CN111045032A - 一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法及应用，其中，卫星1和卫星2进行时分体制的双向测距和时间同步，已知卫星1的高精度轨道和速度信息，卫星2的运行速度较大且不具备精确轨道和速度信息，将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，获得单点伪距归算中的运动时延修正项；根据双向时间同步的原理和所述运动时延修正项，解算获得钟差。本发明的修正方法，在一方用户不具有速度和高精度位置信息的支持时仍能够实现高动态环境下的双向时间同步解算。本发明的修正方法，可得到优于0.1ns的时间同步结果。

Description

一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法及应用
技术领域
本发明属于卫星导航领域以及数据处理技术领域，特别涉及一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法及应用。
背景技术
星间链路技术目前已经成为卫星导航以及深空科学领域的研究热点，利用星间链路技术，卫星之间可以建立相互的联系，实现测距和通信的功能，并进一步实现卫星之间的自主定轨以及自主时间同步等功能。
卫星之间实现时间同步的过程中，一般采取双向测量技术可以取得较高的时间同步精度；由于卫星之间存在相对运动，尤其是在高动态环境下，卫星双方之间的相对运动速度较大时，会产生由于相对运动引起的时延误差，造成同步精度的降低。一般来说，运动时延误差在卫星双方的速度和位置等信息均已知的情况下，可以通过一定的方法将该项误差去除；但是当有一方卫星的运动速度较高，且不能准确得知该卫星的速度和位置信息时，目前常用的方法就无法将该项运动误差除掉，从而影响到最终的时间同步性能。
国内外关于动态环境下的双向时间同步方法虽然也取得了一些成果，比如文献[1]中将TWRTT(Two-way Ranging and Time Transmit)双向测距和时间同步技术扩展至动态环境，使其适用于BD2卫星之间时间同步，但是该算法需要提供卫星双方的速度等信息，仅适用于类似北斗卫星等具有星历支持的情况。文献[2]提出了一种利用星间伪距拟合多项式和钟差拟合多项式联合求解星间钟差的卫星动态双向时间同步算法，时间同步误差控制在5ns以内，但是要求双向同步的时间段相对于最小星间距离出现的时刻基本对称,在实际使用时会受到数据范围的限制。当时间同步的用户为相对运动速度更高的卫星或其他航天器，如低轨空间站等，且这些航天器难以保证精确的位置和速度信息支持时，前述已有的时间同步算法会受到一定限制。
综上，亟需一种新的高动态环境下星间时间同步运动误差修正方法。
参考文献
[1]Huang Bo,Hu Xiulin.Inter-satellite ranging and timesynchronization technique for BD2[J].Journal of Astronautics,2011,32(6):1271-1275(黄波,胡修林.北斗2导航卫星星间测距与时间同步技术[J].宇航学报,2011,32(6):1271-1275.
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发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法及应用，用于在空间高动态环境下卫星之间实现时间同步过程中对由于相对高速运动引起的时延误差进行修正处理，解决当一方卫星没有完整星历支持时的双向时间同步结果的解算问题。本发明的修正方法，在一方用户不具有速度和高精度位置信息的支持时仍能够实现高动态环境下的双向时间同步解算。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，卫星1和卫星2进行时分体制的双向测距和时间同步，已知卫星1的高精度轨道和速度信息，卫星2的运行速度较大且不具备精确轨道和速度信息，将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，获得单点伪距归算中的运动时延修正项；根据双向时间同步的原理和所述运动时延修正项，解算获得钟差。
本发明的进一步改进在于，所述卫星1的高精度轨道和速度信息，指由卫星广播星历提供并解算出的卫星1的位置和速度信息，位置精度能够达到m级，速度精度能够达到1mm/s量级；所述卫星2的运行速度较大且不具备精确轨道和速度信息中，运行速度较大是指卫星2相对卫星1的速度大；不具备精确轨道和速度信息是指不能由卫星广播星历提供并解算出卫星的位置和速度信息。
