一种空间定位和时间同步方法和系统与流程

本发明涉及一种空间定位和时间同步方法和系统。

背景技术：

在现有平台间的时间同步技术中，应用较多的是采用伪码扩谱波形体制的双向比对方法，但当平台处于高速运动状态，高速运动产生的多普勒现象会对伪码起始脉冲的捕获产生比较大的影响，同时使载波频率的估计也有很大难度。现有平台间的空间定位技术包括基于到达时间差的定位方法，该方法通过测量目标到达主、副站的时间差，根据多个双曲面交点模型进行定位，但该方法需要多个位置已知的地面站作为基准，在进行空间高速动平台间的独立定位时，空间高速动平台受功耗体积等限制，该方法无法实现高精度的相对定位。

技术实现要素：

本发明提供一种空间定位和时间同步方法和系统，解决空间高速动平台时间同步和空间定位精度差、无法保证实时性的问题。

本申请实施例提供一种空间定位方法，用于测量副站和主站同一时刻的相对位置，所述主站包括主天线、第一子天线和第二子天线，包括以下步骤：

所述主天线发出测距信号，所述副站接收测距信号、然后产生副站本振信号；所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，得到副站差频信号；测量所述副站差频信号的频率值，得到副站差频信号的平均频率；计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差为

δt0＝f’/k0

其中，f’为所述副站差频信号的平均频率，k0为所述调频斜率的绝对值；

所述副站发出响应信号，所述主站产生主站本振信号；所述主天线接收所述响应信号；所述本振信号与所述主天线接收的响应信号混频，得到第一差频信号；测量所述第一差频信号的频率值，得到第一差频信号的平均频率；计算主站本振信号与所述主天线接收的响应信号之间的时差为

δt1＝f1/k0

其中，f1为第一差频信号的平均频率，k0为所述调频斜率的绝对值；

所述测距信号、响应信号、主站本振信号、副站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同；

计算所述主站主天线与所述副站之间的距离为

r1＝(t2-t1-t2’+t1’-δt0-δt1-δt1)×c/2

其中，r1为所述主天线与所述副站之间的距离，t1为所述主站发出测距信号的时刻，t2为所述主站本振信号产生时刻，t1’为所述副站本振信号产生时刻，t2’是所述副站发出响应信号的时刻,δt1为主站发送延时、副站接收延时、副站发送延时、主站接收延时之和，δt0为副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差，δt1为第一时差，c为光速；

进一步地，

所述第一子天线、第二子天线分别接收所述响应信号；所述本振信号与所述第一子天线、第二子天线接收的响应信号分别混频，得到第二差频信号、第三差频信号；所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到第一、第二中频信号；根据所述第一、第二中频信号的频率或相位，计算所述副站第一方向角和第二方向角为

其中α1,2分别为所述副站第一、第二方向角，fb1,b2分别为所述第一、第二中频信号的平均频率，d1,2分别为主天线与第一子天线、第二子天线的距离，k0为所述调频斜率的绝对值；

根据所述主天线与所述副站之间的距离、第一方向角和第二方向角确定所述副站相对于所述主站的位置。

作为本申请空间定位方法可选择的一种实施例，

所述第一子天线、第二子天线分别接收所述响应信号；所述本振信号与所述第一子天线、第二子天线接收的响应信号分别混频，得到第二差频信号、第三差频信号；测量所述第二、第三差频信号的频率值，得到第二、第三差频信号的平均频率；计算主站本振信号与所述第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差为

δt2,3＝f2,3/k0

其中，f2,3分别为第二、第三差频信号的平均频率，k0为所述调频斜率的绝对值，δt2,3分别为第二时差、第三时差；

计算所述第一子天线、第二子天线与所述主天线相对于所述副站之间的距离差为

δr2,3＝c×(δt1-δt2,3+δt2,3)

其中，δr2,3分别为所述第一子天线、第二子天线与所述主天线相对于所述副站之间的距离差,δt2,3分别为主站接收延时与第一子天线接收延时、第二子天线接收延时之差；

