CN111308524A - 一种面向微小卫星多星编队的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向微小卫星多星编队的测量方法。包括：设置编队内卫星的编号；将单个测量周期划分为K个连续的时间段并编号；在编号为N的时间段内由编号为N的卫星负责发送信号，其它卫星负责接收信号，同时所有卫星都记录本地的信号发射时刻和接收时刻；基于双边双程测量方法，结合本地信号收发时刻，得到信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk；再经电离层双频组合校准与硬件延时校准后，得到星间距离测量值m_r和时差中期测量值m_Δt；最后对星间距离测量值m_r和时差中期测量值m_Δt进行动态补偿，得到星间距离最终测量值r_ij与时差最终测量值Δt_ij。本发明基于时分多址和双边双程测量的多星测量体制，能够在保证测量精度的同时满足分布式测量的需求。

Description

一种面向微小卫星多星编队的测量方法

技术领域

本发明属于测量方法，尤其涉及一种面向微小卫星多星编队的测量方法。

背景技术

目前，星间相对测量主要有GPS(Global Positioning System，全球定位系统)/GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)测量和RF(RadioFrequency，射频)无线电测量两种。GPS技术成熟，应用广泛，但其无法应用于中高轨道和深空环境，而RF自主测量和相对导航能够克服这些缺点，并且测量精度高。但目前，星间自主测量研究仍主要以双星编队为主，而在已有的多星编队多址测量方案中，基于频分多址(FDMA)的测量方案在K颗卫星构成的编队内，每一颗卫星都需要配置K个频点的信号收发装置，系统可扩展性差；基于码分多址(CDMA)的测量方案不仅需要进行发射功率控制，而且测量精度会随着节点的增加而下降。基于时分多址(TDMA)的测量方案能够克服以上问题，具有较好的可扩展性，能够满足多星编队分布式测量的需求。GPS导航卫星的星间链路采用了时分体制，但其物理层采用双程转发测量方法，该方法必须依赖于原子钟才能实现较高的测量精度，但微小卫星资源受限，难以配置原子钟。双边双程测量方法能解决这个问题，然而该方法目前仅应用于地面低精度、低动态场景，尚未用于星上高动态、高精度场景。将双边双程测量方法应用于多星编队，不仅能够避免星间时差影响，而且能有效抑制晶振频率漂移的影响，从而提高测量精度，并且该测量方式能够利用自身的测距结果解算时差，实现距离与时差的联合测量。基于时分多址和双边双程测量的多星测量体制，能够在保证测量精度的同时满足分布式测量的需求。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种面向微小卫星多星编队的测量方法；该方法在介质访问层采用TDMA分布式广播方法，能够满足分布式应用需求；在物理层采用双边双程测量方法，不仅能抑制频率漂移的影响，而且可基于卫星运动状态，建立动态补偿模型，从而保证高动态条件下的测量精度，还能够实现距离和时差的联合测量。

本发明采用的技术方案包括如下步骤：

步骤S101：对整个编队内的所有卫星进行编号，编号为1～K；将整个编队的单个测量周期划分为K个连续的时间段并对每个时间段设置编号，编号为1～K，其中K为正整数；

步骤S102：在第N个时间段内，由第N颗卫星负责发送信号，其余卫星负责接收信号；同时，每一颗卫星根据本地时钟记录信号发射时刻与信号接收时刻；

步骤S103：基于双边双程测量方法计算两颗卫星之间的信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk；

步骤S104：对信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk进行电离层双频组合校准和硬件延时校准，得到星间距离测量值m_r与时差中期测量值m_Δt；

步骤S105：依据编队内卫星的运动状态，建立星间距离测量值m_r与时差中期测量值m_Δt的动态补偿模型对星间距离测量值m_r与时差中期测量值m_Δt进行动态补偿，得到星间距离最终测量值r_ij和时差最终测量值Δt_ij。

所述步骤S103中的双边双程测量方法具体为：

在编队内任意两颗卫星之间完成三次通信时，结合两颗卫星记录的信号收发时刻，得到信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk，信号飞行时间测量值M_tof为在一次通信中信号从发射端到接收端所需的总时间，时差初步测量值M_clk为同一时刻两颗卫星之间的本地时间的差值；

