中發(fā)射站和接收站利用已有技術(shù)保持頻率同步，即具有相同的頻率基準(zhǔn)，該方法包括步驟:
[0070]發(fā)射站的微波發(fā)射源產(chǎn)生微波信號(hào)，發(fā)射站經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)將該微波信號(hào)發(fā)送到接收站；接收站的反射天線(xiàn)將來(lái)自發(fā)射站的微波信號(hào)反射回發(fā)射站；發(fā)射站的比相單元將微波發(fā)射源產(chǎn)生的微波信號(hào)與接收站反射回來(lái)的微波信號(hào)進(jìn)行混頻；發(fā)射站將混頻后的信號(hào)作為誤差信號(hào)反饋控制發(fā)射站的微波發(fā)射源的微波頻率；通過(guò)與發(fā)射站的微波發(fā)射源進(jìn)行連接的第一頻率測(cè)量?jī)x測(cè)得的第一頻率信號(hào)，以及與接收站的反射天線(xiàn)進(jìn)行連接的第二頻率測(cè)量?jī)x測(cè)得的第二頻率信號(hào)，來(lái)求得發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離。
[0071]在發(fā)射站處，由微波發(fā)射源產(chǎn)生頻率為w的微波信號(hào)，其信號(hào)可以表示為:V1=A1Cos (wt+ Φ ^，其中，A1表不/[目號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，Φ丨表不/[目號(hào)的初相位，/[目號(hào)V1由發(fā)射站的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)傳輸距離D后到達(dá)接收站處反射天線(xiàn)，存在以下關(guān)系式:D= (N+?入，N為某一未知整數(shù)，表示傳輸距離中微波波長(zhǎng)的整數(shù)周期個(gè)數(shù)，$。表示傳輸距離中不足一個(gè)波長(zhǎng)的剩余相位部分，X表示傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)；上述微波信號(hào)在接收站處由反射天線(xiàn)接收并反射，接收站處接收到的微波信號(hào)可表示為=V2=A2C0s(Wt-Ct2),其中，A2表不信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，4>2表不信號(hào)的相位，4^與小1存在以下關(guān)系:小廣小工+小。；由接收站反射天線(xiàn)反射的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)同一傳輸路徑返回發(fā)射站處，發(fā)射站接收到的反射"[目號(hào)表不為:V3=A3cos (wt+3),其中，A3表不fg號(hào)的幅度，w為fg號(hào)頻率，小3表示信號(hào)的相位，^與存在以下關(guān)系:^=^1+2小。。
[0072]在發(fā)射站，通過(guò)將接收到的反射信號(hào)V3與發(fā)射信號(hào)V1混頻，得到:V4=A4Cos ((t 3-^i) =A4Cos (2 c), 乂4是正比于cosd)的直流信號(hào)，通過(guò)將V4作為誤差信號(hào)，反饋控制微波發(fā)射源的微波頻率《，實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳輸鏈路的變頻鎖定，從而得到:cos (2 。) =1，傳輸距離D為鎖定后傳輸波長(zhǎng)入I的整數(shù)倍:D=N ? A10
[0073]其中連續(xù)改變傳輸波長(zhǎng)，得到相鄰的鎖定波長(zhǎng)X2，滿(mǎn)足:D=(N_1) ? X2，假設(shè)入2>入i，得至1J:D=N ?入!=(N-1) ?入2，進(jìn)一步得到:N= A 2/( A 2- A j), D=入丨入2/(入2_入丨)，根據(jù)波長(zhǎng)與頻率關(guān)系f ? X =c,其中c為大氣中電磁波速度,得到-N=If1/ Hrf2)，D=c/ (f!-f2),其中和f2的值均可通過(guò)第一頻率測(cè)量?jī)x和第二頻率測(cè)量?jī)x直接測(cè)得，即在發(fā)射站和接收站均可實(shí)時(shí)測(cè)定傳輸距離
[0074]通過(guò)發(fā)射站設(shè)置的第一時(shí)鐘信號(hào)參考源產(chǎn)生參考時(shí)間信號(hào)Ttl，此參考信號(hào)Ttl通過(guò)與傳輸所述微波信號(hào)相同的傳輸路徑進(jìn)行自由空間傳輸，在接收站由時(shí)鐘信號(hào)接收裝置接收，在接收站處接收到的時(shí)鐘信號(hào)為=Tc^AT,時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸路徑后增加的時(shí)延為AT，滿(mǎn)足關(guān)系:AT=D/c，其中D為傳輸距離，c為自由空間電磁波速度，在接收站接收到時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同步。
