CN112799105B - 一种编队leo卫星星间时间同步和评估方法 - Google Patents

一种编队leo卫星星间时间同步和评估方法 Download PDF

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CN112799105B CN202011608129.2A CN202011608129A CN112799105B CN 112799105 B CN112799105 B CN 112799105B CN 202011608129 A CN202011608129 A CN 202011608129A CN 112799105 B CN112799105 B CN 112799105B
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Abstract

本发明公开了一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法，属于卫星时间同步技术领域。本发明采用卫星动力学平滑位置来约束LEO星间共视时间比对估计方程，减弱LEO卫星位置误差对时间同步性能的影响，解决了LEO卫星存在异常机动需要初始化和卫星平台运算资源较大消耗问题。此外，本发明采用位置信息辅助的PTP同步方法和星间测距信息来自主实现LEO星间时间同步性能的检验和评估，解决了编队LEO卫星高精度时间同步自主实时在线评估问题，满足编队LEO星间高精度时间同步自主估计和实时评估的需求。

Description

一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法
技术领域
本发明属于卫星导航系统精密时间同步技术领域，特别是指一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法。
背景技术
针对联合侦察等对LEO卫星编队协同工作的需求以及导航定位对低轨导航星座的需求，如何解决编队LEO卫星间的高精度时间同步和实时评估是当前编队LEO卫星面临的重要问题，其时间同步性能将直接影响编队LEO卫星间的测量质量和低轨导航卫星的导航定位的服务性能。
然而，由于LEO卫星存在任务驱动的机动和在轨力学模型复杂的问题，传统的基于长时间、有效观测的星载GNSS动力学精密定轨和时间同步估计方法需要占用和消耗卫星平台上较多的运算资源，因而难以满足实时在轨应用。此外，在卫星存在机动或异常后，该方法需要重新初始化，且容易出现发散等问题。另一方面，如何有效评价LEO卫星间时间同步性能并获得定量的评价结果，也是决定和评价LEO编队卫星协同服务性能的重要内容。
发明内容
本发明针对LEO卫星存在异常机动、卫星平台有效运算资源较少和实时评估困难等问题，提出一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法，以实现编队LEO卫星自主时间同步偏差的实时自主估计和在线评估。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法，包括如下步骤：
(1)依据两LEO卫星星载接收机实时测量获得的GNSS伪距和载波相位，构造LEO卫星星间GNSS伪距和载波相位观测量的单差值，估计两LEO卫星之间的相对位置和星间钟差；同时，依据两LEO卫星星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，估计两LEO卫星的运动速度；
(2)依据所述两LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息，以平滑后的位置作为虚拟观测量并附加约束，重新估计LEO卫星之间的相对位置和星间钟差信息；
(3)以重新估计后的相对位置和星间钟差信息为基础，采用两LEO卫星的精确星间测距作为观测量，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能；
(4)在星间PTP时间同步测量支持下，基于两LEO卫星的位置和速度信息，补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差，获得星间高精度PTP时间同步结果，并以LEO卫星GNSS时间同步结果为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果，探测和识别LEO卫星星间时间同步的异常。
进一步的，所述步骤(1)的具体方式为：
(101)依据两LEO卫星星载接收机实时测量获得的GNSS伪距
Figure GDA0003525866590000021
和
Figure GDA0003525866590000022
以及两LEO卫星的载波相位
Figure GDA0003525866590000023
和
Figure GDA0003525866590000024
构造GNSS伪距和载波相位观测量的LEO卫星星间单差方程：
Figure GDA0003525866590000031
Figure GDA0003525866590000032
Figure GDA0003525866590000033
Figure GDA0003525866590000034
其中，
Figure GDA0003525866590000035
和
Figure GDA0003525866590000036
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得的伪距，
Figure GDA0003525866590000037
和
Figure GDA0003525866590000038
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得的载波相位观测量，
Figure GDA0003525866590000039
和
Figure GDA00035258665900000310
分别代表两LEO卫星间的i卫星f频率的伪距和载波的单差值，
Figure GDA00035258665900000311
