CN111562595A - 卫星自主定位与时间同步系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星自主定位与时间同步系统及方法，卫星时频基准产生器提供频率基准信号；秒脉冲产生模块根据频率基准信号产生时间基准信号；卫星导航接收机被配置为提供PPS授时信号；秒脉冲比对模块被配置为采用连续采样鉴相，将PPS授时信号与时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将第一时间同步信号发送至时间同步控制模块；星地双向时间比对载荷被配置为通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和时间基准信号产生第二时间同步信号，并将第二时间同步信号发送至时间同步控制模块；时间同步控制模块被配置为根据对第一时间同步信号和/或第二时间同步信号对频率基准信号和/或时间基准信号进行相位校正和/或频率校正。

Description

卫星自主定位与时间同步系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星导航与定时技术领域，特别涉及一种卫星自主定位与时间同步系统及方法。
背景技术
相对于传统化推进采用推进剂，电推进系统采用电能来加速推进剂，能够大幅提升推进剂的利用效率，因此能使卫星节省约90％的推进剂。因此在提升载荷容量、寿命的同时，全电推GEO卫星相对于传统的化学推进GEO卫星，可降低约50％甚至更多的发射重量，降低约一半的发射成本。已经成为商业通信卫星领域的发展趋势，
宽带通信卫星载荷类型多样、多系统融合的趋势，要求卫星时频基准信号同时具有低相位噪声、时间同步精度高、长期稳定度好等特点，传统的时频载荷设计缺乏系统性考虑，满足如此多样的需求耗费大量资源，而全电推入轨卫星又存在入轨时间较长，测定轨需占用较多地面测控资源的问题，更加大了卫星时频基准信号是生成及时间同步的难度，因此，如何将全电推入轨应用于宽带通信卫星成为难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星自主定位与时间同步系统及方法，以解决现有的全电推入轨难以应用于宽带通信卫星的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星自主定位与时间同步系统，所述卫星自主定位与时间同步系统包括承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器、秒脉冲产生模块、秒脉冲比对模块、时间同步控制模块及星地双向时间比对载荷，以及承载于入轨卫星上的卫星导航接收机，其中：
所述卫星时频基准产生器被配置为提供频率基准信号；
所述秒脉冲产生模块被配置为根据所述频率基准信号产生时间基准信号；
所述卫星导航接收机被配置为提供PPS授时信号；
所述卫星导航接收机被配置为实现卫星自主定位；
所述秒脉冲比对模块被配置为采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
所述星地双向时间比对载荷被配置为通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
所述时间同步控制模块被配置为根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行频率校正和/或相位校正。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述卫星时频基准产生器包括恒温晶振、两个铷原子钟、选择开关、直接数字频率合成器、鉴相器、环路滤波器及100M晶振，其中：
所述直接数字频率合成器、所述鉴相器及所述环路滤波器被配置为组成锁相环；
所述选择开关被配置为使能所述恒温晶振或其中一个所述铷原子钟；
被使能的所述铷原子钟或所述恒温晶振通过所述锁相环与所述100MHz晶振进行锁相，以使所述100MHz晶振输出频率基准信号；
