本發(fā)明是一種關(guān)于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差測量的晶振時(shí)鐘頻率標(biāo)校方法，特別是一種基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的民航s碼多點(diǎn)定位系統(tǒng)的晶振時(shí)鐘頻率一致性的標(biāo)校方法。

背景技術(shù)：

多點(diǎn)定位技術(shù)(multilateration，mlat)從驗(yàn)證到使用已經(jīng)有多年的歷史，采用到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)，通過測量目標(biāo)發(fā)射(應(yīng)答)信號(hào)到達(dá)多基站的時(shí)間差參數(shù)來確定目標(biāo)三維位置與身份。其最早被用作軍事用途來精確定位航空器位置，在空管監(jiān)視領(lǐng)域最初主要用在機(jī)場場面監(jiān)視，作為場面監(jiān)視雷達(dá)的一種補(bǔ)充手段。近年來，多點(diǎn)定位技術(shù)被用作大空域諸如區(qū)域或進(jìn)近的監(jiān)視手段，在世界多個(gè)地區(qū)空管實(shí)際工作中得到一些示范性應(yīng)用。我國在2013年制定了多點(diǎn)定位系統(tǒng)通用技術(shù)要求，對(duì)廣域多點(diǎn)定位的技術(shù)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等方面進(jìn)行了規(guī)范,同時(shí)也給出了廣域多點(diǎn)定位系統(tǒng)的定義，即將多點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于較大的區(qū)域，如航路或者區(qū)域環(huán)境等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，則被稱為廣域多點(diǎn)定位系統(tǒng)(wam)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種多點(diǎn)定位系統(tǒng)中的時(shí)鐘頻率標(biāo)校方法。

本發(fā)明公開了一種多點(diǎn)定位系統(tǒng)中的時(shí)鐘頻率標(biāo)校方法，包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)已知的同步脈沖周期和標(biāo)稱時(shí)鐘頻率，計(jì)算出同步脈沖周期所包含的標(biāo)稱頻率時(shí)鐘周期數(shù)。

步驟2、用晶振的實(shí)際頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)。用同步脈沖前沿“清零”該時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，使得該時(shí)鐘計(jì)數(shù)器以相鄰?fù)矫}沖的間隔為周期循環(huán)計(jì)數(shù)。

步驟3、獲取同步脈沖周期在晶振實(shí)際頻率下的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。在同步脈沖前沿即將“清零”步驟2時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的同時(shí)，鎖存該時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值，作為同步脈沖周期包含晶振實(shí)際頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

步驟4、將步驟1計(jì)算出的同步脈沖周期所包含的標(biāo)稱頻率時(shí)鐘周期數(shù)，除以步驟3獲取的同步脈沖周期對(duì)應(yīng)的晶振實(shí)際頻率時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算出晶振頻率的標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率之間的比例系數(shù)。

步驟5、在基站檢測到存在發(fā)射(應(yīng)答)民航s碼信號(hào)時(shí)，則同步讀取出此時(shí)晶振實(shí)際頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

步驟6、將步驟5讀取的信號(hào)到達(dá)時(shí)的晶振實(shí)際頻率時(shí)鐘計(jì)數(shù)值乘以步驟4計(jì)算出的時(shí)鐘標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率之間的比例系數(shù)，轉(zhuǎn)換為信號(hào)到達(dá)時(shí)的晶振標(biāo)稱頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

步驟7、將步驟6得出的晶振標(biāo)稱頻率下的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，作為頻率一致性標(biāo)校后的發(fā)射(應(yīng)答)民航s碼信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量值，并以此進(jìn)行信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)計(jì)算的目標(biāo)空間位置定位。