和
Figure GDA00035258665900000312
分别代表两LEO卫星间i卫星f频率单差伪距和载波相位测量噪声，
Figure GDA00035258665900000313
和γf分别代表两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟和比例系数，Cδtleo代表i卫星的两LEO卫星的接收机相对钟差，
Figure GDA00035258665900000314
和
Figure GDA00035258665900000315
分别代表两LEO卫星间的相对接收机码偏差和载波相位非整数偏差，λleo，f和
Figure GDA00035258665900000316
分别代表载波相位波长和两LEO卫星间的i卫星的相对整数模糊度，
Figure GDA00035258665900000317
代表与LEO卫星i间的几何距离单差值，其方程如下：
Figure GDA00035258665900000318
Figure GDA00035258665900000319
Figure GDA00035258665900000320
Figure GDA00035258665900000321
和
Figure GDA00035258665900000322
分别代表A与B两LEO卫星与i卫星间的几何距离，xi、yi和zi分别代表i卫星的三维坐标，xleoA、yleoA和zleoA分别代表LEO卫星A的三维坐标，xleoB、yleoB和zleoB分别代表LEO卫星B的三维坐标；
(102)依据上述伪距和载波相位观测量的LEO星间单差观测方程，估计两LEO之间的相对位置(dx,dy,dz)和星间钟差δtleo，其实现过程如下：
在上述观测方程中，两LEO卫星间的相位偏差
Figure GDA0003525866590000041
和两LEO卫星间的码偏差
Figure GDA0003525866590000042
均为已知量，i卫星的三维坐标(xi,yi,zi)通过实时GNSS卫星精密星历获得；处理中选择某颗LEO卫星A作为参考，其坐标rleoA(xleoA,yleoA,zleoA)通过GNSS实时精密单点定位获得；因此，上述方程估计参数包含LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo、两LEO卫星间的i卫星的相对的整数模糊度
Figure GDA0003525866590000043
两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟
Figure GDA0003525866590000044
和LEO卫星B的坐标(xleoB,yleoB,zleoB)，采用卡尔曼滤波估计上述参数，然后基于估计获得载波相位浮点模糊度
Figure GDA0003525866590000045
采用LAMBDA方法获得LEO卫星间单差载波相位整数模糊度
Figure GDA0003525866590000046
由此获得模糊度固定解后的LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo，同时获得LEO卫星B的坐标rleoB(xleoB,yleoB,zleoB)，从而获得两LEO卫星之间的相对位置(dx,dy,dz)如下：
Figure GDA0003525866590000047
(103)依据两LEO星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，实时估计两LEO卫星的速度分别为
Figure GDA0003525866590000048
和
Figure GDA0003525866590000049
进一步的，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)依据LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程进行拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息：
Figure GDA0003525866590000051
rleoB(t)＝rleoB，0(t；a，e，i，Ω，ω，μ0；p1，…pd)+δrs，ant(t)
其中，rleoB、
Figure GDA0003525866590000052
和
Figure GDA0003525866590000053
分别为LEO卫星的位置、速度和加速度，f表示力学函数模型，rleoB，0和δrs，ant分别为惯性系下的卫星质心坐标和相位中心偏差，a、e、i、Ω、ω和μ0分别代表6个LEO卫星轨道的开普勒轨道根数，p1，…pd代表d维的LEO卫星动力学参数，t表示时间；依据历史估计的LEO卫星位置rleoB和速度
Figure GDA0003525866590000054
采用卫星动力学方程进行拟合平滑，拟合平滑后获得拟合后的LEO卫星B的位置
Figure GDA0003525866590000055
和速度
Figure GDA0003525866590000056
(202)以平滑后的位置
Figure GDA0003525866590000057
构建虚拟观测量并附加约束，联合伪距和载波相位观测量LEO星间单差的观测方程，重新估计LEO星间相对位置rleoB和钟差δtleo，所构建的位置虚拟观测方程如下：
Figure GDA0003525866590000058
进一步的，步骤(3)中，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能的公式如下：
σleo(t)＝Rleo(t)-ρleo(t)-C(σtleo(t)+δtdelay(t))
Figure GDA0003525866590000059
其中，Rleo为两LEO卫星间的星间精确测距量，ρleo为两LEO卫星之间的站间几何距离，σtleo为两LEO卫星接收机相对钟差，δtdelay为星间测距设备和GNSS设备的时间偏差，C为光速，σleo为两LEO卫星间的星间测距验后残差，以σleo的值作为两LEO卫星的时间同步性能表征。