[0075]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為`本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射站和接收站，其中發(fā)射站和接收站保持頻率同步，即具有相同的頻率基準(zhǔn)，其中， 發(fā)射站用于發(fā)射微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，并接收由接收站返回的微波信號(hào)，將發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)進(jìn)行比相產(chǎn)生誤差信號(hào)，反饋控制發(fā)射微波的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻鎖定，進(jìn)而實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)射站與接收站之間的傳輸距離； 接收站用于接收微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，并返回一部分接收到的微波信號(hào)到發(fā)射站，在接收站測(cè)量接收到的微波信號(hào)頻率，由于接收站與發(fā)射站具有相同的頻率基準(zhǔn)，因此在接收站也能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量發(fā)射站與接收站之間的傳輸距離，進(jìn)而確定傳輸時(shí)延，在接收站接收到帶有傳輸時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射站進(jìn)一步包括微波發(fā)射源、比相單元、發(fā)射天線(xiàn)和第一頻率測(cè)量?jī)x，接收站進(jìn)一步包括反射天線(xiàn)，微波接收裝置和第二頻率測(cè)量?jī)x，發(fā)射站的微波發(fā)射源產(chǎn)生微波信號(hào)，發(fā)射天線(xiàn)將該微波信號(hào)發(fā)送到接收站，接收站的反射天線(xiàn)將一部分來(lái)自發(fā)射站的微波信號(hào)反射回發(fā)射站，發(fā)射站的比相單元將微波發(fā)射源產(chǎn)生的微波信號(hào)與接收站反射回來(lái)的微波信號(hào)進(jìn)行混頻，將混頻后的信號(hào)作為誤差信號(hào)反饋控制微波發(fā)射源的微波頻率，第一頻率測(cè)量?jī)x與微波發(fā)射源進(jìn)行連接，第二頻率測(cè)量?jī)x與接收站的微波接收裝置進(jìn)行連接，根據(jù)第一頻率測(cè)量?jī)x和第二頻率測(cè)量?jī)x獲得的頻率來(lái)求得發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，在發(fā)射站處，由微波發(fā)射源產(chǎn)生頻率為w的微波信號(hào)，其信號(hào)可以表不為=V1=A1Cos(Wt-Φ1),其中，A1表不信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，Φ1表示信號(hào)的初相位，信號(hào)V1由發(fā)射站的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)傳輸距離D后到達(dá)接收站處反射天線(xiàn)，存在以下關(guān)系式:D=(N+Φc/2π) ?λ，N為某一未知整數(shù)，表示傳輸距離中微波波長(zhǎng)的整數(shù)周期個(gè)數(shù)，Φc表示傳輸距離中不足一個(gè)波長(zhǎng)的剩余相位部分，λ表示傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)； 上述微波信號(hào)在接收站處由反射天線(xiàn)接收并反射，接收站處接收到的微波信號(hào)可表示為:V2=A2cos (wt+Φ2),其中，A2表示信號(hào)的幅度,w為信號(hào)頻率，Φ2表示信號(hào)的相位，Φ2與Φ1存在以下關(guān)系:Φ2=Φ1+Φc; 由接收站反射天線(xiàn)反射的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)同一傳輸路徑返回發(fā)射站處，發(fā)射站接收到的反射信號(hào)表示為;V3=A3COS (wt+Φ3)，其中，A3表示信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，Φ3表示信號(hào)的相位，Φ3與存在以下關(guān)系:Φ3=Φ1+2Φc。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，在發(fā)射站，通過(guò)將接收到的反射信號(hào)V3與發(fā)射信號(hào)V1混頻，得到=V4=A4Cos (Φ3-Φ1) =A4Cos (2Φc)，V4是正比于cos (2Φc)的直流信號(hào)，通過(guò)將V4作為誤差信號(hào)，反饋控制微波發(fā)射源的微波頻率W，實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳輸鏈路的變頻鎖定，從而實(shí)現(xiàn):傳輸距離D為鎖定后傳輸波長(zhǎng)λ1的整數(shù)倍:D=N ?λl.
