GNSS拒止环境中无人机UHF频段测控链路高精度授时方法研究1

GNSS拒止环境中无人机UHF频段测控链路高精度授时
方法研究
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的问题，提出利用无人机UHF (ultra-high frequency)频段的测控链路，进行高精度授时的算法。

该算法利用DDS (digital direct synthesizer)产生调整精度为2-16ns的时钟信号，供给GNSS 接收机和测控链路使用；利用接收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处理。

MATLAB仿真结果表明，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的GNSS接收机的授时精度为10ns，无人机的授时精度为10ns。

该方法无需占用新的频谱，只需在硬件上增加成本低体积小的高精度时钟源，在软件上按需增加测控信息中的授时电文，就能达到和GNSS接收机一致的授时精度，并附带获得精度为0.03米的测距信息，能满足无人机在GNSS拒止环境中编队飞行、协同检测、协同控制等任务的授时要求。

关键词：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，在军民领域有广泛的应用。

随着，网络技术的发展无人机编队飞行，协同完成任务，将是未来趋势。

想要遂行协同控制、组网探测或协同攻击等任务，需要无人机具备统一的时空基准和时空信息。

通常来说，GNSS设备是提供时空信息的主要设备，具有低成本、小体积的优势，但由于卫星信号的脆弱性和公开性，容易受到遮挡、多径、干扰、欺骗，形成GNSS拒止环境，影响时空信息的获取。

通常无人机的还带有惯导等设备，可提供空间信息，但没有设备提供时间信息，只能依靠本地时钟，来外推时间信息，由于无人机的体积、功耗、成本的限制，不可能使用原子钟或者高性能的恒温晶振，而且无人机的飞行高度变化会使环境温度剧烈变化，影响晶振的输出频率从而影响时间信息的精度，因此，急需一套不依赖于GNSS设备的授时系统，来给无人机提供时间信息，来保证无人机完成协同控制、组网探测或协同攻击的任务。

无人机的测控链路，具有测距功能（测量时差），并且地面站一般处于精心选择的位置，GNSS设备工作良好，可实现与UTC时间的同步，因此测控链路具备进行授时的潜力。

并且测控链路带宽宽，并持续存在，具备高精度授时的潜力，并且无需增加任何硬件设备，只需增加软件功能，即可在需要时进行授时操作。

2原理
授时工作分为两部分，一部分是晶振频率校准，用以调整时间的变化量，另一部分是时间校准，用以调整时间的偏移量。

2.1系统架构
首先，要求无人机和地面站的本地时钟使用DDS产生，以便进行精细调整，测控链路和GNSS所用的频率都使用这个本地时钟进行倍频和分频产生。

DDS时钟的结构如下图所示，一个普通晶振产生10MHz正弦波，利用锁相环产生一个1GHz的信号，作为DDS的参考时钟，由外部命令控制DDS的输出频率和相位，产生一个10MHz的基准正弦信号。

由于DDS的相位调整变量为16bit，因此，时间调整的精度T shift。

T shift=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的架构，如下图所示，利用DDS建立精密可调的本地时钟基准，在控制终端的控制下为GNSS接收机、遥控链路、遥测链路提供时钟。

在GNSS 工作正常的情况下，授时算法通过GNSS接收机的信息控制控制终端，对时钟基准进行调整，当GNSS不能提供授时信息时，则利用本文的测控链路授时算法获得时间信息，通过控制终端调整时钟基准。

图 2 GNSS测控链路共用时钟源的架构
2.2 基于测控链路的无人机频差测量原理
由于无人机的运动和无人机本地时钟的偏移，会使无人机和地面站的遥控、遥测链路差生频差，地面站本身有GNSS 设备进行授时和频差调整，可以认为，地面站的时钟没有频差和时差。

图 3 测控链路示意图
无人机接收的遥控频差
c f ∆
__c c
c local u u
loacl u
f f f f v f c
∆=-
∆+ ( 2)
其中，c f 为遥控链路使用频率，_loacl u f 为无人机本地时钟，_local u f ∆为无人机本地时钟
偏移，
u v 为无人机相对地面站的径向速度。

同样地面站接收遥测链路的频差
m f ∆
m m m __local u u
loacl u
f f f f v f c
∆=
∆+ (3)
遥测链路的中心频率为
m f ∆，两式联立，可得
m m 2c m c u f f f f c
v f ⋅∆+⋅∆=
⋅
(4)
_m _m 2loacl u c m c local u
c f f f f f f f f ⋅∆-⋅∆∆=⋅
⋅ (5)
2.3 高精度时间测量原理
测控链路的时间测量一般通过符号计数实现，即：
S S S T N T t =⋅+∆ (6)
其中，T 为要测量的时间，N s 为在测量时间内接收到符号的个数，T s 为每个符号的持续
时间，精度为T s ，符号跟踪误差为S t ∆，对于25.6kbps 的测控链路，测时精度为39us 。

