CN103424755B - 一种导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化测试方法 - Google Patents

Abstract

一种导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化测试方法，用相位测量设备对卫星钟的输出信号进行相位测量，使用等间隔时间采集相位测量数据，长时间记录卫星钟输出切换开关动作前后的相位测量数据，并记录切换开关时刻，对切换前后的相位测试数据分别采用最小二乘法的曲线拟合，根据切换时刻对应的切换前后拟合值计算相位和频率的变化量。本方法可以降低卫星钟频率漂移和测量仪器对测试结果的影响，具有高测量精度。

Description

一种导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化测试方法

技术领域

本发明涉及一种导航卫星上所携带的卫星钟的时频性能测试方法。

背景技术

卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。在军事领域，卫星导航系统是实现武器平台精确导航定位和制导武器远程精确打击的关键支撑。世界各主要国家对卫星导航系统的建设和发展极为重视，美国和俄罗斯相继建成全球卫星导航系统GPS和GLONASS，欧盟目前正在进行GALILEO（伽利略）系统建设。我国目前已完成了区域的无源导航卫星系统，同时开展全球导航定位系统工程建设。

卫星钟是卫星导航定位系统的核心，它的功能是为导航系统提供精确稳定的频率源。卫星导航定位的精度在很大程度上依赖卫星钟的性能指标。要满足用户全天候、高精度需求，其中一个重要方面是要求卫星钟能提供连续、精确的、高完善性时钟信号。一颗导航卫星通常有两个卫星钟在加电，其中一个是主卫星钟，作为导航系统的频率基准，另一个为备卫星钟，作为主卫星钟的备份。

为了满足未来全球系统用户的需求，与其他全球导航系统具备等同的能力，我国未来的卫星导航系统对卫星钟的性能提出了高的要求，要求卫星钟主钟和备钟在进行切换时，卫星钟输出的频率变化非常小。因此，在卫星的研制和生产中，需要在各阶段对卫星主、备钟切换时的频率跳变精度进行测试，以确定研制的卫星钟是否满足主、备钟切换前后的频率跳变是否满足系统的要求。

对于卫星主、备钟切换时频率跳变精度的测量，采用传统的时频计量方法进行测量的过程是：通过长时间测量切换前的频率值求均值，然后长时间测量切换后的频率值求均值，前后两个均值相减来得到主、备钟切换的频率变化量。由于卫星钟的主钟和备钟都有频率漂移，而且导航系统对卫星钟主、备钟切换前后的频率跳变精度要求非常高，而测量时间内的漂移率足以影响测量结果，导致切换前后均值的变化与频率切换前后的频率变化可能存在较大误差。因此，采用传统的时频计量方法已经无法满足当前卫星研制对导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化的测试需要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化量的方法，可以显著减小卫星钟漂移对测试结果的影响，提高测量的精度。

本发明的技术解决方案是：一种导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化测试方法，步骤如下：

（1）设定第一星载原子钟作为卫星钟主钟的频率参考，设定第二星载原子钟作为卫星钟备钟的频率参考，并设定初始状态卫星钟的输出信号由主钟提供，在进行时钟切换后卫星钟的输出信号改由卫星钟备钟提供；所述的第一原子钟和第二原子钟均置于真空环境中；

（2）设定原子频标作为相位测试设备的频率参考，利用相位测量设备对卫星钟的输出信号进行相位测量，每秒一个测量值；首先，测量卫星钟主钟输出信号的相位，连续测量得到N个相位测量值在测量得到测量值时刻，进行卫星钟切换动作，继续测量卫星钟备钟输出信号的相位，连续测量得到N个相位测量值

（3）对切换前N个相位测量值进行二次曲线拟合，得到二次曲线前拟合系数，并利用得到的二次曲线前拟合系数计算得到切换时刻卫星钟相位的估计值

（4）对切换后N个相位测量值，预摘取卫星钟相位测量值 进行二次曲线拟合，K=5～30，得到二次曲线后拟合系数，并利用得到的二次曲线后拟合系数计算得到切换时刻卫星钟相位的估计值

