CN103345146B - 一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法，通过搭建轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统、距离计算模块（7）确定地球站到卫星的距离、控制量计算模块（8）确定1PPS相位控制字、脉冲调整模块（9）调节秒脉冲和数据补偿模块（10）补偿1PPS调节操作产生的测量偏差，完成对卫星双向时间传递系统中卫星轨道摄动的补偿。本发明抵消了卫星轨道摄动在正反两个方向上引起的时间信号传输时延的变化，极大地降低卫星轨道摄动的影响，提高了卫星双向实时时间传递的精度。

Description

一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法

技术领域

本发明涉及一种卫星轨道摄动补偿方法，特别是一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法。

背景技术

卫星双向法时间传递方法是一种高精度的时间传递技术，它利用地球同步通信卫星转发时间传递地球站间的定时调制信息，实现各站时间信息交互和高精度时差测量，该方法从上世纪60年代提出以来，一直受到广泛的重视，特别是近年来卫星通信与伪码扩频技术的进步，使得卫星双向时间传递系统的精度进一步提升，成本和体积不断降低，目前卫星双向时间传递已经成为国际原子时(TAI)计算、标准时间溯源的主要手段，并在高精度站间同步、无线电导航等领域广泛应用。

卫星双向时间传递系统一般由两个或多个站协同工作，每个站主要包括时间传递调制解调器、卫通收发机和卫通天线等设备，本地秒信号由时间传递调制解调器直接调制到中频，再经卫通收发机放大，由天线发送给通信卫星；同时，卫通收发机接收由卫星转发的时间信号，经调制解调器解调后恢复初秒脉冲，并测出本地秒信号与恢复秒信号的时间间隔，对各站测得的时间间隔进行比较，获得各站时差信息。在卫星双向时间传递过程中，卫星轨道摄动会降低时间传递的精度，影响程度约在0.3ns，具体大小取决于地面站与卫星之间的几何关系、两站触发调制脉冲之时间间隔等因素。现有的卫星双向时间传递系统均没有考虑降低卫星轨道摄动误差的影响，使得系统的时间传递精度难以进一步提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法，解决卫星轨道摄动引起的卫星双向时间传递误差的问题。

一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法的具体步骤为：

第一步搭建轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统

轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统，包括：卫星双向时间传递系统和轨道摄动补偿装置。其中，卫星双向时间传递系统，包括：主原子钟、主地球站、从原子钟和从地球站；轨道摄动补偿装置，包括：距离计算模块、控制量计算模块、脉冲调整模块和数据补偿模块。

轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统是在卫星双向时间传递系统从原子钟和从地球站间串联轨道摄动补偿装置来实现的。轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统中，主原子钟输出的10MHz和1PPS信号直接和主地球站的参考输入端相连。从原子钟输出的10MHz和1PPS信号则与轨道摄动补偿装置参考输入端相连，轨道摄动补偿装置的1PPS和10MHz输出端口再与从地球站的参考输入端相连，轨道摄动补偿装置数据采集端口与从地球站数据输出端口相连。

距离计算模块的功能为：根据本地地球站地理坐标和通信卫星的卫星定点坐标，分别计算主地球站、从地球站到卫星的距离，并将计算结果输入至控制量计算模块。

控制量计算模块的功能为：将主地球站、从地球站到卫星的距离求差并除以光速，得到两站触发调制脉冲到达卫星转发器的时间差，减去两站的粗略钟差，得到相位超前滞后控制量，上报给脉冲调整模块。

脉冲调整模块的功能为：根据输入的控制量，对本地秒信号进行超前滞后调节，控制量为正则表示滞后调节，控制量为负表示超前调节。

数据补偿模块的功能为：根据相位控制量对最终的双向数据进行补偿，得到最终的两站秒脉冲时差数据。

第二步距离计算模块确定地球站到卫星的距离

根据实际时间传递需要，将卫星双向时间传递系统主地球站和从地球站布置在适当的位置。利用GPS接收机测得的或测绘部门给出的地球站点大地坐标，通过转换公式(1)得到地球站在WGS84坐标系下的直角坐标。