所述锁相环的分频器功能由所述直接数字频率合成器代替，通过调整所述直接数字频率合成器的控制字，执行对所述频率基准信号的频率控制。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述时间同步控制模块被配置为根据相位漂移量归算法对频率基准信号的频率进行补偿，具体包括：所述时间同步控制模块被配置为根据所述第一时间同步信号及所述第二时间同步信号产生控制字修正量，并将所述控制字修正量发送至所述直接数字频率合成器，以调整所述直接数字频率合成器的控制字，执行对所述频率基准信号的频率进行调整，执行对所述时间基准信号的频率和相位进行修正，补偿频标的老化引入的频率漂移。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述秒脉冲比对模块被配置为对所述时间基准信号和所述PPS授时信号的相位差进行测量，当测量的相位差大于预设门限时，所述时间同步控制模块被配置为通过积分时间内的相位差归算出频率准确度，并根据频率准确度得到频率差，根据所述频率差计算所述控制字修正量，通过所述控制字修正量使得所述相位差小于所述预设门限。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述时间同步控制模块被配置直接根据所述第一时间同步信号和所述第二时间同步信号获取相位校正信号，并将所述相位校正信号发送至所述秒脉冲产生模块，以使所述相位校正信号修正所述时间基准信号，对所述时间基准信号进行相位校准。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述入轨卫星本体上安装有第一天线、第二天线和第三天线，其中：
所述第一天线和所述第二天线同平面对向安装，夹角为180°，所述第一天线为宽波束，所述第二天线为窄波束，所述第三天线为窄波束；
当所述入轨卫星电推入轨过程中近地点高度低于10000公里时，所述第一天线指向于与卫星地心连线夹角为180°的方向；
当所述入轨卫星电推入轨过程中近地点高度高于10000公里时，所述第二天线指向于与卫星地心连线夹角为0°的方向；
所述卫星导航接收机对所述第一天线和所述第二天线所接收的信号进行联合解算；
所述入轨卫星进入地球静止轨道后，所述第二天线根据入轨卫星的姿态调整指向，始终指向地心；所述第三天线指向地心。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述卫星导航接收机包括分别与所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线连接的三个前置放大器、分别与所述三个前置放大器连接的三个射频芯片，以及与所述三个射频芯片连接的信号处理模块，其中：
所述三个前置放大器被配置为将所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线接收的信号进行放大，发送至所述三个射频芯片；
所述三个射频芯片被配置为将第一天线、所述第二天线和所述第三天线接收的信号转换为电信号，发送至所述信号处理模块；
所述信号处理模块根据所述电信号生成所述自主定位和PPS授时信号。
可选的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述秒脉冲产生模块以卫星导航接收机输出的初始时间为起点，根据所述频率基准信号的频率产生所述时间基准信号。
本发明还提供一种卫星自主定位与时间同步方法，所述卫星自主定位与时间同步方法包括：
承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器提供频率基准信号；
承载于入轨卫星上的秒脉冲产生模块根据所述频率基准信号产生时间基准信号；
承载于入轨卫星上的卫星导航接收机提供PPS授时信号；
承载于入轨卫星上的卫星导航接收机提供自主定位信号；
承载于入轨卫星上的秒脉冲比对模块采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
承载于入轨卫星上的星地双向时间比对载荷通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
承载于入轨卫星上的时间同步控制模块根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行相位校正和/或频率校正。
