CN101082663B - 转发式卫星导航中的虚拟原子钟方法 - Google Patents

Abstract

一种转发式卫星导航系统中的虚拟原子钟方法，涉及到宇宙空间技术领域，把真实地放置在地面中心站的原子钟时间，通过时延转换，把时间计量基准虚拟移至卫星上去，建立星上虚拟原子钟。虚拟原子钟时的转换计量方法分为直接法和间接法。本发明的这两种虚拟原子钟时间转换技术，解决了转发式卫星导航定位中，位置测量基准与时间度量基准的统一问题，从而可以建立转发式卫星导航的定位量测方程，实现转发式卫星导航的高精度导航定位功能。

Description

转发式卫星导航中的虚拟原子钟方法

技术领域

本发明转发式卫星导航中的虚拟原子钟方法涉及到宇宙空间技术领域。

背景技术

在转发式卫星导航定位系统中(专利申请号为200410046064.1)，由于高精度原子钟从星上移置到地面，从而可以利用现有的通信卫星作为导航星，具有投资少、研制周期短、高精度原子钟在地面易于维护、更换、修理等长处。而且从整个系统考虑，可以方便地换星、换频、换码、甚至采用信号寄生的办法，提高系统抗干扰、防摧毁能力。但也出现了一些需要解决的新技术问题。其中作为时间度量的基准，高精度原子钟与作为位置测量基准的空间卫星不统一，成为一个需要亟待研究和解决的新问题。

发明内容

本发明转发式卫星导航中的虚拟原子钟方法的目的，是把时间度量基准从地面导航中心站虚拟移至空间卫星上去，建立星上虚拟原子钟，同时提出了实现上述虚拟移置的具体实施办法与技术，称为虚拟原子钟移置技术，从而解决了转发式卫星导航的时间度量与空间定位基准的重合与统一问题。

2.为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种转发式卫星导航中的虚拟原子钟方法，其特征在于，把真实地放置在地面中心站的原子钟时间，通过时延转换，把时间计量基准虚拟移至卫星上去，建立星上虚拟原子钟，虚拟原子钟时的转换计量方法分为直接法或间接法，其中：

a)直接法，直接测量从地面主钟至卫星转发器出口的时延τ_u，包括综合基带信号调制到中频的时间τ_mt，发射通道时延τ_t，信号从天线相位中心上行发射到达卫星上接收天线相位中心的时延τ_up，以及转发器时延τ_s，其表达式为τ_u＝τ_mt+τ_t+τ_up+τ_s；将地面导航中心站时间基准的时刻加上直接测量计算得到的时延τ_u，便把地面原子钟时间基准，虚拟移至卫星上，建立了星上虚拟原子钟；

b)间接法，若综合基带测量出从综合基带发出的信号，经上变频、上行由卫星转发下行再到综合基带的时延为τ_cc，得到的时延τ_cc中包括信号从地面导航中心站主钟，经基带和射频发射通道、上行空间、卫星转发器、下行空间、射频接收通道、综合基带接收终端的时延；在τ_cc中减去下行空间时延τ_d和接收通道时延τ_r，就得到虚拟钟时间改正量Δτ_CLK，其表达式为Δτ_CLK＝τ_cc-τ_d-τ_r；将地面导航中心站时间基准的时刻加上虚拟钟时间改正量Δτ_CLK，便把地面原子钟时间基准，虚拟移至卫星上，建立了星上虚拟原子钟。

本发明的两种虚拟原子钟技术，解决了转发式卫星导航定位中，位置测量基准与时间度量基准的统一问题，从而可以建立转发式卫星导航的定位量测方程，实现转发式卫星导航的高精度导航定位功能。

