CN112558118A - 一种基于通信卫星的高精度授时方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于通信卫星的高精度授时方法，主站设备将主站时钟发出的时间信号发射至通信卫星，通信卫星接收到时间信号后将其转发送给用户观测站和主站设备；用户观测站接收到时间信号后得到本地用户时钟与主站时钟的钟差；主站设备接收到时间信号后得到卫星钟与主站时钟的钟差；利用卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差计算出卫星钟与用户时钟的钟差；根据卫星钟与用户时钟的钟差与光速的乘积获得通信卫星至用户观测站的伪距观测值；计算出虚拟钟改正量；计算出用户时钟与基准时间的时差；调整用户时钟与基准时间同步完成一次授时。该方法能有效的提升授时系统的可靠性，能有利于提升复杂环境下的授时系统的可靠性和健壮性。

Description

一种基于通信卫星的高精度授时方法
技术领域
本发明属于通信卫星技术领域，具体是一种基于通信卫星的高精度授时方法。
背景技术
高精度(纳秒量级)授时事关国家经济命脉和国家安全，处于战略核心位置。据美国国土安全部提供的资料，第21号总统政策指令中所确定的16个关键行业里，有11个依赖于精确授时。当前的精密授时系统极大地依赖于卫星导航系统的大区域覆盖、高性能、高可靠、高可用等能力，卫星导航系统易受到环境遮蔽或电磁干扰，其可用性和服务能力存在较大的不确定性。基于卫星导航系统的单向授时是目前精度最高的授时技术，授时精度最高可达15ns。对于要求授时精度为纳秒量级的用户来说，只能使用如卫星共视(GNSS CommonView，GNSS CV)、卫星双向时间频率传递(Two Way Satellite Time and FrequencyTransfer，TWSTFT)等高精度时间比对系统。这些高精度时间传递系统的成本高且用户容量有限。
因此，急需开展高精度授时技术研究以提升复杂环境下的授时系统的可靠性和健壮性。通信卫星以其覆盖范围广、抗干扰能力强、受环境影响小等显著优点，基于通信卫星的授时技术成为目前精确授时的主流技术之一，最具代表性的是中国区域导航定位系统(China Area Positioning System，CAPS)，CAPS授时精度可达纳秒量级。但CAPS需要租用GEO通信卫星，设备复杂和经济成本高。若能利用现有通信卫星的冗余信道资源研究设计与现有卫星通信信号体制兼容并存的授时信号方法，既不会增加设备复杂度，又不会显著增加经济成本，还能借助通信卫星的用户容量大优势解决用户受限难题，可一举解决精度、成本和用户容量等难题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于通信卫星的高精度授时方法，该方法能有效的提升授时系统的可靠性，能有利于提升复杂环境下的授时系统的可靠性和健壮性。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于通信卫星的高精度授时方法，包括授时信号系统，授时信号系统由设置在地面的主站设备、设置在太空中的通信卫星和设置在地面的用户观测站组成，通信卫星分别与主站和用户观测站通过无线通信的方式连接，所述主站设备装配有高性能原子钟作为主站时钟，所述通信卫星上装配有星上转发器，所述用户观测站装配有本地用户时钟；包括以下步骤：
步骤一：主站设备将主站时钟发出的包含时间信息的时间信号经过编码、调制和上变频处理后经天线发射至通信卫星，通信卫星接收到时间信号后将其转发送给用户观测站，同时，再将时间信号转发送回主站设备；用户观测站接收到时间信号后与本地用户时钟保持的时间作比对，得到本地用户时钟与主站时钟的钟差；主站设备接收到时间信号后与主站时钟作比对，得到卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差；
步骤二：利用卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差计算出卫星钟与用户时钟的钟差；
步骤三：根据卫星钟与用户时钟的钟差与光速的乘积获得通信卫星至用户观测站的伪距观测值