在本发明提供的卫星自主定位与时间同步系统及方法中，通过卫星时频基准产生器提供频率基准信号，秒脉冲产生模块根据频率基准信号产生时间基准信号，卫星导航接收机提供PPS授时信号，秒脉冲比对模块采用连续采样鉴相，将PPS授时信号与时间基准信号进行比对，得出自主同步的第一时间同步信号，星地双向时间比对载荷通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和时间基准信号产生高精度的第二时间同步信号，时间同步控制模块根据对第一时间同步信号和/或第二时间同步信号对频率基准信号和/或时间基准信号进行相位校正和/或频率校正，融合高精度时间同步与自主时间同步，利用双向精密相干测距实现高精度的时间同步，基于导航卫星接收机实现自主时间同步，时间同步模式可配置。克服了传统时频载荷设计缺乏系统性考虑的缺陷，且无需耗费大量资源，适用于全电推入轨卫星入轨时间较长的情况，另外，本发明时间同步可以不占用或较少占用地面测控资源，给测定轨需占用的地面测控资源流出空间，实现了将全电推入轨应用于宽带通信卫星。
附图说明
图1是本发明一实施例卫星自主定位与时间同步系统示意图；
图2是本发明一实施例导航卫星的天线安装示意图；
图3是本发明一实施例导航卫星轨道坐标系示意图；
图4是本发明一实施例卫星导航接收机示意图；
图中所示：11-恒温晶振；12-铷原子钟；13-选择开关；14-直接数字频率合成器；15-鉴相器；16-环路滤波器；17-100M晶振；20-秒脉冲产生模块；30-秒脉冲比对模块；40-时间同步控制模块；50-星地双向时间比对载荷；60-卫星导航接收机；71-第一天线；72-第二天线；73-第三天线；74-前置放大器；75-射频芯片；76-信号处理模块；77-卫星平台；80-入轨卫星本体。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星自主定位与时间同步系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种卫星自主定位与时间同步系统及方法，以解决现有的全电推入轨难以应用于宽带通信卫星的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种卫星自主定位与时间同步系统及方法，所述卫星自主定位与时间同步系统包括承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器、秒脉冲产生模块、秒脉冲比对模块、时间同步控制模块及星地双向时间比对载荷，以及承载于入轨卫星上的卫星导航接收机，其中：所述卫星时频基准产生器被配置为提供频率基准信号；所述秒脉冲产生模块被配置为根据所述频率基准信号产生时间基准信号；所述卫星导航接收机被配置为提供PPS授时信号；所述卫星导航接收机被配置为实现卫星自主定位；所述秒脉冲比对模块被配置为采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；所述星地双向时间比对载荷被配置为通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；所述时间同步控制模块被配置为根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行相位校正和/或频率校正。
<实施例一>
本实施例提供一种卫星自主定位与时间同步系统，如图1所示，所述卫星自主定位与时间同步系统包括承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器、秒脉冲产生模块20、秒脉冲比对模块30、时间同步控制模块40及星地双向时间比对载荷50，以及承载于入轨卫星上的卫星导航接收机60，其中：所述卫星时频基准产生器被配置为提供频率基准信号；所述秒脉冲产生模块20被配置为根据所述频率基准信号产生时间基准信号；所述卫星导航接收机60被配置为提供PPS授时信号；所述卫星导航接收机被配置为实现卫星自主定位；所述秒脉冲比对模块30被配置为采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块40；所述星地双向时间比对载荷50被配置为通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块40；所述时间同步控制模块40被配置为根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行相位校正和/或频率校正。
