CN111679299B - 一种基于时钟同步的星载差分gnss兼容机测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间飞行器差分GNSS地面测试方法，具体说是一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机地面测试方法。本发明所采用的方法，优点是可以在系统闭环测试中将真实的目标原始观测量引入差分GNSS兼容机进行伪距差分解算，而不是采用数据转发的方式，实现了在控制闭环中实时考核星载差分GNSS兼容机的功能性能指标；通过时钟修正及导航数据递推的方式驱动双载体场景(目标接收机和星载差分GNSS兼容机)，解决了星载差分GNSS兼容机高精度伪距差分定位的系统级测试问题。

Description

一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法
技术领域
本发明涉及空间飞行器差分GNSS地面测试技术，具体说是一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机地面测试方法。
背景技术
常规空间飞行器上配置GNSS兼容机提供准确时间信息和对应的位置速度信息，根据导航原理任意时刻可根据4颗导航星座卫星实现单点定位，地面测试的具体实施方法是在GNSS目标模拟器中设置一组轨道参数或一组离线轨道数据，通过射频方式将GNSS的信号发送给GNSS兼容机，GNSS兼容机根据星历解算得到导航信息并传送给GNC计算机，同时利用GNSS兼容的授时功能为飞行器提供准确时间，并下传给地面测控站，进行星地时钟校准。单点定位中由于引入了卫星钟差、星历误差、电离层和对流层误差、接收机钟差等非差接收机难以消除的系统误差，实际定位精度只能满足50m(3σ)以内。基码技术可以利用临近环境的两个接收机的伪距测量值来抵消上述系统误差以此大大提高相对定位精度，原则上两接收机距离越近，相对精度越高，可达米级；对于编队飞行、再入返回、交会对接等对于合作目标的轨道控制过程，高精度的相对定位技术是控制系统的一项关键技术，且其地面半物理仿真测试显得尤为重要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法。由于空间飞行器在轨机动及操控频繁，对于实时性、自主性要求较高，对全任务过程的导航精度要求实现米级实时定位，所以要求GNSS兼容机兼顾具备单点定位和伪距差分定位的功能。差分GNSS技术在空间飞行器上应用，需要进行地面测试验证其方案的可行性和实际定位精度。其具体实施方法是利用两台GNSS目标模拟器分别模拟目标飞行器和本体飞行器的飞行轨迹，通过动力学计算机(产生空间飞行器在实际飞行过程中的对应的时间和轨迹信息)和时钟同步板卡实现与两台GNSS目标模拟器的时钟同步，通过有线射频的方式分别给地面站和GNSS兼容机提供导航星座信号，激励本体差分GNSS兼容机和目标接收机正常定位，目标接收机将解算的实时测量信息传送给本体差分GNSS兼容机，消除系统误差得到伪距测量结果。
本发明的技术解决方案是：
一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，包括如下步骤：
1)双载体GNSS目标模拟器时钟同步标校；
2)动力学上位机与双载体GNSS目标模拟器之间星地时钟同步触发
3)时钟系统修正及导航数据递推并输出
4)差分GNSS兼容机伪距差分定位输出，形成控制闭环。
所述步骤1)中通过时标记录补偿修正的方式确保双载体GNSS目标模拟器实现同步启动；
所述步骤2)中采用反射内存网络实现动力学上位机与双载体模拟器主控机之间的握手交互，实现同步触发；
所述步骤3)中通过每个控制周期比对上位机和模拟器的时钟差来实时修正动力学上位机，并将导航数据实时递推到同一时刻下输出；
所述步骤4)在控制系统闭环测试中将真实原始测量数据引入星载差分GNSS兼容机，实现伪距差分功能的高逼真系统级测试。
一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，该方法的步骤包括：
(1)进行双载体GNSS目标模拟器时钟同步标校，具体为：双载体GNSS目标模拟器的两套时钟板卡与模拟器主控机之间存在固定的响应延时，测试前通过双通道示波器标校出响应时间，通过主控机延时控制设置将两套时钟板卡的启动时间进行标校补偿，以实现双载体GNSS目标模拟器两路射频信号的同步；
(2)同步触发动力学上位机与双载体GNSS目标模拟器之间的星地时钟；
动力学上位机先虚启动，将第一拍的双载体初始数据传送给双载体GNSS目标模拟器进行预处理，待双载体GNSS目标模拟器初始化完成后将初始化完成信号回传给动力学上位机同时模拟场景正常运行，动力学上位机收到完成信号后立即启动动力学仿真并将每个控制周期解算的双载体数据实时传送给双载体GNSS目标模拟器；
(3)对时钟系统进行修正并将导航数据进行递推并输出；
双载体GNSS目标模拟器内部通过高稳晶振维持高精度时钟信号，定时输出给动力学上位机进行时钟比对，动力学上位机采用该时间信息(高精度时钟信号)校准自身时间，其中时钟比对差值未超出设定阈值时数据不处理，时钟比对超出设定阈值时将时间校准后同时将位置速度信息递推到新时间点后继续输出；
(4)进行差分GNSS兼容机伪距差分定位输出，形成控制闭环；