Figure BDA0002829032590000021
步骤四：根据公式(1)计算出虚拟钟改正量
Figure BDA0002829032590000022
Figure BDA0002829032590000023
式中，
Figure BDA0002829032590000024
为主站设备上行到通信卫星i，再经由通信卫星i转发下行到主站设备的环路时延，由星上虚拟钟差、环路传输时延两部分组成，其中环路延时由主站设备精确测定；
Figure BDA0002829032590000025
是由通信卫星i实际位置计算的下行几何路径时延，通过卫星星历经计算得到；(xu,yu,zu)为用户观测站位置坐标，(xi,yi,zi)为通信卫星位置坐标；c为光速；
步骤五：根据公式(2)计算出用户时钟与基准时间的时差
Figure BDA0002829032590000026
Figure BDA0002829032590000027
式中，
Figure BDA0002829032590000028
为Sagnac效应改正值，
Figure BDA0002829032590000029
表示接收机与基准时间的时间偏差；
步骤六：调整用户时钟与基准时间同步完成一次授时。
该授时方法基于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的高精度授时系统，可以有效提升授时系统的可靠性，该方法不会增加设备复杂度，又不会显著增加经济成本，还能借助通信卫星的用户容量大优势解决用户受限难题，可一举解决精度、成本和用户容量等难题，能便于开展制约基于通信卫星的纳秒量级授时系统中星上频带资源受限、设备复杂度、用户容量等瓶颈问题的研究。
附图说明
图1是本发明中授时信号系统的原理图；
图2是本发明中虚拟钟改正的原理图；
图3是本发明中授时信号的原理框图；
图4是本发明中授时信号的处理流程图；
图5是本发明中基于通信卫星的授时信号体制的测试实验系统；
图6是本发明中编码性能分析曲线图；
图7是本发明中信号抗多径误差性能分析曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种基于通信卫星的高精度授时方法，包括授时信号系统，授时信号系统由设置在地面的主站设备、设置在太空中的通信卫星和设置在地面的用户观测站组成，通信卫星分别与主站和用户观测站通过无线通信的方式连接，所述主站设备装配有高性能原子钟作为主站时钟，所述通信卫星上装配有星上转发器，所述用户观测站装配有本地用户时钟；包括以下步骤：
步骤一：主站设备将主站时钟发出的包含时间信息的时间信号经过编码、调制和上变频处理后经天线发射至通信卫星，通信卫星接收到时间信号后将其转发送给用户观测站，同时，再将时间信号转发送回主站设备；用户观测站接收到时间信号后与本地用户时钟保持的时间作比对，得到本地用户时钟与主站时钟的钟差；主站设备接收到时间信号后与主站时钟作比对，得到卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差；
步骤二：利用卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差计算出卫星钟与用户时钟的钟差；
步骤三：根据卫星钟与用户时钟的钟差与光速的乘积获得通信卫星至用户观测站的伪距观测值
Figure BDA0002829032590000041
步骤四：根据公式(1)计算出虚拟钟改正量
Figure BDA0002829032590000042
Figure BDA0002829032590000043
式中，
Figure BDA0002829032590000044
为主站设备上行到通信卫星i，再经由通信卫星i转发下行到主站设备的环路时延，由星上虚拟钟差、环路传输时延两部分组成，其中环路延时由主站设备精确测定；
Figure BDA0002829032590000045
是由通信卫星i实际位置计算的下行几何路径时延，通过卫星星历经计算得到；(xu,yu,zu)为用户观测站位置坐标，(xi,yi,zi)为通信卫星位置坐标；c为光速；
步骤五：
用户接收单颗通信卫星i转发的信号，其伪距观测量满足如下公式(1-1)；：