$\left\{\begin{array}{c}x=(N+h)cos\mathrm{\φ}cos\mathrm{\λ}\\ y=(N+h)cos\mathrm{\φ}sin\mathrm{\λ}\\ z=\[N(1-e^2)+h\]sin\mathrm{\φ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，(x,y,z)为站点的直角坐标；e为椭球偏心率；N为卯酉圆曲率半径；φ为纬度；λ为经度；h为海拔。

椭球偏心率和卯酉圆曲率半径由椭球体长半轴半径a和短半轴半径b计算得到，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\\ N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

为了表示方便，卫星双向时间传递主、从地球站分别用A站和B站来表示，地球站坐标分别用(x_A,y_A,z_A)，(x_B,y_B,z_B)表示，根据卫星的经度、纬度、高度，可得卫星的直角坐标为(x_S,y_S,z_S)，则A站、B站两地球站到卫星的距离分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_A=\sqrt{{(x_A-x_S)}^2+{(y_A-y_S)}^2+{(z_A-z_S)}^2}\\ r_B=\sqrt{{(x_B-x_S)}^2+{(y_B-y_S)}^2+{(z_B-z_S)}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

公式(3)中，r_A为A站到卫星的距离；r_B为B站到卫星的距离。

第三步控制量计算模块确定1PPS相位控制字

根据两站到卫星的距离差，再确定相位调节控制量。首先测量A站、B站的粗略钟差，采用外接GPS定时接收机与时间间隔计数器进行测量，或者直接建立卫星双向链路进行测量，测得的粗略钟差为Δτ_BA，B站超前时Δτ_BA为正值。

考虑脉冲调整模块安装在B站的情况，相位调节量为：

${\mathrm{\τ}}_B=\frac{r_B-r_A}{c}+{\mathrm{\Δ\τ}}_{BA}---\left(4\right)$

公式(4)中，c为光速。

当τ_B为正数时，则将1PPS滞后调节τ_Bs；当τ_B为负数时，则将1PPS滞后调节1-τ_Bs。脉冲调整模块是以100ns为最小步进进行相位调节，所以实际输送给脉冲调整模块的相位控制字为：

公式(5)中，Phase_adjust为相位控制字；[·]表示取整数。

第四步脉冲调整模块调节秒脉冲

脉冲调整模块接收从站原子钟输入的10MHz和1PPS信号，根据相位控制字对输入的1PPS进行相位调节，并将调节后的1PPS信号和对应的相参10MHz信号输送给从地球站中。

第五步数据补偿模块补偿1PPS调节操作产生的测量偏差

完成相位调整后，将调整后秒脉冲信号输送至卫星双向时间传递系统从地球站，从地球站将测得本地调整脉冲与远程站秒脉冲之时间差，差值为正，则表示从站秒脉冲超前于主站秒脉冲；差值为负值，则表示从站秒脉冲滞后于主站秒脉冲。此时，从地球站给出的测量值为主站原子钟1PPS与经过调节后轨道摄动补偿装置输出1PPS之间的时差，而非主站原子钟和从站原子钟的秒脉冲之间的时差，为了得到主站原子钟、从站原子钟原始秒脉冲之差，需要对测量数据进行补偿，具体补偿方式是在从站测量数据上加上τ_B分量。

${\mathrm{\ΔT}}_{BA}=\mathrm{\Δ}{\hat{T}}_{BA}+{\mathrm{\τ}}_B---\left(6\right)$

公式(6)中，ΔT_BA为最终的主从站钟差测量数据，为从站卫星双向时间传递系统测量数据。

至此，完成对卫星双向时间传递系统中卫星轨道摄动的补偿。

本发明通过在卫星双向时间传递从原子钟和从地球站间串接轨道摄动补偿装置，计算时间传递主、从地球站到卫星的距离，进而得到从原子钟1PPS信号的调节量，并进行调节，再通过数据补偿模块补偿1PPS调节操作，从而实现卫星双向时间传递主、从地球站发送信号几乎能在同一时刻到达卫星转发器，抵消了卫星轨道摄动在正反两个方向上引起的时间信号传输时延的变化，极大地降低卫星轨道摄动的影响，提高了卫星双向实时时间传递的精度。