本发明的进一步改进在于，所述将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，获得单点伪距归算中的运动时延修正项，具体包括：通过拉格朗日插值法或幂多项式拟合法进行历元归算，获得卫星2的单点伪距值，用于实现将伪距归算至卫星2在收到信号的同时向对方发射信号；利用获得的卫星2的单点伪距值，计算获得单点伪距归算中的运动时延修正项。
本发明的进一步改进在于，S1代表卫星1，S2代表卫星2；设定S1在t0时刻发出测距信号，S2在t1时刻接收到S1发射的测距信号，同时S2在t1时刻向S1发射测距信号，S1在t2时刻收到S2发出的信号；
Figure BDA0002343190690000031
为单点伪距归算中的运动时延修正项；
Figure BDA0002343190690000032
式中，lS2S1‘为t1时刻S2与S1之间的瞬时几何距离，S1在地心惯性坐标系下的位置矢量、速度矢量和加速度矢量分别表示为
Figure BDA0002343190690000033
和
Figure BDA0002343190690000034
S2在地心惯性坐标系下的位置矢量为
Figure BDA0002343190690000035
本发明的进一步改进在于，运动误差修正后的卫星钟差解算公式为，
Figure BDA0002343190690000036
T1＝τT2+τ21+τR1+Δt+τrel-21+δ1，
T2＝τT1+τ12+τR2-Δt+τrel-12+δ2，
式中，T1、T2分别为卫星1和卫星2端得到的观测伪距，Δt表示卫星1和卫星2间的钟差，τT1、τT2分别表示卫星1和卫星2的设备发射时延，τR1、τR2分别表示卫星1和卫星2的设备接收时延，τ21表示信号从卫星2到卫星1的空间传播时延，τ12表示信号从卫星1到卫星2的空间传播时延；τrel-21、τrel-12表示由于相对论效应以及对流层、电离层等引起的附加空间传播时延，δ1、δ2表示卫星1和卫星2的测量噪声。
本发明的进一步改进在于，对钟差进行拟合，求拟合残差的RMS值作为衡量时间同步性能的参数。
本发明的进一步改进在于，所述修正方法，能够得到优于0.1ns的时间同步结果。
一种本发明上述的时间同步运动时延修正方法的应用，在空间高动态环境下卫星之间实现时间同步过程中，用于对由于相对高速运动引起的时延误差进行修正处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
针对卫星之间在高动态环境下由于相对高速运动引起的时延误差，本发明提出了一种基于单点伪距观测的运动时延误差修正方法。本发明的方法，在一方用户不具有速度和高精度位置信息的支持时，仍能够实现高动态环境下的双向时间同步解算。
本发明中，当卫星1和卫星2进行时分体制的双向测距和时间同步，两颗卫星的相对运动速度很高，已知卫星1的高精度轨道和速度等信息，而卫星2的运行速度较大且其不具备精确轨道和速度等信息支持，可以通过将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，从而在时延误差修正的过程中不需要卫星2的速度信息，只需要卫星2提供精度不高的位置信息即可解算两个卫星之间的钟差。
本发明的修正方法，可得到优于0.1ns的时间同步结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法的原理示意图；
图2是本发明实施例中，双向时间同步性能评估方法示意图；
图3是本发明实施例中，空间站与M1卫星时间同步精度(空间站真实位置)示意图；
图4是本发明实施例中，空间站与M1卫星时间同步精度(空间站200m位置误差)示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，具体包括以下步骤：
(1)基于单点伪距归算的运动时延误差修正算法
卫星1和卫星2进行时分体制的双向测距和时间同步，两颗卫星的相对运动速度很高，已知卫星1的高精度轨道和速度等信息，而卫星2的运行速度较大且其不具备精确轨道和速度等信息支持，可以通过将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，从而在时延误差修正的过程中不需要卫星2的速度信息，只需要卫星2提供精度不高的位置信息即可解算两个卫星之间的钟差。其中，运行速度较大是指卫星2相对卫星1的速度大，比如低轨空间站相对北斗卫星的相对运动速度可能达到6km/s。不具备精确轨道和速度信息是指提供的该卫星的轨道位置精度不高，可以在0.1km量级，其速度信息的精度较低甚至没有速度信息。