目标接收机与差分GNSS兼容机通过接收双载体GNSS目标模拟器的RF信号进行下变频处理并解算，目标接收机将实时解算的导航星原始测量数据直接传送给差分GNSS兼容机，经过伪距差分原理相同导航星观测量作差消除系统误差后得到伪距差分定位的PTV数据，通过Rs422或串口总线接口将PVT测量数据实时传送给控制计算机，控制计算机生成控制策略形成闭环控制；
(5)显示终端监测差分GNSS兼容机测试效果
动力学上位机的闭环仿真数据通过TCP/IP方式传送给数据库，各显示终端访问数据库即可得到差分GNSS兼容机的系统闭环测试效果。
有益效果
(1)本发明所采用的方法，优点是可以在系统闭环测试中将真实的目标原始观测量引入差分GNSS兼容机进行伪距差分解算，而不是采用数据转发的方式，实现了在控制闭环中实时考核星载差分GNSS兼容机的功能性能指标；通过时钟修正及导航数据递推的方式驱动双载体场景(目标接收机和星载差分GNSS兼容机)，解决了星载差分GNSS兼容机高精度伪距差分定位的系统级测试问题。
(2)本发明涉及星载差分GNSS兼容机地面测试技术，为了验证差分GNSS兼容机在控制系统闭环中的伪距差分功能和性能，本发明公开了一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，解决了飞行器常规地面闭环测试中纯数据转发的不真实性，通过实时驱动模拟器产生真实导航星信号，实现了差分GNSS兼容机定位功能的闭环测试，同时通过时钟修正及导航递推的方式保证了伪距差分高精度定位的较小延时，实现了对于伪距差分功能和性能的系统级考核。
(3)本发明提出了一种基于时钟同步的差分GNSS兼容机测试方法，实现了模拟高动态飞行器星间高精度相对定位技术的地面测试，同时将差分GNSS兼容机的相对测量值实时接入控制闭环，实现系统级相对定位技术的测试。
附图说明
图1是本发明的方法框图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
该发明主要解决星载差分GNSS兼容机在控制系统闭环测试中无法实现高精度伪距实时差分定位测试及闭环测试时差分GNSS兼容机测量数据无法实时接入控制闭环的问题。其具体实施方法如下所示：
步骤一，分开用GNSS目标模拟器主控机驱动单台模拟器离线仿真，使用示波器标定出仿真响应延时，分别记为t1、t2，在主控机延时设置中分别设置响应的时间补偿此延时，使模拟器两路射频信号实现同步启动。
步骤二，GNSS目标模拟器采用外部实时驱动数据模式需要场景预热准备时间(约几秒)，为了确保动力学上位机与模拟器间星地时钟同步，采用反射内存通讯方式，如图1所示，同步启动前仿真机先将本体和目标的初始点预设信息(含初始时刻、初始位置和初始速度等)写入反射内存协议规定地址内，后处于等待状态；模拟器定时读取该地址内数据并开始预热准备，预热完成后通过反射内存给动力学上位机触发信号，此时动力学上位机和模拟器同步触发运行；仿真器定时在反射内存区写入、模拟器定时读取最新导航数据。
步骤三，GNSS目标模拟器提供高稳定度的标准秒脉冲信号和时钟信号，以此为时间系统基准，在初始时刻对齐的基础上，动力学上位机定时读取GNSS目标模拟器的绝对时间，与自身绝对时间作差得到偏差值(绝对值)，由于动力学上位机采样频率与GNSS目标模拟器绝对时间无法保证绝对同步，故当上述偏差值大于一定阈值时，认为时间不一致，上位机需要将导航数据进行递推以获得当前模拟器时刻的位置和速度信息；若偏差值在阈值内可认为时间一致，不需进行递推，直接输出给模拟器即可。
Figure BDA0002520909450000051
Figure BDA0002520909450000052
Figure BDA0002520909450000053
上式中[xgnss ygnss zgnss vxgnss vygnss vzgnss]T分别为星载差分GNSS兼容机输出的三轴位置和速度(X、Y、Z)，
Figure BDA0002520909450000054
[x y z vx vy vz]T分别为递推后的三轴位置和速度(X、Y、Z)，Δt为读取GNSS目标模拟器的绝对时间-自身绝对时间。Re为地球半径取6378.140km，μ为地球引力常数取3.986e+14。
步骤四，目标接收机将原始测量数据通过Rs422口传送给星载差分GNSS兼容机，星载差分GNSS兼容机将自身的原始测量数据与目标的原始测量数据时间对齐，经过相同导航星伪距作差消除系统误差，得到高精度的伪距测量数据，处理、解算并输出给星载计算机计算控制量，形成系统闭环；
步骤五，控制系统信息流中每个控制周期的动力学仿真数据通过TCP/IP传送给数据库，各显示终端访问数据库得到测试数据和曲线，以此评估星载差分GNSS兼容机的伪距差分测试结果。
实施例
步骤一，分别单独使用双通道示波器标定处时钟板卡与双载体GNSS目标模拟器中两个通道的仿真响应延时，例如记录t1＝3ms、t2＝5ms；则在主控机延时设置中分别设置通道1延时补充为3ms，通道2为5ms，以此实现两路射频信号同步；
步骤二，初始点预设信息取为2017年10月2日13时1分9秒(北京时)，对应WGS84系位置速度为[x y z]T＝[6506969 -727163 -1846550]T；[vx vy vz]T＝[-718.0875546.157 -4665.4]T