具体的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述卫星时频基准产生器包括恒温晶振11、两个铷原子钟12、选择开关13、直接数字频率合成器14、鉴相器15、环路滤波器16及100M晶振17，其中：所述直接数字频率合成器14、所述鉴相器15及所述环路滤波器16被配置为组成锁相环；所述选择开关13被配置为使能所述恒温晶振11或其中一个所述铷原子钟12；被使能的所述铷原子钟12或所述恒温晶振11通过所述锁相环与所述100MHz晶振17进行锁相，以使所述100MHz晶振17输出频率基准信号；所述锁相环的分频器功能由所述直接数字频率合成器14代替，通过调整所述直接数字频率合成器14的控制字，执行对所述频率基准信号的频率控制。
进一步的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述时间同步控制模块40被配置为根据相位漂移量归算法对频率基准信号的频率进行补偿，具体包括：所述时间同步控制模块40被配置为根据所述第一时间同步信号及所述第二时间同步信号产生控制字修正量，并将所述控制字修正量发送至所述直接数字频率合成器14，以调整所述直接数字频率合成器14的控制字，执行对所述频率基准信号的频率进行调整，执行对所述时间基准信号的频率和相位进行修正，补偿频标的老化引入的频率漂移。
更进一步的，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述秒脉冲比对模块30被配置为对所述时间基准信号和所述PPS授时信号的相位差进行测量，当测量的相位差大于预设门限时，所述时间同步控制模块40被配置为通过积分时间内的相位差归算出频率准确度，并根据频率准确度得到频率差，根据所述频率差计算所述控制字修正量，通过所述控制字修正量使得所述相位差小于所述预设门限。
或者，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述时间同步控制模块40被配置直接根据所述第一时间同步信号和所述第二时间同步信号获取相位校正信号，并将所述相位校正信号发送至所述秒脉冲产生模块20，以使所述相位校正信号修正所述时间基准信号，对所述时间基准信号进行相位校准。
如图1～3所示，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述入轨卫星本体80上安装有第一天线71、第二天线72和第三天线73，其中：所述第一天线71和所述第二天线72同平面对向安装，夹角为180°，所述第一天线71为宽波束，所述第二天线72为窄波束，所述第三天线73为窄波束；当所述入轨卫星电推入轨过程中近地点高度低于10000公里时，所述第一天线71指向于与卫星地心连线夹角为180°的方向；当所述入轨卫星电推入轨过程中近地点高度高于10000公里时，所述第二天线72指向于与卫星地心连线夹角为0°的方向；第一天线71、第二天线72和第三天线73接收导航卫星的信号，所述卫星导航接收机60对所述第一天线71和所述第二天线72所接收信号进行联合解算，通过卫星导航接收机处理后完成定位和时间同步，输出PPS授时信号及自主定位信号；所述入轨卫星进入地球静止轨道后，所述第二天线72根据入轨卫星的姿态调整指向，始终指向地心；所述第三天线73指向地心。
如图4所示，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述卫星导航接收机60包括分别与所述第一天线71、所述第二天线72和所述第三天线73通信的三个前置放大器74、分别与所述三个前置放大器74连接的三个射频芯片75，以及与所述三个射频芯片75连接的信号处理模块76，其中：所述三个前置放大器74被配置为将所述第一天线71、所述第二天线72和所述第三天线73接收的信号进行放大，发送至所述三个射频芯片75；所述三个射频芯片75被配置为将第一天线71、所述第二天线72和所述第三天线73接收的信号转换为电信号，发送至所述信号处理模块76；所述信号处理模块76根据所述电信号生成所述自主定位和PPS授时信号，信号处理模块76与卫星平台77通过422通信，并发送遥测信息，卫星平台77向信号处理模块76发送遥控信息，并向信号处理模块76供电。
另外，在所述的卫星自主定位与时间同步系统中，所述秒脉冲产生模块20以卫星导航接收机60输出的初始时间为起点，根据所述频率基准信号的频率产生所述时间基准信号。
