CN111596327B - 提高低轨卫星时钟性能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高低轨卫星时钟性能的装置及方法。该装置设置在低轨卫星上，包括：GNSS接收机、时钟驯服模块、星上时钟、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷；GNSS接收机分别连接时钟驯服模块和钟差拟合模块，用于生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号；时钟驯服模块连接星上时钟，用于对星上时钟进行驯服校准；星上时钟分别连接时钟驯服模块、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷，星上时钟能够生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号；钟差拟合模块用于对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数；导航增强信号生成载荷用于生成导航增强信号。本发明的装置及方法通过结合时钟驯服和钟差拟合预报对星上时钟进行处理，能提高星上时钟的长期稳定度和短期稳定度。

Description

提高低轨卫星时钟性能的装置及方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种提高低轨卫星时钟性能的装置及方法。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是指能够在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，全球导航卫星系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。现有的全球导航卫星系统主要包括全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation SatelliteSystem，BDS)、格洛纳斯(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(Galileo SatelliteNavigation System，GALILEO)，上述系统的基本组成部分包括空间部分(卫星等)，地面控制部分(主控站、注入站和监测站等)和用户部分(接收机和导航仪等)；目前卫星导航定位技术已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。
但由于GNSS具有信号弱易受电磁干扰等固有缺点，在实际应用中GNSS仍存在较为严重的安全隐患。具体地，由于发射功率较低，且卫星到地球表面的距离较为遥远，卫星信号到达地球表面时已十分微弱，通常约为-160dBW，而各种有意无意干扰则处于地表附近，距离地面导航接收机较近，很容易造成地面导航接收机无法正常锁定卫星信号。在实际应用过程中，各种甚高频通信设备的寄生辐射和谐波、卫星通信设备的带外辐射和寄生辐射、移动和固定的甚高频通信台站、使用GNSS频带进行的点对点无线电链接、电视台谐波、雷达系统、移动卫星通信系统、以及军用通信系统等均可对地面导航接收机造成干扰，使其性能下降或在一段时间内处于完全不可用状态。
为了提高GNSS系统的导航定位精度和地面导航接收机的抗干扰性能，目前通过将低轨卫星与GNSS系统结合，利用低轨卫星播发导航增强信号的方法来提高接收机的定位精度。与GNSS卫星相同，低轨卫星投入实际运用的前提是低轨卫星能够产生高稳定度时频基准；然而，由于体积、重量和成本的限制，与GNSS卫星采用具有高稳定度和高精度的原子钟不同，现有的低轨卫星星上时钟采用稳定度和精度较差的晶振。
因此，开发一种能够提高低轨卫星时钟性能的装置及方法，以提高低轨卫星时钟的稳定度和精度，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种提高低轨卫星时钟性能的装置及方法。
为此，本发明公开了一种提高低轨卫星时钟性能的装置，所述装置设置在低轨卫星上，包括：GNSS接收机、时钟驯服模块、星上时钟、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷；
所述GNSS接收机分别连接所述时钟驯服模块和所述钟差拟合模块，所述GNSS接收机用于接收GNSS卫星信号以生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号，并将所述秒脉冲信号送至所述时钟驯服模块和所述钟差拟合模块；
所述时钟驯服模块连接所述星上时钟，用于对所述星上时钟进行驯服校准；
所述星上时钟分别连接所述时钟驯服模块、所述钟差拟合模块和所述导航增强信号生成载荷，所述星上时钟能够生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号；
所述钟差拟合模块连接所述导航增强信号生成载荷，所述钟差拟合模块接收所述秒脉冲信号和所述本地秒脉冲信号，并根据所述秒脉冲信号和所述本地秒脉冲信号对所述星上时钟的钟差进行拟合，以生成钟差参数；
所述导航增强信号生成载荷用于根据所述10.23MHz本地信号、所述本地秒脉冲信号和所述钟差参数生成所述低轨卫星播发的导航增强信号。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的装置中，所述时钟驯服模块包括数字鉴相器和调节器；
所述数字鉴相器分别连接所述GNSS接收机、所述调节器和所述星上时钟，所述数字鉴相器用于对所述GNSS接收机输出的所述秒脉冲信号和所述星上时钟分频输出的所述本地秒脉冲信号进行数字鉴相，并将鉴相结果送至所述调节器；
