CN112445120B - 一种分布式无中心天基时间基准建立与保持系统 - Google Patents

一种分布式无中心天基时间基准建立与保持系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式无中心天基时间基准建立与保持系统，包括至少3颗天基时间基准卫星构成的天基时间基准星座，每个卫星内部星载原子钟组中至少3台开机工作，由单星原子时产生单元对开机工作原子钟信号进行处理，产生单星原子时物理信号，该信号发送至天基时间基准产生单元以及内部激光/微波时频测量比对单元；内部激光/微波时频测量比对单元与其他天基时间基准卫星的内部激光/微波时频测量比对单元之间形成时频测量比对链路，通过该链路实现星间时频比对和数据传输，由内部激光/微波时频测量比对单元得到星间钟差比对数据，并传输至天基时间基准产生单元；天基时间基准产生单元根据单星原子时物理信号以及星间钟差比对数据得到天基时间基准物理信号。

Description

一种分布式无中心天基时间基准建立与保持系统
技术领域
本发明属于卫星导航领域，特别涉及一种分布式无中心天基时间基准建立与保持方法及系统。
背景技术
目前，全球卫星导航系统的系统时间基准均在地面建立和保持，由一个主控站或两个相互备份的主控站内集中式放置的时间系统产生和保持。时间系统主要由集中放置的守时钟组及内部测量比对系统、外部溯源比对系统、数据处理系统以及信号产生系统等部分构成。地面测定各卫星与系统时间基准的卫星钟差模型参数，通过上行链路将卫星钟差模型参数上注至卫星，卫星在两次注入间隔时间内利用星载原子钟的守时能力保持本地时间。主控站产生的系统时间基准通过时频比对链路与国家标准时间UTC(k)进行比对、完成向UTC的溯源。
欧洲伽利略系统为进一步提升导航定位精度，提出了Kepler卫星导航系统架构。在Kepler系统架构内，提出了天地一体化的，兼顾短期中期长期守时性能的有中心集中式系统时间基准建立方法。该方法使用MEO卫星上的腔稳频激光器保证系统时间基准的短期稳定度(1～30s)，使用LEO卫星上搭载的碘分子钟保证中期稳定度(30s～1000s)，使用地面站氢原子钟提供长期稳定度(1000s以后)，该方法综合了地面和星上原子钟的优势，最终在地面站形成了有中心的极高性能的系统时间基准。
美国斯坦福大学也开展了由地面向空间传递高精度时间基准的研究。采用星地激光通信链路，将地面国家标准实验室的高性能冷原子钟信号传递到星载原子钟上，即星载原子钟同步到冷原子钟上，星上时间在几小时时间尺度上保持地面冷原子钟的性能。
上述第一种方法建立的时间基准实质上在地面站上，是天地一体化的有中心节点的时间基准。上述第二种时间基准是将地面时间基准传递至星上，其基于星地链路的连续测量锁定机制在时间基准稳健性上存在风险。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分布式无中心天基时间基准建立与保持方法及系统。
本发明的技术方案是：一种分布式无中心天基时间基准建立与保持系统，包括至少3颗天基时间基准卫星构成的天基时间基准星座，每个卫星内部设置星载原子钟组、单星原子时产生单元、天基时间基准产生单元、内部激光/微波时频测量比对单元、天地时间基准比对单元、天基时间基准传递单元；
每个卫星内部星载原子钟组中至少3台开机工作，由单星原子时产生单元对开机工作原子钟信号进行处理，产生单星原子时物理信号，该信号发送至天基时间基准产生单元以及内部激光/微波时频测量比对单元；
内部激光/微波时频测量比对单元与其他天基时间基准卫星的内部激光/微波时频测量比对单元之间形成时频测量比对链路，通过该链路实现星间时频比对和数据传输，由内部激光/微波时频测量比对单元得到星间钟差比对数据，并传输至天基时间基准产生单元；
天基时间基准产生单元根据单星原子时物理信号以及星间钟差比对数据得到天基时间基准物理信号。