综上，上述实施例对卫星自主定位与时间同步系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种卫星自主定位与时间同步方法，所述卫星自主定位与时间同步方法包括：承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器提供频率基准信号；承载于入轨卫星上的秒脉冲产生模块20根据所述频率基准信号产生时间基准信号；承载于入轨卫星上的卫星导航接收机60提供PPS授时信号；承载于入轨卫星上的卫星导航接收机提供自主定位信号；承载于入轨卫星上的秒脉冲比对模块30采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块40；承载于入轨卫星上的星地双向时间比对载荷50通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块40；承载于入轨卫星上的时间同步控制模块40根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行相位校正和/或频率校正。
在本发明提供的卫星自主定位与时间同步系统及方法中，通过卫星时频基准产生器提供频率基准信号，秒脉冲产生模块20根据频率基准信号产生时间基准信号，卫星导航接收机60提供PPS授时信号，秒脉冲比对模块30采用连续采样鉴相，将PPS授时信号与时间基准信号进行比对，得出自主同步的第一时间同步信号，星地双向时间比对载荷50通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和时间基准信号产生高精度的第二时间同步信号，时间同步控制模块40根据对第一时间同步信号和/或第二时间同步信号对频率基准信号和/或时间基准信号进行相位校正和/或频率校正，融合高精度时间同步与自主时间同步，利用双向精密相干测距实现高精度的时间同步，基于导航卫星接收机实现自主时间同步，时间同步模式可配置。克服了传统时频载荷设计缺乏系统性考虑的缺陷，且无需耗费大量资源，适用于全电推入轨卫星入轨时间较长的情况，另外，本发明时间同步可以不占用或较少占用地面测控资源，给测定轨需占用的地面测控资源流出空间，实现了将全电推入轨应用于宽带通信卫星。
本发明为一种可应用于全电推入轨GEO卫星全生命周期的PNT(定位、导航、授时)系统设计方法，通过结合三天线高灵敏度全球卫星导航系统接收机(简称卫星导航接收机)、星载小型化铷原子钟、恒温晶振、直接数字频率合成技术一体化实现以下功能：1)GTO轨道上卫星的高精度自主定轨；2)GEO轨道上卫星的高精度自主定轨；3)GEO轨道上卫星的高精度时间同步基准信号产生；4)高准确度和高稳定度频率基准信号产生；5)低相位噪声频率基准信号产生；6)频率基准信号频率校正。结合高低增益天线、高灵敏度卫星导航接收机、星载小型化铷原子钟、恒温晶振、直接数字频率合成器，本系统设计以较小的代价满足了GEO卫星全生命周期中对自主定轨、时间同步、频率基准信号产生的综合需求。
全电推入轨GEO卫星全生命周期PNT系统设计方法，包括以下内容：通过卫星导航接收机、恒温晶振、铷原子钟、直接数字频率合成器一体化设计，实现全电推入轨GEO卫星各阶段的自主定轨、自主时间同步，产生高稳定度、高准确度、低相位噪声时间频率基准信号；采用三天线技术，在卫星电推入轨过程中姿态指向约束条件下，通过对多维指向宽、窄波束接收天线联合解算，解决全电推入轨卫星从近地点200公里到35786公里的自主轨道确定；通过采用90°指向切换天线，在卫星进入地球静止轨道后将GTO轨道使用的高增益天线应用于GEO卫星轨道，提升系统可靠性；将卫星导航接收机与直接数字频率产生技术结合，利用PPS相位调整和频率基准信号调频功能，通过连续采样鉴相技术实现卫星时间与导航卫星系统时间、地面主控站时间的同步与平稳切换，实现高精度自主时间同步和频率校正；融合高精度时间同步与自主时间同步，利用双向精密相干测距实现高精度的时间同步，基于导航卫星接收机实现自主时间同步，时间同步模式可配置。
安装指向不同的第一天线71、第二天线72、第三天线73。当卫星电推入轨过程中近地点高度低于10000公里，宽波束天线(第一天线71)指向与卫星地心连线夹角为180°。当卫星入轨过程中近地点高度高于10000公里，窄波束天线(第二天线72)与卫星地心连线夹角为0°，接收地球对面导航卫星漏信号，第一天线71和第二天线72同平面对向安装，夹角180°，导航卫星接收机对第一天线71和第二天线72接收信号进行联合解算，提升可见星数量和PDOP值。卫星进入地球静止轨道后导航卫星接收天线与卫星本体+Z轴指向一致，即第三天线73指向地心，接收地球对面导航卫星漏信号完成自主定轨与时间同步。将第二天线72安装位置靠近卫星舱板对地面，通过将第二天线72指向切换90°指向+Z轴与第三天线73指向一致，作为第三天线73备份，提升系统可靠性。