计算所述第一子天线、第二子天线与所述副站之间的距离为

r2,3＝r1+δr2,3

其中，r2,3分别为所述第一子天线、第二子天线与所述副站之间的距离；

根据所述主天线、第一子天线、第二子天线与所述副站之间的距离(r1,2,3)，确定副站相对主站的空间位置。

作为本申请空间定位方法进一步优化的实施例，所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到第一、第二中频信号；

根据所述第一、第二中频信号的频率或相位，计算所述副站第一方向角和第二方向角为

其中α1,2分别为所述副站第一、第二方向角，分别为所述第一、第二中频信号的相位，f0为所述测距信号载频；

根据所述主天线与所述副站之间的距离、第一方向角和第二方向角确定所述副站相对于所述主站的位置。

本申请实施例还提供一种时间同步方法，用于测量主站和副站的时差，包括以下步骤：

所述主天线发出测距信号，所述副站接收测距信号、然后产生副站本振信号；所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号混频后得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差；

所述副站发出响应信号，所述主站产生主站本振信号；所述主天线接收所述响应信号；所述主站本振信号与所述主天线接收的响应信号混频，得出主站本振信号与所述主天线接收的响应信号之间的时差，为第一时差；

所述测距信号、响应信号、主站本振信号、副站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同；

计算所述主站主天线与所述副站的时差为

δt＝(t1-t1’+δt0+t2-t2’+δt0-δt1)/2

其中，δt为所述主天线和所述副站的时差，t1为所述主站发出测距信号的时刻，t2为所述主站本振信号产生时刻，t1’为所述副站本振信号产生时刻，t2’是所述副站发出响应信号的时刻,δt0为主站发送延时、副站接收延时之和与副站发送延时、主站接收延时之和的差，δt0为副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差，δt1为第一时差。

所述得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差的步骤，进一步包含，所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，得到副站差频信号；测量所述副站差频信号的频率值，得到副站差频信号的平均频率；计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差δt0。

本申请实施例还提供一种时间同步和空间定位系统，包含主站和副站，所述主站包括主天线、第一子天线和第二子天线，所述主天线和所述第一子天线的连线与所述主天线和所述第二子天线的连线垂直；所述副站用于发出响应信号，接收所述主天线发出的测距信号、产生副站本振信号，并计算所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差；所述主天线用于发出测距信号，并接收所述副站响应信号；所述主站用于产生主站本振信号，并将所述主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的所述响应信号分别混频，得到第一差频信号、第二差频信号和第三差频信号；所述第一子天线、第二子天线用于接收所述副站响应信号；所述主站还用于将所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到所述第一、第二中频信号的频率和相位；所述主站还用于根据主天线与副站之间的距离、及以下两组数据中的任意一组，确定副站相对主站的空间位置：

第一子天线、第二子天线与副站之间的距离；

第一方位角、第二方位角。

作为本申请时间同步和空间定位系统进一步优化的实施例，所述主站，还用于计算所述副站和所述主站之间的时差δt。

作为本申请时间同步和空间定位系统进一步优化的实施例，所述副站，用于计算所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差，具体包含以下步骤，所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，得到的副站差频信号为调频斜率正、负交替变换的线性调频信号；计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差为δt0。其中，f’为所述副站差频信号的平均频率，k0为所述调频斜率的绝对值；

作为本申请时间同步和空间定位系统进一步优化的实施例，所述主站，还用于计算所述主站本振信号与所述主天线、或第一天线、或第二天线接收的响应信号之间的时差，具体包含测量所述第一、或第二、或第三差频信号的频率，得到第一、或第二、或第三差频信号的平均频率；计算主天线、或第一子天线、或第二子天线接收的响应信号之间的时差δt1,2,3。

本发明有益效果包括：有效抑制了平台高速运动产生的多普勒效应，提升了高速运动平台间空间定位和时间同步的精确度，提高了测量实时性，同时系统设备简单易于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种包含距离定位的空间定位方法流程示意图；