优选的，每个卫星内还设置天地时间基准比对单元，利用该单元与地面之间建立天地时间基准比对链路，实现天基时间基准与地面时间基准的比对以及天基时间基准向地面原子时、UTC溯源。
优选的，所述的天地时间基准比对链路包括激光时频比对链路和微波时频比对链路；所述激光/微波时频比对链路均用于天地时间基准比对；所述微波时频比对链路采用双向同频收发体制。
优选的，每个星座内还设置天基时间基准传递单元，利用该单元与其它中低轨卫星之间形成天基时间基准传递链路；所述天基时间基准传递链路为激光时频传递链路或微波时频传递链路，利用激光/微波时频传递链路，将天基时间基准传递至中低轨卫星，实现天基时间基准向中低轨卫星的传递。
优选的，所述的传递通过下述方式实现：
(1)利用微波或激光时频传递链路，将天基时间基准物理信号调制后通过激光或微波载波传递至中低轨卫星；
(2)中低轨卫星接收到天基时间基准卫星发送的信号后，解调出天基时间基准物理信号，以解调出的天基时间基准物理信号为参考信号，测量本地原子钟信号与天基时间基准物理信号的时差；
(3)在中低轨卫星上测量出时差后，扣除相对论时延、路径时延、设备时延，解算出中低轨卫星原子钟与天基时间基准之间的钟差或频差数据，利用这些数据即可得出中低轨卫星原子钟的初始相位/时间偏差、初始频率偏差、线性漂移率。
优选的，所述的天基时间基准卫星优选为配有计量级守时型原子钟的高轨卫星。
优选的，所述的单星原子时产生单元包括单星内部时频测量比对单元、纸面时产生单元；
单星内部时频测量比对单元，将星上已开机原子钟与单星原子时物理信号进行比对，测量出各台原子钟与单星原子时的时差或频差，以确定各台原子钟的频率稳定度以及权重；
纸面时产生单元根据确定的各原子钟频率稳定度以及权重，利用时间尺度算法产生单星纸面时；
单星原子时物理化单元利用单星纸面时对单星原子时物理化单元进行伺服控制，最终产生单星原子时物理信号。
优选的，所述的天基时间基准产生单元包括天基时间基准纸面时产生单元和天基时间基准物理化单元；
所述天基时间基准纸面时产生单元接收通过内部激光/微波时频测量比对链路传递来的数据，从数据中解算出星间钟差，并利用时间尺度算法产生天基时间基准纸面时间；
所述天基时间基准物理化单元，利用单星原子时与天基时间基准纸面时间的时差，通过调频/调相，将单星原子时输出的一路物理信号调整到与天基时间基准一致，即实现了天基时间基准纸面时间在单颗卫星上的物理化。
优选的，所述的时间尺度算法包括Algos算法、AT1算法、Kalman滤波算法、经典加权平均算法。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提出的分布式无中心天基时间基准，其守时钟组采用导航级或计量级守时型原子钟，分布于多颗导航卫星(后面将多颗导航卫星称为天基时间基准卫星)上，通过星间时频传递链路实现内部的测量比对，并将所有测量数据传输分发至所有天基时间基准卫星，在所有天基时间基准卫星上采用时间尺度算法计算生成纸面的天基时间基准并实现物理化，再通过微波/激光时频传递链路传递复现在其他导航卫星上，定期通过星地微波/激光时频比对链路与在地面建立和保持的地基时间基准进行天地互备比对，并定期溯源至UTC。该方法具有天地异构常态互备的特点，可提升时间基准的精度和安全性。
(1)现有的时间基准建立与保持方法往往是在地面产生时间基准，或者是利用地面时间基准对星载原子钟进行授时，在星上远程复现地面时间基准，高度依赖地面时间基准，而本专利的时间基准是建立在星上，与地面时间基准形成异构热备份，大幅提升了系统时间基准的精度和可靠性。