附图说明

图1为全球定位系统(GPS)信号的物理过程框图；

图2为转发式卫星导航定位系统(CAPS)信号的物理过程框图；

图3某卫星与主控站距离变化规律示意图；

图4为主控站相关信号的流程示意图；

图5为本发明直接法测量时延的分段示意图；

图6为本发明间接法测量时延的原理图；

图7为本发明直接法测量虚拟钟时间改正量的数据流程图；

图8为本发明间接法测量虚拟钟时间改正量的数据流程图。

具体实施方式

在转发式卫星导航定位中，作为时间度量基准的原子钟从空间卫星上移置到地面导航中心站内，这样系统中的空间段就能使用现有的通信卫星，具有节省投资，缩短研制周期，增强系统的变频、变码、换星能力等长处。但这时时间度量基准与空间位置定位基准不重合了，为此，本发明提出了把地面主钟时间度量虚拟移置空间卫星上的理念，效果相当于在空间卫星上虚拟设置了一台高精度时间度量的原子钟，称为虚拟原子钟。

时间度量基准从地面导航中心站转换到空间卫星上去的技术称为虚拟原子钟技术。本发明构造了两种虚拟原子钟转换技术。一种称为直接法，即直接测量从地面主钟至卫星转发器出口的时延τ_u，包括综合基带信号调制到中频的时间τ_mt；发射通道时延τ_t；信号从天线相位中心上行发射到达卫星上接收天线相位中心的时延τ_up；以及转发器时延τ_s，即

τ_u＝τ_mt+τ_t+τ_up+τ_s

若将地面主钟时刻，加上直接法测得的时延τ_u，便可以得到虚拟原子钟时刻虚拟钟时间改正量Δτ_CLK＝τ_u。另一种技术称为间接法，间接法中虚拟原子钟改正时延，不是由直接测量其组成环节时延得到的，而是通过其它时延的测量，间接换算得到的，即在综合基带设备中测量出发出信号，经卫星转发再回到综合基带的时延τ_cc；同时还测量信号从卫星发射天线相位中心下行的传播时延τ_d和接收通道的时延τ_r，那未，虚拟钟改正量Δτ_clk＝τ_cc-τ_d-τ_r。

地面主钟的时刻加上间接法得到的虚拟钟改正时延Δτ_clk，就可以得到虚拟原子钟时刻。

1、转发式卫星导航定位利用地球同步卫星(GEO)进行定位和定时依赖的条件。

转发式卫星导航定位利用地球同步卫星(GEO)等卫星作为测距源，进行定位的基本方程为：

${\mathrm{\ρ}}_i=c(t_{s,i}-t_u)=\sqrt{{(x_{s,i}-x_u)}^2+{(y_{s,i}-y_u)}^2+{(z_{s,.i}-z_u)}^2}+{\mathrm{c\τ}}_u---\left(1\right)$

其中，t_s，i是信号离开卫星的系统时时刻，；

t_u是用户接收到信号的接收机钟面时时刻；

ρ_i是用户测量得到第i颗卫星至测量点的伪距，根据伪随机码相关得到；

(x_s，i，y_s，i，z_s，i)是第i颗卫星的坐标，根据导航电文得到；

(x_u，y_u，z_u)是用户的位置，是待求量；

τ_u是用户时钟与系统时之间的偏差，是待求量；

上述方程组中共有4个未知数，通过解四个定位方程组就可以得到用户的三维位置坐标和一维时间。

可以看出，这种转发式卫星导航定位系统利用地球同步卫星(GEO)等卫星进行定位需要两个条件：

1)精确的卫星位置坐标的获得；

2)卫星到用户伪距的测量；

上述两个条件中，第一个条件直接根据导航电文中的星历模型就可以得到。重点说明第二个条件，说明时，先介绍全球定位系统(GPS)的伪距测量过程。

1)全球定位系统(GPS)的伪距测量过程

根据伪距测量的原理，全球定位系统(GPS)用户测量的伪距是：

ρ＝c(t_s-t_u)                                 (2)

其中，c是光速，t_s是信号离开卫星的全球定位系统(GPS)系统时(GPST)，t_u是信号到达接收机的接收机时间。

问题是如何让用户得到t_s-t_u。

全球定位系统(GPS)信号形成的物理过程如附图1所示。星载原子钟控制基带处理器形成伪随机码(P码和C/A码)，经L波段调制器、高功放和天线系统发射给用户。

用户使用伪随机码测量得到的是附图1中A点星载原子钟时间减去接收机时间形成的伪距，但用户需要的是信号在B点的全球定位系统系统时(GPST)减去接收机时间形成的伪距。这里存在两种误差：

