CN110518960A - 一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，属于卫星通信领域。在低轨全球移动通信卫星星座系统中，对于采用了TDMA通信体制或采用了时分全双工(TDD)通信模式时，需要全网时间同步，才能保证通信的顺利完成。同时，为了保证全网时间同步后的卫星星座在时间失步后能够快速再次同步，因此对时间同步保持的鲁棒性提出了较高的要求。本发明基于卫星星座拓扑结构，分析了异轨卫星时间同步误差，结合同轨卫星时间同步误差低的特点，给出了卫星星座全网时间初始同步过程；基于时间错误模式分析，给出了时间突发错误的检测和纠正方法。本发明降低了卫星星座时间同步误差，提高了时间同步保持的鲁棒性。

Description

一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及卫星星座的全网时间自同步方法，可用于含有TDD星间链路的全球卫星星座系统。

背景技术

对于低轨全球移动通信卫星星座对时间同步的需求，例如用户链路采用了TDMA通信体制或采用了时分全双工(TDD)通信模式时，就需要全网时间同步，才能保证通信的顺利完成。同时，为了保证全网时间同步后的卫星星座在时间失步后能够快速再次同步，因此对时间同步保持的鲁棒性提出了较高的要求。

文献一：Dongxia Wang,et al,Autonomous Time Synchronization forNavigation Constellation based on Inter-satellite Link,Proceedings of the48th Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting,2017.该文献利用双向时间同步算法，将2颗导航卫星间的时间进行同步，重点使用卡尔曼滤波和自适应算法来使得时间自同步精度提高，并着重分析了时间同步误差来源及计算方法，给出了理论推导，给出的导航卫星时间误差来源包括时钟偏差、电离层延时、相对论延时、多径延时、随机误差等。然而其没有给出整个星座的时间同步方式并分析整体误差，也没有给出时间同步自纠正的方法。

文献二：Huang Feijiang,et al,Autonomous Time Synchronization Algorithmand Time Synchronization Link Performance Analysis in the SatelliteConstellation,Wireless Communications Networking and Mobile Computing,2010.该文献利用双向时间同步算法，给出了GEO、IGSO、MEO卫星之间的时间同步，重点分析了由于卫星相对运动引起的指向误差，同时给出了链路计算和卫星功耗计算，利用S波段信号进行了举例分析和仿真计算。也同样没有给出整个星座的时间同步方式并分析整体误差，也没有给出时间同步自纠正的方法。

文献三：吕宏春等，星间链路体制下的星地双向时间同步方法，宇航学报，2017。该文献推导出了星间链路体制下的星地双向时间同步数学模型，计算了在轨试验期间卫星与地面站的相对钟差，并对计算结果分别按周、天和小时时长进行参数拟合，最后进行短期频率稳定度分析，得出了一致性高、拟合精度高和短期稳定度高的结论。该文献重点是在分析双点之间的时间同步算法，但没有考虑整个星座的时间同步。

文献四：申景诗等，基于Proximity-1协议的星间测距与时间同步技术研究，航天器工程，2016。该文献给出了基于小型编队卫星的时间同步方法，主要使用非相干时间同步方法，详细给出了算法的计算公式推导、模型误差分析、理论分析和实验仿真结果，其算法提高了时间同步精度。但是其算法仅适用于小型编队卫星，对全球性的卫星星座适应性未作说明。

文献五：徐伟琳等，一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，2017。该文献公开了一种基于跨层设计的星群网络时间同步方法，在物理层采用扩频信号体制，在所属同步时隙内通过半双向的星间测距方式，计算子节点与父节点间的钟差，完成节点间的高精度时间同步。在MAC层采用网络同步管理，向网络中广播同步状态信息，并进行同步拓扑的管理，将时间同步父节点选择结果提供给物理层用于节点间同步，从而实现全网节点间的时间同步。但其主要依赖于广播消息来完成未同步和已同步卫星，对于无法全网可见的卫星星座来说不适用。

文献六：杜长刚等，一种小卫星自组织网络时间同步方法，2016。该文献公开了一种小卫星自组织网络时间同步方法，其流程主要分为小卫星初始化及周围信息收集、时间基准节点选取、本节点的同步时隙获取、本节点同步时隙处理、与上级节点的同步维护、对下级节点的同步管理等。其中时间基准小卫星节点通过自组织选举产生。但也只能对编队卫星进行同步，不能对全球性的卫星进行时间同步，同时也没有给出时间同步的自检测和纠正方法。