附图说明

图1一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法所述的轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统的示意图。

1.卫星双向时间传递系统2.主地球站3.从地球站4.主站原子钟

5.从站原子钟6.轨道摄动补偿装置7.距离计算模块8.控制量计算模块

9.脉冲调整模块10.数据补偿模块。

具体实施方式

一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法的具体步骤为：

第一步搭建轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统

轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统，包括：卫星双向时间传递系统1和轨道摄动补偿装置6。其中，卫星双向时间传递系统1，包括：主原子钟、主地球站2、从原子钟和从地球站3；轨道摄动补偿装置6，包括：距离计算模块7、控制量计算模块8、脉冲调整模块9和数据补偿模块10。

轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统是在卫星双向时间传递系统1从原子钟和从地球站3间串联轨道摄动补偿装置6来实现的。轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统中，主原子钟输出的10MHz和1PPS信号直接和主地球站2的参考输入端相连。从原子钟输出的10MHz和1PPS信号则与轨道摄动补偿装置6参考输入端相连，轨道摄动补偿装置6的1PPS和10MHz输出端口再与从地球站3的参考输入端相连，轨道摄动补偿装置6数据采集端口与从地球站3数据输出端口相连。

距离计算模块7的功能为：根据本地地球站地理坐标和通信卫星的卫星定点坐标，分别计算主地球站2、从地球站3到卫星的距离，并将计算结果输入至控制量计算模块8。

控制量计算模块8的功能为：将主地球站2、从地球站3到卫星的距离求差并除以光速，得到两站触发调制脉冲到达卫星转发器的时间差，减去两站的粗略钟差，得到相位超前滞后控制量，上报给脉冲调整模块9。

脉冲调整模块9的功能为：根据输入的控制量，对本地秒信号进行超前滞后调节，控制量为正则表示滞后调节，控制量为负表示超前调节。

数据补偿模块10的功能为：根据相位控制量对最终的双向数据进行补偿，得到最终的两站秒脉冲时差数据。

第二步距离计算模块7确定地球站到卫星的距离

根据实际时间传递需要，将卫星双向时间传递系统主地球站2和从地球站3布置在适当的位置。利用GPS接收机测得的或测绘部门给出的地球站点大地坐标，通过转换公式(1)得到地球站在WGS84坐标系下的直角坐标。

$\left\{\begin{array}{c}x=(N+h)cos\mathrm{\φ}cos\mathrm{\λ}\\ y=(N+h)cos\mathrm{\φ}sin\mathrm{\λ}\\ z=\[N(1-e^2)+h\]sin\mathrm{\φ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，(x,y,z)为站点的直角坐标；e为椭球偏心率；N为卯酉圆曲率半径；φ为纬度；λ为经度；h为海拔。

椭球偏心率和卯酉圆曲率半径由椭球体长半轴半径a和短半轴半径b计算得到，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\\ N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

为了表示方便，卫星双向时间传递主、从地球站3分别用A站和B站来表示，地球站坐标分别用(x_A,y_A,z_A)，(x_B,y_B,z_B)表示，根据卫星的经度、纬度、高度，可得卫星的直角坐标为(x_S,y_S,z_S)，则A站、B站两地球站到卫星的距离分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_A=\sqrt{{(x_A-x_S)}^2+{(y_A-y_S)}^2+{(z_A-z_S)}^2}\\ r_B=\sqrt{{(x_B-x_S)}^2+{(y_B-y_S)}^2+{(x_B-z_S)}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

公式(3)中，r_A为A站到卫星的距离；r_B为B站到卫星的距离。

第三步控制量计算模块8确定1PPS相位控制字

根据两站到卫星的距离差，再确定相位调节控制量。首先测量A站、B站的粗略钟差，采用外接GPS定时接收机与时间间隔计数器进行测量，或者直接建立卫星双向链路进行测量，测得的粗略钟差为Δτ_BA，B站超前时Δτ_BA为正值。