图1中，S1代表卫星1，S2代表卫星2，首先通过拉格朗日插值法或幂多项式拟合法进行历元归算，得到卫星2的单点伪距值，即将伪距归算至卫星2在收到信号的同时向对方发射信号。
假定S1在t0时刻发出测距信号，S2在t1时刻接收到S1发射的测距信号，同时S2在t1时刻向S1发射测距信号，S1在t2时刻收到S2发出的信号。lS1S2为S1发射信号到S2收到信号的空间传播距离，lS2S1‘’为S2发射信号到S1收到信号的空间传播距离，lS2S1‘为t1时刻S2与S1之间的瞬时几何距离。S1在地心惯性坐标系下的位置矢量、速度矢量和加速度矢量分别表示为
Figure BDA0002343190690000061
S2在地心惯性坐标系下的位置矢量为
Figure BDA0002343190690000062
则有:
Figure BDA0002343190690000063
Figure BDA0002343190690000064
Figure BDA0002343190690000065
分别整理化简上式(2)、(3)，平方后忽略二次以上项，然后再开平方并将右端按幂级数展开，忽略二次以上项，则有：
Figure BDA0002343190690000066
Figure BDA0002343190690000067
由于(t1-t0)≈(t2-t1),则：
Figure BDA0002343190690000068
Figure BDA0002343190690000069
即为单点伪距归算中的运动时延修正项。
(2)卫星之间钟差解算方法
得到上述运动时延修正项以后，进一步利用双向时间同步的原理解算出卫星之间的钟差。
具体算法如下：
T1＝τT2+τ21+τR1+Δt+τrel-21+δ1 (7)
T2＝τT1+τ12+τR2-Δt+τrel-12+δ2 (8)
其中，T1、T2分别为卫星1和卫星2端得到的观测伪距，Δt表示卫星1和卫星2间的钟差，τT1、τT2分别表示用户1和2的设备发射时延，τR1、τR2分别表示卫星1和卫星2的设备接收时延，τ21表示信号从卫星2到卫星1的空间传播时延，τ12表示信号从卫星1到卫星2的空间传播时延。τrel-21、τrel-12表示由于相对论效应以及对流层、电离层等引起的附加空间传播时延，δ1、δ2表示卫星1和卫星2的测量噪声。
假设互发测距信号的双方用户是相对静止的，则可以认为双方的空间传播路径是互逆的，传播时延τ21和τ12相等，则上面两式相减可以得到两个用户钟差表达式：
Figure BDA0002343190690000071
对于固定的两个卫星而言，(τR2-τR1)和(τT1-τT2)一般可以通过提前零值标定或在线标定的方法进行修正，相对论效应以及附加空间传播时延等可以通过相应的模型进行修正。从而可以利用式(9)解算出钟差Δt。
但是当双方用户之间的“双向单程”测量并非同时进行，也就是说双方用户不能保证是在同一时刻发射信号，而且当双方用户具有相对较高的运动速度时，就会导致双向测量过程中传播时延τ21和τ12并不相等，(9)式不再适用，必须考虑由于相对运动带来的影响。
将步骤(1)推导出的运动时延修正项
Figure BDA0002343190690000072
带入(9)式后，即可得到运动误差修正后的卫星钟差解算公式，
Figure BDA0002343190690000073
其中，τm由式(6)得到。
也就是说，当卫星2不能提供速度信息，采用本发明提供的算法仍可完成运动时延修正，进而解算出卫星双方的钟差。
(3)双向时间同步性能评估方法
请参阅图2，解算出卫星之间的钟差后，为了评估双向时间同步性能，可以通过对钟差进行拟合后求拟合残差的RMS值作为衡量其时间同步性能的参数。
具体实施例
本发明实施例中，以空间站和北斗MEO-1卫星(简称M1)之间的时间同步为例说明，首先利用STK仿真工具模拟轨道特征仿真生成空间站与M1卫星之间的双向伪距观测值，然后通过本发明方法对运动时延误差加以修正，最后得到二者之间的钟差并进行性能评估，具体步骤包括：
步骤1，根据单点伪距归算算法，首先利用拉格朗日插值法对生成的伪距观测量进行处理，从而将双向伪距值归算至空间站的单点伪距，即空间站收到信号的同时发射信号；
步骤2，采用单点运动时延修正算法公式以及钟差解算公式，解算得到空间站与卫星之间的钟差结果。
步骤3，利用性能评估方法得到空间站和M1卫星的时间同步性能，如图3所示，空间站与北斗卫星之间的钟差拟合残差RMS＝3.24×10-4ns(此时仿真中设置的空间站假定为真实位置，没有位置误差)。