信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk的具体表达式如下：

M_clk＝T_i(t₄)-T_j(t₃)-M_tof

其中，k_i、k_j分别表示第i颗卫星和第j颗卫星的本地时钟的晶振的实际工作频率与标称频率的比值；T_j(t₃)表示第j颗卫星第一次发送信号的本地时间，T_i(t₄)表示第i颗卫星第一次接收信号的本地时间；

tround_i表示第i颗卫星第一次发送信号和第一次接收信号之间的时间间隔，treply_i表示第i颗卫星第二次发送信号和第一次接收信号之间的时间间隔，treply_j表示第j颗卫星第一次接收信号和第一次发送信号之间的时间间隔，tround_j表示第j颗卫星第一次发送信号和第二次接收信号之间的时间间隔，具体表达式如下：

tround_i＝t₄-t₁

treply_i＝t₅-t₄

tround_j＝t₆-t₃

treply_j＝t₃-t₂

其中，t₁表示第i颗卫星第一次发送信号的时刻，t₂表示第j颗卫星第一次接收信号的时刻，t₃表示第j颗卫星第一次发送信号的时刻，t₄表示第i颗卫星第一次接收信号的时刻，t₅表示第i颗卫星第二次发送信号的时刻；t₆表示第j颗卫星第二次接收信号的时刻。

t₁～t₆均为时间的真实值；T_i(t₁)、T_i(t₄)、T_i(t₅)以及T_j(t₂)、T_j(t₃)、T_j(t₆)表示第i颗卫星或第j颗卫星的本地时间，即通过本地时钟得到的时间测量值。

所述步骤S104具体为：

星间通信中，信号飞行时间tof主要由电离层延时io、信号传输时延r、硬件延时d组成；信号飞行时间测量值M_tof表示为M_tof＝m_r+f_{r_dly}(io,d)，m_r表示星间距离测量值即为信号传输时延的测量值，f_{r_dly}(io,d)表示信号飞行时间测量值M_tof中的电离层延时与硬件延时的总和；

在双边双程测量过程中，三次通信的信号飞行时间包含在tround_i、tround_j内，具体表达式如下为：

tround_i＝tof₁₂+treply_j+tof₃₄

tround_j＝tof₃₄+treply_i+tof₅₆

其中，tof_mn表示时间段t_m～t_n内的信号飞行时间；

时差初步测量值M_clk表示为M_clk＝m_Δt+f_{Δt_dly}(io,d)，m_Δt表示时差中期测量值，f_{Δt_dly}(io,d)表示时差初步测量值M_clk中的电离层延时与硬件延时的总和；由公式M_clk＝T_i(t₄)-T_j(t₃)-M_tof可知，f_{Δt_dly}(io,d)不仅包括t₃→t₄信号传输过程中的电离层延时与硬件延时，还包括信号飞行时间测量值M_tof中的电离层延时与硬件延时；

对信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk进行电离层双频组合校准与硬件延时校准，消除f_{r_dly}(io,d)、f_{Δt_dly}(io,d)，得到星间距离测量值m_r和时差中期测量值m_Δt，具体表达式如下：

m_Δt＝Δt^*+r₃₄·k_i-m_r

其中，r^*＝s(t₃)/c，s(t₃)是t₃时刻两颗卫星之间的真实距离；Δt^*为时差参考值，时差参考值为两颗卫星之间的真实时差；

r_mn表示时间段t_m～t_n内的信号传输时延，具体表达式如下：

r₁₂＝s(t₁)/(c+v_j12)

r₃₄＝s(t₃)/(c+v_i34)

r₅₆＝s(t₅)/(c+v_j56)

式中s(t_n)表示t_n时刻两颗卫星之间的真实距离；v_ij(t)表示测量过程中第j颗卫星相对第i颗卫星的相对运动速度；v_j12表示在第一次信号传输过程中(t₁→t₂)，第j颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；v_i34表示在第二次信号传输过程中(t₃→t₄)，第i颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；v_j56表示在第三次信号传输过程中(t₅→t₆)，第j颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；c表示光速。

两颗卫星之间完成一次信号收发表示完成一次通信。

所述步骤S101中K的取值大于或等于编队内的卫星数量，且每一颗卫星的编号均不相同，单个测量周期内每个时间段的编号均不相同。

所述单个测量周期为整个编队完成一次测量所需的时间。

每一个时间段内只有一颗卫星负责发送信号，其它卫星负责接收信号；且每一颗卫星仅在与自身编号相同的时间段内负责发送信号，在其它时间段内负责接收信号。

所述步骤S105具体为：依据编队内卫星的运动状态，建立星间距离测量值m_r的动态补偿模型Δ_r，表达式如下：

建立时差测量值m_Δt的动态补偿模型

表达式如下：

其中，η₁₂为c/(c+v_j12)，η₃₄为c/(c+v_i34)，η₅₆为c/(c+v_j56)；

η_ij为

具体补偿过程表示为：

星间距离最终测量值r_ij＝m_r-Δ_r

时差最终测量值Δt_ij＝m_Δt-Δ_Δt。

本发明的有益效果：

1.本发明填补了现有技术的空白，该方法基于时分多址，满足分布式需求，并能实现距离与时差的联合测量。

2.本发明结合双边双程测量方法，能有效抑制晶振频率漂移的影响，并可基于卫星运动状态建立动态补偿模型，保证高动态条件下的测量精度。

3.本发明突破双边双程方法应用于地面系统的已有精度水平，在多星编队应用中实现高精度。

附图说明

图1是本发明方法中卫星的编号、时间段的划分和编号以及信号收发设置的示意图；

图2是双边双程测量方法的示意图；

图3是本发明测量方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图3所示，面向微小卫星多星编队的测量方法步骤如下：

