拒止环境中无人机频段测控链路高精度授时方法研究应用.doc

GNSS拒止环境中无人机UHF频段测控链路高精度授时办法研究
UAV High precious timing method based on UHF band of TT&C data-link in GNSS　denial environment
刘亚擎、窦荣鑫
摘要：
针对无人机进入GNSS (Global Navigation Satellite System)拒止环境中无法获取时间信息问题，提出运用无人机UHF (ultra-high frequency)频段测控链路，进行高精度授时算法。该算法运用DDS (digital direct synthesizer)产生调节精度为2-16ns时钟信号，供应GNSS接受机和测控链路使用；运用接受信号频差和载波相位信息，将单向测时精度提高到0.05ns；使用双向双频授时算法进行测距授时解决。MATLAB仿真成果表白，无人机UHF频段测控链路双向测时精度达到0.1ns。但由于无人机地面站GNSS接受机授时精度为10ns，无人机授时精度为10ns。该办法无需占用新频谱，只需在硬件上增长成本低体积小高精度时钟源，在软件上按需增长测控信息中授时电文，就能达到和GNSS接受机一致授时精度，并附带获得精度为0.03米测距信息，能满足无人机在GNSS拒止环境中编队飞行、协同检测、协同控制等任务授时规定。
核心词：无人机 测控链路 高精度授时
Abstract:
An UAV (Unmanned aerial vehicle ) high precious timing method based on UHF (ultra-high frequency) band of TT&C (tracking & control) data-link was proposed to provide the time information in the GNSS denial environment. A shared clock source architecture with 2-16ns control accuracy based on DDS (digital direct synthesizer) was proposed for GNSS receiver and TT&C data-link. Solo-direction timing measure accuracy was improved to 0.05ns by using the frequency difference and carrier phase. Dual-direction dual-frequency timing algorithm was proposed. That algorithm could achieve 0.1ns timing accuracy. The UAV timing accuracy is 10ns，because of the GCS (Ground Control Station) timing accuracy is 10ns. This method required no more frequency band，only a DDS in hardware，and a timing message in software，then it will get the similar timing ability like GNSS，and ranging ability with 0.03m accuracy. It could satisfy the timing demands of UAV mission，such as formation flight，cooperative detect or cooperative control.
KEYWORD： UAV，TT&C data-link，high precious timing
1 引言
无人机有低成本、体积小、无人员值守等优势，适合在执行重复、危险、枯燥任务，在军民领域有广泛应用。随着，网络技术发展无人机编队飞行，协同完毕任务，将是将来趋势。想要遂行协同控制、组网探测或协同袭击等任务，需要无人机具备统一时空基准和时空信息。
普通来说，GNSS设备是提供时空信息重要设备，具备低成本、小体积优势，但由于卫星信号脆弱性和公开性，容易受到遮挡、多径、干扰、欺骗，形成GNSS拒止环境，影响时空信息获取。普通无人机还带有惯导等设备，可提供空间信息，但没有设备提供时间信息，只能依托本地时钟，来外推时间信息，由于无人机体积、功耗、成本限制，不也许使用原子钟或者高性能恒温晶振，并且无人机飞行高度变化会使环境温度激烈变化，影响晶振输出频率从而影响时间信息精度，因而，急需一套不依赖于GNSS设备授时系统，来给无人机提供时间信息，来保证无人机完毕协同控制、组网探测或协同袭击任务。
无人机测控链路，具备测距功能（测量时差），并且地面站普通处在精心选取位置，GNSS设备工作良好，可实现与UTC时间同步，因而测控链路具备进行授时潜力。并且测控链路带宽宽，并持续存在，具备高精度授时潜力，并且无需增长任何硬件设备，只需增长软件功能，即可在需要时进行授时操作。
2 原理
授时工作分为两某些，一某些是晶振频率校准，用以调节时间变化量，另一某些是时间校准，用以调节时间偏移量。
2.1 系统架构
一方面，规定无人机和地面站本地时钟使用DDS产生，以便进行精细调节，测控链路和GNSS所用频率都使用这个本地时钟进行倍频和分频产生。
DDS时钟构造如下图所示，一种普通晶振产生10MHz正弦波，运用锁相环产生一种1GHz信号，作为DDS参照时钟，由外部命令控制DDS输出频率和相位，产生一种10MHz基准正弦信号。由于DDS相位调节变量为16bit，因而，时间调节精度Tshift。
Tshift=1/1GHz/216=2-16ns ( 1)

图 1 DDS时钟源架构
GNSS、测控链路共用可调时钟源架构，如下图所示，运用DDS建立精密可调本地时钟基准，在控制终端控制下为GNSS接受机、遥控链路、遥测链路提供时钟。在GNSS工作正常状况下，授时算法通过GNSS接受机信息控制控制终端，对时钟基准进行调节，当GNSS不能提供授时信息时，则运用本文测控链路授时算法获得时间信息，通过控制终端调节时钟基准。

