伪卫星系统作为一种无线导航发射设备，可以用作增强GPS星座，也能构成独立的导航定位系统。与GPS卫星装备的原子钟不同，伪卫星的时钟常日选择精度不高的低端时钟，会产生钟漂偏差[1-2]。依据卫星导航定位事理，为担保用户吸收机的定位精度和授时精度，系统中的伪卫星必须保持韶光同步。
伪卫星韶光同步系统采取无线双向微波韶光同步方案，具有组网灵巧、可扩展性好、综合本钱低等优点。依据丈量终端间传播路径相同特性，基于伪距丈量模式的无线双向韶光同步系统可以最大限度地肃清由路径不同引起的偏差，实现精确测距与韶光同步[3]。根据丈量终端发射机与吸收机旗子暗记闭环传输链路，可实现终端间载波频率同步。
本文设计的伪卫星网络时频同步系统由1个主站伪卫星、4个或以上从站伪卫星构成，各站均采取具有自校准功能的伪卫星收发器阵列构造（Self-Calibrating Pseudolite Array，SCPA），每个收发器紧张由发射机和吸收机两个部分组成[2]。采取主从模式的自差收发器构造，每个收发器利用一个时钟源，实现发射部分和吸收部分韶光基准统一。通过旗子暗记分路与合路设计，调节发射旗子暗记功率，吸收机同时吸收天线端与同源发射真个伪卫星旗子暗记，形成旗子暗记闭环收发，可减小收发器系统丈量偏差。伪卫星系统构造组成如图1所示。
伪卫星系统的收发器紧张包括射频旗子暗记收发单元和中频旗子暗记处理单元。射频旗子暗记收发单元紧张发射与吸收伪卫星频点的导航旗子暗记，并完成中频旗子暗记与射频旗子暗记的转换。射频上变频模块通过对发射基带仿照中频旗子暗记与本振混频天生伪卫星射频旗子暗记，通过分路器，一起旗子暗记经发射天线播发，另一起旗子暗记经功率调节器发送到吸收端；射频吸收单元下变频模块通过对射频旗子暗记与本振混频产生吸收端仿照中频旗子暗记。
中频旗子暗记处理单元因此FPGA和DSP作为核心基带处理芯片，紧张由发射旗子暗记基带处理模块、D/A数模转换模块、吸收旗子暗记基带处理模块、A/D模数转换模块和韶光同步模块组成。发射旗子暗记基带处理模块实现伪卫星导航旗子暗记的电文编码与旗子暗记调制，经由D/A数模转换电路产生仿照中频旗子暗记；吸收旗子暗记基带处理模块吸收A/D模数转换电路输出的数字中频旗子暗记，实现旗子暗记的捕获、跟踪与电文解码，完成与上位机界面的交互；韶光同步模块紧张完成从站与主站钟差的丈量与改动，产生同步的韶光旗子暗记。
2 系统紧张硬件电路设计
2.1 下变频电路设计
本系统下变频设计电路选用润芯公司生产的一款高度集成的射频芯片RX3007，片上集成了镜频抑制混频器、带通滤波器、自动增益掌握电路、压控振荡器、中频放大器、模数变换器等电路；支持GPS L1/BD2 B1旗子暗记双通道同时事情；通道噪声系数小于2.5 dB，通道增益110 dB，支持有源和无源天线事情模式；参考时钟输入范围为10 MHz～40 MHz，可通过SPI掌握接口配置仿照中频或数字中频输出。本设计A/D模数转换利用该芯片2 bit模数转换器，分别对仿照旗子暗记进行采样，采样时钟为 16.368 MHz，将频率为4.092 MHz的仿照中频旗子暗记量化成数字中频旗子暗记，以SIGN、MAG码输出给FPGA基带芯片。下变频模块电路图如图2所示。
2.2 D/A数模转换电路设计
数模转换电路设计选用Analog Devices公司的AD9744低功耗14 bit数模转换器，采样时钟输入支持210 MSPS转换速率。输出端设计采取单电源直流差分耦合电路，仿照差分输出经AD8041放大器实现高速数据缓冲。FPGA发射基带处理模块输出包含B1和L1频点的伪卫星数字中频旗子暗记，经数模转换器分别天生中频频率为11.098 MHz和25.42 MHz的仿照中频旗子暗记。D/A数模转换电路如图3所示。
2.3 上变频电路设计