步骤1：如图1所示，设置编队内卫星的编号，编号为node 1～node K；将单个测量周期划分为K个连续的时隙并编号，编号为slot 1～slot K。

步骤2：在编号为N的时隙内，由编号为N的卫星负责发送信号，其他卫星负责接收信号，所有卫星根据本地时钟记录信号发射时刻与信号接收时刻。

步骤3：编队内任意两颗卫星之间完成三次通信时，基于双边双程测量方法，结合本地的信号收发时刻，得到信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk。

信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk的表达式如下：

M_clk＝T_i(t₄)-T_j(t₃)-M_tof

式中k_i、k_j表示编号为i、j的卫星的本地时钟晶振的实际工作频率与标称频率的比值；T_j(t₃)表示第j颗卫星第一次发送信号的本地时间，T_i(t₄)表示第i颗卫星第一次接收信号的本地时间；。

如图2所示，tround_i、treply_i、tround_i、treply_i表示编号为i、j的卫星的本地信号收发时间间隔，其表达式如下：

tround_i＝t₄-t₁

treply_i＝t₅-t₄

tround_j＝t₆-t₃

treply_j＝t₃-t₂

其中，t₁表示第i颗卫星第一次发送信号的时刻，t₂表示第j颗卫星第一次接收信号的时刻，t₃表示第j颗卫星第一次发送信号的时刻，t₄表示第i颗卫星第一次接收信号的时刻，t₅表示第i颗卫星第二次发送信号的时刻；t₆表示第j颗卫星第二次接收信号的时刻。

步骤4：对信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk进行电离层双频组合校准与硬件延时校准，得到星间距离测量值m_r和时差中期测量值m_Δt，具体表达式如下：

m_Δt＝Δt^*+r₃₄·k_i-m_r

其中，r^*＝s(t₃)/c，s(t₃)、Δt^*为距离参考值和时差参考值；距离参考值为两颗卫星之间的真实距离，时差参考值为两颗卫星之间的真实时差；

r₁₂、r₃₄、r₅₆分别表示三次通信时的信号传输时延，具体表达式如下：

r₁₂＝s(t₁)/(c+v_j12)

r₃₄＝s(t₃)/(c+v_i34)

r₅₆＝s(t₅)/(c+v_j56)

式中s(t_n)表示t_n时刻两颗卫星之间的真实距离；v_ij(t)表示测量过程中第j颗卫星相对第i颗卫星的相对运动速度；v_j12表示在第一次信号传输过程中(t₁→t₂)，第j颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；v_i34表示在第二次信号传输过程中(t₃→t₄)，第i颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；v_j56表示在第三次信号传输过程中(t₅→t₆)，第j颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；c表示光速。

步骤5：依据编队内卫星的运动状态，采用动态补偿模型对星间距离测量值m_r与时差测量值m_Δt进行动态补偿，得到最终星间距离测量值r_ij和最终时差测量值Δt_ij。

建立星间距离测量值m_r的动态补偿模型Δ_r，表达式如下：

建立时差测量值m_Δt的动态补偿模型

表达式如下：

其中，η₁₂为c/(c+v_j12)，η₃₄为c/(c+v_i34)，η₅₆为c/(c+v_j56)；

η_ij为

具体补偿过程表示为：r_ij＝m_r-Δ_r、Δt_ij＝m_Δt-Δ_Δt。

其中，补偿模型中r^*＝s(t₃)/c，因s(t₃)是未知量，由星间距离测量值m_r替换r^*，速度的测量值由测速系统获得。

Claims (7)

1.一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S101：对整个编队内的所有卫星进行编号，编号为1～K；将整个编队的单个测量周期划分为K个连续的时间段并对每个时间段设置编号，编号为1～K；

步骤S102：在第N个时间段内，由第N颗卫星负责发送信号，其余卫星负责接收信号；同时，每一颗卫星根据本地时钟记录信号发射时刻与信号接收时刻；

步骤S103：基于双边双程测量方法计算两颗卫星之间的信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk；

步骤S104：对信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk进行电离层双频组合校准和硬件延时校准，得到星间距离测量值m_r与时差中期测量值m_Δt；

