CN108955729A - 动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，包括以下步骤：1)、通过星座中M颗目标卫星的精密轨道数据与误差模型，仿真得到被测卫星与目标卫星在N个时隙起始点的轨道参数；2)、保存步骤1得到的被测卫星的轨道参数；3)、将被测卫星和目标卫星的轨道参数和建链拓扑关系按照约定格式保存输入星间链路模拟器；4)、星间链路模拟器与卫星完成时间同步后，并输出模拟信号至星间链路载荷；5)、星间链路载荷运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果；6)、将步骤5中的输出结果与步骤2中的理论参考值进行比对。利用一套卫星星间链路模拟器分时模拟卫星网络中多颗目标卫星的星间链路载荷。

Description

动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法

技术领域

本发明涉及动态卫星网络的自主定轨与时间同步领域，尤其涉及一种动态卫星网络自主定轨与时间同步的系统测试方法。

背景技术

基于星间链路的动态卫星网络通常具备自主定轨与时间同步的功能。利用星间观测伪距与电文交换实现自主定轨与时间同步，以应对战时无地面支持场景下的卫星星座自主运行，向地面用户接收机提供可靠的、高精度的定位及授时服务。

动态卫星网络中各节点卫星间的建链拓扑关系可实现延时us级延时的快速切换，网络中卫星总数多达30颗，各节点卫星可在短期内与多达12颗目标卫星完成轮询握手，流程较为复杂。通常情况下，若要在地面完成真实场景的测试，需8～12个星间链路载荷，需要相应数目的信道模拟器，并配合高速切换矩阵开关，实现各个星间链路载荷之间的动态握手，地面测试耗费资源较多，可操作性较低。

动态卫星网络的自主定轨与时间同步的地面的测试与评估缺乏有效的手段，而卫星网络不同于地面网络，不能在地面进行真实场景的验证，且卫星网络具有不可修复性，更加依赖于地面的仿真与测试。

以较小的代价在地面实现动态卫星网络的自主定轨与时间同步性能测试将具有极为重大的意义。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供了一种动态卫星网络中卫星的自主定轨与时间同步算法性能的测试方法，利用一个单通道星间链路模拟器分时模拟多颗卫星星间链路载荷，以轨道仿真数据加误差模型作为输入，尽可能真实地模拟卫星网络中各卫星的相对运动，通过测试评估卫星的自主定轨与时间同步性能，测试算法的处理流程正确性，算法的边界条件适应性，优化卫星网络的建链拓扑关系。

本发明提供了一种动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测

试方法，包括以下步骤：

1)、通过星座中M颗目标卫星的精密轨道数据与误差模型，仿真得到被测卫星与目标卫星在N个时隙起始点的轨道参数，每个时隙时长为T，其中M≤12；

精密轨道为算法周期的时刻各卫星、地面站的精确位置和速度；获得卫星接收测距值的步骤：空间时延修正，考虑空间信号传播时延，通过迭代得到卫星发射时刻，推算该时刻卫星位置，通过该位置获得建链双方的几何距离，该距离还需要经过以下几个方面修正；①钟差，采用前后12小时精确钟差2阶拟合；②相位中心修正，通过相位中心、质心位置计算相心向量在建链卫星矢量的投影；③对流层时延，采用Hopfieldm模型；④相对论效应修正；⑤设置测距系统误差；⑥设置测距随机误差；⑦收发时延。修正建链卫星的质心位置同时拟合出其导航电文。以上几类数据按照自主定轨与时间同步的算法周期流程通过电文发送给卫星。

2)、保存步骤1得到的被测卫星的轨道参数，并作为理论参考值，用与评估算法输出结果，计算算法精度；

3)、将被测卫星和目标卫星的轨道参数和建链拓扑关系按照约定格式保存为参数文件，并输入星间链路模拟器；

4)、星间链路模拟器与卫星完成时间同步后，根据系统时间，以时隙时长T为间隔，周期查询步骤3得到的参数文件，读取参数文件中该时隙的轨道参数，并输出模拟信号至星间链路载荷；

5)、星间链路载荷接收步骤4中的模拟信号，完成接收解调，解算出星间交换电文与星间伪距，运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果；

