CN110865532B - 星地双向时间频率同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星地双向时间频率同步方法，包括：卫星的上行载波频率f1，下行载波频率为和f2和f3；计算f1、f2和f3的周数；计算电离层电子浓度TEC；消除f3伪码测量噪声；计算卫星和地面站之间的时差；计算卫星和地面站之间的频率差。相比于现有技术，本发明提出的技术方案基于宽带扩频理论与三频载波相位测量机制，克服了双向法中载波相位只能进行频率同步的问题，实现利用载波相位进行时间同步的目的，时差同步水平达到皮秒量级，可以满足当前氢原子钟和铯原子钟等高性能原子钟远程时间频率传递。

Description

星地双向时间频率同步方法
技术领域
本发明涉及时间同步领域，特别是涉及一种卫星与地面站之间双向时间频率同步方法。
背景技术
双向法时间频率传递是目前国际公认的最高精度的时间频率传递方法，广泛应用于高精度时间频率量值远程比对，在时间频率量传和溯源方法中的地位无可替代。卫星与地面站之间双向的时间频率传递，利用信号扩频调制技术对原子钟时间频率信息进行调制形成上行信号。通过星地链路将两地面站的上行调制信号进行实时转发，两地面站同时对各自下行比对信号进行快速捕获、精密跟踪和精确解算，得到两个信号传播时延，可以精确的获得两地面站间的时间差信息。
传统双向时间频率同步方法主要包括两种，分别是基于码相位测量的时间频率同步方法和基于载波相位测量的频率同步方法。基于码相位测量的时间频率同步方法测量参数为码相位，受到码速率的限制，在典型值2.5MHz码速率情况下，时间比对精度仅为1ns，短期频率稳定度只能达到2×10-10/s。基于载波相位的频率同步方法虽然在频率同步方面有巨大提升，短期稳定度比基于码相位测量的方法高一个量级，但是由于存在载波相位模糊问题，只能进行频率同步，不能进行时间同步。
鉴于此，本发明的目的在于提供一种星地双向时间频率同步方法，基于宽带扩频理论与三频载波相位测量机制，以缓解现有技术中存在的同步精度受限问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种星地双向时间频率同步方法，以缓解现有技术存在的问题。
一种星地双向时间频率同步方法，包括：卫星的上行载波频率f1，下行载波频率为和f2和f3；计算f1、f2和f3的周数；计算电离层电子浓度TEC；消除f3伪码测量噪声；计算卫星和地面站之间的时差；计算卫星和地面站之间的频率差。
进一步地，计算f1周数的方法，包括：地面站从t1时刻向卫星发射载波频率为f1测距信号，卫星在t2时刻接收到测距信号，获得载波相位观测量，计算f1上行整周模糊度的公式为
Figure GDA0002828325450000021
N1为f1整周数，
Figure GDA0002828325450000022
为卫星t2时刻接收的f1信号的载波相位，Δτs(τs(t2))为卫星t2时刻接收的f1信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度。
进一步地，计算f2周数的方法，包括：卫星从t3时刻向地面站发射载波频率为f2测距信号，地面站在t4时刻接收到测距信号，获得载波相位观测量，计算f2上行整周模糊度的公式为
Figure GDA0002828325450000023
N2为f2整周数，
Figure GDA0002828325450000024
为地面站t4时刻接收的f2信号的载波相位，Δτg(τg(t4))为地面站t4时刻接收的f2信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度。
进一步地，计算f3周数的方法，包括：卫星从t5时刻向地面站发射载波频率为f3测距信号，地面站在t6时刻接收到测距信号，获得载波相位观测量，计算f3上行整周模糊度的公式为
Figure GDA0002828325450000025
N3为f3整周数，
Figure GDA0002828325450000026
为地面站t6时刻接收的f3信号的载波相位，Δτg(τg(t6))为地面站t6时刻接收的f3信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度。
进一步地，计算电离层电子浓度TEC的方法，包括：电离层电子浓度TEC的计算公式为
Figure GDA0002828325450000027
进一步地，消除f3伪码测量噪声的方法，包括：对N3和TEC的计算公式修正为
Figure GDA0002828325450000028
Figure GDA0002828325450000029
进一步地，计算卫星和地面站之间时差的方法，包括：时差的计算公式为
Figure GDA0002828325450000031
进一步地，计算卫星和地面站之间频率差的方法，包括：对时差数据进行Allan方差计算。
进一步地，f3选择比f1和f2码速率低的伪码扩频信号。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明提出的技术方案基于宽带扩频理论与三频载波相位测量机制，克服了双向法中载波相位只能进行频率同步的问题，实现利用载波相位进行时间同步的目的，时差同步水平达到皮秒量级，可以满足当前氢原子钟和铯原子钟等高性能原子钟远程时间频率传递。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种星地双向时间频率同步方法流程示意图；
图2是本发明实施例的一种星地双向时间频率同步方法各信号传送关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1是本发明实施例的一种星地双向时间频率同步方法流程示意图，如图1所示，该方法包括如下五个步骤。
步骤S101：计算f1、f2和f3的周数。如图2所示，为了计算f1、f2和f3的周数，地面站与卫星之间进行三个频率为f1、f2和f3的信号在两者之间传递。需要进行说明的是，f3选择比f1和f2码速率低的伪码扩频信号。上行f1载波和下行f2载波主要用于星地双向高精度时差测量，下行f3载波主要用于与下行f2载波进行双频实时消除电离层延迟。f3频点的码相位观测量可通过f1和f2频点联合解算消除，因此f3频点可选择码速率较低伪码扩频信号。