步骤S105：建立星间距离测量值m_r与时差中期测量值m_Δt的动态补偿模型对星间距离测量值m_r与时差中期测量值m_Δt进行动态补偿，得到星间距离最终测量值r_ij和时差最终测量值Δt_ij。

2.根据权利要求1所述的一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，所述步骤S103中的双边双程测量方法具体为：

在编队内任意两颗卫星之间完成三次通信时，结合两颗卫星记录的信号收发时刻，得到信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk，信号飞行时间测量值M_tof为在一次通信中信号从发射端到接收端所需的总时间，时差初步测量值M_clk为同一时刻两颗卫星之间的本地时间的差值；

信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk的具体表达式如下：

M_clk＝T_i(t₄)-T_j(t₃)-M_tof

其中，k_i、k_j分别表示第i颗卫星和第j颗卫星的本地时钟的晶振的实际工作频率与标称频率的比值；T_j(t₃)表示第j颗卫星第一次发送信号的本地时间，T_i(t₄)表示第i颗卫星第一次接收信号的本地时间；

tround_i表示第i颗卫星第一次发送信号和第一次接收信号之间的时间间隔，treply_i表示第i颗卫星第二次发送信号和第一次接收信号之间的时间间隔，treply_j表示第j颗卫星第一次接收信号和第一次发送信号之间的时间间隔，tround_j表示第j颗卫星第一次发送信号和第二次接收信号之间的时间间隔，具体表达式如下：

tround_i＝t₄-t₁

treply_i＝t₅-t₄

tround_j＝t₆-t₃

treply_j＝t₃-t₂

其中，t₁表示第i颗卫星第一次发送信号的时刻，t₂表示第j颗卫星第一次接收信号的时刻，t₃表示第j颗卫星第一次发送信号的时刻，t₄表示第i颗卫星第一次接收信号的时刻，t₅表示第i颗卫星第二次发送信号的时刻；t₆表示第j颗卫星第二次接收信号的时刻。

3.根据权利要求1所述的一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，所述步骤S104具体为：

星间通信中，信号飞行时间tof主要由电离层延时io、信号传输时延r、硬件延时d组成；信号飞行时间测量值M_tof表示为M_tof＝m_r+f_{r_dly}(io,d)，m_r表示星间距离测量值即为信号传输时延的测量值，f_{r_dly}(io,d)表示信号飞行时间测量值M_tof中的电离层延时与硬件延时的总和；

时差初步测量值M_clk表示为M_clk＝m_Δt+f_{Δt_dly}(io,d)，m_Δt表示时差中期测量值，f_{Δt_dly}(io,d)表示时差初步测量值M_clk中的电离层延时与硬件延时的总和；

对信号飞行时间测量值M_tof与时差初步测量值M_clk进行电离层双频组合校准与硬件延时校准，消除f_{r_dly}(io,d)、f_{Δt_dly}(io,d)，得到星间距离测量值m_r和时差中期测量值m_Δt，具体表达式如下：

m_Δt＝Δt^*+r₃₄·k_i-m_r

其中，r^*＝s(t₃)/c，s(t₃)是t₃时刻两颗卫星之间的真实距离；Δt^*为时差参考值，时差参考值为两颗卫星之间的真实时差；

r_mn表示时间段t_m～t_n内的信号传输时延，具体表达式如下：

r₁₂＝s(t₁)/(c+v_j12)

r₃₄＝s(t₃)/(c+v_i34)

r₅₆＝s(t₅)/(c+v_j56)

式中s(t_n)表示t_n时刻两颗卫星之间的真实距离；v_ij(t)表示测量过程中第j颗卫星相对第i颗卫星的相对运动速度；v_j12表示在第一次信号传输过程中(t₁→t₂)，第j颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；v_i34表示在第二次信号传输过程中(t₃→t₄)，第i颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；v_j56表示在第三次信号传输过程中(t₅→t₆)，第j颗卫星在信号传输方向上的平均运动速度；c表示光速。

4.根据权利要求2或3所述的一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，两颗卫星之间完成一次信号收发表示完成一次通信。

5.根据权利要求1所述的一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，所述步骤S101中K的取值大于或等于编队内的卫星数量，且每一颗卫星的编号均不相同，单个测量周期内每个时间段的编号均不相同。

6.根据权利要求5所述的一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，所述单个测量周期为整个编队完成一次测量所需的时间。

7.根据权利要求1所述的一种面向微小卫星多星编队的测量方法，其特征在于，每一个时间段内只有一颗卫星负责发送信号，其它卫星负责接收信号；且每一颗卫星仅在与自身编号相同的时间段内负责发送信号，在其它时间段内负责接收信号。

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