步骤三，可将动力学上位机与读取的GNSS目标模拟器的绝对时间的阈值设定为20ms，当读取偏差值Δt不大于20ms时，上位机无需进行导航数据递推即正常输出仿真导航数据；当当读取偏差值Δt大于20ms时，例如Δt取100ms，且上位机当前数据为[xgnss ygnsszgnss]T＝[6502831 -696089 -1872639]T、[vxgnss vygnss vzgnss]T＝[-759.523 5551.789 -4652.17]T时，根据步骤三中公式计算可得上位机导航数据需要向后递推100ms，递推后[xy z]T＝[6502755 -695534 -1873105]T、[vx vy vz]T＝[-760.263 5551.888 -4651.93]T，并将此递推后的导航数据输出。
步骤四、五，星载差分GNSS兼容机解算得到其实际测量导航数据为[xgnss ygnsszgnss]T＝[6502743 -695539 -1873117]T、[vxgnss vygnss vzgnss]T＝[-760.1 5551.7 -4651.8]T，三轴位置偏差为[-12 -5 -12]T，三轴速度偏差为[0.163 -0.188 0.13]T，此为星载差分GNSS兼容机的伪距差分测试结果评估依据。

Claims (9)

1.一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于包括如下步骤：
1)进行双载体GNSS目标模拟器时钟同步标校；
2)进行动力学上位机与双载体GNSS目标模拟器之间星地时钟同步触发；
3)进行时钟系统修正及导航数据递推并输出；
4)进行差分GNSS兼容机伪距差分定位输出，形成控制闭环；
所述的步骤3)中，对时钟系统进行修正并将导航数据进行递推并输出方法为：双载体GNSS目标模拟器内部通过高稳晶振维持高精度时钟信号，定时输出给动力学上位机进行时钟比对，动力学上位机采用高精度时钟信号校准自身时间，其中时钟比对差值未超出设定阈值时数据不处理，时钟比对超出设定阈值时将时间校准后同时将位置速度信息递推到新时间点后继续输出:
上式中[xgnss ygnss zgnss vxgnss vygnss vzgnss]T分别为星载差分GNSS兼容机输出的三轴位置和速度(X、Y、Z)，[x y z vx vy vz]T分别为递推后的三轴位置和速度(X、Y、Z)，Δt为读取GNSS目标模拟器的绝对时间-自身绝对时间；Re为地球半径取6378.140km，μ为地球引力常数取3.986e+14。
2.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过时标记录补偿修正的方式确保双载体GNSS目标模拟器实现同步启动。
3.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述步骤2)中采用反射内存网络实现动力学上位机与双载体模拟器主控机之间的握手交互，实现同步触发。
4.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述步骤3)中通过每个控制周期比对上位机和模拟器的时钟差来实时修正动力学上位机，并将导航数据实时递推到同一时刻下输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述步骤4)在控制系统闭环测试中将真实原始测量数据引入星载差分GNSS兼容机，实现伪距差分功能的高逼真系统级测试。
6.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述的步骤1)中，进行双载体GNSS目标模拟器时钟同步标校具体方法为：测试前通过双通道示波器标校出响应时间，通过主控机延时控制设置将两套时钟板卡的启动时间进行标校补偿，以实现双载体GNSS目标模拟器两路射频信号的同步。
7.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述的步骤2)中，同步触发动力学上位机与双载体GNSS目标模拟器之间的星地时钟方法为：动力学上位机先虚启动，将第一拍的双载体初始数据传送给双载体GNSS目标模拟器进行预处理，待双载体GNSS目标模拟器初始化完成后将初始化完成信号回传给动力学上位机同时模拟场景正常运行，动力学上位机收到完成信号后立即启动动力学仿真并将每个控制周期解算的双载体数据实时传送给双载体GNSS目标模拟器。
8.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：所述的步骤4)中，进行差分GNSS兼容机伪距差分定位输出，形成控制闭环方法为：目标接收机与差分GNSS兼容机通过接收双载体GNSS目标模拟器的RF信号进行下变频处理并解算，目标接收机将实时解算的导航星原始测量数据直接传送给差分GNSS兼容机，经过伪距差分原理相同导航星观测量作差消除系统误差后得到伪距差分定位的PTV数据，通过Rs422或串口总线接口将PVT测量数据实时传送给控制计算机，控制计算机生成控制策略形成闭环控制。
9.根据权利要求1所述的一种基于时钟同步的星载差分GNSS兼容机测试方法，其特征在于：通过显示终端监测差分GNSS兼容机测试效果，具体为：动力学上位机的闭环仿真数据通过TCP/IP方式传送给数据库，各显示终端访问数据库即可得到差分GNSS兼容机的系统闭环测试效果。
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