(2)现有的时间基准建立与保持方法往往是将集中放置于地面守时实验室的多台原子钟进行测量比对，产生一个物理化信号，是集中式有中心的，而本专利建立的天基时间基准是利用多颗高轨卫星，通过天基时间基准内部时频测量比对链路建立的分布式无中心的时间基准，该时间基准可在天基时间基准星座内任意一颗卫星上产生天基时间基准纸面时间以及物理化信号，即天基时间基准纸面时间的计算和物理化是分布式无中心的。而且天基时间基准星座内任意一颗卫星都可以和地面时间基准进行比对和溯源，天地时间基准的比对和溯源也是分布式无中心的。分布式无中心天基时间基准在系统安全性上优于集中式有中心时间基准。
(3)现有的天基时间基准往往通过星上配置的短期稳定度好的导航级原子钟进行短期守时，通过在低轨卫星或地面上产生的时间基准来对星上时间基准进行频繁调整来进行天基时间基准的建立和保持。而本专利在空间多颗卫星上配置了计量级守时型原子钟，以及基于微波激光融合的高精度时频比对测量与通信一体化的时频比对网络，保证了天基时间基准与地面时间基准精度相当的长期守时能力。
附图说明
图1为分布式无中心天基时间基准建立与保持系统原理框图；
图2为天基时间基准星座内部结构图；
图3为单星内部结构框图；
图4为单星原子时产生单元；
图5为单星内部的天基时间基准产生单元。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明公开的分布式无中心天基时间基准建立与保持系统如图1所示，主要包括如下内容：
(1)天基时间基准星座。天基时间基准星座如图2所示，包括多颗配有守时型原子钟的天基时间基准卫星以及内部激光/微波时频测量比对链路；天基时间基准卫星优选GEO卫星、IGSO卫星，天基时间基准卫星数量不少于3颗；单颗天基时间基准卫星内部结构如图3所示，包含有多台原子钟构成的原子钟组、单星原子时产生单元、天基时间基准产生单元、天地时间基准比对单元、天基时间基准传递单元、内部激光/微波时频测量比对单元；两个卫星的内部激光/微波时频测量比对单元之间形成内部激光/微波时频测量比对链路，该链路包括光载射频时频比对技术体制、光学频率比对技术体制和微波时频比对技术体制，该时频比对链路可以实现时频比对与数据传输一体化。
(2)天地时间基准比对链路。天基时间基准卫星的天地时间基准比对单元与地面时间基准保持单位的时间比对设备之间构成天地时间基准比对链路，该链路技术体制包含激光时频比对链路技术体制和微波时频比对链路技术体制，实现天基时间基准与地面时间基准的比对以及天基时间基准向地面原子时、UTC溯源。微波时频比对链路采用双向同频收发体制，该体制可以抵消与频率相关的电离层误差，大幅提升时频比对精度。
(3)天基时间基准传递链路，天基时间基准卫星的天基时间基准传递单元与中低轨卫星的时间传递设备之间构成天基时间基准传递链路，通过微波/激光时频传递技术将天基时间基准复现在中低轨卫星上，降低了中低轨卫星对地面站的依赖，提升了中低轨卫星的自主运行能力。该链路的技术体制包含激光时频传递链路技术体制和微波时频传递链路技术体制，实现天基时间基准向中低轨卫星的传递。
本发明公开的分布式无中心天基时间基准建立与保持方法主要包括以下步骤：
一、天基时间基准建立
天基时间基准的建立主要包括单星原子时建立、星间激光/微波时频测量比对、天基时间基准建立与保持三步。
(1)单星原子时建立
星载守时型原子钟组包括多个守时型原子钟。所述守时型原子钟主要包含汞离子钟、氢原子钟等守时型原子钟。每个卫星上的钟的数量为3-4台。传统的星上原子钟工作模式为一台工作、一台热备份、1-2台冷备份。本发明至少3台原子钟开机工作，最多一台原子钟备份。
本实施案例以单颗卫星上放置4个守时型氢原子钟为例，讲述单星原子时建立过程。该实施案例中4个守时型原子钟三台开机工作，1台冷备份。如图4所示，将开机工作的所有原子钟输出信号以及单星原子时物理化单元输出信号通过稳相电缆传输至时差比对测量单元，时差比对测量单元输出各台原子钟与单星原子时的时差或频差，通过计算Allan方差确定各台原子钟的频率稳定度以及权重，通过时间尺度算法产生单星原子时纸面时间，以纸面时为参考调整单星原子时物理化单元中的调频调相单元，最终输出与纸面时的时差为0的单星原子时物理信号。该方案充分利用了星上的原子钟资源，综合了多个原子钟的优点，综合后的信号比单个原子钟输出的信号的稳定度高。
