CN102385307A

CN102385307A - 一种星地时间系统的钟差测量方法

Info

Publication number: CN102385307A
Application number: CN2011102886672A
Authority: CN
Inventors: 李林; 唐自新; 陶利民; 翟君武; 王君娜; 杨福民; 黄佩诚; 王劼; 杨聪伟
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-03-21

Abstract

一种星地时间系统的钟差测量方法，首先由地面站向卫星发射一组激光脉冲，发射时间t_send固定在地面时统整秒之前的T_G时刻。卫星上的激光反射器将接收到的激光脉冲反射回地面站，同时卫星时差测量系统实时测量接收到所述激光脉冲的时刻与卫星星钟的时差，得到一组时差数据。对所述时差数据采用两次直方图法进行筛选，确定出选定的时差数据T_S。地面记录接收到卫星上的激光反射器反射回来的激光时刻t_rev，t_rev与t_send之差作为地面激光测距站测得的激光往返时间τ。最后利用公式

计算得到星地时间系统的钟差ΔT并下传至地面站。

Description

一种星地时间系统的钟差测量方法

技术领域

本发明涉及一种星地标准时间差的测量方法。

背景技术

高精度时间同步是卫星导航系统实现高精度导航定位的基础。国内外卫星导航系统(GPS、GLONASS、GALILEO)均使用了时间同步比对系统，对卫星系统的时间与地面时统的时间进行比对、测量，从而达到对星上高精度时钟的校准作用。激光时差测量是其中的一种方法。

激光时差测量系统在测量过程中，卫星设备将得到一组星地时间差数据。由于卫星遥测下传信道的限制，卫星设备必须对星地时间差数据进行第一步的筛选，筛选出有限的数据下传至地面测控系统，由地面测控系统作进一步的运算。如何从一组星地时间差数值中筛选出最合理有效的时间信息，是影响整个时差测量精度的关键。

数据筛选技术中，一般采用高斯分布、统计均质等误差统计方法进行处理，将噪音点进行过滤，并得出最终的数据。该类数据筛选方法计算较为复杂，而卫星设备由于受到重量、功耗等方面的限制，星上设备任务处理实时性的要求又较强，因此无法执行如此复杂的算法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星地时间系统的钟差测量方法，可以从激光时差测量数据中筛选出最接近实际情况的时差测量数据，提高激光时差测量系统的精度，进而为卫星导航系统提供高精度的时间同步。

本发明的技术解决方案是：一种星地时间系统的钟差测量方法，步骤如下：

(1)地面站向卫星发射一组激光脉冲，激光脉冲的发射时间t_send固定在地面时统整秒之前的T_G时刻；

(2)卫星上的激光反射器将接收到的激光脉冲反射回地面站，同时卫星时差测量系统实时测量接收到所述激光脉冲的时刻与卫星星钟的时差，得到一组时差数据；

(3)确定出卫星时差测量系统接收到所述激光脉冲的时刻与卫星星钟的时差的理论值，并由此得到时差数据的合法范围，从实测的时差数据中筛除合法范围之外的时差数据；然后对所述合法范围进行划分，统计落到每个区域内的时差数据量，选取数据量最多的区域作为采样区域；最后对采样区域再次进行划分，再次统计落到每个区域内的时差数据量，选取数据量最多的区域作为取值待选区，将待选区中的时差数据中间值作为最后选定的时差数据T_S；

(4)地面记录接收到卫星上的激光反射器反射回来的激光的时刻t_rev，t_rev与t_send之差作为地面激光测距站测得的激光往返时间τ；

(5)利用公式

计算得到星地时间系统的钟差ΔT；

(6)将得到的ΔT以及采样区域的数据量下传至地面站。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明星地时间系统的钟差测量方法可以有效的剔除各种空间环境干扰，并根据卫星实际的计算能力、遥测信道资源，利用简单可行的算法从有效的测时数据中挑选出合适的测时数据，卫星在轨情况表明，可以保证激光时差测量系统的精度，准确的获得星地标准时间差。

(1)在本发明方法中，地面使用激光作为时间测量的介质，由卫星设备测量地面发射来的激光与卫星高稳时钟的时间差T_S，配合以激光反射回地面的总时间τ、地面激光发射脉冲与秒脉冲的时间间隔T_G，来推断星载时钟的准确度，方法可靠、原理简单；