(1)带处理器、L波段调制器、高功放、天线系统的时延；

(2)星载原子钟与全球定位系统系统时(GPST)的钟差；

一般情况下把第一部分和星载钟的相位偏差放在一起，把这两部分误差统一看作卫星时钟误差。全球定位系统(GPS)的处理方法是首先通过对星载原子钟的控制，使误差在1ms以内，然后在导航电文中广播改正模型，用户根据改正模型计算改正量，在测量的伪距中扣除。

全球定位系统(GPS)卫星时钟改正模型为关于时间的二阶多项式：

Δτ_s＝a₀+a₁(t-t_oc)+a₂(t-t_oc)²                    (3)

其中，t_oc是模型起点，a₀，a₁，a₂分别为卫星钟相对于全球定位系统系统时(GPST)的相位偏差(钟差)、时钟相对于实际频率的频率偏差(钟速)、时钟的频率漂移(钟速变化率，漂移)。a₀，a₁，a₂是经过全球定位系统(GPS)地面监测网络监测、主控站处理、注入站注入等环节进入导航电文的。

总结全球定位系统(GPS)的伪距测量过程：

(1)根据伪随机码测量从A点到用户的伪距初值(ρ₀)；

(2)根据导航电文的钟改正模型计算卫星时钟改正量：

Δτ_s＝a₀+a₁(t-t_oc)+a₂(t-t_oc)²                (4)

(3)计算伪距：

ρ＝ρ₀-c·Δτ_s                              (5)

2)转发式卫星导航定位系统的伪距测量过程

转发式卫星导航定位系统同全球定位系统(GPS)不同，它租用现有的通信卫星，其导航信号从地面产生，信号到达用户经历的物理过程如附图2所示，综合基带受地面导航中心站主钟的控制，发送的信号与主钟保持很好的相关性，两相脉宽调制(BPSK)的中频信号从综合基带产生，经射频发射通道变为6GHz信号发射出去，经空间上行到达卫星转发器，转发器把信号下变频到(6GHz-2.225GHz)发往用户。

同全球定位系统(GPS)类似，用户需要的是B点的转发式卫星导航定位系统时间(TSAT)减去用户时间形成的伪距。然而，根据伪随机码得到的伪距是A点的TSAT减去用户时间形成的伪距。与全球定位系统(GPS)不同的是转发式卫星导航定位系统主钟输出的时间就是转发式卫星导航定位系统时间(TSAT)。因此，误差主要存在于：综合基带时延、射频发射通道时延、空间上行时延、卫星转发器时延，只要知道这些时延，就可以求出需要的伪距。

我们对这些时延的处理方法分两部分，首先通过综合基带的码相位控制将时延调整到5ms以内，然后用模型将剩余量发给用户，这个模型我们称为虚拟星载原子钟模型，简称虚拟钟模型。通知用户A点到B点时延值的技术称为虚拟钟时延改正技术，从A到B的时延值称为虚拟钟时间改正量。虚拟钟时间改正量乘以光速就得到伪距修正量。

总结转发式卫星导航定位系统用户测量伪距的过程如下：

(1)根据伪随机码测量从A点到用户的伪距(ρ₀)；

(2)根据导航电文的虚拟钟模型计算虚拟钟时间改正量(Δτ_CLK)；

(3)计算伪距修正量(ρ_CLK)：

ρ_CLK＝c·Δτ_CLK                    (6)

(4)计算从B点到用户的伪距：

ρ＝ρ₀-ρ_CLK                        (7)

2、虚拟钟的原理与方法

一)虚拟钟的原理

转发式卫星导航定位系统和全球定位系统(GPS)的伪距测量方法完全相同，并且对测量值的处理方法也相同。都是先根据伪随机码测量出A点到用户接收机的伪距，然后根据电文广播的幂函数模型把它修正到B点到用户接收机的伪距。这是供用户解算位置时使用的伪距。