射频上变频单元紧张包括频率合成器、混频器和滤波器。频率合成器选用Silicon LABS公司的SI41XX系列芯片，通过MCU单片机配置本振频率为1 550 MHz；混频器选用Mini-Circuits公司的无源混频器JMS-11，中频旗子暗记与本振混频得到频点为1 561.098 MHz和1 575.42 MHz的伪卫星射频旗子暗记，完成频谱搬移；滤波器选用台湾嘉硕科技公司的TA1166A声表面滤波器（SAW），该滤波器中央频率为1 575.5 MHz，带宽为30 MHz，插入损耗不超过3.0 dB，经滤波后可剔除不必要的旗子暗记及杂讯。射频上变频模块电路图如图4所示。
3 系统关键技能
3.1 双向伪距丈量与韶光同步技能设计
双向伪距丈量通过主站与从站的收发器设备，吸收端利用伪码和载波相位跟踪结果，得到伪距丈量值，构建双向测距方程，从而实现两站间的间隔丈量与韶光同步。DSP吸收端采取载波相位平滑伪距算法设计，利用精确的载波相位丈量值对粗糙的伪码丈量值进行平滑处理，提高伪距丈量值的丈量精度[4]。双向伪距丈量的事理图如图5所示。个中，Ti为伪距丈量值，ti为传输韶光，为发射时延，为吸收时延，Δt为钟差。
(1)主站发射端在本地韶光0时候发射伪卫星射频旗子暗记A，主站与从站吸收端跟踪主站旗子暗记A，主站通道1伪距丈量值TA1；
(2)从站吸收端跟踪旗子暗记A且帧同步成功后，从站FPGA韶光同步旗子暗记处理模块启动从站本地韶光计数，得到从站通道1的伪距丈量值TB1；
(3)从站FPGA发射端根据本地韶光同步产生从站旗子暗记B，得到钟差Δt，主站与从站吸收端跟踪从站旗子暗记B，主站通道2和从站通道2得到各自的伪距丈量值TA2、TB2；
(4)从站DSP发射端将得到的伪距不雅观丈量写入电文，主站得到同源发射端与从站的伪距丈量结果，构建双向测距方程，得到主站伪卫星和从站伪卫星的时钟差Δt和两站间的间隔韶光tD。
韶光同步技能紧张在从站伪卫星收发器中实现，DSP程序紧张完成旗子暗记跟踪环路设计，并根据无线双向伪距丈量结果，通过时延处理模块实时解算钟差。FPGA程序设计紧张通过时钟计数与直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)计数相结合的办法实现钟差改动。详细的实现流程图如图6所示。
韶光旗子暗记同步设计单元一方面完成本地韶光与伪卫星发射旗子暗记同步，另一方面根据时延数据改动模块的结果调度本地韶光与主站韶光同步。FPGA发射端吸收到DSP通过解调电文得到的主站韶光与启动状态标志位后，开始本地韶光计数，并在数据第一帧时候启动伪码和数据码天生，通过移位器时延改动，实现本地发射旗子暗记与本地韶光同步。
DSP将主站与从站钟差丈量结果转换成以毫秒计数与伪码码片计数的粗时延改动值，FPGA通过时钟计数与FIFO移位设计实现粗时延改动。将小于一个码片的时延改动值转换为伪码数字掌握振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)相位的细时延改动值，FPGA通过DDS技能调度NCO相位累加器的办法将时延结果作为补偿值改动从站本地韶光与本地伪码和数据码旗子暗记。根据改动后确当地韶光，输出PPS秒脉冲，同时在整数秒开始时候产生同步的从站伪卫星发射旗子暗记，实现本地韶光与主站韶光同步。
钟差丈量的精确度决定了系统的同步精度，对钟差的改动偏差会增加系统改动偏差，在担保钟差精度的同时，应该尽可能地减小系统改动偏差。直接采取时钟计数方法对钟差进行改动，改动的系统偏差为1个时钟周期，62 MHz系统事情时钟频率的改动偏差约为16 ns。本文采取FPGA时钟计数与DDS计数相结合的办法，可以实现高精度的时延改动，取相位累加器位数N为32时的韶光改动分辨率为：
由于DSP吸收端跟踪环路噪声的影响，输出的PPS具有一定的抖动性。采取以最小均方偏差为准则的Kalman滤波算法，通过丈量秒脉冲的韶光间隔，用前一时候估计值与当前时候丈量值来估计得到滤波后PPS秒脉冲，实现对秒旗子暗记抖动的处理[6]。
3.2 载波同步技能设计