（5）将与求差后的绝对值作为卫星钟切换时的相位变化测量值Δφ；

（6）对切换前的N个相位测量值前后求差，得到N-1个频差、……；对切换后的N个相位测量值 前后求差，得到N-1个频差；

（7）对卫星钟切换前的N－1个频差进行一次曲线拟合，得到一次曲线前拟合系数，并利用一次曲线前拟合系数计算得到切换时刻卫星钟频差的估计值

（8）对卫星钟切换后的N-1个频差，预摘取卫星钟相位测量值 进行一次曲线拟合，得到一次曲线后拟合系数，并利用一次曲线后拟合系数计算得到切换时刻卫星钟频差的估计值

（9）将与求差后的绝对值作为卫星钟切换时的频率变化测量值Δf。

本发明与现有技术相比的优点在于：传统频率计量手段中，采用切换前后长时间求均值相减方法，星载原子钟的漂移率影响测试结果的精度，不能真实反映卫星钟主、备钟切换时刻的频率和相位变化。本方面方法在测试数据基础上，通过建立原子钟频率偏差、频率漂移率与测试时间之间的关系模型，采用数值拟合算法实现导航卫星主备中切换的相位和频率跳变量的精确估计，首先剔除了卫星钟漂移率的影响以及大幅度抑制了测量噪声；其次通过模型建立数学拟合方程，实现卫星钟切换时刻频率和相位值的理想预测，消除了卫星钟切换时刻钟信号不连续引起的测量值抖动带来的影响。

附图说明

图1为本发明方法的测试原理图；

图2为本发明卫星钟切换时相位跳变测试数据处理示意图；

图3为本发明卫星钟切换时频率跳变测试数据处理示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。主要步骤如下：

（1）用高精度原子频标作为相位测试设备的频率参考，如主动型氢原子钟SOHM-4、MHM2010（Symmetricom公司产品）等，用相位测量设备对卫星钟（主钟或者备钟）的输出信号进行相位测量，相位测量设备通常采用Stanford公司短稳测试仪Picotime。要求高精度原子频标的频率精度比卫星钟的频率精度高一个数量级，且高精度原子频标的频率稳定度优于卫星钟频率稳定度三倍以上，相位测量数据采集设备每秒采集一次相位测量值；

（2）作为卫星钟主钟的频率参考的星载原子钟1，以及作为卫星钟备钟的频率参考的星载原子钟2均在模拟空间的真空环境中稳定工作。首先，测量卫星钟主钟输出信号的相位，连续测量时间长度为T1，得到N＝3600个相位测量值在测量得到测量值时刻，切换开关动作，实现卫星钟主钟信号与备钟信号的切换，继续测量卫星钟备钟输出信号的相位，连续测量时间长度为T2，得到N个相位测量值要求测量时间T1和T2大于等于3600；

（3）将卫星钟相位值随时间变化的模型表示为a₀,a₁,a₂分别为常数项、频偏系数和频率漂移系数，ε_k为随机噪声；

（4）根据卫星钟相位值模型，对切换前N个相位测量值进行最小二乘法的二次曲线拟合，得到采用相位差模型表示时卫星钟主钟的相位常数项频偏系数和频率漂移率系数

$\left[\begin{array}{c}{a}_0^1\\ a_1^1\\ a_2^1\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}N& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^3\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^4\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{*}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)x_i^{*}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2{x}_i^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

计算得到切换时刻卫星钟主钟相位值的估计值如图2的A点；

${\hat{x}}_N=a_0^1+a_1^1\·(N-1)+a_2^1\·{(N-1)}^2---\left(2\right)$

（5）根据卫星钟相位差模型，对切换后N个相位测量值，摘取卫星钟相位测量值进行最小二乘法的二次曲线拟合，K=5～30，得到卫星钟备钟的相位常数项频偏系数和频率漂移率系数

$\left[\begin{array}{c}{a}_0^2\\ a_1^2\\ a_2^2\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}N-K& \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)& \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2\\ \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)& \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2& \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^3\\ \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2& \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^3& \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^4\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^{*}\\ \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)x_i^{*}\\ \underset{i=2N-K}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2{x}_i^{*}\end{array}\right]---\left(3\right)$

计算得到切换时刻卫星钟备钟相位值的估计值如图2的B点；

${\tilde{x}}_N=a_0^2+a_1^2\·(N-1)+a_2^2\·{(N-1)}^2---\left(4\right)$

（6）切换时刻卫星钟主钟相位估计值与备钟相位估计值求差后的绝对值就是卫星钟主、备钟切换相位变化量的测量值Δφ；

$\mathrm{\Δ\φ}=|{\hat{x}}_N-{\tilde{x}}_N|---\left(5\right)$

（7）对相位测量值序列进行前后求差，得到卫星钟频差测量值序列。

假设测试设备的高精度参考原子频标频率为f₀，在测试中认为是恒定的理想值，卫星钟频率为f₁，则测量起始时刻的卫星钟的相位值为φ(0)，第i采样时刻卫星钟频率为f₁(i)，测量得到的卫星钟相位测量值为：

$\mathrm{\φ}\left(i\right)=\mathrm{\φ}\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}(f_1\left(k\right)-f_0)---\left(6\right)$

采样时刻(i+1)卫星钟频率为f₁(i+1),测量得到的卫星钟相位测量值为：

$\mathrm{\φ}(i+1)=\mathrm{\φ}\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{i+1}{\mathrm{\Σ}}}(f_1\left(k\right)-f_0)---\left(7\right)$