虚拟钟原理实质上是一种伪距修正方法，它和全球定位系统(GPS)的伪距修正方法相同，但两者伪距修正的含意不同。

全球定位系统(GPS)的伪距修正主要是修正星载钟与全球定位系统系统时(GPST)的相位偏差、频率偏差和频率漂移，其修正模型中的每一项都有明确的含义，并且伪距修正量变换较慢。

转发式卫星导航定位系统的伪距修正量同全球定位系统(GPS)不同的是转发式卫星导航定位系统的伪距修正量变化较快且变化量大，伪距修正量包含多方面的因素，虚拟钟模型的建立也比全球定位系统(GPS)的要复杂。

从用户端来说，两者是相同的，都是伪距修正。

二)虚拟钟的实现的关键技术

转发式卫星导航定位系统的伪距修正量主要有两方面的内容：

(1)虚拟钟时间改正量的测量；

(2)虚拟钟时间改正量的建模和预报。

其中，虚拟钟时间改正量的变化主要有两方面：一个是慢变分量，设备的时延随环境因素缓慢变换。另一个是快变分量，主要是距离变化引起的时延变化。

对慢变分量，建模比较简单，关键是快变分量的建模，也就是说径向距离的建模。附图3画出了某卫星与主控站距离在一天内的变化规律，可以看出，径向距离的变化表现出一种近正弦的规律。

因此，虚拟钟模型的选择要考虑以下几个方面：

(1)根据一段时间虚拟钟时间改正量的平滑数据建立合适的模型；

(2)模型尽可能简单，以利于用户接收和解算；

(3)模型预测精度能够满足需要。

选用幂函数模型作为虚拟钟模型，这样，在电文中只需要发送模型起点和幂函数的系数即可。

地球同步卫星(GEO)测距精度允许的虚拟钟误差是5ns(1σ)，对虚拟钟模型的预测精度分配误差1ns。我们根据模拟的数据比较了一阶、两阶和三阶幂函数模型，表1列出了三种模型在不同的平滑时间和预测间隔的精度。

从表1可以看出，模型大多是符合1ns以下的精度，最后选定3阶幂函数模型作为虚拟钟模型，根据前面600s的数据建立模型，这样，600s以内的预测误差不大于0.1ns。这样，虚拟钟的模型是五个参数(一个模型起点时间，四个幂函数的系数)。用户根据模型参数计算的虚拟钟时间改正量为：

Δτ_CLK＝a₃(t-t_oc)³+a₂(t-t_oc)²+a₁(t-t_oc)+a₀            (8)

其中，t为当前时间，t_oc为模型起点时间，a₃是三次项系数，a₂是二次项系数，a₁是一次项系数，a₀是常数项，用户从电文中可以得到这五个参数。

表1半径预测误差与模型的关系

三)不同的虚拟钟误差对定时和定位的影响

进行定位和定时首先要把测量的伪距修正到需要的伪距上来，但是这种修正是有误差的。假设4颗卫星的修正误差分别为：δτ₁，δτ₂，δτ₃，δτ₄，可以得到伪距方程组：

${\mathrm{\ρ}}_1+c\·{\mathrm{\δ\τ}}_1=\sqrt{{(x_{s,1}-x_u)}^2+{(y_{s,1}-y_u)}^2+{(z_{s,1}-z_u)}^2}+{\mathrm{c\τ}}_u---\left(9\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2+c\·{\mathrm{\δ\τ}}_2=\sqrt{{(x_{s,2}-x_u)}^2+{(y_{s,2}-y_u)}^2+{(z_{s,2}-z_u)}^2}+{\mathrm{c\τ}}_u---\left(10\right)$

${\mathrm{\ρ}}_3+c\·{\mathrm{\δ\τ}}_3=\sqrt{{(x_{s,.3}-x_u)}^2+{(y_{s,3}-y_u)}^2+{(z_{s,3}-z_u)}^2}+{\mathrm{c\τ}}_u---\left(11\right)$