考虑脉冲调整模块9安装在B站的情况，相位调节量为：

${\mathrm{\τ}}_B=\frac{r_B-r_A}{c}+{\mathrm{\Δ\τ}}_{BA}---\left(4\right)$

公式(4)中，c为光速。

当τ_B为正数时，则将1PPS滞后调节τ_Bs；当τ_B为负数时，则将1PPS滞后调节1-τ_Bs。脉冲调整模块9是以100ns为最小步进进行相位调节，所以实际输送给脉冲调整模块9的相位控制字为：

公式(5)中，Phase_adjust为相位控制字；[·]表示取整数。

第四步脉冲调整模块9调节秒脉冲

脉冲调整模块9接收从站原子钟5输入的10MHz和1PPS信号，根据相位控制字对输入的1PPS进行相位调节，并将调节后的1PPS信号和对应的相参10MHz信号输送给从地球站3中。

第五步数据补偿模块10补偿1PPS调节操作产生的测量偏差

完成相位调整后，将调整后秒脉冲信号输送至卫星双向时间传递系统从地球站3，从地球站3将测得本地调整脉冲与远程站秒脉冲之时间差，差值为正，则表示从站秒脉冲超前于主站秒脉冲；差值为负值，则表示从站秒脉冲滞后于主站秒脉冲。此时，从地球站3给出的测量值为主站原子钟41PPS与经过调节后轨道摄动补偿装置6输出1PPS之间的时差，而非主站原子钟4和从站原子钟5的秒脉冲之间的时差，为了得到主站原子钟4、从站原子钟5原始秒脉冲之差，需要对测量数据进行补偿，具体补偿方式是在从站测量数据上加上τ_B分量。

${\mathrm{\ΔT}}_{BA}=\mathrm{\Δ}{\hat{T}}_{BA}+{\mathrm{\τ}}_B---\left(6\right)$

公式(6)中，ΔT_BA为最终的主从站钟差测量数据，为从站卫星双向时间传递系统测量数据。

至此，完成对卫星双向时间传递系统中卫星轨道摄动的补偿。

Claims (1)

1.一种用于卫星双向时间传递的卫星轨道摄动补偿方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

第一步搭建轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统

轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统，包括：卫星双向时间传递系统(1)和轨道摄动补偿装置(6)；其中，卫星双向时间传递系统(1)，包括：主原子钟、主地球站(2)、从原子钟和从地球站(3)；轨道摄动补偿装置(6)，包括：距离计算模块(7)、控制量计算模块(8)、脉冲调整模块(9)和数据补偿模块(10)；

轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统是在卫星双向时间传递系统(1)从原子钟和从地球站(3)间串联轨道摄动补偿装置(6)来实现的；轨道摄动补偿卫星双向时间传递系统中，主原子钟输出的10MHz和1PPS信号直接和主地球站(2)的参考输入端相连；从原子钟输出的10MHz和1PPS信号则与轨道摄动补偿装置(6)参考输入端相连，轨道摄动补偿装置(6)的1PPS和10MHz输出端口再与从地球站(3)的参考输入端相连，轨道摄动补偿装置(6)数据采集端口与从地球站(3)数据输出端口相连；

距离计算模块(7)的功能为：根据本地地球站地理坐标和通信卫星的卫星定点坐标，分别计算主地球站(2)、从地球站(3)到卫星的距离，并将计算结果输入至控制量计算模块(8)；

控制量计算模块(8)的功能为：将主地球站(2)、从地球站(3)到卫星的距离求差并除以光速，得到两站触发调制脉冲到达卫星转发器的时间差，减去两站的粗略钟差，得到相位超前滞后控制量，上报给脉冲调整模块(9)；