卫星时频利用卫星导航接收机产生的PPS授时信号进行初始时间同步，卫星时频具备自守时功能，并能利用导航卫星接收机进行频率和相位校正，通过连续采样鉴相技术实现时间同步与平稳切换。采用直接数字频率产生技术，根据相位漂移量归算法对卫星时频基准频率进行补偿，可对卫星时频产生的PPS进行相位校准，对频率基准信号的频率进行修正，补偿频标的老化引入的频率漂移，实现PPS相位的平稳跟踪与同步。
2台小型化铷原子钟与10MHz恒温晶振互为备份，通过选择开关进行切换。铷原子钟/10MHz恒温晶振经过锁相环与100MHz晶振锁相后输出100MHz基准频率信号。其中锁相环的分频器功能由直接数字频率合成器代替，通过调整直接数字频率合成器的控制字，可实现对输出100MHz基准频率信号的频率控制，确保输出信号高准确度。通过数字脉冲产生器，基于100MHz基准频率信号，产生与100MHz同源相干的PPS信号。PPS信号产生器通过连续采样自动外同步到卫星导航接收机输出的PPS信号，实现GEO卫星时频与导航卫星系统的时间同步。
自主定轨功能主要依赖于三天线卫星导航接收机实现，导航卫星设计时，服务区域主要为1000公里以下的低轨及地表用户。全电推入轨GEO卫星在入轨过程中，卫星姿态以确保能源最佳为优化目标，难以确保导航卫星接收天线指向最优。入轨过程中，近地点高度不断抬升，卫星姿态不断调整，接收天线需自适应高低轨道和复杂姿态。设计三副不同指向的天线用于入轨过程中各阶段的信号接收，其中低增益天线(第一天线71)主要用于10000公里以下接收天顶导航卫星信号，卫星高度高于10000公里后，通过第一天线71和第二天线72双天线联合解算，同时接收天顶和地球对面漏信号，获得更优的可用性和PDOP值。卫星定点后，卫星三轴稳定对地，卫星+Z轴与轨道坐标系+Z轴指向重合，主用+Z天线(第三天线73)接收地球对面漏信号，此时第二天线72处于不可用状态，将第二天线72指向切换为+Z，第二天线72和射频前端用作第三天线73的备份，提升系统可靠性。
卫星时频基准产生器通过基于直接数字频率合成的数字锁相环路，将环路带宽设置为1Hz，环路带宽内的相位噪声取决于原子钟，环路带宽外相位噪声取决于100MHz恒温晶振。将100MHz晶振与铷钟/恒温晶振锁相后输出100MHz频率参考信号，大幅改善输出频率信号相噪水平。系统输出相噪和短期稳定度指标与恒温晶振相当，而中期稳定度与原子钟接近，通过卫星导航接收机进行外同步，确保长期稳定性，达到最优的系统性能。卫星系统时间朔源到导航卫星系统时，以卫星导航接收机输出初始时间为起点，根据频率参考信号产生PPS信号。通过卫星PPS相位调整，利用导航卫星系统时进行传递，可将卫星时朔源到特定基准站时间，也支持通过星地双向时间比对调整PPS相位维持与地面基准站高精度时间同步。温度和老化漂移使得原子钟、晶振输出频率准确度不稳定，影响原子钟输出的准确度和稳定度，长期累积将导致时间同步精度下降，通过导航卫星系统授时和数字频率产生技术，对时频基准输出的频率参考信号进行修正，减少老化漂移、环境温度等因素对频率源的影响，确保系统输出高精度、低相噪、高稳定的信号。时频基准的频率实际值与真值之间的偏差称为频率准确度。
卫星的秒脉冲通过计数器对基准频率计数产生，时间同步精度保持由频率准确度和稳定度决定，频率准确度可通过时频产生器的频率调整功能进行补偿。频率测量值与真值间的偏差随时间变化，频率变化对时间的导数即频率稳定度，频率准确度随时间变化。
一定时间内PPS漂移累计值表征了该时间段内时频系统的PPS与基准时间PPS相位变化量，可由秒脉冲比对模块对本地时频和基准时间的秒脉冲的相位差进行测量或星地双向时间比对测量得到，两种模式可根据精度和系统朔源的需求进行选择。由相位偏移量可归算出该时间段的频偏，频偏作为频率合成器控制字调整量，用于频率校正，保持基准频率和时间同步信号的高准确度输出。根据时间同步精度要求设置频率合成器调整控制门限，当秒脉冲相位差超过预设门限，使能频率合成器控制字修正量，通过频率修正使得时间同步信号在控制范维内保持相位平稳跟踪。时间同步精度由初始时间同步精度和PPS相位偏漂移累计量组成。初始时间同步精度根据时间同步模式不同，由星地双向时间同步精度或卫星导航接收机授时精度决定，PPS相位偏差由频率准确度和稳定度决定。通过相干测距测量星地时差，利用频率合成器频率修正技术或PPS相位调整技术，预计可实现的初始时间同步为0.3ns，长期时间同步精度可根据需求灵活设置。朔源到导航卫星系统的全天候时间同步精度预计优于1us。