步驟8、重復(fù)步驟2～步驟7，實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行。

本發(fā)明步驟1中，所述周期數(shù)n計(jì)算公式為：n＝t*f。

本發(fā)明所述步驟2中，包含第一d觸發(fā)器和第二d觸發(fā)器，以晶振實(shí)際頻率信號(hào)作為第一d觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，同步脈沖作為第一d觸發(fā)器的輸入，鎖存同步脈沖，在第一d觸發(fā)器的正q端輸出得到輸出p1；以晶振實(shí)際頻率信號(hào)作為第二d觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，以輸出p1作為第二d觸發(fā)器的輸入，鎖存同步脈沖，在第二d觸發(fā)器負(fù)q端輸出得到負(fù)邏輯輸出！p2；用輸出p1和負(fù)邏輯輸出！p2的邏輯“與”的運(yùn)算結(jié)果在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿處同步清零時(shí)間計(jì)數(shù)器，由此，同步脈沖從“0”到“1”翻轉(zhuǎn)后第一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，被第一d觸發(fā)器鎖存，此時(shí)輸出p1和第二d觸發(fā)器的負(fù)邏輯輸出！p2的邏輯與運(yùn)算結(jié)果為邏輯“1”，作用于時(shí)間計(jì)數(shù)器的同步清零端，使得時(shí)間計(jì)數(shù)器在下個(gè)時(shí)鐘上升沿處將被同步清零；一個(gè)時(shí)鐘以后，第二d觸發(fā)器的負(fù)邏輯輸出！p2為邏輯“0”，輸出p1和負(fù)邏輯輸出！p2邏輯與運(yùn)算結(jié)果變?yōu)檫壿嫛?”，計(jì)數(shù)器的同步清零端信號(hào)撤銷，此后時(shí)間計(jì)數(shù)器恢復(fù)正常計(jì)數(shù)。

本發(fā)明步驟3中，以晶振實(shí)際頻率作為寄存器的時(shí)鐘輸入，將步驟2的輸出p1和負(fù)邏輯輸出！p2的邏輯與運(yùn)算結(jié)果作為寄存器的鎖存使能輸入，在隨后的時(shí)鐘上升沿處，時(shí)間計(jì)數(shù)器的數(shù)值在清零前被寄存器同步鎖存起來，從而獲得同步脈沖周期所含的實(shí)際頻率時(shí)鐘周期數(shù)m。

本發(fā)明步驟4中，將標(biāo)稱頻率時(shí)鐘周期數(shù)n除以同步脈沖周期所含的實(shí)際頻率時(shí)鐘周期數(shù)m，得到晶振標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率的比例系數(shù)k：

k＝n/m。

本發(fā)明步驟5～步驟7中，設(shè)信號(hào)到達(dá)時(shí)刻讀自晶振實(shí)際頻率的時(shí)間計(jì)數(shù)器數(shù)值為num，則將時(shí)間計(jì)數(shù)器數(shù)值num按下述公式轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于標(biāo)稱頻率的時(shí)間計(jì)數(shù)值numnum＝num*n/m；轉(zhuǎn)換后的num數(shù)值作為頻率統(tǒng)一標(biāo)校后的基于晶振標(biāo)稱頻率的發(fā)射或者應(yīng)答民航s碼信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量數(shù)值，用于基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)計(jì)算的目標(biāo)空間位置定位。

本發(fā)明的關(guān)鍵特征：第一、在于統(tǒng)一以外部同步脈沖周期為參考，測量出晶振實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率之間的關(guān)系，據(jù)此各基站獲得一致的晶振標(biāo)稱頻率。第二、將各基站基于晶振實(shí)際頻率的信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量轉(zhuǎn)化為基于標(biāo)稱頻率的時(shí)間度量。第三、在以標(biāo)稱頻率度量信號(hào)到達(dá)時(shí)間的基礎(chǔ)上，測量計(jì)算信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)，據(jù)此進(jìn)行目標(biāo)多點(diǎn)空間定位。第四、用脈沖同步統(tǒng)一晶振標(biāo)稱頻率，并基于晶振標(biāo)稱頻率進(jìn)行了時(shí)間度量，消除了在精度范圍內(nèi)由于晶振頻率不一致引起的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差測量的系統(tǒng)誤差。