图2为一种包含鉴频角度定位的空间定位方法流程示意图；

图3为一种鉴相测角度定位的空间定位方法流程示意图；

图4为副站接收测距信号的多普勒频率示意图；

图5为副站差频信号多普勒频率示意图；

图6为主站第一、第二、第三差频信号多普勒频率示意图；

图7为主站天线组成的干涉仪测相原理图；

图8为副站在主站坐标系内的坐标几何关系示意图；

图9为一种时间同步方法流程图；

图10为一种空间定位和时间同步系统装置示意图。

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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种包含距离定位的空间定位方法流程图。本发明实施例提出一种空间定位方法，用于测量副站和主站在同一时刻的相对位置，所述主站包括主天线、第一子天线和第二子天线。具体包括以下步骤：

步骤101，所述主天线发出测距信号，所述副站接收测距信号、然后产生副站本振信号；所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号混频后得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差。

在步骤101中，所述测距信号、副站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同，所述测距信号、副站本振信号分别表示为其中f0为载频，t1为所述主站发出测距信号的时刻，t1’为所述副站本振信号产生时刻，k为正负交替变换的调频斜率。

在步骤101中，所述得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差的方法，进一步包含，所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，得到副站差频信号为

其中，sr’为所述副站接收的测距信号，f’为副站差频信号的平均频率，为副站差频信号的相位，n1'(t)为混杂在信号中的噪声。

根据测量所述副站差频信号的频率值，得到的副站差频信号的平均频率，计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差为

δt0＝f’/k0(2)

其中，k0为所述调频斜率的绝对值。

优选地，在步骤101中，所述主天线发出所述测距信号之前，所述主站与所述副站进行通信，所述主站发送开始测量指令，所述副站收到指令后，向所述主站发送测量应答指令。

需要说明的是，所述副站本振信号产生的时刻相对于所述测距信号发出的时刻有预先设定的固定延时量，从而保证所述副站接收的测距信号的时刻早于所述副站本振信号产生的时刻。

步骤102，所述副站发出响应信号，所述主站产生主站本振信号；所述主天线、第一子天线、第二子天线分别接收所述响应信号；所述主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号分别混频，得到第一差频信号、第二差频信号和第三差频信号，同时得出主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差，分别为第一时差、第二时差、第三时差；所述测距信号、响应信号、主站本振信号、副站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同。

在步骤102中，所述响应信号、主站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同，假设所述响应信号、主站本振信号分别表示为其中，t2为所述主站本振信号产生时刻，t2’是所述副站发出响应信号的时刻。

所述得出主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差的步骤，包含：所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号分别与所述主站本振信号混频，分别得到第一差频信号sδt1、第二差频信号sδt2、第三差频信号sδt3为

其中，sr1、sr2、sr3分别为所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的测距信号，f1、f2、f3分别为所述第一、第二、第三差频信号的平均频率，分别为所述第一、第二、第三差频信号的相位，n1(t)、n2(t)、n3(t)分别为混杂在主天线、第一子天线、第二子天线接收信号中的噪声。

进一步地，根据分别测量所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的频率值，分别得到的第一差频信号的平均频率f1、第二差频信号的平均频率f2、第三差频信号的平均频率f3，计算主站本振信号和主天线接收的响应信号之间的时差δt1、主站本振信号和第一子天线接收的响应信号之间的时差δt2、主站本振信号和第二子天线接收的响应信号之间的时差，δt3分别为

δt1＝f1/k0(4.1)

δt2＝f2/k0(4.2)

δt3＝f3/k0(4.3)

需要说明的是，所述主站本振信号产生的时刻相对于所述响应信号发出的时刻有预先设定的固定延时量，从而保证所述主站主天线、第一子天线、第二子天线接收的测距信号的时刻早于所述主站本振信号产生的时刻。

步骤103，计算所述主站主天线与所述副站之间的距离为

r1＝(t2-t1-t2’+t1’-δt0-δt1-δt1)×c/2(5)

其中，r1为所述主天线与所述副站之间的距离，t1为所述主站发出测距信号的时刻，t2为所述主站本振信号产生时刻，t1’为所述副站本振信号产生时刻，t2’是所述副站发出响应信号的时刻,δt1为主站发送延时、副站接收延时、副站发送延时、主站接收延时之和，δt0为副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差，δt1为第一时差，c为光速；

