CN103675804B - 一种基于双星时间同步的星间测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双星时间同步的星间测距方法，在不依赖于GPS的基础上能够提高测距精度，能够满足现有测距需求。首先主星与从星约定对时时刻，在对时时刻到来后，双星进行时间同步；时间同步完成后，双星进行时钟频率同步。两步同步完成后，双星在同步后的时钟下工作，通过星间时间码的传输确定双星间之间的距离。

Description

一种基于双星时间同步的星间测距方法

技术领域

本发明属于星间测控测量领域，具体涉及一种基于双星时间同步的星间测距方法，可以大量应用于月球探测、火星探测、星间组网、空间站出舱等双星之间的测控、测距等任务中。

背景技术

为了实现空间目标的精确测量、准确跟踪、全空域覆盖、实时操控，以及提高测控系统的生存能力，卫星星座与卫星编队飞行技术是必须采用方法和手段。为了满足境外卫星监测及应急处理的可靠度，要求利用星间链路传输遥测数据、遥控指令、指令应答等数据以及进行星间测距。

美国的铱星星座、全球星和第三代GPS等大型星座，重力场测量编队等均采用了星间链路，可进行遥测、遥控、载荷信息传输和星间测量。以上这些星座的星间测距技术都是基于GPS的星间测距方式。

NOSS-2卫星是美国现役的海洋监视卫星系统，星座由4组卫星组成，每组包括3颗成员星；采用高性能红外探测器完成星间测距，测距定位精度为2km。

目前，国内XX-8卫星实现了三星组网在轨飞行，采用了星间双向时间比对技术实现星间高精度时间同步，通过前向（主星到副星）和返向（副星到主星）测控链路完成双向距离测量和测控数据交换。前向链路完成主星向副星发播遥控数据，返向链路完成副星向主星发播遥测数据。但其星间测距精度仅达到3米，不能满足后续星间高精度测距需求。

XX-4A/B卫星、XX-9A/B卫星、神舟飞船与天宫一号星间采用基于GPS相对定位原理的星间测量技术，测距精度在两星近距离时可达到0.5～0.15米。该方案测量精度较高，但依赖于GPS导航系统，发展和应用受限。

由以上叙述可以看出，采用了星间双向时间比对技术进行星间测距，其测距精度不高，已经不能满足现有测距需求。采用GPS相对定位原理的测距技术严重依赖于GPS导航系统，在体制上风险极大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于双星时间同步的星间测距方法，该方法在不依赖于GPS的基础上能够提高测距精度，能够满足现有测距需求。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于双星时间同步的星间测距方法，包括如下步骤：

步骤1、主星与从星约定对时时刻；

步骤2、双星时间同步：

双星到达各自的对时时刻之后，通过互发对时时间码，计算出各自收发对时时间码的时间差，并汇集到主星；主星根据自身和从星计算出的时间差计算从星相对于主星的时钟偏差，然后主星根据该时钟偏差发送修正命令来调整从星的时间，完成双星时间同步；

步骤3、双星时钟同步：

主星采用近距链路时间业务中的时钟同步业务，于时间T1开始等间隔进行帧发送，且发送多个帧；从星于时间T2收到了第一帧，则从星通过收到帧的时间即可算出从星收到第n帧的时间值T应为T2+Δt_B×n；Δt_B为从星收帧的帧间隔；

如果从星收到第n帧的时间值T等于T2+Δt_A×n，则说明双星时钟同步，Δt_A为已知的主星发帧的帧间隔；如果从星收到第n帧的时间值T不是T2+Δt_A×n，则说明双星时钟不同步，从星将自身星上的时间周期修正为：

$T_B=T_A+\frac{\mathrm{\Δ}{t}_A\×n-{\mathrm{\Δt}}_B\×n}{\frac{{\mathrm{\Δt}}_A\×n}{T_A}}$

T_A为已知的主星时钟周期，T_B为修正后的从星时钟周期；

步骤4、基于同步后的时钟，双星通过测距时间码的传输确定双星间之间的距离。

优选地，步骤1中，所确定的对时时刻为在接收测距指令之后3～5秒之内的整秒、整毫秒、整微秒、整纳秒时刻。

优选地，所述步骤1为：主星接收到测距指令后，根据主星时间，确定双星的对时时刻，并向从星发送包含所述对时时刻的对时指令。

优选地，所述步骤4为：主星发送测距时间码，从星接收之后再发回给主星，主星计算发送测距时间码和接收测距时间码之间的时间间隔，时间间隔减去时间码在从星内保持时间，即可得出测距时间码在星间双向传输的时间，从而计算出双星之间的距离。