步骤4，同样利用发明内容3的评估方法得到空间站和M1卫星的时间同步性能如图4所示。空间站与北斗卫星之间的钟差拟合残差RMS＝2.96×10-3ns。(此时仿真中设置的空间站位置误差为200m)。
通过图3和图4的仿真结果可以看出，采用本发明提出的运动误差修正算法，在空间站飞行速度未知且空间站位置精度不高(误差200m)的情况下仍然可以达到比较高的时间同步结果，双向同步精度约为0.003ns。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，卫星1和卫星2进行时分体制的双向测距和时间同步，已知卫星1的高精度轨道和速度信息，卫星2的运行速度较大且不具备精确轨道和速度信息，其特征在于，将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，获得单点伪距归算中的运动时延修正项；根据双向时间同步的原理和所述运动时延修正项，解算获得钟差。
2.根据权利要求1所述的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，其特征在于，所述卫星1的高精度轨道和速度信息，指由卫星广播星历提供并解算出的卫星1的位置和速度信息，位置精度能够达到m级，速度精度能够达到1mm/s量级；
所述卫星2的运行速度较大且不具备精确轨道和速度信息中，运行速度较大是指卫星2相对卫星1的速度大；不具备精确轨道和速度信息是指不能由卫星广播星历提供并解算出卫星的位置和速度信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，其特征在于，所述将卫星2的接收时刻和发射时刻归算至同一时刻，获得单点伪距归算中的运动时延修正项，具体包括：
通过拉格朗日插值法或幂多项式拟合法进行历元归算，获得卫星2的单点伪距值，用于实现将伪距归算至卫星2在收到信号的同时向对方发射信号；利用获得的卫星2的单点伪距值，计算获得单点伪距归算中的运动时延修正项。
4.根据权利要求3所述的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，其特征在于，S1代表卫星1，S2代表卫星2；设定S1在t0时刻发出测距信号，S2在t1时刻接收到S1发射的测距信号，同时S2在t1时刻向S1发射测距信号，S1在t2时刻收到S2发出的信号；
Figure FDA0002343190680000011
Figure FDA0002343190680000012
为单点伪距归算中的运动时延修正项；
Figure FDA0002343190680000013
式中，lS2S1′为t1时刻S2与S1之间的瞬时几何距离，S1在地心惯性坐标系下的位置矢量、速度矢量和加速度矢量分别表示为
Figure FDA0002343190680000021
和
Figure FDA0002343190680000022
S2在地心惯性坐标系下的位置矢量为
Figure FDA0002343190680000023
5.根据权利要求4所述的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，其特征在于，运动误差修正后的卫星钟差解算公式为，
Figure FDA0002343190680000024
T1＝τT2+τ21+τR1+Δt+τrel-21+δ1，
T2＝τT1+τ12+τR2-Δt+τrel-12+δ2，
式中，T1、T2分别为卫星1和卫星2端得到的观测伪距，Δt表示卫星1和卫星2间的钟差，τT1、τT2分别表示卫星1和卫星2的设备发射时延，τR1、τR2分别表示卫星1和卫星2的设备接收时延，τ21表示信号从卫星2到卫星1的空间传播时延，τ12表示信号从卫星1到卫星2的空间传播时延；τrel-21、τrel-12表示由于相对论效应以及对流层、电离层等引起的附加空间传播时延，δ1、δ2表示卫星1和卫星2的测量噪声。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，其特征在于，对钟差进行拟合，求拟合残差的RMS值作为衡量时间同步性能的参数。
7.根据权利要求6所述的一种基于单点伪距归算的时间同步运动时延修正方法，其特征在于，所述修正方法，能够得到优于0.1ns的时间同步结果。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的时间同步运动时延修正方法的应用，其特征在于，在空间高动态环境下卫星之间实现时间同步过程中，用于对由于相对高速运动引起的时延误差进行修正处理。
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