需要说明的是，δt1可以通过预先测量得出。

步骤104，计算所述第一子天线与所述主天线相对于所述副站之间的距离差，计算所述第二子天线与所述主天线相对于所述副站之间的距离差，分别为

δr2＝c×(δt1-δt2+δt2)(6.1)

δr3＝c×(δt1-δt3+δt3)(6.2)

其中，δr2、δr3分别为所述第一子天线、第二子天线与所述主天线相对于所述副站之间的距离差，δt2、δt3分别为第二时差、第三时差,δt2、δt3分别为主站接收延时与第一子天线接收延时、第二子天线接收延时之差。

需要说明的是，δt2、δt3可以通过预先测量得出。

步骤105，计算所述第一子天线、第二子天线与所述副站之间的距离为

r2＝r1+δr2(7.1)

r3＝r1+δr3(7.2)

其中，r2、r3分别为所述第一子天线、第二子天线与所述副站之间的距离。

步骤106，根据所述主天线、第一子天线、第二子天线与所述副站之间的距离r1,2,3，确定副站相对主站的空间位置。

优选的，在步骤106中，根据r1、r2、r3确定所述副站相对于所述主站的位置后，所述主站向所述副站发送所述副站空间位置，所述副站收到所述空间位置信息后向所述主站发出应答信息。

本发明的测量方法通过采用宽带线形调频信号去斜后的高增益效果，通过设置合适的调频斜率，可实现动平台间的高精度空间定位。

图2～3所示实施例中，第一方位角为主天线、第一子天线之间连线与主天线、副站之间连线的夹角；第二方位角为主天线、第二子天线之间连线与主天线、副站之间连线的夹角。

图2为一种包含鉴频角度定位的空间定位方法流程图。本申请实施例提供的一种空间定位方法，用于测量副站和主站同一时刻的相对位置，所述主站包括主天线、第一子天线和第二子天线本实施例具体包括以下步骤：

步骤101，所述主天线发出测距信号，所述副站接收测距信号、然后产生副站本振信号；所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号混频后得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差。

在步骤101中，所述测距信号、副站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同，所述测距信号、副站本振信号分别表示为其中f0为载频，t1为所述主站发出测距信号的时刻，t1’为所述副站本振信号产生时刻，k为正负交替变换的调频斜率。

在步骤101中，所述得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差的方法，进一步包含，所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，按照公式1，得到副站差频信号为sδt'；

根据测量所述副站差频信号的频率值，得到的副站差频信号的平均频率，按照公式2计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差为δt0。

优选地，在步骤101中，所述主天线发出所述测距信号之前，所述主站与所述副站进行通信，所述主站发送开始测量指令，所述副站收到指令后，向所述主站发送测量应答指令。

步骤102，所述副站发出响应信号，所述主站产生主站本振信号；所述主天线、第一子天线、第二子天线分别接收所述响应信号；所述主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号分别混频，得到第一差频信号、第二差频信号和第三差频信号，同时得出主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差，分别为第一时差、第二时差、第三时差。

在步骤102中，所述响应信号、主站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同，假设所述响应信号、主站本振信号分别表示为其中，t2为所述主站本振信号产生时刻，t2’是所述副站发出响应信号的时刻。

所述得出主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差的步骤，包含：所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号与所述主站本振信号混频，根据公式3.1～3.3分别得到第一差频信号sδt1、第二差频信号sδt2、第三差频信号sδt3。

进一步地，根据分别测量所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的频率值，分别得到的第一差频信号的平均频率f1、第二差频信号的平均频率f2、第三差频信号的平均频率f3，根据公式4.1～4.3计算主站本振信号和主天线接收的响应信号之间的时差、主站本振信号和第一子天线接收的响应信号之间的时差、主站本振信号和第二子天线接收的响应信号之间的时差。