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，連續(xù)改變傳輸波長(zhǎng)，得到相鄰的鎖定波長(zhǎng)λ2，滿(mǎn)足:D= (N-1) ?λ2,假設(shè)λ2>λ1，得到:D=N.λ1=(N-1) ? λ 2，進(jìn)一步得到:N=λ2/(λ2-λ1)，D= λ1λ2/ (λ2-λ1)，根據(jù)波長(zhǎng)與頻率關(guān)系f ?λ =c,其中c為大氣中電磁波速度，得到:N=f1/( f1-f2)，D=c/(f1-f2)，其中和f2的值均可通過(guò)第一頻率測(cè)量?jī)x和第二頻率測(cè)量?jī)x直接測(cè)得，即在發(fā)射站和接收站均可實(shí)時(shí)測(cè)定傳輸距離此外，若減小傳輸波長(zhǎng)，即λ2< λ π 同樣可以得到 N=A/ , D=c/ 。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的系統(tǒng),其特征在于,發(fā)射站進(jìn)一步包括第一時(shí)鐘信號(hào)參考源，用于產(chǎn)生參考時(shí)間信號(hào)Ttl，此參考信號(hào)Ttl通過(guò)與傳輸所述微波信號(hào)相同的傳輸路徑進(jìn)行自由空間傳輸，在接收站由時(shí)鐘信號(hào)接收裝置接收，在接收站處接收到的時(shí)鐘信號(hào)為=Ttl+AT，時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸路徑后增加的時(shí)延為AT，滿(mǎn)足關(guān)系:AT=D/c，其中D為傳輸距離，c為自由空間電磁波速度，在接收站接收到時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同步。
7.一種基于頻率同步的微波測(cè)距及時(shí)間同步方法，用于對(duì)發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行時(shí)間同步，其中發(fā)射站和接收站保持頻率同步，即具有相同的頻率基準(zhǔn)，該方法包括步驟: 發(fā)射站的微波發(fā)射源產(chǎn)生微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)，發(fā)射站經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)將該微波信號(hào)及時(shí)鐘參考信號(hào)發(fā)送到接收站； 接收站的反射天線(xiàn)將來(lái)自發(fā)射站的微波信號(hào)部分返回至發(fā)射站； 發(fā)射站的比相單元將微波發(fā)射源產(chǎn)生的微波信號(hào)與接收站反射回來(lái)的微波信號(hào)進(jìn)行混頻； 發(fā)射站將混頻后的信號(hào)作為誤差信號(hào)反饋控制發(fā)射站的微波發(fā)射源的微波頻率； 通過(guò)與發(fā)射站的微波發(fā) 射源進(jìn)行連接的第一頻率測(cè)量?jī)x測(cè)得的第一頻率信號(hào)，以及與接收站的反射天線(xiàn)進(jìn)行連接的第二頻率測(cè)量?jī)x測(cè)得的第二頻率信號(hào)，可實(shí)時(shí)測(cè)得發(fā)射站和接收站之間的傳輸距離，進(jìn)而確定傳輸時(shí)延； 在接收站接收到帶有傳輸時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處時(shí)鐘信號(hào)源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間的時(shí)間同止/J/ O