6)、将步骤5中算法的输出结果与步骤2中的理论参考值进行比对，测试算法的流程处理正确性、边界条件适应性及算法精度。

进一步地，所述轨道参数包括星间距离、径向速度和径向加速度。

进一步地，在步骤3中，将被测卫星与目标卫星的轨道参数的约定格式为：按时隙总数N和目标卫星数分为N×M列的数据；

将测试场景轨道参数按测试总时长分为N个时隙，时隙长度为T，将被测卫星与M颗目标卫星的轨道参数按目标卫星号与时隙总数N存储为N×M的文件，共N×M个参数，轨道参数定义如下：

(d_ij,v_ij,a_ij),i＝1,2…N,j＝1,2…M

d_ij为i时刻j卫星与被测卫星的星间距离；

v_ij为i时刻j卫星与被测卫星的相对速度；

a_ij为i时刻j卫星与被测卫星的相对加速度；

伪距观测时刻t的伪距为:

iT≤t≤(i+1)T,i＝1,2…N,j＝1,2…M

被测卫星与目标卫星的建链拓扑关系的约定格式为：按时隙保存为N×1的文件；

时隙i：ID_i＝1,2 K 12；其中i＝1,2 K N；

进一步地，在步骤4中，设置仿真时间，星间链路模拟器以时间索引轨道数据和建链拓扑关系，在各时隙内模拟目标卫星与被测卫星的空间伪距、相对速度、加速度，并根据建链拓扑关系生成代表某颗目标卫星的模拟信号。

进一步地，在步骤4中，星间链路模拟器根据当前系统时间查询建链拓扑关系表，确定当前时隙i所需模拟的卫星j，读取在i时刻被测卫星与卫星j的轨道参数，模拟被测卫星的目标卫星，产生模拟目标卫星扩频码特性、星间距离、载波多普勒和码多普勒的信号。

星间链路模拟器根据当前系统时间每隔时隙T查询一次轨道仿真数据表与建链拓扑关系表，确定当前时隙所需模拟的卫星，读取当前时刻被测卫星与目标卫星的轨道仿真数据，模拟被测卫星和目标卫星；

星间链路模拟器发射信号的扩频码及多普勒信号特性如下式，

式中A_i、A_q分别为I之路和Q支路伪码振幅；

和分别为卫星号为N的卫星I支路和Q支路的伪码；

D_i(t)为通信支路电文；

w_T为T时刻包含载波多普勒的频率；

为初始相位。

进一步地，在步骤5中，将星间链路模拟器产生的模拟信号通过射频电缆输出至卫星星间链路载荷，星间链路载荷接收星间链路的模拟信号，完成捕获、跟踪与测距、解调，得到与目标卫星的星间伪距及星间交换电文，卫星星间链路载荷运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果，对自主定轨与时间同步的结果进行评估。

进一步地，在步骤6中，计算卫星运行的定轨与时间同步结果与实际卫星位置参数及卫星钟差的差值，给出评估结果。

星间链路接收机收到信号的相应状态与接收机的伪距测量结果相关，由接收机伪距测量的过程可知，在相同的时刻接收机的伪距测量主要受目标卫星的信号到达时刻决定，不同的观测目标卫星，接收机接收到的卫星信号的到达时刻不同，星间链路模拟器根据轨道仿真数据中的星间距离计算出星间链路信号的时延量，并通过控制信号发生器实时调整产生延时的信号。

将星间链路模拟器产生的模拟信号通过射频电缆输出至卫星星间链路设备，卫星星间链路设备接收星间链路的模拟信号，完成捕获、跟踪、解调，得到与不同时刻多颗目标卫星的星间伪距及星间交换信息；

卫星星间链路设备运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果。卫星的真实轨道数据及钟差结果为理论值，作为精度评估的理想参考值，与自主定轨与时间同步算法的结果进行计算可推算出自主定轨与时间同步的精度。

