CN107395309A - 基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，旨在提供一种测量精度高的测距与时间同步。本发明通过下述技术方案予以实现：分别以两颗卫星A、B各自的星载频标为基准建立星间链路，将测速信息和时钟误差纳入动态误差模型；A、B两颗卫星在接收时隙内，分别对接收到的对方信号进行捕获、跟踪、解调，恢复出信息帧，联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距；最后，A星和B星分别将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，两星各自独立的利用本地测得的修正伪距和接收信息帧中解调出来的对方修正伪距，通过计算得到星间相对距离值和时差，并对两星进行时钟调整，修正卫星星历与时钟参数。

Description

基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法
技术领域
本发明涉及一种基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法。
背景技术
卫星星间链路的研究工作在国外开展得比较早，目前在国际上已经得到了较为广泛的应用，主要应用于GPS卫星导航系统、跟踪与数据中继卫星系统、通信系统、中低轨道通信卫星网络系统、海洋和地面观测卫星系统等。同时，随着小卫星的发展，为了保持卫星编队飞行的构型，卫星之间需要进行距离测量、时间同步和控制指令传输等，因此建立可靠的星间链路是非常必要的。利用卫星星间链路实现星间通信，完成故障检测及处理、运行管理、高速数传和载荷协同任务等，使卫星系统具有较好的机动性和可重构性。另外，卫星导航系统的发展，为了使得导航卫星在缺少地面支持的情况下依然能正常工作和自主运行，在导航卫星星座之间增加星间链路也是十分必要的。
导航星间链路广泛适用于卫星精密定轨与时间同步,并且覆盖了星座内的中高轨卫星, 因此可作为一种理想的星间高精度测量手段.现有的导航星间链路时间同步测量方法依赖于导航卫星具备星历信息,并不适用于位置精度较低且空间信息缺乏完整性的任意空间飞行器。近年来随着卫星应用需求的日益发展，编队飞行实现空间虚拟探测逐渐成为航天技术及应用中最活跃、最具潜力的前沿技术。其中，星间链路测量就是卫星编队与卫星星座系统研究中亟需解决的一项关键技术。空间卫星的相对距离和钟面时差的准确测量，是完成特定任务的重要基础。双星无源时差频差联合定轨精度能主要由卫星的位置和运动速度，星间的基线距离，辐射信号载波的频率等参数所决定。因此，对星间的测距、测速和基线测量的精度就直接关系到系统定位性能。在多星自主运行的模式下，卫星之间通过星间链路进行测距，获得双向测距信息，同时利用星载计算机对测距信息进行处理，处理结果得到高精度的轨道信息和星钟同步信息，这就可以生成提供给用户的导航信息。
目前，星间相对测量通常采用光学链路和微波链路，其中光学链路的特点是传输速率高，相对距离测量精度高，但存在捕获跟踪时间长，技术难度大、不成熟的问题，同时并不适合星间组网节点数目较多时的通信。与光学链路相比，微波链路的传输数据率低，但其测量精度也可达到厘米级，支持多条链路同时通信，因此星间测量多采用微波链路。采用微波链路测量时，主要的测量体制包括了单向测距体制、相干模式测距体制、双程转发测距体制以及双向单程测距体制。卫星之间的时间同步包括时间同步的建立和保持两方面内容。时间同步的建立是将各卫星时钟与某一标准时钟或某颗卫星(主星)对准，时间同步的保持则是依靠高精度的星载原子钟和星间时间比对控制本地时钟，使之与标准时钟的误差维持在一定范围之内。小卫星之间相对测距和时间同步对于星间相对状态信息获取、星间协同控制和任务来说都是必须的
通过星间链路完成卫星间的协同控制，提高卫星自主生存和自主管理能力，一个重要的前提是实现星间相对测距和时间同步。双向时间同比对是现行GPS导航星座实现时间同步的主要方法。参加编队的A星与B星分别配置卫星时频单元,A星与B星之间的时差定义为两星的卫星时频单元输出秒脉冲前沿间的时差。参加比对的A星和B星收发信号频率不同，分别利用各自的设备发送定时信号，并接收来自对方的定时信号,采用伪码测距技术进行星间测量。