有益效果：

双星时间同步的星间测距方法先完成双星之间时间同步+频率同步，然后通过星间发送时间码完成星间高精度测距功能，由于增加了频率同步，因此时钟精度大大提升，从而提高了测距精度，整个过程未采用GPS，杜绝了依赖于GPS导航系统所带来的问题。

此外，主星和从星之间的频率同步采用近距链路时间业务中的时钟同步业务，使得本测距方法不影响星间的遥控遥测等数据传输。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为星上时间码的构成。

图3为双向时间比对法原理图。

图4为频率修正方法示意图。

图5为测距过程的时间关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明基于双星时间同步的星间测距方法，先完成双星之间时间同步，然后通过星间发送时间码完成星间高精度测距功能，测距的同时不影响星间的遥控遥测等数据传输。

在该方法中，要保证时差测距精度，双星之间的时间同步是最关键的要素。时间同步有两种：频率同步和时钟同步。频率同步是指维持各钟的频率相同，但不考虑各钟的瞬时相位。时钟同步是指时钟在同一瞬时给出的时刻相同，即瞬时相位相同。时间同步要求各个时钟在维持频率同步的同时，还要严格维持相位同步。那么只有同时做到频率同步和时钟同步才能称之为时间同步。

图1为本发明流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1、双星首先完成测距命令接收和对时约定，完成测距准备工作。

步骤2、开始进行双星对时，完成双星时间同步；

步骤3、接着进行双星频率校准，完成从星相对于主星的时钟同步工作；

步骤4、最后完成星间测距工作，通过星间时间码的传输确定双星间之间的距离。

下面针对每个步骤进行详细描述

1、双星对时约定

地面控制系统发送测距指令或星上控制计算机等时发送测距指令。

主星接收到测距指令之后，根据主星时间，确定双星的对时时刻。一般约定时间选择在接收测距指令之后3—5秒之内的整秒、整毫秒、整微秒、整纳秒时刻。

主星确定对时时刻之后，给从星发送对时指令，其中包含对时时刻信息。

双星到达各自的对时时刻之后，双星同时发送对时时间码，开始对时操作。

本实施例中，双星之间的交互均采用星上时间码。时间码由P域（附加域）和T域（时间域）构成，P域定义了时间域的编码等参数，两个域都包含整数字节。本实施例采用了如图2所示的年-月-日表示法。

2、双星时间同步

主星和从星之间的时钟同步采用双向时钟比对法，在约定的对时时刻，双星同时发对时时间码，并在接收到对时时间码后，计算出收发对时时间码的时间差，然后从星将计算的时间差送给主星，主星根据两个时间差计算从星时钟偏差，即钟差，然后主星根据钟差发送修正命令来调整从星的时间，完成从星时间修正，使两星的时间同步。

具体参见图3，设设A星为主星，B星为从星，两星的钟差为Δ，A、B星分别在t_At、t_Bt时刻发送对时时间码，并且分别于t_Ar、t_Br时刻接收到对方的对时时间码。A星发送的对时时间码经过的延时为Δ2，B星发送的对时时间码经过的延时为Δ1。Δt₁为A星接收时刻与B星接收时刻之间的时延，Δt₂分别为B星发送时刻与A星发送时刻之间的时延，Δt_AA为A星收发时间隔离，Δt_BB为B星的收发时间隔离。