Figure BDA0002829032590000046
式中，
Figure BDA0002829032590000047
表示接收机与基准时间(NTSC)的时间偏差；τu为接收机端时延，包括接收机内部硬件时延、天线及电缆时延；τion为电离层时延；τtro为对流层时延；ε为其他随机误差影响；
虚拟钟通过精确测定主站设备时间信号上行到通信卫星再经由星上转发器转发至主站设备的环路时延来计算确定卫星钟收发时间及星上转发器时延。只考虑环路时延，暂不考虑设备时延、电离层和对流层时延。虚拟钟时间改正量是大环时延减去下行几何路径时延。因而，从伪距观测值
Figure BDA0002829032590000048
中扣除星地几何距离
Figure BDA0002829032590000049
虚拟钟改正量
Figure BDA00028290325900000410
接收机端时延τu及Sagnac效应改正值后可根据公式(2)计算出用户时钟与基准时间(NTSC)的时差
Figure BDA00028290325900000411
Figure BDA0002829032590000051
式中，
Figure BDA0002829032590000052
为Sagnac效应改正值，
Figure BDA0002829032590000053
表示接收机与基准时间的时间偏差；
步骤六：调整用户时钟与基准时间同步完成一次授时。
基于通信卫星的高精度授时方法坚持连续性与可靠性、注重经济与技术可行性、确保安全性与竞争性和兼顾兼容性与互操作性。如图3和图4所示，为实现高精度的授时，本方法中授时信号的标准化应进行如下几个方面的考虑：
①频谱规划、功率分配和信道划分。根据各项业务频率协调结果，选择中心频率、频点数及频率带宽，初步确立信号的兼容性和互操作性；
②码型与调制方案设计。选择码型、码长、码速率、扩谱及调制方式，分析与评估抗多径、抗干扰及兼容能力；
③信号性能分析与评估。自相关特性、互相关特性、信号捕获性能、跟踪性能以及复杂度等性能分析与评估；
④导航电文内容设计。根据用户需求确定导航电文内容，根据电文长度、信息更新速率等确定电文结构和信道编码方式。
为验证本发明中所设计的授时信号体制的可行性，分析在不影响自身通信性能的前提下授时信号链路可行性。以某一颗GEO通信卫星的星上转发器进行链路预算分析，已知该通信卫星ERIP为40dBW，上行频率6GHz，下行频率4GHz，距离地面高度36000km，星上转发器增益为168.5dB，预留终端解调信噪比为5dB。通信卫星前向链路(信关站发送到通信卫星，经由通信卫星转发到地面终端)是功率受限链路，前向导航信号、前向通信信号和返向通信信号共用转发器资源，其功率占比为0.4：0.3：0.3；(返向链路即终端发送信号到通信卫星经由通信卫星转发到信关站的链路)即前向通信信号功率利用率为30％。通过对前向链路中便携终端(天线尺寸0.25m)、车载终端(天线尺寸为0.5m)进行预算分析就可得出所设计授时信号的链路可行性。分析结果如表1所示。对于便携终端，当信息速率为2.4kbps时，其终端解调门限[Eb/n0]为5.30dB，用户容量为24576个；对于车载终端，当信息速率为20kbps时，其终端解调门限[Eb/n0]为5.50dB，用户容量为24576个。链路预算结果满足设计需求。
表1基于通信卫星的授时信号体制链路预算分析表
参数名称 便携 车载 单位
上行发射功率 40 40 dBw
上行天线增益 56.02 56.02 dB
上行路径损耗 199.13 199.13 dB
上行其他损耗 5.1 5.1 dB
接收[ERIP]r 33.53 33.53 dBW
下行天线增益[G]r 18.25 24.27 dB
总载噪比[C/n<sub>0</sub>] 42.22 54.34 dB
数据速率 2.4 20 Kbps
[E<sub>b</sub>/n<sub>0</sub>] 5.64 5.50 dB
系统容量 24576 24576 个