步骤103，根据公式5，计算所述主站主天线与所述副站之间的距离。

步骤107，所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到第一中频信号、第二中频信号。

在步骤107中，所述第一中频信号表示为第二中频信号表示为其中，fb1、fb2分别为所述第一中频信号、第二中频信号的平均频率，分别为所述第一中频信号、第二中频信号的相位，nb1(t)、nb2(t)分别为混杂在所述第一中频信号、第二中频信号中的噪声。

步骤108，根据所述第一中频信号、第二中频信号的频率值，计算所述副站第一方向角α1和第二方向角α2分别为

其中d1为主天线与第一子天线的距离、d2为主天线与第二子天线的距离，k为所述调频斜率。

步骤110，根据所述主天线与所述副站之间的距离r1、第一方向角α1和第二方向角α2确定所述副站相对于所述主站的位置。

优选的，在步骤110中，根据所述主天线与所述副站之间的距离r1、第一方向角α1和第二方向角α2确定所述副站相对于所述主站的位置后，所述主站向所述副站发送所述副站空间位置，所述副站收到所述空间位置信息后向所述主站发出应答信息。

本发明的测量方法通过采用宽带线形调频信号去斜后的高增益效果，通过设置合适的调频斜率，可实现动平台间的高精度空间定位。

图3为一种包含鉴相角度定位的空间定位方法流程图。本申请实施例提供的一种空间定位方法，用于测量副站和主站同一时刻的相对位置，所述主站包括主天线、第一子天线和第二子天线，包括以下步骤：

步骤101，所述主天线发出测距信号，所述副站接收测距信号、然后产生副站本振信号；所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号混频后，按照公式2，得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差。

步骤102，所述副站发出响应信号，所述主站产生主站本振信号；所述主天线、第一子天线、第二子天线分别接收所述响应信号；所述主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号分别混频，得到第一差频信号、第二差频信号和第三差频信号，同时根据公式4.1～4.3得出主站本振信号分别与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差，分别为第一时差、第二时差、第三时差。

步骤103，根据公式5，计算所述主站主天线与所述副站之间的距离

步骤107，所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到第一中频信号、第二中频信号。

步骤109，根据所述第一中频信号、第二中频信号的相位值，计算所述第一方位角、第二方位角为

其中，为所述第一中频信号的相位、为所述第二中频信号的相位，f0为所述测距信号载频，δt1、δt2、δt3分别为所述第一时差、第二时差、第三时差。

步骤110，根据所述主天线与所述副站之间的距离r1、第一方向角α1和第二方向角α2确定所述副站相对于所述主站的位置。

优选的，在步骤110中，根据所述主天线与所述副站之间的距离r1、第一方向角α1和第二方向角α2确定所述副站相对于所述主站的位置后，所述主站向所述副站发送所述副站空间位置，所述副站收到所述空间位置信息后向所述主站发出应答信息。

图4为副站接收测距信号的多普勒频率示意图。当所述主站、副站存在相对运动时，所述副站接收的测距信号会产生多频率频移，假设所述主站、副站的相对运动速度为v，则所述多普勒频移为

fd＝2×v/c×f0(10)

所述测距信号、所述副站接收的测距信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同。

假设所述测距信号频率为ft＝fl+k(t-t1)，其中，k＝±(fh-fl)/τ为正负调频斜率，fh,l分别为所述发射信号带宽上下限，τ为所述发射信号时宽，t1为所述测距信号的发射时刻，那么，不存在多普勒频移的理想接收信号的频率为fr＝fl+k(t-t1’-δt0)，其中，t1’为所述副站本振信号产生时刻，δt0为副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差。

由于主站、副站相对运动产生的所述副站的实际接收信号的频率为fr＝fl+k(t-t1’-δt0)±fd，其中fr分别包含为调频正负斜率的频率值。

图5为副站差频信号多普勒频率示意图。副站接收的所述测距信号为正负斜率交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同，所述副站接收的测距信号的接收时刻为t1’-δt0，信号时宽为τ。