由于两星的传输路径相同，所以Δ1=Δ2，又因为Δ1+Δt₁=Δ2+Δt₂，所以Δt₁=Δt₂，即两星钟差Δ。所以有下式成立：

Δt_BB=Δt_AA+Δt₂+Δt₁=Δt_AA+2Δ

即得到两星钟差为：

Δ=0.5×（Δt_BB-Δt_AA）

3、双星时钟同步

时间同步之后，主星等间隔发送校时脉冲，从星接收并与内部时间比较，判断从星时间频率与主星的频差，完成从星时钟频率修正。

本实施例中，主星和从星之间的频率同步采用近距链路时间业务中的时钟同步业务。其原理参见图4。

主星与从星选择主星时钟作为主时钟。主星于时间T1开始发送包括控制参数信息（DT1）的帧，发送多个帧，帧间隔时间为Δt_A，Δt_A已知且固定，一般选择为1S。

从星于时间T2收到了第一帧，则从星根据帧接收时间即可算出从星收到第n帧的时间应为T2+Δt_B×n。Δt_B为从星收到帧的间隔时间，可以采用均值法计算。

如果从星收到第n帧的时间值等于T2+Δt_A×n，则说明主星与从星是时钟同步的。

如果从星收到第n帧的时间值不是T2+Δt_A×n，则二者时间不同步，从星要进行时钟的频率同步。

从星上实际的时间周期修正为T_B为B星修正之后的时钟周期，T_A为已知的主星的时钟周期，Δt_B为从星收帧的间隔时间，Δt_A为主星发帧的间隔时间。那么，Δt_A×n-Δt_B×n为n帧数据传输的时延差，为从星相对于主星发送一帧的时延差。

下面距离计算过程中以修正后的从星频率统计时间。

4、星间测距

时间同步和频率同步之后，主星发送测距时间码，从星接收之后再发回给主星，主星通过发送测距时间码和接收时间码之间的时间间隔，时间间隔减去时间码在从星内保持时间，就可以得出时间码在星间双向传输的时间，从而计算出双星之间的距离。

参见图5，采用双向时差测距体制，在星间利用双工异步通信链路，引入伪随机码直序扩频并配置高稳定度频标，在异步数据交互的单载波统一信道中实现双向测距。

主星发送测距信号，测距信号中包含发送时刻信息从星跟踪来自主星的测距信号，在时刻接收到测距信号，经过Δt时间之后从星将测距信号发送给主星（此时，测距信号中包含时间码在从星内的保持时间Δt）。主星跟踪来自从星的测距信号，主星记录再次接收到该帧的帧同步时刻T_r ^M。

主星利用下式解算两星之间距离

$\hat{r}=\frac{1}{2}c\×(T_r^M-T_t^M-\mathrm{\Δt})$

式中，c表示电磁波传播速度3×10⁸m/s。

以主星的本地时钟计数器为标准，以从星的本地时钟计数器为标准。

本发明的测距流程经过测距流程设计、测距精度计算、建模仿真等几个过程，仿真结果表明，测距流程和测距方案合理可行，测距实现过程简单可控，比较适合工程设计和工程应用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双星时间同步的星间测距方法，其特征在于，包括：

步骤1、主星与从星约定对时时刻；

步骤2、双星时间同步：

双星到达各自的对时时刻之后，通过互发对时时间码，计算出各自收发对时时间码的时间差，并汇集到主星；主星根据自身和从星计算出的时间差计算从星相对于主星的时钟偏差，然后主星根据该时钟偏差发送修正命令来调整从星的时间，完成双星时间同步；

步骤3、双星时钟同步：

主星采用近距链路时间业务中的时钟同步业务，于时间T1开始等间隔进行帧发送，且发送多个帧；从星于时间T2收到了第一帧，则从星通过收到帧的时间即可算出从星收到第n帧的时间值T应为T2+Δt_B×n；Δt_B为从星收帧的帧间隔；

如果从星收到第n帧的时间值T等于T2+Δt_A×n，则说明双星时钟同步，Δt_A为已知的主星发帧的帧间隔；如果从星收到第n帧的时间值T不是T2+Δt_A×n，则说明双星时钟不同步，从星将自身星上的时间周期修正为：

T_A为已知的主星时钟周期，T_B为修正后的从星时钟周期；

步骤4、基于同步后的时钟，双星通过测距时间码的传输确定双星间之间的距离，该步骤具体为：主星发送测距信号，测距信号中包含发送时刻信息从星跟踪来自主星的测距信号，在时刻接收到测距信号，经过Δt时间之后从星将测距信号发送给主星，此时，测距信号中包含时间码在从星内的保持时间Δt，主星跟踪来自从星的测距信号，主星记录再次接收到该帧的帧同步时刻

主星利用下式解算两星之间距离

式中，c表示电磁波传播速度3×10⁸m/s，

以主星的本地时钟计数器为标准，以从星的本地时钟计数器为标准。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所确定的对时时刻为在接收测距指令之后3～5秒之内的整秒、整毫秒、整微秒、整纳秒时刻。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤1为：主星接收到测距指令后，根据主星时间，确定双星的对时时刻，并向从星发送包含所述对时时刻的对时指令。