多點(diǎn)定位技術(shù)基于信號(hào)到達(dá)各基站的時(shí)間差參數(shù)測量，信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)的精確測量是多點(diǎn)定位技術(shù)的基礎(chǔ)。消除或降低各基站晶振時(shí)鐘頻率的離散性誤差，提高在測量過程中的各基站晶振頻率一致性，從而降低多點(diǎn)定位系統(tǒng)時(shí)間差參數(shù)測量中的系統(tǒng)誤差，可顯著提高信號(hào)到達(dá)各基站時(shí)間差參數(shù)的測量精度，進(jìn)一步提高目標(biāo)在空間位置的定位精度。

本發(fā)明用外部同步脈沖周期來標(biāo)校接收基站的晶振時(shí)鐘頻率，測量出晶振實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率之間的修正系數(shù)，通過系數(shù)修正后得到高度一致的基站時(shí)鐘標(biāo)稱頻率，然后各基站統(tǒng)一基于標(biāo)稱頻率來度量各自的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，從而消除由于晶振頻率不一致而造成的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的附加誤差，使得頻率精度為10^-6的普通晶振也能適用于民航s碼多點(diǎn)定位系統(tǒng)中信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)的精確測量，滿足目標(biāo)定位精度所需的測量要求。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的主要核心部分，關(guān)于時(shí)間計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)、同步脈沖“清零”時(shí)間計(jì)數(shù)器以及如何從時(shí)間計(jì)時(shí)器獲取同步脈沖周期的時(shí)間計(jì)數(shù)值的示意圖。

具體實(shí)現(xiàn)方式

本發(fā)明目的是探索一種頻率一致性的標(biāo)校方法，使普通精度的晶振時(shí)鐘信號(hào)能夠滿足多點(diǎn)定位系統(tǒng)中關(guān)于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)的精確測量要求。晶振時(shí)鐘的標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率之間通常存在一定的差異，這種差異一般用頻率精度表示，例如10^-6表示頻率誤差與額定頻率之比不大于10^-6。目前，信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測量一般基于晶振時(shí)鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)。在統(tǒng)一外脈沖同步的情況下，各基站在同步過后基于晶振時(shí)鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)器數(shù)值相同，隨著時(shí)間的推遲，積累差異逐步增大。例如，基于精度為10^-6晶振的時(shí)間計(jì)數(shù)器，在參考點(diǎn)過后1秒鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)器誤差等于10^-6秒，最大可達(dá)到1us，這意味著各基站基于晶振時(shí)鐘頻率的時(shí)間計(jì)數(shù)器測量出的時(shí)間差參數(shù)的附加誤差可達(dá)1us，這對(duì)于電磁波來講其傳輸距離可達(dá)到300米左右。很顯然，這種數(shù)量級(jí)的誤差會(huì)嚴(yán)重影響多點(diǎn)定位系統(tǒng)的目標(biāo)空間定位精度，嚴(yán)重影響基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的多點(diǎn)定位系統(tǒng)的性能。時(shí)間差參數(shù)的測量誤差來源可細(xì)分兩部分：其1是時(shí)鐘頻率精度造成的測量誤差，其2是各基站時(shí)鐘頻率不一致而造成的各基站時(shí)間計(jì)數(shù)數(shù)值差異造成的。由于多點(diǎn)定位系統(tǒng)探測范圍的限制，其信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)一般數(shù)值較小，例如相距300km的基站其信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)不大于1ms，10^-6頻率精度只會(huì)造成信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)10^-6倍的誤差，即1ms乘以10^-6顯然很小，可以忽略不記，也就是說，第一項(xiàng)誤差影響可以忽略。而第二項(xiàng)誤差各基站時(shí)鐘頻率不一致的影響就大得多。各晶振頻率的不一致會(huì)造成基于各個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器不同步，其時(shí)間計(jì)數(shù)器數(shù)值的差異隨著時(shí)間逐漸積累增大，而時(shí)間計(jì)數(shù)器數(shù)值又是信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量的基礎(chǔ)，所以各個(gè)晶振頻率的一致性指標(biāo)才是影響信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的關(guān)鍵因素。本發(fā)明的核心任務(wù)就是研究一種如何提高晶振頻率一致性標(biāo)校的方法。目前mds場面多點(diǎn)定位系統(tǒng)目標(biāo)定位精度可以達(dá)到3～4米，對(duì)應(yīng)的時(shí)間差參數(shù)測量精度為10納秒級(jí)。考慮到用晶振頻率作為時(shí)間測量的標(biāo)尺，其頻率的差異或誤差不應(yīng)成為信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的主要誤差來源。因此，在每秒一次時(shí)鐘脈沖同步的情況下，10^-8～10^-9頻率精度的晶振才能滿足10納秒的測量精度要求，很明顯這對(duì)晶振的頻率精度性能提出很高的要求。