从以上文献研究内容可以看出，针对低轨移动卫星星座系统，已有成果中的时间同步算法主要是基于2颗卫星间或卫星编队内的时间同步，其地理位置不能够达到全球性，也不具备时间同步突发错误检测和纠正的算法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：基于卫星星座拓扑结构特征，对全网卫星逐级进行时间同步，在此基础上分析了时间同步误差，提供了一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，降低时间同步误差，提高了时间同步保持的鲁棒性。

本发明的技术解决方案是：一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，该方法包括时间初始同步步骤：

(1-1)、利用地面站对卫星星座内任意一颗卫星进行时间同步，实现单星时间同步；

(1-2)、完成同步的卫星向周边的其他卫星发送时间同步格式帧；所述时间同步格式帧包括卫星号、同步判决字和自定义时间表示字段，所述同步判决字用于标识发送该时间同步格式帧的卫星是否已经完成时间同步；

(1-3)、收到时间同步格式帧的待同步卫星，优先利用已经完成时间同步的同轨卫星完成时间同步，对于无法使用同轨卫星时间同步信号的卫星，采用已经完成时间同步的异轨卫星进行时间同步；

(1-4)、重复步骤(1-2)和(1-3)，直到卫星星座内所有卫星均完成了时间同步。

所述高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法还包括时间同步保持步骤：

(2-1)、卫星星座时间同步后，每颗卫星根据本星时间，按照预设的频率，在统一的卫星时刻的向相邻卫星发送时间同步帧；

(2-2)、收到时间同步格式帧的卫星，根据所述相邻同轨卫星之间的距离相同，每颗星收到相邻同轨卫星同步帧时刻和完整性相同的原则以及卫星星座拓扑结构，进行时间突发错误的检测，判断自身时间是否发生错误；

(2-3)、当卫星判断为本星时间突发错误时，首先将本星的同步判决字置为无效，并停止向其他卫星发送时间同步帧，然后立即与相邻同轨卫星进行时间同步，同步完成后进行正常通信。

所述步骤(1-1)中地面站采用RTT时间同步方法对卫星星座内任意一颗卫星进行时间同步。

所述当待同步卫星收到同轨卫星发送的时间同步格式帧，并且时间同步格式帧内的同步判决字有效时，采用RTT时间同步方法与同轨卫星完成时间同步。

所述当待同步卫星收到异轨卫星发送的同步判决字有效的时间同步格式帧时，开始计时，在预设时间段内，仍然没有收到同轨卫星发送的时间同步格式帧，则预测该待同步卫星与异轨卫星进行时间同步时时间同步误差最小的地点，在该待同步卫星到达误差最小的地点之前，收到同轨卫星发送的时间同步格式帧时，采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与同轨卫星的时间同步；否则，在误差最小的地点采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与异轨卫星的时间同步。

所述预设时间段为电磁波绕行轨道一周的时间，具体计算公式为：

其中，r_e为地球半径，h为轨道高度。

所述时间同步误差的计算公式为：

其中，v为卫星间相对速度，S为卫星间相对距离，c为光速。

如果某颗卫星不能完整收到相邻的两颗同轨卫星发送的时间同步格式帧，则判断该卫星自身时间同步发生了错误；如果该卫星能完整收到相邻的任意一颗同轨卫星发送的时间同步格式帧，则判断是其他卫星时间同步出现问题。

上述卫星星座为含有TDD星间链路的全球卫星星座。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明提出的高鲁棒性时间同步过程基于低轨卫星星座拓扑而设计，提出了利用同步判决字和时间同步格式帧对卫星星座全网时间进行同步，优先采用同轨卫星进行时间同步，降低了时间同步误差。

(2)、本发明针对3种时间突发错误模式，提出了突发时间错误检测和纠正方法，基于卫星星座拓扑结构，利用同轨卫星通信信号完成了时间同步错误检测和纠正，提高了时间同步保持的鲁棒性。由于基于理论分析，因此保证了设计方法的正确性。

附图说明

图1为本发明实施例全网时间同步过程；

图2为本发明实施例时间同步帧格式；

图3为本发明实施例时间突发错误的3种错误模式示意图；

图4为本发明实施例同轨卫星TDD时间同步正常下的通信时隙；

图5为本发明实施例第一种错误模式下同轨卫星3出现突发时间错误时的通信时隙；

图6为本发明实施例第二种错误模式下同轨卫星2和3出现突发时间错误时的通信时隙；

图7为本发明实施例第三种错误模式3下同轨卫星2和4出现突发时间错误时的通信时隙；

图8为本发明实施例卫星星座系统组成；

图9为本发明实施例依据卫星星座拓扑结构的全网时间同步过程示例；

图10为本发明实施例异轨时间同步误差曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

为了实现不依赖于外部系统的卫星星座全网时间自同步，本发明提供了一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法。首先利用地面站对网内一颗卫星进行时间同步，然后利用该卫星，逐级对其他卫星进行时间同步，此时基于同轨卫星时间同步误差小的特点，优先利用同轨卫星实现时间同步，对于无法使用同轨卫星时间同步信号的卫星，设定超时时间，超时后采用异轨卫星进行时间同步。在全网时间同步后，利用提出的突发时间错误检测和纠正方法，检测同轨卫星通信信号的正确性，然后根据3种突发时间错误模式，纠正突发时间错误，保持全网时间同步。