(2)为了防止空间环境中不同波长数据的干扰，本发明方法在测定地面发射来的激光与卫星高稳时钟的时间差T_S中，通过直方图法实现对数据源的筛选。通过对数据源的分析，数据源具有随机白噪声的特点，而激光束产生的测时数据具有类高斯分布的特点。直方图法可以排除空间环境中随机的波长干扰，所得到的采集区域可直观的确认选定区域即为实际测时数据存在的区域，排除数据干扰；

(3)本发明方法为精确的获得测时数据，使用两级筛选的方法。在所有数据的采集区内，第一级直方图的筛选，可将激光测时数据从随机白噪声中区分出来，第二级直方图的选取，可将有效激光测数据和受其它原因(激励源偏离、空间磁场改变)影响导致到达时间偏离的激光测时数据区分开来，从而获得准确的测时数据；

(4)本发明方法利用了星上设备的有限能力，合理选用了多级、简单筛选的机制，在尽可能简单的处理方法中获得了准确的测时数据。

附图说明

图1为本发明方法的原理图；

图2为本发明实施例中的测量数据筛选示意图。

具体实施方式

激光时差测量是利用激光粒子波长的同质性，由地面系统在固定时间向卫星发送激光束，星上设备记录收到的激光粒子时刻，初步筛选后将结果下传地面，由地面系统根据长时间的测时数据作最终的统计、处理。激光时差测时系统中，星上设备处理的理想数据为集中在10ns范围内的一些时间数据，最终处理的结果是这些时间数据中处于中间位置的一个数据。

本发明方法的主要步骤如下：

1、由地面站向卫星发射激光脉冲。激光脉冲发射时间固定在地面时统整秒的T_G时刻之前，以保证卫星收到该脉冲的时间在卫星时钟的秒脉冲之后的测量窗口以内。

2、卫星接收到激光脉冲，测定激光束到达时间与卫星时钟秒脉冲的时间差T_S。测定此时间差可分为以下几个步骤：

a.数据特性分析

空间环境中存在着各种高能粒子及各种特性的光源，有可能造成时差测量数据的误接收，因此星上设备处理需剔除各种干扰带来的野值。在合理的测量范围内，各种干扰也可能存在并影响最终结果，导致时差测量数据段中出现一些没有任何规律的数据，筛选时需将这些数据剔除。最后在剔除后的数据中，选取最密集的时差测量数据段中的数据。

b.数据初筛。

测量时面对的数据内容为空间中各种波长粒子打入时差测量窗口的的随机数据，及若干地面发射的激光粒子产生的测时数据。真正的测时数据与随机数据从强度、数量上均无法区分，唯一的不同在于真正的测时数据比较密集，而随机数据集中某一段数据的概率很低。数据初筛主要是通过理论计算出时差T_S的合法范围，通过简单的比较法筛除理论计算范围之外的时差测量数据。如激光测量系统仅可能产生2us以内的时差数据，数据初筛将剔除2us以上的时差数据，这些时差数据可能是受空间粒子等影响而产生的异常数据。

c.数据粗筛。

数据粗筛主要是利用直方图法，确定实际时差数据的区域。具体方法为将时间差T_S合法数据范围分为若干个区域，统计落到每个区域内的数据量，选取数据量最多的区域作为采样区域，并记录采样区域内数据的数据量，供使用时参考。

d.数据选定。

数据选定使用直方图法及均值法在采样区域内选取数据。首先将采集区域分为若干个区域，统计落到每个区域的数据量，选取数据量最多的区域作为取值待选区，最后在待选区域中挑选中间值作为最后选定的时差数据。

e.数据下传。

激光测时时差数据需进行长时间的累积，通过拟合来判断星钟的误差。卫星数据下传过程中，对每个时差数据打上时标，每秒下传一次最终选定的时差数据以及该时差数据所在采样区域的数据量，供地面拟合使用。