${\mathrm{\ρ}}_4+c\·{\mathrm{\δ\τ}}_4=\sqrt{{(x_{s,4}-x_u)}^2+{(y_{s,4}-y_u)}^2+{(z_{s,4}-z_u)}^2}+{\mathrm{c\τ}}_u---\left(12\right)$

如果δτ是随机误差，对定位和定时的精度影响与误差量有关。但在转发式卫星导航定位系统中有一个特殊情况，如果采用适当的组合，例如采用地球同步卫星(GEO)和地面C波段伪卫星联合进行定位，或者是地球同步卫星(GEO)加倾斜轨道同步卫星联合定位，有可能出现δτ相同的情况，即：

δτ₁＝δτ₂＝δτ₃＝δτ₄＝δτ              (13)

上面方程组可以写为：

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(x_{s,1}-x_u)}^2+{(y_{s,1}-y_u)}^2+{(z_{s,1}-z_u)}^2}c+({\mathrm{\τ}}_u-\mathrm{\δ\τ})---\left(14\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(x_{s,2}-x_u)}^2+{(y_{s,2}-y_u)}^2+{(z_{s,2}-z_u)}^2}+c({\mathrm{\τ}}_u-\mathrm{\δ\τ})---\left(15\right)$

${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{{(x_{s,3}-x_u)}^2+{(y_{s,3}-y_u)}^2+{(z_{s,3}-z_u)}^2}+c({\mathrm{\τ}}_u-\mathrm{\δ\τ})---\left(16\right)$

${\mathrm{\ρ}}_4=\sqrt{{(x_{s,4}-x_u)}^2+{(y_{s,4}-y_u)}^2+{(z_{s,4}-z_u)}^2}+c({\mathrm{\τ}}_u-\mathrm{\δ\τ})---\left(17\right)$

故可以看出，如果是四颗卫星都存在相同的伪距测量误差，则它对定位的结果(解算x_u，y_u，z_u)没有影响，但影响定时的结果(解算τ_u)，使得用户计算的时间比真值减少或增加δ_τ。

这里面还有一个特殊情况，如果δτ是主控站某一套接收设备的时延(这种情况在虚拟钟采用第二种方案的时候出现)，接收机时延假定为τ_r(主)，则方程(9)～(12)可以重新写为：

因为τ_r(主)对四个方程来说是相同的，因此，对定位型接收机不造成影响。如果是精密定时接收机，接收机的时延也要从测量的伪距中去掉。假定接收机时延为τ_r(用)，则方程(18)～(21)变为：

可以看出，伪距测量值中需要减去的是主控站接收设备和用户接收机之间的相对时延，也就是说，只要测出主控站的接收设备和用户的接收机时延相对值就能保证定时精度。这是一个很有价值的结论，因为不管是主控站的接收设备还是用户接收机，绝对时延的测量是一个公认的难题，而相对时延的测量比较简单并且测量精度很高。

但是，如果采用其它的组合，例如地球同步卫星(GEO)和罗兰伪卫星、地球同步卫星(GEO)和气压高度计的组合，测距误差的影响会反映到最后的定位精度上。这时，接收机的时延也是需要考虑的因素之一。

3、虚拟钟时间改正量的内容。

虚拟钟实现的关键技术是时间改正量的准确测量和预报问题，建模和预报的理论和技术比较成熟，精度也很高。因此，虚拟钟的关键技术是时间改正量的准确测量技术。

虚拟钟时间改正量就是从主钟出口到卫星天线出口的时间，即附图2中的A点到B点的时间。

时间改正量的测量主要是各设备时延的测量问题。各种设备的时延随环境条件不同而略有变化。而上行空间时延是随卫星的位置变化而变化。这些量变化是不相同的，因此处理方法也略有区别。

4、主控站实现虚拟钟的条件。

主控站相关的信号在附图4中画出。处于测量中心地位的是综合基带，分发射终端和接收终端。综合基带的发射终端生成与主钟同步的测距码，然后把测距码和导航电文调制到中频，在发射导航电文帧同步头的时候输出发射帧同步头脉冲。