如图1所示，本发明中设计的卫星星座时间自同步过程，主要分两个阶段，即：时间初始同步和时间同步保持。下面详细描述这两个阶段的内容。

(1)时间初始同步：

(1-1)、利用地面站对卫星星座内任意一颗卫星进行时间同步，实现单星时间同步；具体为：

地面站向卫星星座中任意一颗可见的卫星发送时间同步开始指令，该卫星首先与地面站之间采用单侧往返时间(RTT)时间同步方法，实现单星时间同步。

这里简述一下RTT时间同步算法，由时间未同步的卫星向地面站发送信号，其中包含卫星发送时刻T1。地面站收到后，记录地面站收到时刻T2，然后地面站在T3时刻将信号回复给时间未同步的卫星，其中包含T1、T2、T3，时间未同步的卫星收到回复后，记录卫星收到时刻T4，此时卫星就可以计算出卫星时间与地面站时间之间的时间差卫星将本地时间T_old加上T_offset即可得到同步后的时间T_new。

(1-2)、完成同步的卫星向周边的其他卫星发送时间同步格式帧；

如图2所示，所述时间同步格式帧包括卫星号、同步判决字和自定义时间表示字段，所述同步判决字用于标识发送该时间同步格式帧的卫星是否已经完成时间同步；卫星的同步判决字置为1，表示该星已经完成时间同步；同步判决字为0，则表示本星时间未同步。

(1-3)、收到时间同步格式帧的待同步卫星，优先利用已经完成时间同步的同轨卫星完成时间同步，对于无法使用同轨卫星时间同步信号的卫星，采用已经完成时间同步的异轨卫星进行时间同步；

同轨卫星根据同步判决字来触发开始时间同步，一般情况下，与第一颗同步卫星相邻的同轨卫星率先与第一颗同步卫星之间进行RTT时间同步算法，实现同轨卫星的时间同步。其他卫星可以依次逐级采用RTT时间同步算法完成时间同步。其他卫星此时在进行RTT时间同步算法时，会出现三种情形：1、有多个卫星同时向其发送时间同步信号；2、仅同轨卫星向其发送时间同步信号；3、仅异轨卫星向其发送时间同步信号。

为了降低时间同步误差，对于第1、2种情形，所述当待同步卫星收到同轨卫星发送的时间同步格式帧，并且时间同步格式帧内的同步判决字有效时，采用RTT时间同步方法与同轨卫星完成时间同步。

对于第3种情形，所述当待同步卫星收到异轨卫星发送的同步判决字有效的时间同步格式帧时，开始计时，在预设时间段内，仍然没有收到同轨卫星发送的时间同步格式帧，则预测该待同步卫星与异轨卫星进行时间同步时时间同步误差最小的地点，在该待同步卫星到达误差最小的地点之前，收到同轨卫星发送的时间同步格式帧时，采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与同轨卫星的时间同步；否则，在误差最小的地点采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与异轨卫星的时间同步。

所述预设时间段为电磁波绕行轨道一周的时间，具体计算公式为：

其中，r_e为地球半径，h为轨道高度。

所述时间同步误差的计算公式为：

其中，v为卫星间相对速度，S为卫星间相对距离，c为光速。

(1-4)、重复步骤(1-2)和(1-3)，直到卫星星座内所有卫星均完成了时间同步。

(2)时间同步保持：

(2-1)、卫星星座时间同步后，在正常通信过程中，每颗卫星根据本星时间，按照预设的频率，在统一的卫星时刻的向相邻卫星发送时间同步帧；即不断的进行RTT时间同步，这样首先消除了由于时间缓慢漂移导致的时间错误。

(2-2)、收到时间同步格式帧的卫星，根据所述相邻同轨卫星之间的距离相同，每颗星收到相邻同轨卫星同步帧时刻和完整性相同的原则以及卫星星座拓扑结构，进行时间突发错误的检测，判断自身时间是否发生错误；