為此，本發(fā)明提出了一種頻率標(biāo)校方法，其核心內(nèi)容是以外部同步脈沖的周期來標(biāo)校各基站的晶振時(shí)鐘頻率，測量出晶振實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率之間的修正系數(shù)，通過系數(shù)修正后得到高度一致的基站時(shí)鐘標(biāo)稱頻率，然后各基站基于標(biāo)稱頻率來度量各自的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，從而消除由于晶振頻率不一致而造成的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的附加誤差，使得頻率精度等于10^-6的普通晶振也能適用于多點(diǎn)定位系統(tǒng)中信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)的測量，滿足高精度測量的系統(tǒng)誤差要求。本發(fā)明適用于以gnss秒脈沖作為時(shí)鐘外部同步脈沖以及其它類型的時(shí)鐘外部同步脈沖的mds場面多點(diǎn)定位系統(tǒng)以及vam廣域多點(diǎn)定位系統(tǒng)。

本發(fā)明的其步驟如下：

步驟1、根據(jù)已知的同步脈沖周期和標(biāo)稱時(shí)鐘頻率，計(jì)算出同步脈沖周期所包含的標(biāo)稱頻率時(shí)鐘周期數(shù)。

步驟2、用晶振的實(shí)際頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)。用同步脈沖前沿清零該時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，使得該時(shí)鐘計(jì)數(shù)器以相鄰?fù)矫}沖的間隔為周期循環(huán)計(jì)數(shù)。

步驟3、獲取同步脈沖周期在晶振實(shí)際頻率下的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。在同步脈沖前沿即將“清零”步驟2時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的同時(shí)，鎖存該時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值，作為同步脈沖周期包含晶振實(shí)際頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

步驟4、將步驟1計(jì)算出的同步脈沖周期所包含的標(biāo)稱頻率時(shí)鐘周期數(shù)，除以步驟3獲取的同步脈沖周期對(duì)應(yīng)的晶振實(shí)際頻率時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算出晶振頻率的標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率之間的比例系數(shù)。

步驟5、在基站檢測到存在發(fā)射(應(yīng)答)民航s碼信號(hào)時(shí)，則同步讀取出此時(shí)晶振實(shí)際頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

步驟6、將步驟5讀取的信號(hào)到達(dá)時(shí)的晶振實(shí)際頻率時(shí)鐘計(jì)數(shù)值乘以步驟4計(jì)算出的時(shí)鐘標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率之間的比例系數(shù)，轉(zhuǎn)換為信號(hào)到達(dá)時(shí)的晶振標(biāo)稱頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值。

步驟7、將步驟6得出的晶振標(biāo)稱頻率下的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，作為頻率一致性標(biāo)校后的發(fā)射(應(yīng)答)民航s碼信號(hào)到達(dá)時(shí)間測量值，并以此進(jìn)行信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)計(jì)算的目標(biāo)空間位置定位。

步驟8、重復(fù)步驟2～步驟7，實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行。

實(shí)施例1

步驟1根據(jù)已知的同步脈沖周期和晶振標(biāo)稱頻率，計(jì)算出在標(biāo)稱頻率情況下同步脈沖周期所包含的時(shí)鐘周期數(shù)。設(shè)同步脈沖周期為t，晶振標(biāo)稱時(shí)鐘頻率為f，則同步脈沖周期t內(nèi)包含頻率f的周期數(shù)n為：n＝t*f；