由于伪卫星的晶体振荡器存在频率漂移与准确度偏差等缘故原由，在高下变频模块实现频谱搬移过程中会发生频偏，会直接影响用户吸收机利用载波相位丈量值定位。吸收端旗子暗记跟踪环路以闭环反馈的形式实现对吸收旗子暗记的锁定，本文在从站伪卫星DSP吸收端跟踪通道载波环中加入发射端载波闭环改动环路，实现主站发射端载波频率与从站发射端载波同步。详细的环路设计如图7所示。
FPGA混频模块将数字中频旗子暗记sIF(n)与本地正弦载波旗子暗记混频得到同相岔路支路(I岔路支路)结果，与本地余弦载波旗子暗记混频得到正交岔路支路(Q岔路支路)结果，两路结果通过干系积分模块与本地伪码干系累加得到1 ms的积分结果Ip(n)、Qp(n)。
DSP载波环路整体设计采取二阶锁频环赞助三阶锁相环构造。锁频环调度本地复制的载波频率与吸收旗子暗记的载波频率达到同等，锁相环调度环路输出旗子暗记的相位，使其与输入旗子暗记的相位保持同等，紧张差异在于鉴别器的不同。本文DSP程序设计采取的鉴频方法为符号函数sign(·)鉴频，此方法对数据比特跳变不敏感且打算量较小，其打算公式如下：
当锁相环锁定旗子暗记后，相位差异基本在零值晃动。FPGA的数控振荡器根据本地载波初始频率掌握字与环路鉴相结果通过正弦和余弦函数查询表得到与输入载波同步确当地载波旗子暗记。
FPGA载波积分器累加本地复制的主站与从站载波相位值，通过对载波相位积分结果作差可以肃清本地频偏，得到与主站相差的载波频率与相位值，以10 ms的更新速率闭环改动从站发射端载波旗子暗记，从而实现主站与从站发射旗子暗记载波同步。
载波同步比拟结果如图8所示，个中图8（a）为载波未同步改动下用户吸收机跟踪主站与从站载波相位作差的结果；图8（b）为从站载波同步改动后的载波相位差结果；图8（c）为主站与从站同源情形下的载波相位差结果。
4 测试结果
本文设计的伪卫星系统采取SCPA构造，通过双向测距与韶光同步技能实现伪卫星自组织网络韶光同步，通过吸收端与从站发射端载波闭环改动实现主站载波频率与从站载波频率同步。通过系统测试，载波同步结果如图8所示，载波同步改动后的结果与同源情形下的结果附近，偏差小于0.1 Hz。图9为主站与从站伪卫星双向测距零时延与50 m间隔测试结果，零时延测试结果均方根偏差为5.64 cm；无线测试条件下50 m测距结果均方根偏差为9.26 cm。伪卫星主站与从站的韶光同步结果图10所示（通道2为主站秒脉冲，通道3为从站秒脉冲），韶光同步精度优于2 ns，可达到系统设计哀求。
5 结束语
为办理伪卫星自组织网络时频同步问题，本文设计了一种基于SCPA构造的伪卫星时频同步系统。在集成DSP+FPGA与高下变频硬件平台上完成设计。该系统伪卫星星间载波频率同步优于0.1 Hz，韶光同步精度优于2 ns，结合载波相位定位终端，可实现厘米级定位精度。该系统可运用于区域内导航与授时、地下定位、室内定位等。
参考文献
[1] 吴刚，刘银年，王建宇，等.伪卫星时钟同步方法的研究[J].光纤与电缆及其运用技能，2007(2)：25-28.
[2] 韩雅兰，黄智刚，赵昀.基于双向测距的伪卫星网络高精度时钟同步方法研究[J].遥测遥控，2010，31(3)：8-11.
[3] 李梦，马红皎.载波相位平滑伪距算法在双向测距与韶光同步系统中的运用[J].韶光频率学报，2014，37(4)：213-220.
[4] MISRA P，ENGE P.Global positioning system signals measurements,and performance[M].Ganga-Jamuna Press，2001.
[5] 钟茂盛，陈豪.双向单程间隔与时差丈量系统及零值标定方法[J].电子丈量与仪器学报，2009，23(4)：13-17.
[6] 范文晶，王召利，周渭.改进卡尔曼滤波算法在时钟驯服技能中的运用[J].宇航计测技能，2016，36(3)：46-49.
作者信息:
纪元法1，2，梁 涛1，2，孙希延1，2，严素清1，2，卢伟军1，2
（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004；2.广西精密导航技能与运用重点实验室，广西 桂林541004）