(2)星间激光/微波时频测量比对
通过星间激光时频测量比对链路(包含光载射频时频比对链路和/或光学频率比对链路)和/或微波链路，在两个卫星上分别获得包含链路误差的单星原子时时差或频差信息，再扣除相对论时延、路径时延、设备时延误差，最终解算出两个卫星上保持的单星原子时之间的精确地时差或频差。
所述光载射频时频比对链路采用基于数据帧的时频比对与通信一体化的光载射频时频比对技术。所述光载射频时频比对技术的特点是激光器通过光学频率梳间接锁定在了单星原子时上，实现了激光频率与微波频率的同源，大幅提升了激光载波频率的稳定度，有利于提升内部激光时频测量比对链路的精度。所述光载射频时频比对技术的另一个特点是采用数据帧测距体制实现双向单程测距，既实现了时间比对也实现了时差比对数据的双向传输，为在单颗卫星上解算出本星与其他卫星的钟差提供了数据支撑。所述的光学频率比对链路可以通过激光双向频率比对，实现星间钟差的测量和解算。
(3)天基时间基准建立与保持。
如图5所示，天基时间基准产生单元包括时差解算、频率稳定度分析及权重计算、天基时间基准纸面时产生单元以及天基时间基准物理化单元。时差解算单元从内部激光/微波时频测量比对单元接收来自于其他卫星的钟差数据，并解算出本卫星单星原子时与其他卫星单星原子时之间的时差，经频率稳定度分析及权重计算后，确定各卫星原子钟的权重，再经过天基时间基准纸面时产生单元，利用时间尺度生成方法生成纸面时间。时间尺度生成方法包含Algos算法、AT1算法、Kalman滤波算法、经典加权平均算法等。所述天基时间基准物理化单元，利用单星原子时与纸面时间的时差，通过调频/调相，产生天基时间基准物理信号，即实现了天基时间基准纸面时间在单颗卫星上的物理化。
(二)天地时间基准比对
天基时间基准星座内的任意一个天基时间基准卫星的天地时间基准比对单元与地面时间基准保持单位的时间比对设备之间构成天地时间基准比对链路，该链路技术体制包含激光时频比对链路和微波时频比对链路，即可实现激光时频测量比对，也可实现微波时频测量比对。激光时频比对链路支持光载射频时频比对和光学频率比对两种技术体制。
以天地微波时频比对链路技术体制为例，在地面可以测得包含下行链路时延的时差数据，在天基时间基准卫星的天地时间基准比对单元也可以测得上行链路时延的时差数据，根据天地微波时频比对技术原理，可以解算出天地时间基准之间的钟差。
天地时间基准之间的钟差值可以作为地面时间基准出现故障后恢复的依据，也可以作为天基时间基准出现故障后恢复的依据。通过天地时间基准比对溯源，可以实现天基时间基准与地面时间基准的天地异构常态互备。
(三)天基时间基准传递
(1)建立天基时间基准星座内任意卫星与中低轨卫星之间的微波或激光时频传递链路；
(2)利用微波或激光时频传递链路，将天基时间基准物理信号调制后通过激光或微波载波传递至中低轨卫星；
(3)中低轨卫星接收到天基时间基准卫星发送的信号后，解调出天基时间基准物理信号，以解调出的天基时间基准物理信号为参考信号，测量本地原子钟信号与天基时间基准物理信号的时差；
(4)在中低轨卫星上测量出时差后，扣除相对论时延、路径时延、设备时延，解算出中低轨卫星原子钟与天基时间基准之间的钟差或频差数据，利用这些数据即可得出中低轨卫星原子钟的初始相位(时间)偏差、初始频率偏差、线性漂移率。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (7)

1.一种分布式无中心天基时间基准建立与保持系统，其特征在于包括至少3颗天基时间基准卫星构成的天基时间基准星座，每个卫星内部设置星载原子钟组、单星原子时产生单元、天基时间基准产生单元、内部激光/微波时频测量比对单元、天地时间基准比对单元、天基时间基准传递单元；