对于突发错误导致的卫星间时间失步，需根据同轨通信信号帧的解调完整性，实现时间突发错误的检测，根据星座拓扑，设定的时间错误检测策略为：判断若2条同轨通信信号帧均发生错误，则可以认定是本卫星时间突发错误，进入到下一步的时间突发错误纠正；判断若1条或0条同轨通信信号帧发生错误，则可以认定不是本星时间突发错误，不进行任何操作。即：如果某颗卫星不能完整收到相邻的两颗同轨卫星发送的时间同步格式帧，则判断该卫星自身时间同步发生了错误；如果该卫星能完整收到相邻的任意一颗同轨卫星发送的时间同步格式帧，则判断是其他卫星时间同步出现问题。

(2-3)当卫星判断为本星时间突发错误时，首先将本星的同步判决字置为无效，并停止向其他卫星发送时间同步帧，然后立即与相邻同轨卫星进行时间同步，同步完成后进行正常通信。

为了说明时间错误检测策略的正确性，设定了如下3种时间错误模式，这3种时间错误模式可涵盖卫星星座内所有可能出现的错误。如图3所示，标记的卫星为出现突发时间错误的卫星，3种时间错误模式即：同轨道1颗卫星时间错误、同轨道2颗相邻卫星时间错误、同轨道2颗间隔卫星时间错误。

正常通信时，同轨卫星TDD通信模式如图4所示，所有卫星正常通信时，均应在同一时刻发送信号，信号的时隙是完全对齐的。

在第一种错误模式中，该错误模式中，当一颗卫星时间发生突发错误时，就会出现如图4中的情况。图5中，同轨卫星3出现突发时间错误，但仍然在进行通信，就会导致时隙上的错乱，使得同轨卫星3不能完整收到同轨卫星2和4发来的信息，此时同轨卫星2和4也不能完整收到同轨卫星3发来的信息，但是却可以完整收到同轨卫星1和5发来的信息。因此，每颗卫星就可以分辨出是自身时间同步出现问题还是其他卫星时间同步出现问题。

此时，同轨卫星2和4由于仅错误接收了1条星间链路上发来的信息，因此认为非本星时间错误，不做任何处理；而同轨卫星3则判断2个方向上的同轨通信信号均不能正确收到，就认为是自己的时间出现了突发错误，因此需要与同轨卫星2或4进行一次RTT时间同步，用于消除本星的时间错误。

最终使得全网时间再次同步，消除了同轨卫星3的突发时间错误。

在第二种错误模式中，当相邻两颗卫星时间均发生突发时间错误时，就会出现如图6中的情况。利用类似的方法，同轨卫星1和4不做任何处理，同轨卫星2和3由于收不到同轨任何方向上的正确通信信息，就均进行一次RTT时间同步，就可以消除突发时间错误，最终使得全网时间再次同步。

在第三种错误模式中，当间隔的两颗卫星时间发生突发错误时，就会出现如图7中的情况。同样，同轨卫星1和5不做任何处理，但此时同轨卫星2、3、4均收不到同轨任何方向上的正确信息，虽然同轨卫星3的时间正常，但其表现与同轨卫星2和4却完全相同，因此此时只能将其也认为是一种错误情况，即此时同轨卫星2、3、4的均需要进行RTT过程时间同步，才能实现突发错误的纠正。首先同轨卫星2和4进行RTT时间同步，之后同轨卫星3再进行一次RTT时间同步。最终使得全网时间再次同步。

实施例：

下面结合一个卫星星座例子说明这种全网时间同步过程的工作方式。

示例系统有6个圆轨道面，每个圆轨道面上有9颗卫星，则组成一个有54颗卫星组成的卫星星座，卫星轨道高度为1070km。系统组成如图8所示。该卫星星座的拓扑结构如图9所示。

(1)时间初始同步

(1-1)利用卫星遥控系统，地面站首先将任意一颗可见的卫星星上时间与地面站进行RTT时间同步，时间同步完成后，该卫星的同步判决字置为1。如图9中标1的卫星。

(1-2)时间已同步的卫星立即开始利用星间链路向2个相邻的同轨卫星发送时间同步信号，完成RTT时间同步。如图9中标2的卫星。

(1-3)对异轨卫星，需计算不同位置对应的不同时间同步误差，然后在误差最小的地点完成异轨卫星时间同步。如图9中标3的卫星。

在本例中，根据公式1，按照1070km轨道高度进行仿真，得出不同位置的异轨卫星时间同步误差如图10所示，因此可以选择图10中，当卫星运行到纬度89°或1°的时间同步误差最小点进行异轨卫星RTT时间同步。