虽然双向比对法对消了传播路径的影响，使其测量的精度得到了提高，但是基于星间链路的星间双向时间同步比对是利用链路同一时刻的双向伪距的测量值计算该时刻的钟差值，在实际工程中绝对同时测量很难实现,间隔期内由于星间高速相对运动会引起二者距离变化,最终会使计算得到的钟差值产生误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种测量精度高，易于实现两颗星之间的高精度相对测距与时间同步--基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于包括如下步骤：分别以两颗卫星A、B各自的星载频标为基准建立星间链路，将测速信息和时钟误差纳入动态误差模型；然后，通过建立在各颗卫星之间的星间测量链路，在卫星A、B的发射时隙到来时刻，A星和B星分别向对方发送结构相同的信息帧，两颗卫星在接收时隙内，A星和B星分别对接收到的对方信号进行捕获、跟踪、解调，恢复出信息帧，并在两颗卫星的测量时隙同步头前沿时刻提取本地历元时，联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距；再利用动态误差模型对两星之间由于相对运动产生的，伪距测量误差进行补偿和修正；最后，A星和B星分别将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，两星各自独立地利用本地测得的修正伪距和接收信息帧中解调出来的对方伪距，联合修正后的伪距值，通过计算得到高精度的星间相对距离值和时间同步差，并对两星进行时间同步调整，修正卫星星历与时钟参数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
测量精度高。本发明通过建立在各颗卫星之间的星间链路，进行卫星双向伪距测量与通信，获得卫星相对距离和卫星钟面时刻差的测量值，实现两颗星之间的高精度相对测距与时间同步。采用双向单程测量技术可以消除传播路径上的信号传输延迟等误差项，同时利用动态误差模型对两星之间由于相对运动产生的伪距测量值误差进行补偿和修正，测量精度高。
易于实现。本发明采用分别以两颗卫星A、B各自的星载频标为基准建立星间链路，将速度信息引入到测量模型中，通过建立在两颗卫星之间的星间链路，进行卫星双向伪距测量与数据通信，获得星间相对距离和卫星钟面时刻差的测量，易于实现多颗星之间的高精度相对测距与时间同步。
本发明能够被星座、星群、编队卫星等卫星组网条件下的星间高精度相对测量领域，也能扩展应用于无人机、机群之间的队形保持等领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明基于星间链路的高精度相对测距与时间同步的流程图。
图2为本发明双向测量原理与时序图。
图3为本发明卫星相对运动补偿示意图。
具体实施方式
参照图1。本发明基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法的工作原理是：首先，建立链路的两颗卫星A、B分别以各自的星载频标为基准，两颗卫星分别在各自发射时隙到来时刻向对方发送结构相同的信息帧；然后，卫星A、B在接收时隙内，对接收到的对方信号进行捕获、跟踪、解调，恢复出信息帧，并在测量时隙同步头前沿时刻提取本地历元时，联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距；再然后，利用动态误差模型对两星之间由于相对运动产生伪距测量误差进行补偿和修正；最后，将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，两星各自独立地利用本地测得的修正伪距和接收信息帧中解调出来的对方修正伪距，通过计算得到高精度的星间相对距离值和时差，并对两星进行时钟调整，修正卫星星历与时钟参数。
参阅图2。星间双向测量与数据交换通过星间链路来实现。两颗相互可见的卫星之间互发无线电波，通过伪码的同步和测量码多普勒分别获得它们之间的伪距与伪距率，在两颗卫星A、B发射时隙到来时刻分别向对方发送结构相同的信息帧；卫星在接收时隙内，对接收到的对方信号进行捕获、跟踪、解调，恢复出信息帧，并在测量时隙同步头前沿时刻提取本地历元时，两颗卫星A、B联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距
式中，TBA是卫星A测量获得的本地伪距测量值，TAB是卫星B测量获得的本地伪距测量值， tAB(tA)是指卫星A在tA时刻发射的信号到达卫星B所经过的空间传播延迟，τBA(tB)是指卫星B在tB时刻发射的信号到达卫星A时所经过的空间传播延迟，tA是指以卫星A时钟为参考的某个发射时隙开始时刻，tB是以卫星B时钟为参考的发射时隙开始时刻，Δt为卫星A、B发射或接收测距信号时两星之间的钟差；τtA和τrA分别为卫星A的硬件发射时延和接收时延，τtB和τrB分别为卫星B的硬件发射时延和接收时延，ετA和ετB是指由于星载频标的准确度引起的不确定项。
