基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法和系统，该方法包括：采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步；根据星地信号粗同步的精度，确定地面接收数据在星上下传数据中的搜索范围；在确定的搜索范围内，从星上下传数据中携带的特征码的首个码片开始进行特征码计算，直至遍历整个搜索范围，输出遍历结果；根据输出的遍历结果，求解出最大相关值，并确定最大相关值对应的位置；将最大相关值对应的位置确定为精确时间同步位置，完成星地信号精同步。本发明无需增加同步光，降低了对光路设备及资源的需求。

说明书

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法和系统。

背景技术

量子通信是利用量子态作为信息载体并进行传递的新型通信技术，量子密钥分发是量子通信的一种典型应用形式。量子密钥分发基于量子不可克隆和量子不可分割特性，利用光量子进行随机数传递，以实现高安全性的密钥分发。

通常量子密钥分发采用同步光方案实现信号同步，即在信号光路以外，还需要一路专门的同步光路，该同步光用于判断探测器时间位置和发送序列位置之间的相对关系，保证量子通信发送方和接收方在进行通信过程中的时间同步，确保双方是针对同一光子态所属的基矢进行基矢比对，不会出现错位。时间同步技术是量子密钥分发的关键技术，决定了能否生成安全的量子密钥。对于采用两路来分别传输量子信号光和同步光的方法，造成光路设备及资源的浪费，本发明提出了一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步技术，无需增加同步光，降低了对卫星平台的资源需求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法和系统，无需增加同步光，降低了对卫星平台的资源需求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法，包括：

采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步；

根据星地信号粗同步的精度，确定地面接收数据在星上下传数据中的搜索范围；

在确定的搜索范围内，从星上下传数据中携带的特征码的首个码片开始进行特征码计算，直至遍历整个搜索范围，输出遍历结果；

根据输出的遍历结果，求解出最大相关值，并确定最大相关值对应的位置；

将最大相关值对应的位置确定为精确时间同步位置，完成星地信号精同步。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步，包括：采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步，包括：

星上终端在GNSS卫星授时的秒脉冲的触发下输出随机数；

将随机数分别通过两个链路下发至地面接收设备；其中，将通过第一链路下发至地面数据的随机数记作星上下传数据，将通过第二链路下发至地面数据的随机数记作地面接收数据；星上下传数据为无损耗数据；

对星上下传数据进行数据转换，提取得到第一标准世界时的秒时间；

对地面接收数据进行数据转换，提取得到第二标准世界时的秒时间；

根据所述第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间，进行星地信号粗同步。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，根据所述第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间，进行星地信号粗同步，包括：

根据GNSS卫星授时的标准时间格式时：分：秒，分别获取第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的具体数值；

根据获取的第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的具体数值，分别确定第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的起始时刻；

将定第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的起始时刻对齐，完成地面接收数据与星上下传数据的粗同步。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，

第一链路为：星地数传链路；

第二链路为：星地光学链路。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，特征码满足如下要求：

1)为任一采用0、1编码的数据序列；

2)满足正确同步的概率≥99.9％。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，还包括：

根据第一标准世界时的秒时间，采用秒时间比对的方式，求解得到星上终端与标准世界时的同步精度Ⅰ；

根据第二标准世界时的秒时间，采用秒时间比对的方式，求解得到地面接收设备与标准世界时的同步精度Ⅱ；

取同步精度Ⅰ与同步精度Ⅱ的和，作为星地信号粗同步的精度。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，

搜索范围＝星地信号粗同步的精度×第一链路的传输速率。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，根据输出的遍历结果，求解出最大相关值，并确定最大相关值对应的位置，包括：

从遍历结果中中筛选得到特征码计算的最大值，作为最大相关值；

将最大相关值对应的标准世界时时间，确定为最大相关值对应的位置。

在上述基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法中，将最大相关值对应的位置确定为精确时间同步位置，完成星地信号精同步，包括：