所述调节器连接所述星上时钟，用于根据所述鉴相结果对所述星上时钟进行频率和相位调整。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的装置中，所述调节器为PI调节器。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的装置中，所述钟差拟合模块采用多项式模型对所述星上时钟的钟差进行拟合。
此外，本发明还公开了一种利用上述的提高低轨卫星时钟性能的装置实施的提高低轨卫星时钟性能的方法，所述方法包括如下步骤：
1)对星上时钟进行加电，使时钟驯服模块和钟差拟合模块开始计时；
2)钟差驯服模块判断是否达到设定的驯服周期，若是，进行步骤3；若否，进行步骤4；
3)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地秒脉冲信号送至钟差拟合模块，时钟驯服模块基于接收到的秒脉冲信号、10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号对星上时钟进行驯服校准以调节星上时钟的频率和相位，待完成星上时钟校准后，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷；
4)钟差拟合模块判断是否达到设定的钟差计算周期，若是，进行步骤5；若否，返回步骤2；
5)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地秒脉冲信号送至钟差拟合模块，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷，返回步骤4。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，时钟驯服模块采用比例积分控制方式对星上时钟进行驯服校准。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，钟差拟合模块采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，钟差拟合模块采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合时，低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差利用式1确定；
Δt＝a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2 (1)
Δt表示t时刻时星上时钟与标准GPS时间的误差，toc表示参考时刻，a0表示toc时刻时的星上时钟钟差，a1表示toc时刻时的星上时钟的钟速，a2表示toc时刻时的星上时钟的加速度的一半，a0、a1和a2为钟差参数。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，采用最小二乘估计法对t时刻时的钟差参数进行拟合计算。
进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，采用最小二乘估计法对t时刻时的钟差参数进行拟合计算，包括如下步骤：
a1)选取N组低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差对应的历史数据；
a2)设定待估算钟差参数向量初值，基于选取的N组历史数据进行多次迭代直至钟差参数向量收敛，输出最终迭代得到的钟差参数向量。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的提高低轨卫星时钟性能的装置及方法通过结合时钟驯服和钟差拟合预报对低轨卫星的星上时钟进行处理，能够提高星上时钟的长期稳定度和短期稳定度，无需对星上时钟的相位和频率进行频繁调整，保证低轨卫星能够输出连续稳定的导航增强信号，结构简单，使用成本低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的提高低轨卫星时钟性能的装置的结构原理图；
图2为本发明一实施例的提高提高低轨卫星时钟性能的方法的流程图；
图3为本发明一实施例的时钟驯服模块的结构原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如附图1所示，本发明一实施例提供了一种提高低轨卫星时钟性能的装置，该装置设置在低轨卫星上，包括：GNSS接收机、时钟驯服模块、星上时钟、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷；GNSS接收机分别连接时钟驯服模块和钟差拟合模块，GNSS接收机用于接收GNSS卫星信号以生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号，并将秒脉冲信号送至时钟驯服模块和钟差拟合模块；时钟驯服模块连接星上时钟，用于对星上时钟进行驯服校准；星上时钟分别连接时钟驯服模块、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷，星上时钟能够生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号；钟差拟合模块连接导航增强信号生成载荷，钟差拟合模块接收秒脉冲信号和本地秒脉冲信号，并根据秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合，以生成钟差参数；导航增强信号生成载荷用于根据10.23MHz本地信号、本地秒脉冲信号和钟差参数生成低轨卫星播发的导航增强信号。