3、卫星反射器反射地面站发射的激光脉冲，被地面站接收，由此可以获得激光由地面站往返卫星的时间隔τ。

4、地面站根据卫星传送下来的星上时延量和测得的两个时延量可以得到卫星钟与地面钟之间的钟差，完成星地之间的时间比对。

如图1所示，假设卫星时和地面时的时差为ΔT。T_G为地面激光发射脉冲与地面秒脉冲的时间间隔，T_S为星上收到激光脉冲与星钟秒脉冲的时间间隔，τ为地面激光测距站测得的激光往返时间。那么星地时间系统的钟差ΔT可以表示为：

ΔT = \frac{τ}{2} - T_{G} - T_{S}

实施例

假设地面站向卫星发射激光脉冲，激光脉冲发射时间固定在地面时统整秒的T_G时刻之前。为方便测量，每整秒地面站A向卫星发送一组激光。某卫星中激光时差测量系统，可进行激光测量的频率为20HZ，每秒中激光时差测量系统可以获得共有20个测量数据，合理时差数据范围为0～2us。每秒内20个数据的发送时间依次为T0+50ms、T0+100ms、T0+150ms、T0+200ms......，卫星分别测量星上时间整秒T1后T1+50ms、T1+100ms、T1+150ms......与接收到地面发送的20组激光发送时刻的时间差，按照理论计算，20个测量数据完全相等，数值为T1-T0，即T_G。

但由于空间粒子的影响，激光时差测量系统测得的测量数据，将混入类白噪声的干扰数据，实际的测量数据中衰减较大的将被白噪声所代替。如T1+100ms的激光信号不如T1+101.12ms的空间粒子能量大，则收到的信号为T1+101.12ms。

此时，时差测量数据计算公式

中各个参数可用以下方法获得：

地面激光测距站测得的激光往返时间τ，可由地面接收到卫星上的激光反射器反射回来的激光的时刻t_rev，与地面发送激光的时刻t_send之差获得。

地面激光发射脉冲与秒脉冲的时间间隔T_G，综合地面激光器及控制系统的情况，最终选取发送时刻如表1所示：

表1 地面时统T0秒20组激光发送时刻

序号	时刻	序号	时刻
				1	T0	11	T0+500
2	T0+50ms	12	T0+550ms
				3	T0+100ms	13	T0+600ms
4	T0+150ms	14	T0+650ms
				5	T0+200ms	15	T0+700ms
6	T0+250ms	16	T0+750ms
				7	T0+300ms	17	T0+800ms
8	T0+350ms	18	T0+850ms
				9	T0+400ms	19	T0+900ms
10	T0+450ms	20	T0+950ms

星上收到激光脉冲与星钟秒脉冲的时间间隔T_S，要通过如下步骤来获得：

卫星依据卫星时钟，每整秒测量20组激光到达时刻，设卫星整秒时刻为T1，表2给出了理论和实测的：

表2 卫星时钟T1秒20组激光测量时刻及相应的时差

将实际测得数据按照以下步骤进行处理：

a.数据初筛。由于激光测时数据的时差有效范围为2ns，因此在数据筛选过程中，首先剔除合法范围之外的时差数据。1个小于0ns的测时数据被筛掉。

b.数据粗筛。根据测量要求及激光测时数据密集程度，在合法数据范围2ns内设计了40个小区域，如图2所示，则每个区域的时间范围为50ps。分别记录落在某个区域内的数据量，选取数据量最大的区域作为采集区域，并记录此区域内的数据量。此时950ps～1000ps区域被选中，共有7个测时数据落入到这个区域。

c.数据选定。依据测量要求及激光测时数据密集程度，数据选定时，对采集区域分为5个小区域，每个区域的时间范围为10ps。分别记录落在某个区域内的数据量，选取数据量最大的区域作为选定区域。此时960ps～970ps区域为选定区域，选定区域有3个数据，最终选定区域为3个数据的中间数据，数值为962ps。

d.数据下传。数据选定后，最终下传内容为数据量为7，数值为962ps，因此最终的T_S为962ps。

由此可以根据计算公式获取星地时间系统的钟差ΔT。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种星地时间系统的钟差测量方法，其特征在于步骤如下：

(5)利用公式

计算得到星地时间系统的钟差ΔT；

(6)将得到的ΔT以及采样区域的数据量下传至地面站。