当所述主站、副站由于相对运动产生的多普勒频率为fd时，所述副站差频信号的频率包含所述多普勒频率，当副站接收的所述测距信号为正斜率调制的线性调频信号时，所述副站差频信号的频率包含负多普勒频率，表示为f’-fd，当副站接收的所述测距信号为负斜率调制的线性调频信号时，所述副站差频信号的频率包含正多普勒频率，表示为f’+fd，计算包含负、正多普勒频率的所述副站差频信号的频率，得到所述副站差频信号的平均频率f’。

本发明所使用测量信号为宽带正负斜率线形调频信号，结合线形调频信号去斜的性质，可将多普勒干扰对称的体现在信号频谱上，通过分别对正负斜率线性调频信号去斜所得频谱峰值求平均可有效抑制多普勒效应，使该时间同步及定位方法适用于高速运动平台间。

图6为主站第一、第二、第三差频信号多普勒频率示意图。主站接收的所述响应信号为正负斜率交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同，所述副站接收的测距信号的接收时刻为t1’-δt0，信号时宽为τ。

当所述主站、副站由于相对运动产生的多普勒频率为fd时，所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的频率包含所述多普勒频率，当所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的所述测距信号均为正斜率调制的线性调频信号时，所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的频率包含负多普勒频率，分别表示为f1,2,3-fd，当所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的所述测距信号均为负斜率调制的线性调频信号时，所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的频率包含正多普勒频率，分别表示为f1,2,3+fd，计算包含负、正多普勒频率的所述副站差频信号的频率，得到所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的平均频率分别为f1,f2,f3。

本发明所使用测量信号为宽带正负斜率线形调频信号，结合线形调频信号去斜的性质，可将多普勒干扰对称的体现在信号频谱上，通过分别对正负斜率线性调频信号去斜所得频谱峰值求平均可有效抑制多普勒效应，使该时间同步及定位方法适用于高速运动平台间。

图7为主站天线组成的干涉仪测相原理图。r1、r2、r3分别为所述副站与所述主天线、第一子天线、第二子天线的距离，δr2、δr3分别为所述第一子天线、第二子天线与所述主天线相对于所述副站之间的距离差，d1、d2分别为主天线与第一子天线、第二子天线的距离，α1、α2分别为所述副站第一方向角、第二方向角。

所述第一子天线与所述主天线相对所述副站的距离差δr2、所述第一子天线与所述主天线相对所述副站的距离差δr3分别为

δr2＝d1×sin(α1)(11.1)

δr3＝d2×sin(α2)(11.2)

所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到第一、第二中频信号分别表示为其中，fb1、fb2为所述第一、第二中频信号的频率，所述第一、第二中频信号的频率可表示为

根据公式12.1～12.2，所述第一中频信号的频率fb1、第二中频信号的频率fb2分别为

fb1＝k0×d1×sin(α1)/c(13.1)

fb2＝k0×d2×sin(α2)/c(13.2)

根据公式13.1～13.2，所述第一方向角、第二方向角分别满足公式8.1～8.2，或公式9.1～9.2。

图8为副站在主站坐标系内的坐标几何关系示意图。优选地，所述主天线与所述第一子天线的连线和所述主天线与所述第二子天线的连线互相垂直，所述主天线、第一子天线、第二子天线构成主站天线坐标系，所述主天线、第一子天线、第二子天线在所述主站天线坐标系下的坐标分别为(0,0,0),(d1,0,0)和(0,d2,0)，其中，d1,2分别为主天线与第一子天线、第二子天线的距离，假设所述副站的坐标为(xt,yt,zt)，根据坐标转换关系，所述副站坐标为

其中，r1为所述副站与所述主天线之间的距离，α1、α2分别为所述副站第一方向角、第二方向角。er、eα、eβ分别为零均值的距离和角度测量噪声，理想情况下为0，本方案中er、eα、eβ分别为方差为σr²、σα²、σβ²，且认为σα²＝σβ²。

需要说明的是，所述副站坐标可以用于所述副站相对于所述主站的空间定位。

图9为一种时间同步方法流程图。本申请实施例提出的一种时间同步方法，用于测量主站和副站的时差，包括以下步骤：

步骤301，所述主天线发出测距信号，所述副站接收测距信号、然后产生副站本振信号；所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号混频后得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差。