参阅图3。利用动态误差模型对两星之间由于相对运动产生伪距测量误差进行补偿和修正。两颗卫星A、B分别将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，各自独立地利用本地测得修正伪距和接收信息帧中解调出来的对方伪距，高精度计算出两颗卫星A、B 星间相对距离值和时间同步差，并对A、B两星进行时间同步调整。
修正之后的时延值代入式(1)的双向单程测量中，经过计算得到修正之后的A、B两卫星之间距离为ρ：
式中，υA，υB分别为卫星A与B在其连线上的径向速度，c为光速，c'为修正之后的光速。
由于卫星的运动，考虑到经过校准之后发射时延τtA和τtB为小量，在此时间段内可认为距离ρ不变。
A星时标到达B星的时延为
B星时标到达A星的时延为
同理，经过计算得到的A、B星间钟差为：
式中，c”为经过修正后的光速。

Claims (7)

1.一种基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于包括如下步骤：分别以两颗卫星A、B各自的星载频标为基准建立星间链路，将测速信息和时钟误差纳入动态误差模型；然后，通过建立在各颗卫星之间的星间测量链路，在卫星A、B的发射时隙到来时刻，A星和B星分别向对方发送结构相同的信息帧，两颗卫星在接收时隙内，A星和B星分别对接收到的对方信号进行捕获、跟踪、解调，恢复出信息帧，并在两颗卫星的测量时隙同步头前沿时刻提取本地历元时，联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距；再利用动态误差模型对两星之间由于相对运动产生的，伪距测量误差进行补偿和修正；最后，A星和B星分别将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，两星各自独立的利用本地测得的修正伪距和接收信息帧中解调出来的对方修正伪距，通过计算得到高精度的星间相对距离值和时差，并对两星进行时钟调整，修正卫星星历与时钟参数。
2.如权利要求1所述的基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于：两颗卫星A、B联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距
式中，TBA是卫星A测量获得的本地伪距测量值，TAB是卫星B测量获得的本地伪距测量值，tAB(tA)是指卫星A在tA时刻发射的信号到达卫星B所经过的空间传播延迟，τBA(tB)是指卫星B在tB时刻发射的信号到达卫星A时所经过的空间传播延迟，tA是指以卫星A时钟为参考的某个发射时隙开始时刻，tB是以卫星B时钟为参考的发射时隙开始时刻，Δt为卫星A、B发射或接收测距信号时两星之间的钟差；τtA和τrA分别为卫星A的硬件发射时延和接收时延，τtB和τrB分别为卫星B的硬件发射时延和接收时延，ετA和ετB是指由于星载频标的准确度引起的不确定项。
3.如权利要求1所述的基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于：两颗卫星A、B分别将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，各自独立地利用本地测得修正伪距和接收信息帧中解调出来的对方伪距，高精度计算出两颗卫星A、B星间相对距离值和时间同步差，并对A、B两星进行时间同步调整。
4.如权利要求1所述的基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于：，经过计算得到修正之后的两卫星之间距离为ρ：
式中，υA，υB分别为卫星A与B在其连线上的径向速度，c为光速，c'为修正之后的光速。
5.如权利要求1所述的基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于：A星时标到达B星的时延
6.如权利要求1所述的基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于：B星时标到达A星的时延为
7.如权利要求1所述的基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，其特征在于：经过计算得到的A、B星间钟差为：
式中，c”为经过修正后的光速。
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