以下对本发明一实施例提供的提高低轨卫星时钟性能的装置的结构及原理进行具体说明。
具体地，如附图2所示，本发明一实施例提供的提高低轨卫星时钟性能的装置在应用时，根据下述步骤进行操作：
(1)首先对星上时钟进行加电，使时钟驯服模块和钟差拟合模块开始计时；
(2)钟差驯服模块判断是否达到设定的驯服周期，若是，进行步骤3；若否，进行步骤4；
(3)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地秒脉冲信号送至钟差拟合模块，时钟驯服模块基于接收到的秒脉冲信号、10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号对星上时钟进行驯服校准以调节星上时钟的频率和相位，待完成星上时钟校准后，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷；
(4)钟差拟合模块判断是否达到设定的钟差计算周期，若是，进行步骤5；若否，返回步骤2；
(5)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地秒脉冲信号送至钟差拟合模块，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷，返回步骤4。
其中，当低轨卫星需要生成导航增强信号播发给地面接收机时，导航增强信号由导航增强信号生成载荷根据接收到的10.23MHz本地信号、本地秒脉冲信号和钟差参数生成。
本发明一实施例中，钟差计算周期小于驯服周期，钟差计算周期和驯服周期根据实际需求进行设定。
具体地，由于对星上时钟进行时钟驯服时需要调整时钟的频率和相位，进而会影响低轨卫星播发的导航增强信号自身的频率和相位，为了保证低轨卫星能够输出连续稳定的导航增强信号，不能频繁地对星上时钟进行驯服；同时，在对时钟误差进行拟合预报时，不需要调整星上时钟的频率和相位，不会对导航增强信号产生任何影响，但在实际应用中随着钟差计算周期的拉长，时钟误差会存在发散的情况，可能导致难以进行拟合；为此，本发明一实施例中，钟差计算周期可以设置为20分钟以下，驯服周期可以设置为1小时以上；可选的，钟差计算周期可以设置为20分钟，驯服周期可以设置为1小时，即每过20分钟钟差拟合模块进行一次钟差拟合，每过1小时时钟驯服模块进行一次星上时钟驯服校准。
进一步地，如附图3所示，本发明一实施例中，时钟驯服模块可以包括数字鉴相器和调节器；数字鉴相器分别连接GNSS接收机、调节器和星上时钟，数字鉴相器用于对GNSS接收机输出的秒脉冲信号和星上时钟分频输出的本地秒脉冲信号进行数字鉴相，并将鉴相结果送至调节器；调节器连接星上时钟，用于根据鉴相结果对星上时钟进行频率和相位调整。
可选的，本发明一实施例中，调节器为PI调节器(proportional integralcontroller，比例积分控制器)。
如此设置，当采用PI调节器进行控制调节时，PI调节器根据数字鉴相器输出的鉴相值产生调节电压，在该调节电压下，根据PI调节器的特性，星上时钟输出的本地秒脉冲信号会逐步跟踪GNSS卫星的秒脉冲信号，当GNSS卫星的秒脉冲信号稳定时，则星上时钟最终的相位误差为0，且当星上时钟输出的本地秒脉冲信号锁定GNSS卫星的秒脉冲信号后，星上时钟的频率也得到校准。
进一步地，本发明一实施例中，钟差拟合模块采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合；多项式模型在建模中能够使用较长的历史数据进行充分拟合，模型简单明了，易于编程实现。
具体地，采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合时，低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差利用式1确定；
Δt＝a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2 (1)
其中，Δt表示t时刻时星上时钟与标准GPS时间的误差，toc表示参考时刻，a0表示toc时刻时的星上时钟钟差，a1表示toc时刻时的星上时钟的钟速，a2表示toc时刻时的星上时钟的加速度的一半，a0、a1和a2为钟差参数；
当采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合时，卫星钟差的拟合即为a0、a1和a2三个参数的拟合。
进一步地，本发明一实施例中，采用最小二乘估计法对t时刻时的钟差参数进行拟合计算。
具体地，采用最小二乘估计法对t时刻时的钟差参数进行拟合计算，包括如下步骤：
(a1)选取N组低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差对应的历史数据；
具体地，将待估算钟差参数向量(a0,a1,a2)设为
Figure BDA0002453435190000071
则N组历史数据可记为：
Figure BDA0002453435190000072
其中，Δti(i＝1,2,3,...,N)表示ti时刻时星上时钟与标准GPS时间的误差，函数
Figure BDA0002453435190000073
toc表示参考时刻，a0表示toc时刻时的星上时钟钟差，a1表示toc时刻时的星上时钟的钟速，a2表示toc时刻时的星上时钟的加速度的一半。
(a2)设定待估算钟差参数向量初值，基于选取的N组历史数据进行多次迭代直至钟差参数向量收敛，输出最终迭代得到的钟差参数向量；
具体地，设定待估算钟差参数向量
Figure BDA0002453435190000079
的初值为
Figure BDA00024534351900000710
