[發明專利]數字衛星電視授時方法

有效

• 申請號: 201410240883.3
• 申請日: 2014-05-31
• 公開（公告）號: CN103986921B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 華宇;向渝;許林生;董道鵬;武曉亮;王善和;劉曉龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: H04N7/20
• 分類號: H04N7/20
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司61201
• 代理人: 申忠才

1.一種數字衛星電視授時方法，其特征在于它是由下述步驟組成：

(1)時間溯源方法

以標準時間發播站為O、上行地面南京站為A，每天凌晨00:00為起始時間，采用雙向衛星時間頻率傳遞方法，每隔1分鐘測量O與A之間的鐘差一次，每天共測100次，每天O站與A站間的鐘差公式：

${\mathrm{\ΔT}}_{AO}\left(t\right)=a+bt+\frac{1}{2}{\mathrm{ct}}^2---\left(2\right)$

式中，t為距00:00時的分鐘數，a為O站原子鐘與A站原子鐘的初始相位差，b為A站原子鐘的頻偏，c為A站原子鐘的漂移率；

(2)時間戳生成

上行地面南京站A電視上行系統中調制器的串行異步接口取出速率為270兆比特每秒的碼流信號，生成納秒級時間戳；

(3)衛星測定軌

1)地面接收站時間同步

采用時間溯源方法步驟(1)分別確定地面接收西安站B、地面接收烏魯木齊站C、地面接收昆明站D、地面接收長春站E、地面接收南京站F與上行地面南京站A的鐘差公式：

${\mathrm{\ΔT}}_{Ai}\left(t\right)=a_i+b_{i}t+\frac{1}{2}{c}_i{t}^2---\left(4\right)$

式中t為距00:00時的分鐘數，a_i為i站原子鐘與A站原子鐘的初始相位差，b_i為i站原子鐘的頻偏，c_i為i站原子鐘的漂移率，i依次為B、C、D、E、F地面接收站；

2)一發多收測軌模式測量衛星坐標

①帶有時間戳的電視信號產生與發播方法

在上行地面南京站A電視上行系統中調制器的串行異步接口取出速率為270兆比特每秒的碼流信號，重復時間戳生成步驟(2)，生成納秒級時間戳；將電視系統編碼器的包標識符設為0x120，對時間溯源方法步驟(1)中的參數a,b,c，時間戳生成步驟(2)中的時間戳進行編碼，并插入到電視上行系統，通過電視上行系統的復用、調制同節目信息一起上行至衛星轉發器；

3)衛星坐標的計算

①地面接收西安站B、地面接收烏魯木齊站C、地面接收昆明站D、地面接收長春站E、地面接收南京站F通過衛星天線接收來自衛星的下行信號，經解調、輸出270兆比特每秒的異步串行碼流信號，對信號完成同步過程和時間戳生成過程與上行地面南京站A發送過程完全相同；將傳輸流包中同步包頭的第七位到第八位的上升沿所對應的時刻記作t_r，與對應的節目時鐘參考值編碼生成接收時刻的時間戳，存入先進先出的存儲器3中；

②電視系統中的解碼器通過包標識符為0x120以識別傳輸流包，解調0x120對應的傳輸流包數據得到發送時刻生成的時間戳，將發送時刻的時間戳中的節目時鐘參考值作為關鍵字在存儲器3中尋找相同的節目時鐘參考，進行數據處理；

③將對應的時刻值相減，得到大環時延測量值：

(5)Δt′_i＝t_r-t_s

式中t_s為N×5納秒；

由公式(4)計算得到t_r時刻鐘差ΔT_Ai(t_r)修正，即可得到大環時延值：

Δt_i＝Δt′_i+ΔT_Ai(t_r) (6)

地面接收西安站B、地面接收烏魯木齊站C、地面接收昆明站D、地面接收長春站E、地面接收南京站F將各自坐標和所測時延實時匯總至上行地面南京站A，通過求解方程組(7)即可得到衛星的坐標和上行時延；

$\left\{\begin{array}{c}2(X_B-X_A)X+2(Y_B-Y_A)Y+2(Z_B-Z_A)Z-2({\mathrm{\ρ}}_B-{\mathrm{\ρ}}_A)\mathrm{\λ}=L_B^2-L_A^2-({\mathrm{\ρ}}_B^2-{\mathrm{\ρ}}_A^2)\\ 2(X_C-X_A)X+2(Y_C-Y_A)Y+2(Z_C-Z_A)Z-2({\mathrm{\ρ}}_C-{\mathrm{\ρ}}_A)\mathrm{\λ}=L_C^2-L_A^2-({\mathrm{\ρ}}_C^2-{\mathrm{\ρ}}_A^2)\\ 2(X_D-X_A)X+2(Y_D-Y_A)Y+2(Z_D-Z_A)Z-2({\mathrm{\ρ}}_D-{\mathrm{\ρ}}_A)\mathrm{\λ}=L_D^2-L_A^2-({\mathrm{\ρ}}_D^2-{\mathrm{\ρ}}_A^2)\\ 2(X_E-X_A)X+2(Y_E-Y_A)Y+2(Z_E-Z_A)Z-2({\mathrm{\ρ}}_E-{\mathrm{\ρ}}_A)\mathrm{\λ}=L_E^2-L_A^2-({\mathrm{\ρ}}_E^2-{\mathrm{\ρ}}_A^2)\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，ρ_i為c(Δt_i-τ_i′)，λ為cτ_clk，為i為,A、B、C、D、E時延修正τ_i′通過電離層和對流層數學模型得到，作為已知參數，i站坐標(X_i,Y_i,Z_i)已知，τ_clk為上行時延，c為光速；