两路调制后的信号从综合基带发射终端输出，经上变频器、合路器合成为一路，经高功放到达天线，从天线出来的6GHz信号经空间上行到达卫星，卫星转发后信号变为4GHz下行到达接收天线，接收天线把信号送入低噪放(大环)。另外，从天线旁边直接接收上行6GHz信号，送入测试转发器，测试转发器把信号下变频到4GHz后送入低噪放。低噪放把大环和小环的C1载波送入下变频器C1，下变频器C1把这路载波送入综合基带的两个接收终端。同样，低噪放把大环和小环的C2载波送入下变频器C2，下变频器C2把这路载波送入综合基带的两个接收终端。

一方面，综合基带在接收到大环Cl载波上调制的导航电文帧同步头的时候输出接收帧同步脉冲，同时测量信号从综合基带发射终端生成经大环到综合基带接收终端解调经历的时延为τ_cc1：

τ_cc1＝τ_t1+τ_up1+τ_s+τ_d1+τ_r1                      (26)

其中，τ_t1为发射设备时延，指C1载波从综合基带到发射天线的时间；

τ_up1为上行时延，指C1载波从地面发射天线到卫星接收天线的时间；

τ_s为转发器时延，指C1载波从卫星的接收天线到发射天线的时间；

τ_d1为下行时延，指C1载波从卫星发射天线到地面接收天线的时间；

τ_r1为接收时延，指C1载波从地面接收天线到综合基带接收终端时间；

另一方面，综合基带在接收到小环C1载波上调制的导航电文帧同步头的时候输出接收帧同步脉冲，同时测量信号从综合基带发射终端生成经小环到综合基带接收终端接收经历的时延(τ_e1)：

τ_e1＝τ_t1+τ_es1+τ_r1                               (27)

其中，τ_es1为地面测试转发器对C1载波的时延。

同样，综合基带的接收终端同时输出大、小环C2载波的接收帧标志脉冲和时延τ_cc2、τ_e2。

τ_cc2＝τ_t2+τ_up2+τ_s+τ_d2+τ_r2                     (28)

τ_e2＝τ_t2+τ_es2+τ_r2                               (29)

其中各量的定义同前，下标2表示C2载波。

5、虚拟钟的第一种实现方法：直接法。

直接法是直接测量信号从转发式卫星导航中心站主钟到卫星转发器出口的时间τ_u，然后换算出虚拟钟时间改正。直接法详细的信号流程如附图5所示。

为了测量的方便，把时延分成几段：

1)综合基带时延1(τ_mt)：从中国区域导航系统的主钟开始，到综合基带把信号调制到中频的时间；

2)发射通道时延(τ_t)：从中频信号生成到射频信号离开天线的相位中心的时间，物理上为综合基带中频载波生成到天线相位中心这一段设备引起的时延；

3)上行时延(τ_up)：信号从地面发射天线相位中心发出，最后到达卫星接收天线相位中心的时间；

4)转发器时延(τ_s)：信号从卫星的接收天线相位中心到卫星的发射天线相位中心的时间。

分别测量出上面各个时延，相加就是虚拟钟时间改正量Δτ_CLK：

Δτ_CLK＝τ_u＝τ_mt+τ_t+τ_up+τ_s                  (30)

6、虚拟钟的第二种实现方法：间接法。

间接法是指对虚拟钟时间改正量的测量采用间接的方法。即由总环路时延减去信号从卫星发射天线到综合基带接收终端的时延，得到虚拟钟时间改正量。因为这方法主要是测量后一段时延值，同直接法相比是间接的，称之为间接法。

一)间接法的测量原理。

间接法测量的原理如附图6所示，综合基带测量出从综合基带发出的信号，经卫星再到综合基带的时延(τ_cc)，包括信号从转发式卫星导航中心站主钟经射频发射通道、上行空间、卫星转发器、下行空间、射频接收通道、综合基带接收终端的时延。在τ_cc中减去下行时延(τ_d)和接收通道时延(τ_r)，就得到虚拟钟时间改正量(Δτ_CLK)：