本发明能够实现无地面辅助下的GEO卫星高精度自主定轨，多源时间同步，高精度低相噪的的参考频率输出。三天线设计实现了复杂姿态下的高低轨道自适应接收，解决了高低轨道下单一天线信号盲区接收机可用性低的问题，支持多源时间同步，通过引入可展开天线，系统可靠性进一步增强。
GEO卫星时频系统由两台星载小型化铷原子钟加恒温晶振作为基准，通过频率合成器锁相环与100MHz晶振锁相后输出频率源信号，3路10MHz频率信号互为备份，通过开关切换提升可靠性。
将频率合成器数字锁相环路的环路滤波器带宽设置为1Hz，环路带宽内的相位噪声由10MHz铷原子钟决定，1Hz环路带宽外相位噪声取决于100MHz晶振，100MHz晶振在1Hz以上频率偏移处相位噪声性能优异，系统输出频率源信号1Hz以上相位噪声与100MHz晶振相当，短期稳定度与晶振相当，中期稳定度与原子钟接近。
利用导航卫星系统时间长期稳定性好的特点，利用卫星导航接收机输出的时间同步信号对系统时间进行修正，具体方式为：通过秒脉冲比对模块对本地时频和导航卫星系统时间的秒脉冲相位差进行测量，当测量相位差超出预设门限时，通过积分时间内的相位差归算出频率准确度，并根据频率差计算频率合成器控制字修正量，通过频率修正使得时间同步精度优于预设值且相位平稳连续。
对时间同步同步精度要求达到纳秒级的使用场景中，通过双向精密测距进行星地时差归算，调整锁相环频率合成器控制字调整输出信号频率，利用频率积分修正星地时差完成高精度时间同步。
除通过修正基准频率调整相位差，本系统也支持直接对秒脉冲产生模块输出的秒脉冲相位进行调整，通过本地时钟对导航卫星系统/星地时间载荷产生的PPS进行采样，计算本地PPS与外部PPS相位差，直接调整本地时钟PPS相位，在不改变基准频率的情况下实现时间同步。
卫星在轨道高度低于10000公里时，主用低增益天线(第一天线71)接收天顶信号，低增益天线的宽波束特性在此轨道高度上能够接收较多可见星，且由于导航卫星系统信号为主瓣信号，空间距离短，接收机具有较好的信噪比水平。轨道高度高于10000公里时，主用高增益天线(第二天线72)接收地球对面漏信号，高增益天线设计半功率波束宽度约为30度，主瓣内天线增益不小于7dB，接收机同时对第一天线71的信号进行联合解算，增强可用性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述卫星自主定位与时间同步系统包括承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器、秒脉冲产生模块、秒脉冲比对模块、时间同步控制模块及星地双向时间比对载荷，以及承载于入轨卫星上的卫星导航接收机，其中：
所述卫星时频基准产生器被配置为提供频率基准信号；
所述秒脉冲产生模块被配置为根据所述频率基准信号产生时间基准信号；
所述卫星导航接收机被配置为提供PPS授时信号；
所述卫星导航接收机被配置为实现卫星自主定位；
所述秒脉冲比对模块被配置为采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
所述星地双向时间比对载荷被配置为通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
所述时间同步控制模块被配置为根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行频率校正和/或相位校正。
2.如权利要求1所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述卫星时频基准产生器包括恒温晶振、两个铷原子钟、选择开关、直接数字频率合成器、鉴相器、环路滤波器及100M晶振，其中：
所述直接数字频率合成器、所述鉴相器及所述环路滤波器被配置为组成锁相环；
所述选择开关被配置为使能所述恒温晶振或其中一个所述铷原子钟；
被使能的所述铷原子钟或所述恒温晶振通过所述锁相环与所述100MHz晶振进行锁相，以使所述100MHz晶振输出频率基准信号；
所述锁相环的分频器功能由所述直接数字频率合成器代替，通过调整所述直接数字频率合成器的控制字，执行对所述频率基准信号的频率控制。