进一步的，所述步骤(4)的具体方式为：
(401)在星间PTP时间同步测量σtptp支持下，基于两LEO位置与速度信息，补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差δtcor，获得星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp；所采用的不对称性误差补偿方法如下：
Figure GDA0003525866590000061
Figure GDA0003525866590000062
Figure GDA0003525866590000063
σtleo，ptp＝σtptp-δtcor
其中，δt1为LEO卫星B的PTP信号发送到LEO卫星A的光行时间，δt2为LEO卫星A接收LEO卫星B的PTP信号后，将自身PTP信号发送至LEO卫星A所需的时间；
(402)以LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp，探测和识别LEO星间时间同步的异常，其实现的具体方法如下：
dt＝|σtleo-σtleo，ptp|＜εt
其中，dt为LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo与星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp的时间偏差，εt为判别阈值，当且仅当其中dt小于阈值εt时为正常，否则为异常。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
1、本发明采用卫星动力学平滑的位置信息来辅助LEO星间共视时间比对估计，减弱LEO卫星位置误差对时间同步性能的影响，提高LEO卫星时间同步收敛速度，解决低轨LEO存在异常机动需要初始化问题和卫星平台运算资源较大消耗问题。
2、本发明设计了位置信息辅助的PTP同步方法和星间测距信息来实现LEO星间时间同步性能的检验和评估，解决编队LEO卫星高精度时间同步自主实时在线评估问题。
总之，本发明解决了在LEO卫星存在机动和在轨力学模型复杂条件下，传统基于长时间、有效观测的星载GNSS动力学精密定轨和时间同步估计方法需要占用和消耗卫星平台上较多的运算资源以及LEO卫星机动引起的动力学定轨初始化不收敛等问题，实现了编队LEO卫星间的自主时间同步和自动的性能评估问题，尤其适用于编队LEO卫星侦察协同探测、相对测量和LEO导航星座间的高精度时间同步，具有重要的工程实际应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中编队LEO卫星星间时间同步的原理示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法，包括以下步骤：
(1)依据两LEO星载接收机实时测量获得GNSS伪距和载波相位，构造LEO星间GNSS伪距和载波相位观测量的单差值，估计两LEO之间的相对位置和星间钟差，同时依据两LEO星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，估计两LEO的运动速度；
(2)依据LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息，以平滑后的位置和速度信息作为虚拟观测量并附加约束，重新估计LEO星间相对位置和钟差信息；
(3)以两LEO重新估计后的位置和星间钟差信息为基础，采用两LEO卫星的精确星间测距作为观测量，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能；
(4)在星间PTP时间同步测量支持下，基于两LEO位置和速度信息补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差，获得星间高精度PTP时间同步结果，并以LEO卫星GNSS时间同步结果为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果，探测和识别LEO星间时间同步的异常。
其中，所述步骤(1)的具体方式为：
(101)依据两LEO星载接收机实时测量获得GNSS伪距
Figure GDA0003525866590000081
和
Figure GDA0003525866590000082
以及两LEO卫星的载波相位
Figure GDA0003525866590000083
和
Figure GDA0003525866590000084
构造GNSS伪距和载波相位观测量的LEO星间的单差方程，其方程如下：
Figure GDA0003525866590000085
Figure GDA0003525866590000086
Figure GDA0003525866590000087
Figure GDA0003525866590000088
其中，其中，
Figure GDA0003525866590000091
和
Figure GDA0003525866590000092
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得伪距，
Figure GDA0003525866590000093
和
Figure GDA0003525866590000094
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得载波相位观测量，
Figure GDA0003525866590000095
和
Figure GDA0003525866590000096
分别代表两LEO卫星间的i卫星f频率的伪距和载波的单差值，
Figure GDA0003525866590000097
和
Figure GDA0003525866590000098
分别代表两LEO卫星间i卫星f频率单差伪距和载波相位测量噪声，