链路预算是基于通信卫星的授时信号体制设计可行性的前提，本发明以某一GEO通信卫星为例，验证了通信与授时信号链路的可行性。在此基础上进一步验证授时信号的授时性能，分析基于通信卫星的授时信号体制能否实现授时功能并评估授时精度，以授时精度优于5ns为边界条件。构建如图5所示的测试实验系统，在地面主站(基准站)及其它观测站使用通信卫星接收机，同时接收卫星的授时信号。根据两站同时段的观测数据，统计授时试验结果。针对基于通信卫星的授时信号体制开展测试试验，已论证设计研究的合理性和功能可实现性。
为了客观反映为了更加客观地反映试验点时钟与UTC(NTSC)的同步精度，需要系统至少连续运行30天以上。随机读取15天(2019.3.15-2019.3.30)和30天(2019.1.1-2019.1.30)的溯源偏差。其结果如表2所示。
表2本发明中授时性能测试验证结果
测试结果(ns) 最大值 最小值 均值 标准差
15天 3.60 -2.01 0.18 1.40
30天 2.32 -2.23 0.04 1.11
对本发明中的信道编码进行仿真分析，采用的Turbo码,码率为1/3,码长为128,译码迭代次数从1递增到12次,用Matlab仿真得到了误码率性能图,如图6所示。
信号的抗多径性能是衡量导航信号性能的一个重要参考标准。考虑到通信卫星系统是带限系统，仿真分析了在不同的带宽限制下，不同调制方式的导航信号的抗多径性能，如图7所示。
本方法基于现有通信卫星信号，不改变现有通信卫星信号体制，便于充分利用现有通信卫星信号的冗余信息或冗余信道信息开展授时与通信兼容性的设计。同时，在通信卫星系统上融合授时信号，不仅降低了卫星接收整个导航电文的时间，提高了导航定位收敛的速度，而且其强大的通信能力可以获取更多的辅助数据，增加了冗余观测量，便于用来提高导航定位的性能。

Claims (1)

1.一种基于通信卫星的高精度授时方法，包括授时信号系统，授时信号系统由设置在地面的主站设备、设置在太空中的通信卫星和设置在地面的用户观测站组成，通信卫星分别与主站和用户观测站通过无线通信的方式连接，所述主站设备装配有高性能原子钟作为主站时钟，所述通信卫星上装配有星上转发器，所述用户观测站装配有本地用户时钟；其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：主站设备将主站时钟发出的包含时间信息的时间信号经过编码、调制和上变频处理后经天线发射至通信卫星，通信卫星接收到时间信号后将其转发送给用户观测站，同时，再将时间信号转发送回主站设备；用户观测站接收到时间信号后与本地用户时钟保持的时间作比对，得到本地用户时钟与主站时钟的钟差；主站设备接收到时间信号后与主站时钟作比对，得到卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差；
步骤二：利用卫星钟与主站时钟的钟差、星上虚拟钟差计算出卫星钟与用户时钟的钟差；
步骤三：根据卫星钟与用户时钟的钟差与光速的乘积获得通信卫星至用户观测站的伪距观测值
Figure FDA0002829032580000011
步骤四：根据公式(1)计算出虚拟钟改正量
Figure FDA0002829032580000012
Figure FDA0002829032580000013
式中，
Figure FDA0002829032580000014
为主站设备上行到通信卫星i，再经由通信卫星i转发下行到主站设备的环路时延，由星上虚拟钟差、环路传输时延两部分组成，其中环路延时由主站设备精确测定；
Figure FDA0002829032580000015
是由通信卫星i实际位置计算的下行几何路径时延，通过卫星星历经计算得到；(xu,yu,zu)为用户观测站位置坐标，(xi,yi,zi)为通信卫星位置坐标；c为光速；
步骤五：根据公式(2)计算出用户时钟与基准时间的时差
Figure FDA0002829032580000016
Figure FDA0002829032580000017
式中，
Figure FDA0002829032580000018
为Sagnac效应改正值，
Figure FDA0002829032580000019
表示接收机与基准时间的时间偏差；
步骤六：调整用户时钟与基准时间同步完成一次授时。
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