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在發(fā)射站處，由微波發(fā)射源產(chǎn)生頻率為w的微波信號(hào)，其信號(hào)可以表不為=V1=A1Cos(Wt-(J)1),其中，A1表不信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，表示信號(hào)的初相位，信號(hào)V1由發(fā)射站的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)傳輸距離D后到達(dá)接收站處反射天線(xiàn)，存在以下關(guān)系式:?=(Ν+Φε/2π).λ，N為某一未知整數(shù)，表示傳輸距離中微波波長(zhǎng)的整數(shù)周期個(gè)數(shù)，Φ。表示傳輸距離中不足一個(gè)波長(zhǎng)的剩余相位部分，λ表示傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)； 上述微波信號(hào)在接收站處由反射天線(xiàn)接收并反射，接收站處接收到的微波信號(hào)可表示為:V2=A2cos (wt+Φ2),其中，A2表不/[目號(hào)的幅度,w為/[目號(hào)頻率，Φ2表不彳目號(hào)的相位，Φ2與小工存在以下關(guān)系:； 由接收站反射天線(xiàn)反射的微波信號(hào)經(jīng)過(guò)同一傳輸路徑返回發(fā)射站處，發(fā)射站接收到的反射信號(hào)表示為:V3=A3cos (wt+Φ3)，其中，A3表示信號(hào)的幅度，w為信號(hào)頻率，小3表示信號(hào)的相位，Φ3與Φ:存在以下關(guān)系:Φ^ΦΡΦ。。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在發(fā)射站，通過(guò)將接收到的反射信號(hào)V3與發(fā)射信號(hào)V1混頻，得到=V4=A4Cos ( Φ 3_ Φ J =A4Cos (2 Φ c)，V4是正比于cos (2 Φ c)的直流信號(hào)，通過(guò)將V4作為誤差信號(hào)，反饋控制微波發(fā)射源的微波頻率W，實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳輸鏈路的變頻鎖定，從而實(shí)現(xiàn):傳輸距離D為鎖定后傳輸波長(zhǎng)λ i的整數(shù)倍:D=N.λ lt)
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，連續(xù)改變傳輸波長(zhǎng)，得到相鄰的鎖定波長(zhǎng)入2，滿(mǎn)足:D= (N-1) ?入2,假設(shè)入2 >入i，得至1J:D=N ?入!=(N-1) ?入2，進(jìn)一步得到:N=入2/(入;T X I)，D= X工入2/ (入2_入)，根據(jù)波長(zhǎng)與頻率關(guān)系f ? X =c,其中c為大氣中電磁波速度，得到:N=f Af^f2)，0=(3/^-?)，其中和f2的值均可通過(guò)第一頻率測(cè)量?jī)x和第二頻率測(cè)量?jī)x直接測(cè)得，即在發(fā)射站和接收站均可實(shí)時(shí)測(cè)定傳輸距離此外，若減小傳輸波長(zhǎng)，即入2< 入 ^ 同樣可以得到 N=A/, D=c/。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)發(fā)射站設(shè)置的第一時(shí)鐘信號(hào)參考源產(chǎn)生時(shí)鐘參考信號(hào)Ttl,此參考信號(hào)Ttl通過(guò)與傳輸所述微波信號(hào)相同的傳輸路徑進(jìn)行自由空間傳輸，在接收站由時(shí)鐘信號(hào)接收裝置接收，在接收站處接收到的時(shí)鐘信號(hào)為:Ttl+AT，時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸路徑后增加的時(shí)延為AT，滿(mǎn)足關(guān)系:AT=D/c，其中D為傳輸距離，c為自由空間電磁波速度，在接收站接收到時(shí)鐘信號(hào)后，將其與設(shè)在接收站的第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)接收站處第二時(shí)鐘參考源進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)延調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站和接收站之間 的時(shí)間同步。
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK103634093SQ201310683870
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】王力軍, 王波, 白鈺, 高超, 苗菁, 朱璽 申請(qǐng)人:清華大學(xué)