对于高精度的时间测量要求，可利用伪码计数和码NCO 来提高测量精度，对于10MHz 带宽的信号，一般能达到0.2ns 水平。

如果需要更高的精度，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
o 10±，载波测时精度达到0.05ns 。

具体的算法如下：
+PR s s chip chip n n c
T N T N T N T t =⋅+⋅+⋅∆
(7)
其中，T PR 为伪距测量时间，N s 为符号计数，T s 为符号持续时间，N chip 为伪码计数，T chip
为伪码持续时间，N n 为码NCO 的相位值（一般为0~232-1），T n 为每个相位间隔的时间（一般为T c /232）, c t ∆为伪码跟踪误差。

理论上讲，此方法的测量精度为T n ，但由于伪码跟踪精度一般为1/100，所以此方法的精度一般为c t ∆=T c /100。

对于载波测量而言，只能测量到载波的相位信息，而载波的整周数，只能通过计算获得。

PR c c f f p p p
T T T N T N T t =⎧
⎨
=⋅+⋅+∆⎩
(8)
其中，T c 为载波测量时间，和伪距测量时间一致，N f 为载波整周数，T f 为单载波持续时间，N p 为载波NCO 的相位值（一般为0~232-1），T p 为每个相位间隔的时间（一般为T f /232），
p t ∆为载波相位跟踪误差，载波的跟踪精度一般为o 10±，所以，载波测时的精度一般为/36p p t T ∆=。

对于无人机UHF 段测控链路而言，伪距测量误差0.2c t ns ∆≈，小于单载波持续时间
2f T ns ≈，因此，无需进行整周模糊度搜索，直接取整，就能得到载波的整周数。

(
)
PR p p
f f
T N T N round T -⋅=
(9)
其中，round()为取整计算，获得整周数N f 后带入公式的（7）中获得T c 。

和伪距测量一样，精度达不到T p 的水平，载波测时的精度一般为T f /36。

载波测时的方法示意图如下所示。

伪距测量（T P
码NCO 相位(N n )符号计数(N s )
1
1
230123
伪码计数(N chip )0
12012012012012012012012
)
{
载波测量(T C )
p )
1
2
3
5
6
7
8
012012012012012012012012
载波整周数(N f )
载波NCO 相位(N p ){
图 4 高精度时间测量示意图
2.4 基于测控链路的无人机时差测量原理
双向测时主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的时间差获得,如下图所示,c _c
t 表示地面站遥控数据，
c _u
t 表示无人机接收的遥控数据，
_m u
t 表示无人机遥
测数据，
_m c
t 表示地面站接收的遥测数据，
T L 表示无人机地面站之间的距离，t ∆为无人机
和地面站的时间差。

c_c t c_u
t _m u t _m c
t T C
图 5 双向测时的示意图
无人机测量的帧头时差
u t ∆
T
u m u L t T t c v ∆=+∆-
-
(10)
地面站测量的帧头时差为
u t ∆
T
c c u L t T t c v ∆=-∆-
- (11)
（5）和（6）联立，可获得无人机地面站的距离
T L ,
()2u
T c m c m c v L T T t t -=
+-∆-∆ (12)
高精度的授时算法则通过无人机和地面站的时间差t ∆实现，
T
c c u
L t t T c v ∆=∆-
- (13) 由于本地时钟的频率一般为10MHz ，低于100ns 的授时信息将无法控制，只能作为一个固定的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，根据标称的时钟速率设置DDS 产生本地时钟，供给GNSS 和测
控链路。

(2) GNSS 接收机工作，接收到足够的卫星和星历之后，进行定位、授时计算。

(3) 将获得的授时信息、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 的频率和相位调整量，送给控制模块，并根据秒脉冲调
整各类分频计数器的计数值。

(5) 控制模块产生相应的指令，控制DDS ，进行调整。

(6) 当本地时钟的误差小于10ns 时，认为地面站已经完成授时工作，将授时标志位置
为“1”，开始进行数据链授时。

(7) 测量接收的遥测信号帧头与本地遥控信号帧头的时间差，本地信号帧头的UTC 时
间，通过遥控链路发送给无人机。

(8) 回到步骤(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，根据标称的时钟速率设置DDS产生本地时钟，供给GNSS和测
控链路。

(2)测量接收到的遥控信号帧头与本地遥测信号帧头的时间差。

(3)从遥控电文中解析出地面测得的帧头时间差和遥控信号帧头的UTC时间。

(4)根据双向授时授时算法计算无人机与地面站之间的时间差和频差。

(5)对时间差和频差进行二阶滤波。

(6)利用滤波后的时间差和频差调整本地时钟和各类分频计数器的值，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)回到步骤(2)
图7 无人机侧授时算法流程图。