每个卫星内部星载原子钟组中至少3台开机工作，由单星原子时产生单元对开机工作原子钟信号进行处理，产生单星原子时物理信号，该信号发送至天基时间基准产生单元以及内部激光/微波时频测量比对单元；
内部激光/微波时频测量比对单元与其他天基时间基准卫星的内部激光/微波时频测量比对单元之间形成时频测量比对链路，通过该链路实现星间时频比对和数据传输，由内部激光/微波时频测量比对单元得到星间钟差比对数据，并传输至天基时间基准产生单元；
天基时间基准产生单元根据单星原子时物理信号以及星间钟差比对数据得到天基时间基准物理信号；
每个卫星内还设置天地时间基准比对单元，利用该单元与地面之间建立天地时间基准比对链路，实现天基时间基准与地面时间基准的比对以及天基时间基准向地面原子时、UTC溯源；
每个星座内还设置天基时间基准传递单元，利用该单元与其它中低轨卫星之间形成天基时间基准传递链路；所述天基时间基准传递链路为激光时频传递链路或微波时频传递链路，利用激光/微波时频传递链路，将天基时间基准传递至中低轨卫星，实现天基时间基准向中低轨卫星的传递。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的天地时间基准比对链路包括激光时频比对链路和微波时频比对链路；所述激光/微波时频比对链路均用于天地时间基准比对；所述微波时频比对链路采用双向同频收发体制。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的传递通过下述方式实现：
(1)利用微波或激光时频传递链路，将天基时间基准物理信号调制后通过激光或微波载波传递至中低轨卫星；
(2)中低轨卫星接收到天基时间基准卫星发送的信号后，解调出天基时间基准物理信号，以解调出的天基时间基准物理信号为参考信号，测量本地原子钟信号与天基时间基准物理信号的时差；
(3)在中低轨卫星上测量出时差后，扣除相对论时延、路径时延、设备时延，解算出中低轨卫星原子钟与天基时间基准之间的钟差或频差数据，利用这些数据即可得出中低轨卫星原子钟的初始相位/时间偏差、初始频率偏差、线性漂移率。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的天基时间基准卫星优选为配有计量级守时型原子钟的高轨卫星。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的单星原子时产生单元包括单星内部时频测量比对单元、纸面时产生单元；
单星内部时频测量比对单元，将星上已开机原子钟与单星原子时物理信号进行比对，测量出各台原子钟与单星原子时的时差或频差，以确定各台原子钟的频率稳定度以及权重；
纸面时产生单元根据确定的各原子钟频率稳定度以及权重，利用时间尺度算法产生单星纸面时；
单星原子时物理化单元利用单星纸面时对单星原子时物理化单元进行伺服控制，最终产生单星原子时物理信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的天基时间基准产生单元包括天基时间基准纸面时产生单元和天基时间基准物理化单元；
所述天基时间基准纸面时产生单元接收通过内部激光/微波时频测量比对链路传递来的数据，从数据中解算出星间钟差，并利用时间尺度算法产生天基时间基准纸面时间；
所述天基时间基准物理化单元，利用单星原子时与天基时间基准纸面时间的时差，通过调频/调相，将单星原子时输出的一路物理信号调整到与天基时间基准一致，即实现了天基时间基准纸面时间在单颗卫星上的物理化。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的时间尺度算法包括Algos算法、AT1算法、Kalman滤波算法、经典加权平均算法。
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