3.如权利要求2所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述时间同步控制模块被配置为根据相位漂移量归算法对频率基准信号的频率进行补偿，具体包括：所述时间同步控制模块被配置为根据所述第一时间同步信号及所述第二时间同步信号产生控制字修正量，并将所述控制字修正量发送至所述直接数字频率合成器，以调整所述直接数字频率合成器的控制字，执行对所述频率基准信号的频率进行调整，执行对所述时间基准信号的频率和相位进行修正，补偿频标的老化引入的频率漂移。
4.如权利要求3所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述秒脉冲比对模块被配置为对所述时间基准信号和所述PPS授时信号的相位差进行测量，当测量的相位差大于预设门限时，所述时间同步控制模块被配置为通过积分时间内的相位差归算出频率准确度，并根据频率准确度得到频率差，根据所述频率差计算所述控制字修正量，通过所述控制字修正量使得所述相位差小于所述预设门限。
5.如权利要求1所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述时间同步控制模块被配置直接根据所述第一时间同步信号和所述第二时间同步信号获取相位校正信号，并将所述相位校正信号发送至所述秒脉冲产生模块，以使所述相位校正信号修正所述时间基准信号，对所述时间基准信号进行相位校准。
6.如权利要求1所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述入轨卫星本体上安装有第一天线、第二天线和第三天线，其中：
所述第一天线和所述第二天线同平面对向安装，夹角为180°，所述第一天线为宽波束，所述第二天线为窄波束，所述第三天线为窄波束；
当所述入轨卫星电推入轨过程中近地点高度低于10000公里时，所述第一天线指向于与卫星地心连线夹角为180°的方向；
当所述入轨卫星电推入轨过程中近地点高度高于10000公里时，所述第二天线指向于与卫星地心连线夹角为0°的方向；
所述卫星导航接收机对所述第一天线和所述第二天线所接收的信号进行联合解算；
所述入轨卫星进入地球静止轨道后，所述第二天线根据入轨卫星的姿态调整指向，始终指向地心；所述第三天线指向地心。
7.如权利要求6所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述卫星导航接收机包括分别与所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线连接的三个前置放大器、分别与所述三个前置放大器连接的三个射频芯片，以及与所述三个射频芯片连接的信号处理模块，其中：
所述三个前置放大器被配置为将所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线接收的信号进行放大，发送至所述三个射频芯片；
所述三个射频芯片被配置为将第一天线、所述第二天线和所述第三天线接收的信号转换为电信号，发送至所述信号处理模块；
所述信号处理模块根据所述电信号生成所述自主定位和PPS授时信号。
8.如权利要求1所述的卫星自主定位与时间同步系统，其特征在于，所述秒脉冲产生模块以卫星导航接收机输出的初始时间为起点，根据所述频率基准信号的频率产生所述时间基准信号。
9.一种卫星自主定位与时间同步方法，其特征在于，所述卫星自主定位与时间同步方法包括：
承载于入轨卫星上的卫星时频基准产生器提供频率基准信号；
承载于入轨卫星上的秒脉冲产生模块根据所述频率基准信号产生时间基准信号；
承载于入轨卫星上的卫星导航接收机提供PPS授时信号；
承载于入轨卫星上的卫星导航接收机提供自主定位信号；
承载于入轨卫星上的秒脉冲比对模块采用连续采样鉴相，将所述PPS授时信号与所述时间基准信号进行比对，得出第一时间同步信号，并将所述第一时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
承载于入轨卫星上的星地双向时间比对载荷通过与地面测控站进行双向精密测距，根据测距结果和所述时间基准信号产生第二时间同步信号，并将所述第二时间同步信号发送至所述时间同步控制模块；
承载于入轨卫星上的时间同步控制模块根据所述对所述第一时间同步信号和/或所述第二时间同步信号对所述频率基准信号和/或所述时间基准信号进行相位校正和/或频率校正。
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