Figure GDA0003525866590000099
和γf分别代表两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟和比例系数，Cδtleo代表i卫星的两LEO卫星的接收机相对钟差，
Figure GDA00035258665900000910
和
Figure GDA00035258665900000911
分别代表两LEO卫星间的相对接收机码偏差和载波相位非整数偏差，λleo，f和
Figure GDA00035258665900000912
分别代表载波相位波长和两LEO卫星间的i卫星的相对的整数模糊度，
Figure GDA00035258665900000913
代表与LEO卫星i间的几何距离单差值，其方程如下：
Figure GDA00035258665900000914
Figure GDA00035258665900000915
Figure GDA00035258665900000916
Figure GDA00035258665900000917
分别代表LEO卫星A和B卫星分别与i卫星间的几何距离，xi、yi和zi分别代表i卫星的三维坐标，xleoA、yleoA和zleoA分别代表LEO卫星A的三维坐标，xleoB、yleoB和zleoB分别代表LEO卫星B的三维坐标。
(202)依据上述伪距和载波相位观测量的LEO星间单差观测方程，估计两LEO之间的相对位置(dx,dy,dz)和星间钟差δtleo，其实现过程如下：
在上述观测方程中，两LEO卫星间的相位偏差
Figure GDA00035258665900000918
和两LEO卫星间的码偏差
Figure GDA0003525866590000101
均为已知量，i卫星的三维坐标(xi，yi，zi)通过实时GNSS卫星精密星历获得，处理中选择某颗LEO卫星A作为参考，其坐标rleoA(xleoA，yleoA，zleoA)可以通过GNSS实时精密单点定位获得；因此，上述方程估计参数包含LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo、两LEO卫星间观测的i卫星的相对的整数模糊度
Figure GDA0003525866590000102
两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟
Figure GDA0003525866590000103
和LEO卫星B的坐标(xleoB，yleoB，zleoB)，采用卡尔曼滤波估计上述参数，然后基于估计获得载波相位浮点模糊度
Figure GDA0003525866590000104
采用LAMBDA方法获得LEO卫星间单差载波相位整数模糊度
Figure GDA0003525866590000105
由此获得模糊度固定解后的LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo，同时可获得LEO卫星B的坐标rleoB(xleoB，yleoB，zleoB)，从而获得两LEO卫星之间的相对位置(dx，dy，dz)，其公式如下：
Figure GDA0003525866590000106
(103)依据两LEO星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，实时估计两LEO卫星的速度分别为
Figure GDA0003525866590000107
和
Figure GDA0003525866590000108
其中，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)依据LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息，其技术如下：
Figure GDA0003525866590000109
rleoB(t)＝rleoA，0(t；a，e，i，Ω，ω，μ0；p1，…pd)+δrs，ant(t)
其中，rleoB、
Figure GDA0003525866590000111
和
Figure GDA0003525866590000112
为LEO卫星位置、速度和加速度信息，f表示力学函数模型，rleoB，0和δrleoB，ant分别为惯性系下的卫星质心坐标和相位中心偏差，a、e、i、Ω、ω和μ0分别代表6个LEO卫星轨道的开普勒轨道根数，p1，…pd代表d维的LEO卫星动力学参数。依据历史估计的LEO卫星位置rleoB和速度
Figure GDA0003525866590000113
采用卫星动力学方程进行拟合平滑，拟合平滑后获得拟合后的LEO卫星B的位置
Figure GDA0003525866590000114
和速度
Figure GDA0003525866590000115
(202)以平滑后的位置
Figure GDA0003525866590000116
构建虚拟观测量并附加约束，联合上述伪距和载波相位观测量LEO星间单差的观测方程，重新估计LEO星间相对位置rleoB和钟差信息δtleo，所构建的位置虚拟观测方程如下：
Figure GDA0003525866590000117
其中，所述步骤(3)的具体方式为：
以两LEO重新估计后的位置和钟差信息δtleo、速度和星间钟差信息为基础，采用两LEO卫星的精确星间测距观测量Rleo，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能，其评估采用的公式如下：
σleo(t)＝Rleo(t)-ρleo(t)-C(σtleo(t)+δtdelay(t))
Figure GDA0003525866590000118
其中，t为观测时刻，Rleo为两LEO卫星间的星间精确测距量，ρleo为两LEO卫星之间的站间几何距离，σtleo为两LEO卫星接收机相对钟差，δtdelay为星间测距设备和GNSS设备的时间偏差，C为光速，σleo为两LEO卫星间的星间测距验后残差，以σleo的值作为两LEO卫星的时间同步性能表征。
其中，所述步骤(4)的具体方式为：