Δτ_CLK＝τ_cc-τ_d-τ_r                        (31)

二)测量方法及实现精度分析。

式(31)中τ_cc的测量精度为1ns，τ_r的绝对测量精度较低，但两套设备之间的相对测量精度很高(优于1ns)。

对于τ_d的计算，使用定轨站的星历信息，计算路径时延(精度3.33ns)，加上定轨站发来的电离层改正(精度0.17ns)和对流层改正(精度0.17ns)，可以知道τ_d的精度：

${\mathrm{\δ}}_d=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_R^2+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ion}}^2+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tro}}^2}=\sqrt{{3.33}^2+{0.17}^2+{0.17}^2}=3.34\mathrm{ns}$

最后，对定位来说虚拟钟的精度可以由式(26)中的各量的精度再加上预测的精度得到：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{CLK}}=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cc}}^2+{\mathrm{\δ}}_d^2+{\mathrm{\δ}}_r^2+{\mathrm{\δ}}_p^2}=\sqrt{1^2+1^2+{3.34}^2+1^2+1^2}=3.89\mathrm{ns}$

对定时来说，虚拟钟的精度是上面的随机误差再加上第一套发射通道设备绝对时延的误差。

7、两种实现方法的比较。

一)两种测量方法的数据流程。

虚拟钟时间改正量两种测量方法的数据流程见附图7和附图8。图中，原始数据和直接测量数据用虚线框表示。中间导出数据用实线框表示。很明显，附图7中的直接测量方法需要的数据量多并且转换环节多，而转换环节越多，带来的误差就越多。

二)两种方法的比较

理论上，两种方法虚拟钟实现的精度都是4ns左右，并没有质的差别，但间接法有三个比较明显的优点：

1)间接法对测量数据需要一个修正(地面天线相位中心修正)，而直接法需要三个修正(地面天线相位中心修正、卫星天线相位中心修正和定轨站及主控站伪距度量偏差修正)；

2)间接法需要射频接收通道时延，而直接法需要射频发射通道时延，射频发射通道时延通过射频接收通道时延测量获得，转换环节多易产生误差；

3)在用户的定时接收机中，接收机的时延需要测量，间接法提供了一种将用户接收机和主控站接收系统校准的方法，这样不需要测量用户定时接收机的绝对时延，只比较两者的相对时延即可，提高测量精度。

Claims (1)

1. 一种转发式卫星导航中的虚拟原子钟方法，其特征在于，把真实地放置在地面中心站的原子钟时间，通过时延转换，把时间计量基准虚拟移至卫星上去，建立星上虚拟原子钟，虚拟原子钟时的转换计量方法分为直接法或间接法，其中：

直接法，直接测量从地面主钟至卫星转发器出口的时延τ_u，包括综合基带信号调制到中频的时间τ_mt，发射通道时延τ_t，信号从天线相位中心上行发射到达卫星上接收天线相位中心的时延τ_up，以及转发器时延τ_s，其表达式为τ_u＝τ_mt+τ_t+τ_up+τ_s；将地面导航中心站时间基准的时刻加上直接测量计算得到的时延τ_u，便把地面原子钟时间基准，虚拟移至卫星上，建立了星上虚拟原子钟；

间接法，若综合基带测量出从综合基带发出的信号，经上变频、上行由卫星转发下行再到综合基带的时延为τ_cc，得到的时延τ_cc，中包括信号从地面导航中心站主钟，经基带和射频发射通道、上行空间、卫星转发器、下行空间、射频接收通道、综合基带接收终端的时延；在τ_cc中减去下行空间时延τ_d和接收通道时延τ_r，就得到虚拟钟时间改正量Δτ_CLK，其表达式为Δτ_CLK＝τ_cc-τ_d-τ_r；将地面导航中心站时间基准的时刻加上虚拟钟时间改正量Δτ_CLK，便把地面原子钟时间基准，虚拟移至卫星上，建立了星上虚拟原子钟。

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