设置不同的建链拓扑关系表进行测试，权衡不同的建链拓扑关系表对算法性能的影响，设计出最优的建链拓扑关系表。

本申请的有益效果包括利用一套卫星星间链路模拟器分时模拟卫星网络中多颗目标卫星的星间链路载荷，模拟真实的星间链路信号，包括星间伪距、相对运动等与算法性能相关的信号特性。在地面环境下以较小的代价实现了自主定轨与时间同步的算法性能测试与评估，避免了使用多套星间链路模拟器及高速切换矩阵开关实现该功能，能够较为真实地模拟卫星网络，开展算法性能测试，测试算法的处理流程正确性，算法的边界条件适应性，辅助建链拓扑表的优化设计。

本发明能够使用单套星间链路模拟器开展动态卫星网络的自主定轨与时间同步的系统级验证，评估卫星自主定轨与时间同步的性能，辅助优化动态卫星网络的建链拓扑关系。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步

的测试方法，包括以下步骤：

1)、通过星座中M颗目标卫星的精密轨道数据与误差模型，仿真得到被测卫星与目标卫星在N个时隙起始点的轨道参数，每个时隙时长为T，其中M≤12；所述轨道参数包括星间距离、径向速度和径向加速度。

精密轨道为算法周期的时刻各卫星、地面站的精确位置和速度；获得卫星接收测距值的步骤：空间时延修正，考虑空间信号传播时延，通过迭代得到卫星发射时刻，推算该时刻卫星位置，通过该位置获得建链双方的几何距离，该距离还需要经过以下几个方面修正；①钟差，采用前后12小时精确钟差2阶拟合；②相位中心修正，通过相位中心、质心位置计算相心向量在建链卫星矢量的投影；③对流层时延，采用Hopfieldm模型；④相对论效应修正；⑤设置测距系统误差；⑥设置测距随机误差；⑦收发时延。修正建链卫星的质心位置同时拟合出其导航电文。以上几类数据按照自主定轨与时间同步的算法周期流程通过电文发送给卫星。

2)、保存步骤1得到的被测卫星的轨道参数，并作为理论参考值，用与评估算法输出结果，计算算法精度；

3)、将被测卫星和目标卫星的轨道参数和建链拓扑关系按照约定格式保存为参数文件，并输入星间链路模拟器；

其中，将被测卫星与目标卫星的轨道参数的约定格式为：按时隙总数N和目标卫星数分为N×M列的数据；

将测试场景轨道参数按测试总时长分为N个时隙，时隙长度为T，将被测卫星与M颗目标卫星的轨道参数按目标卫星号与时隙总数N存储为N×M的文件，共N×M个参数，轨道参数定义如下：

(d_ij，v_ij，a_ij)，i＝1，2…N，j＝1，2…M

d_ij为i时刻j卫星与被测卫星的星间距离；

v_ij为i时刻j卫星与被测卫星的相对速度；

a_ij为i时刻j卫星与被测卫星的相对加速度；

伪距观测时刻t的伪距为:

iT≤t≤(i+1)T，i＝1，2…N，j＝1，2…M

被测卫星与目标卫星的建链拓扑关系的约定格式为：按时隙保存为N×1的文件；

时隙i：ID_i＝1,2 K 12；其中i＝1,2 K N；

4)、星间链路模拟器与卫星完成时间同步后，根据系统时间，以时隙时长T为间隔，周期查询步骤3得到的参数文件，读取参数文件中该时隙的轨道参数，并输出模拟信号至星间链路载荷；

其中，设置仿真时间，星间链路模拟器以时间索引轨道数据和建链拓扑关系，在各时隙内模拟目标卫星与被测卫星的空间伪距、相对速度、加速度，并根据建链拓扑关系生成代表某颗目标卫星的模拟信号。

在一个实施例中，星间链路模拟器根据当前系统时间查询建链拓扑关系表，确定当前时隙i所需模拟的卫星j，读取在i时刻被测卫星与卫星j的轨道参数，模拟被测卫星的目标卫星，产生模拟目标卫星扩频码特性、星间距离、载波多普勒和码多普勒的信号。

星间链路模拟器根据当前系统时间每隔时隙T查询一次轨道仿真数据表与建链拓扑关系表，确定当前时隙所需模拟的卫星，读取当前时刻被测卫星与目标卫星的轨道仿真数据，模拟被测卫星和目标卫星；