4)衛星定軌

①將上行地面南京站A的時碼信息的年、月、日、時、分、秒化為距2010年1月1日0時0分0秒的秒數t，將t、衛星坐標的計算步驟(2)中所求衛星坐標(X,Y,Z)、上行時延τ_clk和對應的時刻值t_s存儲至先進先出的存儲器4中；

②預處理

如果t_s>960000000，記該t_s，(X,Y,Z)、τ_clk分別為t_s1，(X₁,Y₁,Z₁)、τ_clk1；下一組t_s，(X,Y,Z)、τ_clk分別為t_s2，(X₂,Y₂,Z₂)、τ_clk2；計算

$x=\frac{t_{s2}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{X}_1+\frac{1e9-t_{s1}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{X}_2$

$y=\frac{t_{s2}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{Y}_1+\frac{1e9-t_{s1}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{Y}_2$

$z=\frac{t_{s2}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{Z}_1+\frac{1e9-t_{s1}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{Z}_2$

${\mathrm{\τ}}_{clk}=\frac{t_{s2}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{\mathrm{\τ}}_{clk1}+\frac{1e9-t_{s1}}{1e9-t_{s1}+t_{s2}}{\mathrm{\τ}}_{clk2}$

③將(t,x,y,z,τ_clk)存入寄存器5中，寄存器5滿時，將寄存器5中數據全部移至先進先出的存儲器6中，清空寄存器5，其中數據依次標記為(t_i,x_i,y_i,z_i,τ_clki)，i＝1,2,...,3600；

④求如下方程組：

$\left[\begin{array}{cccc}3600& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^2& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^3\\ \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^2& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^3& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^4\\ \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^2& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^3& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^4& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^5\\ \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^3& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^4& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^5& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{t}_j^6\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{x}_0& y_0& z_0& {\mathrm{\τ}}_0\\ v_x& v_y& v_z& v_{\mathrm{\τ}}\\ a_x/2& a_y/2& a_z/2& a_{\mathrm{\τ}}/2\\ {\mathrm{da}}_x/6& {\mathrm{da}}_y/6& {\mathrm{da}}_z/6& {\mathrm{da}}_{\mathrm{\τ}}/6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{x}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{y}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{z}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_{clkj}\\ \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{x}_j{t}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{y}_j{t}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{z}_j{t}_j& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_{clkj}{t}_j\\ \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{x}_j{t}_j^2& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{y}_j{t}_j^2& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{z}_j{t}_j^2& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_{clkj}{t}_j^2\\ \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{x}_j{t}_j^3& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{y}_j{t}_j^3& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{z}_j{t}_j^3& \underset{j=1}{\overset{3600}{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_{clkj}{t}_j^3\end{array}\right]$

解出x₀、v_x、a_x、da_x、y₀、v_y、a_y、da_y、z₀、v_z、a_z、da_z、τ₀、v_τ、a_τ、da_τ，式中x₀為衛星橫坐標，v_x為x₀變化率，a_x為v_x的變化率，da_x為a_x的變化率；y₀為衛星縱坐標，v_y為y₀變化率，a_y為v_y的變化率，da_y為a_y的變化率；z₀為衛星豎坐標，v_z為z₀變化率，a_z為v_z的變化率，da_z為a_z的變化率；τ₀為上行時延初始值，v_τ為τ₀變化率，a_τ為v_τ的變化率，da_τ為a_τ的變化率；通過：

$x\left(t\right)=x_0+v_{x}t+\frac{1}{2}{a}_x{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{da}}_x{t}^3---\left(8\right)$

$y\left(t\right)=y_0+v_{y}t+\frac{1}{2}{a}_y{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{da}}_y{t}^3---\left(9\right)$

$z\left(t\right)=z_0+v_{z}t+\frac{1}{2}{a}_z{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{da}}_z{t}^3---\left(10\right)$

${\mathrm{\τ}}_{clk}\left(t\right)={\mathrm{\τ}}_0+v_{\mathrm{\τ}}t+\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{\τ}}{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{da}}_{\mathrm{\τ}}{t}^3---\left(11\right)$