将最大相关值对应的标准世界时时间作为精确时间同步位置，进行时间同步的二次对齐，完成星地信号精同步。

相应的，本发明还公开了一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步系统，包括：

粗同步模块，用于采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步；

搜索范围确定模块，用于根据星地信号粗同步的精度，确定地面接收数据在星上下传数据中的搜索范围；

遍历模块，用于在确定的搜索范围内，从星上下传数据中携带的特征码的首个码片开始进行特征码计算，直至遍历整个搜索范围，输出遍历结果；

求解模块，用于根据输出的遍历结果，求解出最大相关值，并确定最大相关值对应的位置；

精同步模块，用于将最大相关值对应的位置确定为精确时间同步位置，完成星地信号精同步。

本发明具有以下优点：

(1)本发明无需增加同步光，降低了对光路设备及资源的需求；

(2)本发明基于GNSS卫星授时与特征码匹配实现星地时间同步，降低了不同光传输信道对信号相位抖动的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法的流程图；

图2是星上端的随机数序列示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步方法，包括：

步骤101，采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步。

在本实施例中，星上终端在GNSS卫星授时的秒脉冲的触发下输出随机数；将随机数可以分别通过两个链路下发至地面接收设备；其中，可以将通过第一链路下发至地面数据的随机数记作星上下传数据，将通过第二链路下发至地面数据的随机数记作地面接收数据。进一步的，对星上下传数据进行数据转换，可以提取得到第一标准世界时的秒时间；对地面接收数据进行数据转换，可以提取得到第二标准世界时的秒时间。最后，根据所述第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间，进行星地信号粗同步。

其中，GNSS卫星授时可以包含在星务总线发给星上终端的授时指令中，指令格式包括绝对星时秒高16bit和绝对星时秒低16bit。随机数源为星上器件有效精度外的数据，可以认为是系统的电噪声或热噪声，是一组具有统计无偏性和不可被预测性的值，它不依赖于某种算法，因此具有良好的保密性。

在本实施例中，星上下传数据为无损耗数据，地面数据则可能在传输过程中出现损耗。例如，第一链路可以为：星地数传链路；第二链路可以为：星地光学链路。星上终端在读取到随机数后，一方面利用随机数编码驱动相应激光器输出脉冲，通过星地光学链路发送到地面接收设备；另一方面将随机数编码打包，通过星地数传链路发送到地面接收设备。其中，随机数编码采用BB84协议，每个随机数具有2bit编码，低位bit代表随机比特，使用水平偏振光子来编码比特“0”，垂直偏振光子来编码比特“1”；高位bit代表随机比特使用的“基”，对于垂直正交基，使用0°偏振表示比特0,90°偏振表示比特1，对于斜对角基，使用+45°偏振表示比特0，-45°偏振表示比特1。

如图2所示，星上端的随机数序列是完整的，地面端由于星地光学链路的损耗，会丢失一部分信息，处理过程就是将地面端数据与星上端数据比对，在确保时间同步的条件下，采用最大似然概率法获取最佳匹配位置及其匹配值。

优选的，粗同步的具体流程可以如下：根据GNSS卫星授时的标准时间格式HH时：MM分：SS秒，分别获取第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的具体数值；根据获取的第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的具体数值，分别确定第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的起始时刻；将定第一标准世界时的秒时间和第二标准世界时的秒时间的起始时刻对齐，完成地面接收数据与星上下传数据的粗同步。

步骤102，根据星地信号粗同步的精度，确定地面接收数据在星上下传数据中的搜索范围。

在本实施例中，可以根据第一标准世界时的秒时间，采用秒时间比对的方式，求解得到星上终端与标准世界时的同步精度Ⅰ；根据第二标准世界时的秒时间，采用秒时间比对的方式，求解得到地面接收设备与标准世界时的同步精度Ⅱ；最后，取同步精度Ⅰ与同步精度Ⅱ的和，作为星地信号粗同步的精度。