步驟2、如圖1所示，以晶振實(shí)際頻率信號(hào)作為d觸發(fā)器的ck端時(shí)鐘輸入，同步脈沖作為d觸發(fā)器的d端輸入，鎖存同步脈沖，在該d觸發(fā)器的正q端輸出得到輸出p1；同樣以晶振實(shí)際頻率信號(hào)作為d觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，再以p1作為下一級(jí)d觸發(fā)器的輸入，再次鎖存，在第二級(jí)d觸發(fā)器負(fù)q端輸出得到負(fù)邏輯輸出！p2。用p1和！p2邏輯“與”運(yùn)算結(jié)果(p1&！p2)在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿處同步“清零”的時(shí)間計(jì)數(shù)器。這樣一來，同步脈沖從“0”到“1”翻轉(zhuǎn)后第一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，被第一級(jí)d觸發(fā)器鎖存，此時(shí)用p1和！p2邏輯“與”運(yùn)算結(jié)果(p1&！p2)為邏輯“1”，作用于計(jì)數(shù)器的同步“清零”端，使得時(shí)間計(jì)數(shù)器在下個(gè)時(shí)鐘上升沿處將被同步清零。一個(gè)時(shí)鐘以后，！p2為邏輯“0”，p1和！p2邏輯“與”運(yùn)算結(jié)果(p1&！p2)變?yōu)檫壿嫛?”，計(jì)數(shù)器的同步“清零”端信號(hào)撤銷，此后時(shí)間計(jì)數(shù)器恢復(fù)正常計(jì)數(shù)。

以晶振實(shí)際頻率作為寄存器的時(shí)鐘輸入，將步驟2的p1和！p2邏輯“與”運(yùn)算結(jié)果(p1&！p2)作為寄存器的鎖存使能輸入，在隨后的時(shí)鐘上升沿處，時(shí)間計(jì)數(shù)器的數(shù)值在“清零”前被寄存器同步鎖存起來，從而獲得同步脈沖周期所含的實(shí)際頻率時(shí)鐘周期數(shù)m。

步驟3、將步驟1計(jì)算出的同步脈沖周期所包含的標(biāo)稱頻率時(shí)鐘周期數(shù)n，除以步驟2讀取的同步脈沖周期所含的實(shí)際頻率時(shí)鐘周期數(shù)m，則可計(jì)算出晶振標(biāo)稱頻率與實(shí)際頻率的比例系數(shù)k：k＝n/m；

步驟4、設(shè)信號(hào)到達(dá)時(shí)刻讀自晶振實(shí)際頻率的時(shí)間計(jì)數(shù)器數(shù)值為num，則將num按下述公式轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于標(biāo)稱頻率的時(shí)間計(jì)數(shù)值num：

num＝num*n/m；

其中n引自步驟1的計(jì)算值，m引自步驟3的測量值。轉(zhuǎn)換后的num數(shù)值作為頻率統(tǒng)一標(biāo)校后的基于晶振標(biāo)稱頻率的發(fā)射(應(yīng)答)民航s碼信號(hào)到達(dá)時(shí)間差測量數(shù)值，用于基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)計(jì)算的目標(biāo)空間位置定位。

步驟5、重復(fù)步驟2～步驟4，實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行。

本發(fā)明公開了一種基于外部脈沖同步的時(shí)鐘頻率一致性標(biāo)校方法，其以外部同步脈沖周期來標(biāo)校接收基站的晶振時(shí)鐘頻率，測量出晶振實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率之間的修正系數(shù)，通過系數(shù)修正后得到高度一致的基站時(shí)鐘標(biāo)稱頻率，然后各基站統(tǒng)一基于標(biāo)稱頻率來度量各自的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，從而消除了由于晶振頻率不一致而造成的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)測量的附加誤差，使得頻率精度為10^-6的普通晶振也能適用于多點(diǎn)定位系統(tǒng)中信號(hào)到達(dá)時(shí)間差參數(shù)的測量，滿足其定位精度的測量要求。

本發(fā)明提供了一種多點(diǎn)定位系統(tǒng)中的時(shí)鐘頻率標(biāo)校方法，具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。