在步骤301中，所述测距信号、副站本振信号均为载频相同、调频斜率正负交替变换的线性调频信号，且所述斜率正负值绝对值相同。所述得出副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差的方法，进一步包含，所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，根据测量所述副站差频信号的频率值，得到的副站差频信号的平均频率，按照公式2计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差为δt0。

优选地，在步骤301中，所述主天线发出所述测距信号之前，所述主站与所述副站进行通信，所述主站发送开始测量指令，所述副站收到指令后，向所述主站发送测量应答指令。

步骤302，所述副站发出响应信号，所述主站产生主站本振信号；所述主天线接收所述响应信号；所述主站本振信号与所述主天线接收的响应信号混频，得出主站本振信号与所述主天线接收的响应信号之间的时差，为第一时差。

在步骤302中，所述得出主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差的步骤，进一步包含，所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号与所述主站本振信号混频，分别得到第一、第二、第三差频信号；分别测量所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的频率值，并得到所述第一差频信号、第二差频信号、第三差频信号的平均频率；根据公式4.1～4.3计算主站本振信号和主天线接收的响应信号之间的时差δt1、主站本振信号和第一子天线接收的响应信号之间的时差δt2、主站本振信号和第二子天线接收的响应信号之间的时差δt3。

步骤303，计算所述主站主天线与所述副站的时差为

δt＝(t1-t1’+δt0+t2-t2’+δt0-δt1)/2(15)

其中，δt为所述主天线和所述副站的时差，t1为所述主站发出测距信号的时刻，t2为所述主站本振信号产生时刻，t1’为所述副站本振信号产生时刻，t2’是所述副站发出响应信号的时刻,δt0为主站发送延时、副站接收延时之和与副站发送延时、主站接收延时之和的差，δt0为副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差，δt1为第一时差。

需要说明的是，δt0为系统固有延时，可以通过预先测量得出。

图10为一种空间定位和时间同步系统装置示意图。一种时间同步和空间定位系统，包含主站4和副站5，所述主站包括主天线1、第一子天线2和第二子天线3，所述主天线和所述第一子天线的连线与所述主天线和所述第二子天线的连线垂直；所述副站用于发出响应信号，接收所述主天线发出的测距信号、产生副站本振信号，并计算所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差；所述主天线用于发出测距信号，并接收所述副站响应信号；所述主站用于产生主站本振信号，并将所述主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的所述响应信号分别混频，得到第一差频信号、第二差频信号和第三差频信号，同时得出主站本振信号与所述主天线、第一子天线、第二子天线接收的响应信号之间的时差，分别为第一时差、第二时差、第三时差；所述第一子天线、第二子天线用于接收所述副站响应信号；所述主站还用于将所述第二差频信号、第三差频信号分别与所述第一差频信号进行混频和低通滤波处理，得到所述第一、第二中频信号的频率和相位；所述主站，还用于根据公式7～9任意一组和公式5计算所述副站相对于所述主站的空间位置。

所述主站还用于根据主天线与副站之间的距离r1及以下两组数据中的任意一组，确定副站相对主站的空间位置：

第一子天线与副站之间的距离r2、第二子天线与副站之间的距离r3；

第一方位角α1、第二方位角α2。

所述主站，还用于根据公式(15)计算所述副站和所述主站之间的时差。

所述副站，还用于根据公式(2)计算所述副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差。具体功能包含所述副站接收的测距信号与所述副站本振信号混频，得到的副站差频信号为调频斜率正、负交替变换的线性调频信号；计算副站本振信号与所述副站接收的测距信号之间的时差δt0。

所述副站，还用于计算所述主站本振信号与所述主天线、第一天线、第二天线接收的响应信号之间的时差，具体功能包含：分别测量所述第一、第二、第三差频信号的频率，得到第一、第二、第三差频信号的平均频率；根据公式4.1～4.3分别计算主站本振信号与主天线接收的响应信号之间的时差、主站本振信号与第一子天线接收的响应信号之间的时差、主站本振信号与第二子天线接收的响应信号之间的时差δt1,2,3。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。