基于选取的N组历史数据利用下式1-式5进行多次迭代，直至钟差参数向量收敛，输出最终迭代得到的钟差参数向量，从而得到拟合的t时刻时对应的钟差参数；
Figure BDA0002453435190000074
Δxi＝(ATA)-1(ATli) (4)
Figure BDA0002453435190000075
式中，li表示第i次迭代的误差，Δt表示t时刻时星上时钟与标准GPS时间的误差，
Figure BDA0002453435190000076
表示第i次迭代的钟差参数向量初始值，
Figure BDA0002453435190000077
表示第i次估计的钟差值，Δxi表示第i次迭代的补偿量，
Figure BDA0002453435190000078
表示第i次迭代的钟差参数向量输出值，A表示设计矩阵，A由函数
Figure BDA0002453435190000081
的偏导数计算得到，A由式6计算确定；
Figure BDA0002453435190000082
式中，
Figure BDA0002453435190000083
可见，本发明一实施例提供的提高低轨卫星时钟性能的装置及方法通过结合时钟驯服和钟差拟合预报对低轨卫星的星上时钟进行处理，能够提高星上时钟的长期稳定度和短期稳定度，无需对星上时钟的相位和频率进行频繁调整，保证低轨卫星能够输出连续稳定的导航增强信号，结构简单，使用成本低。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种利用提高低轨卫星时钟性能的装置实施的提高低轨卫星时钟性能的方法，其中所述提高低轨卫星时钟性能的装置设置在低轨卫星上，包括GNSS接收机、时钟驯服模块、星上时钟、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷；所述GNSS接收机分别连接所述时钟驯服模块和所述钟差拟合模块，所述GNSS接收机用于接收GNSS卫星信号以生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号，并将所述秒脉冲信号送至所述时钟驯服模块和所述钟差拟合模块；所述时钟驯服模块连接所述星上时钟，用于对所述星上时钟进行驯服校准；所述星上时钟分别连接所述时钟驯服模块、所述钟差拟合模块和所述导航增强信号生成载荷，所述星上时钟能够生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号；所述钟差拟合模块连接所述导航增强信号生成载荷，所述钟差拟合模块接收所述秒脉冲信号和所述本地秒脉冲信号，并根据所述秒脉冲信号和所述本地秒脉冲信号对所述星上时钟的钟差进行拟合，以生成钟差参数；所述导航增强信号生成载荷用于根据所述10.23MHz本地信号、所述本地秒脉冲信号和所述钟差参数生成所述低轨卫星播发的导航增强信号，其特征在于，所述提高低轨卫星时钟性能的方法包括如下步骤：
1)对星上时钟进行加电，使时钟驯服模块和钟差拟合模块开始计时；
2)钟差驯服模块判断是否达到设定的驯服周期，若是，进行步骤3；若否，进行步骤4；
3)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地秒脉冲信号送至钟差拟合模块，时钟驯服模块基于接收到的秒脉冲信号、10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号对星上时钟进行驯服校准以调节星上时钟的频率和相位，待完成星上时钟校准后，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷；
4)钟差拟合模块判断是否达到设定的钟差计算周期，若是，进行步骤5；若否，返回步骤2；
5)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地秒脉冲信号送至钟差拟合模块，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷，返回步骤4。
2.根据权利要求1所述的提高低轨卫星时钟性能的方法，其特征在于，时钟驯服模块采用比例积分控制方式对星上时钟进行驯服校准。
3.根据权利要求1或2所述的提高低轨卫星时钟性能的方法，其特征在于，钟差拟合模块采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合。
4.根据权利要求3所述的提高低轨卫星时钟性能的方法，其特征在于，钟差拟合模块采用多项式模型对星上时钟的钟差进行拟合时，低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差利用式1确定；
Δt＝a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2 (1)
Δt表示t时刻时星上时钟与标准GPS时间的误差，toc表示参考时刻，a0表示toc时刻时的星上时钟钟差，a1表示toc时刻时的星上时钟的钟速，a2表示toc时刻时的星上时钟的加速度的一半，a0、a1和a2为钟差参数。
5.根据权利要求4所述的提高低轨卫星时钟性能的方法，其特征在于，采用最小二乘估计法对t时刻时的钟差参数进行拟合计算。
6.根据权利要求5所述的提高低轨卫星时钟性能的方法，其特征在于，采用最小二乘估计法对t时刻时的钟差参数进行拟合计算，包括如下步骤：
a1)选取N组低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差对应的历史数据；
a2)设定待估算钟差参数向量初值，基于选取的N组历史数据进行多次迭代直至钟差参数向量收敛，输出最终迭代得到的钟差参数向量。
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