图 2 GNSS测控链路共用时钟源架构
2.2 基于测控链路无人机频差测量原理

由于无人机运动和无人机本地时钟偏移，会使无人机和地面站遥控、遥测链路差生频差，地面站自身有GNSS设备进行授时和频差调节，可以以为，地面站时钟没有频差和时差。

图 3 测控链路示意图
无人机接受遥控频差
( 2)
其中，为遥控链路使用频率，为无人机本地时钟，为无人机本地时钟偏移，为无人机相对地面站径向速度。
同样地面站接受遥测链路频差
(3)
遥测链路中心频率为，两式联立，可得
(4)
(5)
2.3 高精度时间测量原理
测控链路时间测量普通通过符号计数实现，即：
(6)
其中，T为要测量时间，Ns为在测量时间内接受到符号个数，Ts为每个符号持续时间，精度为Ts，符号跟踪误差为，对于25.6kbps测控链路，测时精度为39us。
对于高精度时间测量规定，可运用伪码计数和码NCO来提高测量精度，对于10MHz带宽信号，普通能达到0.2ns水平。如果需要更高精度，可以使用载波测量信息，以UHF段通信信号为例，假设工作频率为500MHz，单载波持续时间为2ns，载波跟踪精度为，载波测时精度达到0.05ns。
详细算法如下：
(7)
其中，TPR为伪距测量时间，Ns为符号计数，Ts为符号持续时间，Nchip为伪码计数，Tchip为伪码持续时间，Nn为码NCO相位值（普通为0~232-1），Tn为每个相位间隔时间（普通为Tc/232），为伪码跟踪误差。理论上讲，此办法测量精度为Tn，但由于伪码跟踪精度普通为1/100，因此此办法精度普通为=Tc/100。
对于载波测量而言，只能测量到载波相位信息，而载波整周数，只能通过计算获得。
(8)
其中，Tc为载波测量时间，和伪距测量时间一致，Nf为载波整周数，Tf为单载波持续时间，Np为载波NCO相位值（普通为0~232-1），Tp为每个相位间隔时间（普通为Tf/232），为载波相位跟踪误差，载波跟踪精度普通为，因此，载波测时精度普通为。
对于无人机UHF段测控链路而言，伪距测量误差，不大于单载波持续时间，因而，无需进行整周模糊度搜索，直接取整，就能得到载波整周数。
(9)
其中，round()为取整计算，获得整周数Nf后带入公式（7）中获得Tc。和伪距测量同样，精度达不到Tp水平，载波测时精度普通为Tf/36。
载波测时办法示意图如下所示。

图 4 高精度时间测量示意图
2.4 基于测控链路无人机时差测量原理

双向测时重要由无人机和地面站分别测量遥测数据头和遥测数据头之间时间差获得,如下图所示,表达地面站遥控数据，表达无人机接受遥控数据，表达无人机遥测数据，表达地面站接受遥测数据，表达无人机地面站之间距离，为无人机和地面站时间差。

图 5 双向测时示意图
无人机测量帧头时差
(10)
地面站测量帧头时差为
(11)
（5）和（6）联立，可获得无人机地面站距离,
(12)
高精度授时算法则通过无人机和地面站时间差实现，
(13)
由于本地时钟频率普通为10MHz，低于100ns授时信息将无法控制，只能作为一种固定偏移量在定位算法中减去。
3 算法
地面站算法流程图
(1) 地面站设备初始化，依照标称时钟速率设立DDS产生本地时钟，供应GNSS和测控链路。
(2) GNSS接受机工作，接受到足够卫星和星历之后，进行定位、授时计算。
(3) 将获得授时信息、本地频移信息和秒脉冲信号发送给授时算法模块。
(4) 授时模块据此，计算DDS频率和相位调节量，送给控制模块，并依照秒脉冲调节各类分频计数器计数值。
(5) 控制模块产生相应指令，控制DDS，进行调节。
(6) 当本地时钟误差不大于10ns时，以为地面站已经完毕授时工作，将授时标志位置为“1”，开始进行数据链授时。
(7) 测量接受遥测信号帧头与本地遥控信号帧头时间差，本地信号帧头UTC时间，通过遥控链路发送给无人机。
(8) 回到环节(2)

图 6 地面站算法流程图
无人机算法流程图
(1) 无人机设备初始化，依照标称时钟速率设立DDS产生本地时钟，供应GNSS和测控链路。
(2) 测量接受到遥控信号帧头与本地遥测信号帧头时间差。
(3) 从遥控电文中解析出地面测得帧头时间差和遥控信号帧头UTC时间。
(4) 依照双向授时授时算法计算无人机与地面站之间时间差和频差。
(5) 对时间差和频差进行二阶滤波。
(6) 运用滤波后时间差和频差调节本地时钟和各类分频计数器值，使无人机本地时钟与底面站一致，实现测控链路授时功能。
(7) 回到环节(2)

图 7 无人机侧授时算法流程图