脉冲调整模块(9)的功能为：根据输入的控制量，对本地秒信号进行超前滞后调节，控制量为正则表示滞后调节，控制量为负表示超前调节；

数据补偿模块(10)的功能为：根据相位控制量对最终的双向数据进行补偿，得到最终的两站秒脉冲时差数据；

第二步距离计算模块(7)确定地球站到卫星的距离

根据实际时间传递需要，将卫星双向时间传递系统主地球站(2)和从地球站(3)布置在适当的位置；利用GPS接收机测得的或测绘部门给出的地球站点大地坐标，通过转换公式(1)得到地球站在WGS84坐标系下的直角坐标；

$\left\{\begin{array}{c}x=\left(N+h\right)\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\λ}\\ y=\left(N+h\right)\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\λ}\\ z=\[N\left(1-e^2\right)+h\]\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，(x,y,z)为站点的直角坐标；e为椭球偏心率；N为卯酉圆曲率半径；φ为纬度；λ为经度；h为海拔；

椭球偏心率和卯酉圆曲率半径由椭球体长半轴半径a和短半轴半径b计算得到，公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\\ N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

为了表示方便，卫星双向时间传递主、从地球站(3)分别用A站和B站来表示，地球站坐标分别用(x_A,y_A,z_A)，(x_B,y_B,z_B)表示，根据卫星的经度、纬度、高度，可得卫星的直角坐标为(x_S,y_S,z_S)，则A站、B站两地球站到卫星的距离分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_A=\sqrt{{(x_A-x_S)}^2+{(y_A-y_S)}^2+{(z_A-z_S)}^2}\\ r_B=\sqrt{{(x_B-x_S)}^2+{(y_B-y_S)}^2+{(z_B-z_S)}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

公式(3)中，r_A为A站到卫星的距离；r_B为B站到卫星的距离；

第三步控制量计算模块(8)确定1PPS相位控制字

根据两站到卫星的距离差，再确定相位调节控制量；首先测量A站、B站的粗略钟差，采用外接GPS定时接收机与时间间隔计数器进行测量，或者直接建立卫星双向链路进行测量，测得的粗略钟差为Δτ_BA，B站超前时Δτ_BA为正值；

考虑脉冲调整模块(9)安装在B站的情况，相位调节量为：

${\mathrm{\τ}}_B=\frac{r_B-r_A}{c}+{\mathrm{\Δ\τ}}_{BA}---\left(4\right)$

公式(4)中，c为光速；

当τ_B为正数时，则将1PPS滞后调节τ_Bs；当τ_B为负数时，则将1PPS滞后调节1-τ_Bs；脉冲调整模块(9)是以100ns为最小步进进行相位调节，所以实际输送给脉冲调整模块(9)的相位控制字为：

公式(5)中，Phase_adjust为相位控制字；[·]表示取整数；

第四步脉冲调整模块(9)调节秒脉冲

脉冲调整模块(9)接收从站原子钟(5)输入的10MHz和1PPS信号，根据相位控制字对输入的1PPS进行相位调节，并将调节后的1PPS信号和对应的相参10MHz信号输送给从地球站(3)中；

第五步数据补偿模块(10)补偿1PPS调节操作产生的测量偏差

完成相位调整后，将调整后秒脉冲信号输送至卫星双向时间传递系统从地球站(3)，从地球站(3)将测得本地调整脉冲与远程站秒脉冲之时间差，差值为正，则表示从站秒脉冲超前于主站秒脉冲；差值为负值，则表示从站秒脉冲滞后于主站秒脉冲；此时，从地球站(3)给出的测量值为主站原子钟(4)1PPS与经过调节后轨道摄动补偿装置(6)输出1PPS之间的时差，而非主站原子钟(4)和从站原子钟(5)的秒脉冲之间的时差，为了得到主站原子钟(4)、从站原子钟(5)原始秒脉冲之差，需要对测量数据进行补偿，具体补偿方式是在从站测量数据上加上τ_B分量；

${\mathrm{\ΔT}}_{BA}=\mathrm{\Δ}{\hat{T}}_{BA}+{\mathrm{\τ}}_B---\left(6\right)$

公式(6)中，ΔT_BA为最终的主从站钟差测量数据，为从站卫星双向时间传递系统测量数据；

至此，完成对卫星双向时间传递系统中卫星轨道摄动的补偿。