5)、星间链路载荷接收步骤4中的模拟信号，完成接收解调，解算出星间交换电文与星间伪距，运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果；

将星间链路模拟器产生的模拟信号通过射频电缆输出至卫星星间链路载荷，星间链路载荷接收星间链路的模拟信号，完成捕获、跟踪与测距、解调，得到与目标卫星的星间伪距及星间交换电文，卫星星间链路载荷运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果，对自主定轨与时间同步的结果进行评估。

6)、将步骤5中算法的输出结果与步骤2中的理论参考值进行比对，测试算法的流程处理正确性、边界条件适应性及算法精度。计算卫星运行的定轨与时间同步结果与实际卫星位置参数及卫星钟差的差值，给出评估结果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，包括以下步骤：

1)、通过星座中M颗目标卫星的精密轨道数据与误差模型，仿真得到被测卫星与目标卫星在N个时隙起始点的轨道参数，每个时隙时长为T，其中M≤12；

2)、保存步骤1得到的被测卫星的轨道参数，并作为理论参考值，用与评估算法输出结果，计算算法精度；

3)、将被测卫星和目标卫星的轨道参数和建链拓扑关系按照约定格式保存为参数文件，并输入星间链路模拟器；

4)、星间链路模拟器与卫星完成时间同步后，根据系统时间，以时隙时长T为间隔，周期查询步骤3得到的参数文件，读取参数文件中该时隙的轨道参数，并输出模拟信号至星间链路载荷；

5)、星间链路载荷接收步骤4中的模拟信号，完成接收解调，解算出星间交换电文与星间伪距，运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果；

6)、将步骤5中算法的输出结果与步骤2中的理论参考值进行比对，测试算法的流程处理正确性、边界条件适应性及算法精度。

2.如权利要求1所述的动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，其特征在于，所述轨道参数包括星间距离、径向速度和径向加速度。

3.如权利要求1所述的动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，其特征在于，

在步骤3中，将被测卫星与目标卫星的轨道参数的约定格式为：按时隙总数N和目标卫星数分为N×M列的数据；

将测试场景轨道参数按测试总时长分为N个时隙，时隙长度为T，将被测卫星与M颗目标卫星的轨道参数按目标卫星号与时隙总数N存储为N×M的文件，共N×M个参数，轨道参数定义如下：

(d_ij,v_ij,a_ij),i＝1,2…N,j＝1,2…M

d_ij为i时刻j卫星与被测卫星的星间距离；

v_ij为i时刻j卫星与被测卫星的相对速度；

a_ij为i时刻j卫星与被测卫星的相对加速度；

伪距观测时刻t的伪距为:

被测卫星与目标卫星的建链拓扑关系的约定格式为：按时隙保存为N×1的文件；

时隙i：ID_i＝1，2K 12；其中i＝1，2K N。

4.如权利要求1所述的动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，其特征在于，在步骤4中，

设置仿真时间，星间链路模拟器以时间索引轨道数据和建链拓扑关系，在各时隙内模拟目标卫星与被测卫星的空间伪距、相对速度、加速度，并根据建链拓扑关系生成代表某颗目标卫星的模拟信号。

5.如权利要求4所述的动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，其特征在于，在步骤4中，

星间链路模拟器根据当前系统时间查询建链拓扑关系表，确定当前时隙i所需模拟的卫星j，读取在i时刻被测卫星与卫星j的轨道参数，模拟被测卫星的目标卫星，产生模拟目标卫星扩频码特性、星间距离、载波多普勒和码多普勒的信号。

6.如权利要求1所述的动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，其特征在于，在步骤5中，

将星间链路模拟器产生的模拟信号通过射频电缆输出至卫星星间链路载荷，星间链路载荷接收星间链路的模拟信号，完成捕获、跟踪与测距、解调，得到与目标卫星的星间伪距及星间交换电文，卫星星间链路载荷运行自主定轨与时间同步算法，算法收敛后输出结果，对自主定轨与时间同步的结果进行评估。

7.如权利要求1所述的动态卫星网络中卫星自主定轨与时间同步的测试方法，其特征在于，在步骤6中，计算卫星运行的定轨与时间同步结果与实际卫星位置参数及卫星钟差的差值，给出评估结果。