(1-4)其他卫星在时间同步时，如图9中标4的卫星，有可能收到同轨卫星(标3)和异轨卫星(标2)同时发来的时间同步信号，优先选择与同轨卫星(标3)进行RTT时间同步。

(1-5)对于如图9中标5的卫星，按照公式2设定超时时间，经计算本例中超时时间T_timeout＝155.8ms。如果超时时间内，有同轨卫星时间同步信息，则与同轨卫星进行RTT时间同步，否则超时后，预测该待同步卫星与异轨卫星进行时间同步时时间同步误差最小的地点，在该待同步卫星到达误差最小的地点之前，收到同轨卫星发送的时间同步格式帧时，采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与同轨卫星的时间同步；否则，在误差最小的地点采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与异轨卫星(标4)的时间同步。

(1-6)重复以上过程，直到卫星星座内其他所有的时间未同步卫星(图9中标白色)均完成了时间同步。

(2)时间同步保持

(2-1)按照正常星间链路TDD通信过程，同时发送图1所示的时间同步帧格式，实现时间缓慢漂移导致时间错误的消除。

(2-2)当卫星星座中出现任何一种时间错误模式时，按照时间错误检测策略完成检测，最后利用RTT时间同步算法，消除突发时间错误，实现全网时间再同步。

上面对本发明的技术方法作进一步的描述。为方便起见，各个参数都给出了具体数值作为示例，实际系统设计时，可以改变数值，用同样的分析计算方法获得所需结果。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于包括时间初始同步步骤：

(1-1)、利用地面站对卫星星座内任意一颗卫星进行时间同步，实现单星时间同步；

(1-2)、完成同步的卫星向周边的其他卫星发送时间同步格式帧；所述时间同步格式帧包括卫星号、同步判决字和自定义时间表示字段，所述同步判决字用于标识发送该时间同步格式帧的卫星是否已经完成时间同步；

(1-3)、收到时间同步格式帧的待同步卫星，优先利用已经完成时间同步的同轨卫星完成时间同步，对于无法使用同轨卫星时间同步信号的卫星，采用已经完成时间同步的异轨卫星进行时间同步；

(1-4)、重复步骤(1-2)和(1-3)，直到卫星星座内所有卫星均完成了时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于还包括时间同步保持步骤：

(2-1)、卫星星座时间同步后，每颗卫星根据本星时间，按照预设的频率，在统一的卫星时刻的向相邻卫星发送时间同步帧；

(2-2)、收到时间同步格式帧的卫星，根据所述相邻同轨卫星之间的距离相同，每颗星收到相邻同轨卫星同步帧时刻和完整性相同的原则以及卫星星座拓扑结构，进行时间突发错误的检测，判断自身时间是否发生错误；

(2-3)、当卫星判断为本星时间突发错误时，首先将本星的同步判决字置为无效，并停止向其他卫星发送时间同步帧，然后立即与相邻同轨卫星进行时间同步，同步完成后进行正常通信。

3.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述步骤(1-1)中地面站采用RTT时间同步方法对卫星星座内任意一颗卫星进行时间同步。

4.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述当待同步卫星收到同轨卫星发送的时间同步格式帧，并且时间同步格式帧内的同步判决字有效时，采用RTT时间同步方法与同轨卫星完成时间同步。

5.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述当待同步卫星收到异轨卫星发送的同步判决字有效的时间同步格式帧时，开始计时，在预设时间段内，仍然没有收到同轨卫星发送的时间同步格式帧，则预测该待同步卫星与异轨卫星进行时间同步时时间同步误差最小的地点，在该待同步卫星到达误差最小的地点之前，收到同轨卫星发送的时间同步格式帧时，采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与同轨卫星的时间同步；否则，在误差最小的地点采用RTT时间同步方法，完成待同步卫星与异轨卫星的时间同步。

6.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述预设时间段为电磁波绕行轨道一周的时间。

7.根据权利要求6所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述预设时间段具体计算公式为：

其中，r_e为地球半径，h为轨道高度。

8.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述时间同步误差的计算公式为：

其中，v为卫星间相对速度，S为卫星间相对距离，c为光速。

9.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于如果某颗卫星不能完整收到相邻的两颗同轨卫星发送的时间同步格式帧，则判断该卫星自身时间同步发生了错误；如果该卫星能完整收到相邻的任意一颗同轨卫星发送的时间同步格式帧，则判断是其他卫星时间同步出现问题。

10.根据权利要求1～9任一项所述一种高鲁棒性的卫星星座时间自同步方法，其特征在于所述卫星星座为含有TDD星间链路的全球卫星星座。