在一个可选的实施例中，f1载波频率为14GHz，其上调制扩频码信号带宽为200MHz；采用f2载波频率为12GHz，其上调制扩频码信号带宽为200MHz；采用f3载波频率为4GHz，其上调制扩频码信号带宽为2MHz。
详细地，计算f1周数的方法，包括：地面站从t1时刻向卫星发射载波频率为f1测距信号，卫星在t2时刻接收到测距信号，获得载波相位观测量，计算f1上行整周模糊度的公式为
Figure GDA0002828325450000041
N1为f1整周数，
Figure GDA0002828325450000042
为卫星t2时刻接收的f1信号的载波相位，Δτs(τs(t2))为卫星t2时刻接收的f1信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度。
计算f2周数的方法，包括：卫星从t3时刻向地面站发射载波频率为f2测距信号，地面站在t4时刻接收到测距信号，获得载波相位观测量，计算f2上行整周模糊度的公式为
Figure GDA0002828325450000043
N2为f2整周数，
Figure GDA0002828325450000044
为地面站t4时刻接收的f2信号的载波相位，Δτg(τg(t4))为地面站t4时刻接收的f2信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度。
计算f3周数的方法，包括：卫星从t5时刻向地面站发射载波频率为f3测距信号，地面站在t6时刻接收到测距信号，获得载波相位观测量，计算f3上行整周模糊度的公式为
Figure GDA0002828325450000045
N3为f3整周数，
Figure GDA0002828325450000046
为地面站t6时刻接收的f3信号的载波相位，Δτg(τg(t6))为地面站t6时刻接收的f3信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度。
步骤S102：计算电离层电子浓度TEC。具体地，计算电离层电子浓度TEC的方法，包括：电离层电子浓度TEC的计算公式为
Figure GDA0002828325450000051
步骤S103：消除f3伪码测量噪声。具体地，消除f3伪码测量噪声的方法，包括：
对N3和TEC的计算公式修正为
Figure GDA0002828325450000052
Figure GDA0002828325450000053
步骤S104：计算卫星和地面站之间的时差。具体地，时差的计算公式为
Figure GDA0002828325450000054
步骤S105：计算卫星和地面站之间的频率差。具体地，对时差数据进行Allan方差计算。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种星地双向时间频率同步方法，其特征在于，包括：
卫星的上行载波频率f1，下行载波频率为和f2和f3；
计算所述f1、f2和f3的周数；
计算电离层电子浓度TEC；
消除所述f3伪码测量噪声；
计算所述卫星和地面站之间的时差；
计算所述卫星和地面站之间的频率差；
其中，计算所述f1周数的方法，包括：
所述地面站从t1时刻向卫星发射载波频率为f1测距信号，所述卫星在t2时刻接收到所述测距信号，获得载波相位观测量，计算所述f1上行整周模糊度的公式为
Figure FDA0002828325440000011
所述N1为f1整周数，
Figure FDA0002828325440000012
为所述卫星t2时刻接收的f1信号的载波相位，Δτs(τs(t2))为所述卫星t2时刻接收的f1信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度；
计算所述f2周数的方法，包括：
所述卫星从t3时刻向地面站发射载波频率为f2测距信号，所述地面站在t4时刻接收到所述测距信号，获得载波相位观测量，计算所述f2上行整周模糊度的公式为
Figure FDA0002828325440000013
所述N2为f2整周数，
Figure FDA0002828325440000014
为所述地面站t4时刻接收的f2信号的载波相位，Δτg(τg(t4))为所述地面站t4时刻接收的f2信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度；
计算所述f3周数的方法，包括：
所述卫星从t5时刻向地面站发射载波频率为f3测距信号，所述地面站在t6时刻接收到所述测距信号，获得载波相位观测量，计算所述f3上行整周模糊度的公式为
Figure FDA0002828325440000015
所述N3为f3整周数，
Figure FDA0002828325440000016
为所述地面站t6时刻接收的f3信号的载波相位，Δτg(τg(t6))为所述地面站t6时刻接收的f3信号的码相位，c为光速，TEC为电离层电子浓度；
所述计算电离层电子浓度TEC的方法，包括：所述电离层电子浓度TEC的计算公式为
Figure FDA0002828325440000021
所述消除f3伪码测量噪声的方法，包括：
对所述N3和TEC的计算公式修正为
Figure FDA0002828325440000022
Figure FDA0002828325440000023
所述计算卫星和地面站之间时差的方法，包括：所述时差的计算公式为
Figure FDA0002828325440000024
所述计算卫星和地面站之间频率差的方法，包括：对所述时差数据进行Allan方差计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述f3选择比f1和f2码速率低的伪码扩频信号。
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