可以預測未來一段時間內衛星的坐標(x,y,z)和上行時延τ_clk；

⑤每隔5分鐘，寄存器5數據滿時，存儲器6中部分數據更新，根據步驟③、④計算x₀、v_x、a_x、da_x、y₀、v_y、a_y、da_y、z₀、v_z、a_z、da_z、τ₀、v_τ、a_τ、da_τ；

(4)授時電文編碼與發播

電視系統編碼器的包標識符設為0x120，通過電視系統編碼器對時間溯源系統步驟(1)中得到的參數a,b,c，時間戳生成步驟(2)中的時間戳，衛星測定軌步驟(3)測定軌所得數據x₀、v_x、a_x、da_x、y₀、v_y、a_y、da_y、z₀、v_z、a_z、da_z、τ₀、v_τ、a_τ、da_τ編碼形成授時電文，插入到電視上行系統，通過電視上行系統的復用、調制同節目信息一起上行至衛星轉發器；

(5)用戶接收端

用戶接收端通過衛星天線接收來自衛星轉發器的下行信號，經解調、輸出270兆比特每秒的異步串行碼流信號；

①信號同步與時間戳生成

完成信號同步過程和時間戳生成過程與上行地面南京站A發送過程完全相同；將傳輸流包中同步頭的第七位到第八位的上升沿所對應的本地時刻記作T_u，與對應的節目時鐘參考值編碼生成接收時刻的時間戳，存入先進先出的存儲器7中；

②解調數據

用電視系統中的解碼器通過包標識符為0x120以識別傳輸流包，解調該包標識符對應的傳輸流包數據得到授時電文，數據為a,b,c，發送時刻對應的時間戳，x₀、v_x、a_x、da_x、y₀、v_y、a_y、da_y、z₀、v_z、a_z、da_z、τ₀、v_τ、a_τ、da_τ；

③時差計算與同步

用戶時鐘與標準時間的鐘差ΔT由以下公式計算得到:

$\mathrm{\Δ}T=T_u-T_0-({\mathrm{\τ}}_0+v_{\mathrm{\τ}}{T}_0+\frac{1}{2}{a}_{\mathrm{\τ}}{T_0}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{da}}_{\mathrm{\τ}}{T_0}^3)-\frac{\sqrt{{\left(x\right(T_0)-X_u)}^2+{\left(y\right(T_0)-Y_u)}^2+{\left(z\right(T_0)-Z_u)}^2}}{c}$

式中T_u、T₀為相同節目時鐘參考對應的接收時刻和發送時刻，(x(T₀),y(T₀),z(T₀))為衛星在T₀時刻的坐標，由公式(8)、(9)、(10)計算得到，(X_u,Y_u,Z_u)為用戶接收天線的坐標，是已知參數，c為光速；

由用戶接收端晶體振蕩器維持的秒脈沖，扣除鐘差ΔT，與標準時間同步。

2.根據權利要求1所述的數字衛星電視授時方法，其特征在于所述的生成納秒級時間戳的方法步驟為：

(1)信號同步

1)通過串行數字接收器進行同步時鐘恢復，完成位同步；

2)將位同步后的原始數據依次放入一個50位的移位寄存器，檢測50位數據中是否有連續的兩個控制字符K28.5為0011111010或1100000101，若有，則以該編碼作為接收的數據碼字節的邊界，即將以后的數據每隔10比特歸為一個字節，完成字節同步，進入步驟3)；若無，重復步驟2)；

3)每個傳輸流包為188個字節的固定長度，包頭的同步字節是0x47，對應的10比特編碼為1110000101或0001110101，尋找一個0x47碼字，相隔187字節的碼字是0x47，認為后一個0x47碼字是傳輸流包的同步字節，完成信號同步；否則重新尋找0x47碼字；

(2)納秒級時間戳生成方法

1)將原子鐘的10MHz頻率信號倍頻至200MHz的頻率信號，每個時鐘周期為5納秒，計數器計數值N范圍為0～199999999，計數器值從零開始，每個周期計數器值加1，累加至199999999，計數器值置零，計數器的計數周期為1秒，分辨率為5納秒；

2)提取出包頭同步字節0x47中的第七位到第八位的上升沿，利用該上升沿記錄計數器的值N，該傳輸流包所對應的時刻t_s為N×5納秒，將該值存入寄存器1中；

3)提取包頭同步字節0x47后的第5字節到第11字節，存儲至寄存器2中；對寄存器2中數據轉換為ASCII碼，恢復成原傳輸數據，寄存器2中的第四位數據為節目時鐘參考值標志位，若為零，返回納秒級時間戳生成方法(2)中的步驟2)；若為1，表明該傳輸包含有節目時鐘參考，將寄存器2中第2字節到第7字節數據與寄存器1中的t_s編碼生成納秒級時間戳，時間戳前6字節為節目時鐘參考值，后4字節為t_s。