两个采样时刻i＋1和i的卫星钟相位测量值求差，得到i采样时刻卫星钟相对参考原子频标的频差：

Δf(i)=f(i+1)-f₀    （8）

对卫星钟切换时刻前N个相位测量值前后求差，得到N-1个卫星钟主钟与高精度原子频标之间频差、……

对卫星钟切换时刻后N个相位测量值前后求差，得到N-1个卫星钟主钟与高精度原子频标之间频差、…… $y_{2N-1}^{*}=x_{2N}^{*}-x_{2N-1}^{*}.$

（8）将卫星钟频差随时间变化的模型表示为y_k=b₀+b₁(k-1)+ζ_k，b₀,b₁分别为频偏系数和频率漂移系数，ζ_k为随机噪声；

（9）根据卫星钟频差模型，对卫星钟切换前的N－1个频差，进行最小二乘法的一次曲线拟合，得到卫星钟主钟的频偏系数和频率漂移率系数

$\left[\begin{array}{c}{b}_0^1\\ b_1^1\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}N-1& \underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)\\ \underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)& \underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^{*}\\ \underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)y_i^{*}\end{array}\right]---\left(9\right)$

计算得到切换时刻卫星钟频差估计值如图3的A点，

${\hat{y}}_{N-1}=b_0^1+b_1^1\·(N-2)---\left(10\right)$

（10）根据卫星钟频差模型，在卫星钟切换后N-1个频差值中，预摘取相位测量值进行最小二乘法的一次曲线拟合，得到卫星钟备钟的相位常数项频偏系数

$\left[\begin{array}{c}{b}_0^2\\ b_1^2\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}N-K-1& \underset{i=N+K}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)\\ \underset{i=N+K}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)& \underset{i=N+K}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(i-1)}^2\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=N+K}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^{*}\\ \underset{i=N+K}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}(i-1)y_i^{*}\end{array}\right]---\left(11\right)$

计算得到切换时刻卫星钟频差的估计值如图3的B点，

${\tilde{y}}_{N-1}=b_0^2+b_1^2\·(N-2)---\left(12\right)$

（11）切换时刻卫星钟频差估计值与求差后的绝对值就是卫星钟主、备钟切换频率变化测量值Δf；

$\mathrm{\Δf}=|{\tilde{y}}_{N-1}-{\hat{y}}_{N-1}|---\left(13\right)$

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)

1.一种导航卫星主备钟切换前后相位和频率变化测试方法，其特征在于步骤如下：

(1)设定第一星载原子钟作为卫星钟主钟的频率参考，设定第二星载原子钟作为卫星钟备钟的频率参考，并设定初始状态卫星钟的输出信号由主钟提供，在进行时钟切换后卫星钟的输出信号改由卫星钟备钟提供；所述的第一星载原子钟和第二星载原子钟均置于真空环境中；

(2)设定原子频标作为相位测试设备的频率参考，利用相位测试设备对卫星钟的输出信号进行相位测量，每秒一个测量值；首先，测量卫星钟主钟输出信号的相位，连续测量得到N个相位测量值在测量得到测量值时刻，进行卫星钟切换动作，继续测量卫星钟备钟输出信号的相位，连续测量得到N个相位测量值

(3)对切换前N个相位测量值进行二次曲线拟合，得到二次曲线前拟合系数，并利用得到的二次曲线前拟合系数计算得到切换时刻卫星钟相位的估计值

(4)对切换后N个相位测量值，预摘取卫星钟相位测量值 进行二次曲线拟合，K＝5～30，得到二次曲线后拟合系数，并利用得到的二次曲线后拟合系数计算得到切换时刻卫星钟相位的估计值

(5)将与求差后的绝对值作为卫星钟切换时的相位变化测量值Δφ；

(6)对切换前的N个相位测量值前后求差，得到N-1个频差 $y_1^{*}=x_2^{*}-x_1^{*},......y_{N-1}^{*}=x_n^{*}-x_{N-1}^{*};$ 对切换后的N个相位测量值 $x_{N+1}^{*},x_{N+2}^{*},......$ 前后求差，得到N-1个频差 $y_{N+1}^{*}=x_{N+2}^{*}-x_{N+1}^{*},......y_{2N-1}^{*}=x_{2N}^{*}-x_{2N-1}^{*};$

(7)对卫星钟切换前的N－1个频差进行一次曲线拟合，得到一次曲线前拟合系数，并利用一次曲线前拟合系数计算得到切换时刻卫星钟频差的估计值

(8)对卫星钟切换后的N-1个频差，预摘取卫星钟相位测量值 进行一次曲线拟合，得到一次曲线后拟合系数，并利用一次曲线后拟合系数计算得到切换时刻卫星钟频差的估计值

(9)将与求差后的绝对值作为卫星钟切换时的频率变化测量值Δf。