例如，通过星地信号粗同步可实现星上终端与标准世界时的同步精度优于5μs，地面接收设备与标准世界时的同步精度优于5μs，因此星上终端与地面接收设备之间的同步精度优于10μs，也即星地信号粗同步的精度优于10μs。可见，若设星上终端发射量子光的频率为50MHz、光脉冲宽度为800ps，则通过星地信号粗同步后，依然存在500个左右光脉冲序列时长的时间不确定度。

进一步的，搜索范围的确定方式可以如下：搜索范围＝星地信号粗同步的精度×第一链路的传输速率。

步骤103，在确定的搜索范围内，从星上下传数据中携带的特征码的首个码片开始进行特征码计算，直至遍历整个搜索范围，输出遍历结果。

在本实施例中，特征码可以为满足如下要求的任一由0、1编码构成的已知数据序列：正确同步的概率≥99.9％。进一步的，特征码的长度可以由正确同步的概率确定，在采取0、1编码方式下，要确保正确同步的概率达到99.9％，通常需要10位特征码长度。

步骤104，根据输出的遍历结果，求解出最大相关值，并确定最大相关值对应的位置。

在本实施例中，可以从遍历结果中中筛选得到特征码计算的最大值，作为最大相关值；然后，将最大相关值对应的标准世界时时间，确定为最大相关值对应的位置。

步骤105，将最大相关值对应的位置确定为精确时间同步位置，完成星地信号精同步。

在本实施例中，将最大相关值对应的标准世界时时间作为精确时间同步位置，进行时间同步的二次对齐，完成星地信号精同步。

如前所述，虽然星上终端接收到秒脉冲时刻t与地面接收设备接收到秒脉冲时刻T是不同的，但光脉冲的编码顺序是确定的。仍然设星上终端发射量子光的频率为50MHz、光脉冲宽度为800ps，那么星上终端接收到秒脉冲t后的第i个光脉冲的发射时间是确定的，即发射时间为[t+i·20ns，t+i·20ns+800ps]之间，而地面接收设备接收这个脉冲的时间也是确定的，即探测时间为[T+i·20ns，T+i·20ns+800ps]之间。对于星上终端发射信号i、j、k等和地面接收设备探测信号I、J、K等，虽然信号的发射和探测时间与秒脉冲t和T有关系，但是信号的间距与秒脉冲并无任何关系。基于ijk信号和IJK信号的搜索匹配的星地信号精同步原理如下表1所示：

表1，星地信号精同步原理示意表

在试验中，星上终端发射随机数编码，理论上地面接收设备探测到的随机码将与星上发射随机码相同。因此将地面接收设备探测到的随机码在发射端下传的随机码中进行搜索、匹配，就可以实现精确的信号同步。由GNSS卫星授时带来10μs的不确定度可知，需要搜索500个光脉冲的特征码就可以确定地面序列IJK与星上序列ijk的对应关系，实现高精度的星地时间同步。

试验中，(随机码，IJK)与(随机码，ijk)存在一定偶然相同的概率，在IJK信号间距的约束下，随机码序列中的任意n位因为偶然情况出现相同的概率如下表2所示：

表1 随机码偶然相同的概率

如上表2所示，当随机码的长度为10位时，出现因为偶然而错误同步的概率低于0.1％，能够满足星地时间同步精度要求。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于GNSS卫星授时与特征码匹配的星地时间同步系统，包括：粗同步模块，用于采用GNSS卫星授时的秒脉冲，进行星地信号粗同步；搜索范围确定模块，用于根据星地信号粗同步的精度，确定地面接收数据在星上下传数据中的搜索范围；遍历模块，用于在确定的搜索范围内，从星上下传数据中携带的特征码的首个码片开始进行特征码计算，直至遍历整个搜索范围，输出遍历结果；求解模块，用于根据输出的遍历结果，求解出最大相关值，并确定最大相关值对应的位置；精同步模块，用于将最大相关值对应的位置确定为精确时间同步位置，完成星地信号精同步。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。