(401)在星间PTP时间同步测量σtptp支持下，基于两LEO位置与速度信息，补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差δtcor，获得星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp，所采用的不对称性误差补偿方法如下：
Figure GDA0003525866590000121
Figure GDA0003525866590000122
Figure GDA0003525866590000123
σtleo，ptp＝σtptp-δtcor
其中，δt1为LEO卫星B的PTP信号发送到LEO卫星A的光行时间，δt2为LEO卫星A接收LEO卫星B的PTP信号后，将自身PTP信号发送至LEO卫星A所需的时间。
(402)以LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp，探测和识别LEO星间时间同步的异常，其实现的具体方法如下：
dt＝|σtleo-σtleo，ptp|＜εt
其中，dt为LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo与星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp的时间偏差，εt为判别阈值，当且仅当其中dt小于指定的阈值εt时为正常，否则为异常。
以下为一个更具体的例子：
如图1所示，两LEO卫星时间同步的所需设备包括：两LEO卫星的GNSS天线、接收机和原子钟设备。
LEO卫星实时接收GNSS信号，在本地原子钟的驱动下，跟踪捕获得到载波相位测量和伪距测量数据，同时基于星间测距设备获得两LEO卫星的星间测量数据Rleo，并根据两LEO卫星PTP时间测量设备获得两LEO卫星的PTP双向时间测量值σtptp，基于上述测量结果实现LEO星间高精度时间同步和评估。具体包括如下步骤：
(1)依据两LEO星载接收机实时测量获得GNSS伪距和载波相位，构造LEO星间GNSS伪距测量的单差值
Figure GDA0003525866590000131
和载波相位观测量的单差值
Figure GDA0003525866590000132
估计两LEO之间的相对位置和星间钟差，同时依据两LEO星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，估计两LEO的运动速度；具体方式为：
(101)依据两LEO星载接收机实时测量获得GNSS伪距
Figure GDA0003525866590000133
和
Figure GDA0003525866590000134
以及两LEO卫星的载波相位
Figure GDA0003525866590000135
和
Figure GDA0003525866590000136
构造GNSS伪距和载波相位观测量的LEO星间的单差方程，其方程如下：
Figure GDA0003525866590000137
Figure GDA0003525866590000138
Figure GDA0003525866590000139
Figure GDA00035258665900001310
其中，
Figure GDA00035258665900001311
和
Figure GDA00035258665900001312
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得伪距，
Figure GDA00035258665900001313
和
Figure GDA00035258665900001314
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得载波相位观测量，
Figure GDA00035258665900001315
和
Figure GDA00035258665900001316
分别代表两LEO卫星间的i卫星f频率的伪距和载波的单差值，
Figure GDA00035258665900001317
和
Figure GDA00035258665900001318
分别代表两LEO卫星间i卫星f频率单差伪距和载波相位测量噪声，
Figure GDA00035258665900001319
和γf分别代表两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟和比例系数，Cδtleo代表i卫星的两LEO卫星的接收机相对钟差，
Figure GDA0003525866590000141
和
Figure GDA0003525866590000142
分别代表两LEO卫星间的相对接收机码偏差和载波相位非整数偏差，λleo，f和
Figure GDA0003525866590000143
分别代表载波相位波长和两LEO卫星间的i卫星的相对的整数模糊度，
Figure GDA0003525866590000144
代表与LEO卫星i间的几何距离单差值，其方程如下：
Figure GDA0003525866590000145
Figure GDA0003525866590000146
Figure GDA0003525866590000147
Figure GDA0003525866590000148
分别代表LEO卫星A和B卫星分别与i卫星间的几何距离，xi、yi和zi分别代表i卫星的三维坐标，xleoA、yleoA和zleoA分别代表LEO卫星A的三维坐标，xleoB、yleoB和zleoB分别代表LEO卫星B的三维坐标。
(102)依据上述伪距和载波相位观测量的LEO星间单差观测方程，估计两LEO卫星间的相对位置(dx,dy,dz)和星间钟差δtleo，其实现过程如下：
在上述观测方程中，两LEO卫星间的相位偏差
Figure GDA0003525866590000149
和两LEO卫星间的码偏差
Figure GDA00035258665900001410
均为已知量，i卫星的三维坐标(xi,yi,zi)通过实时GNSS卫星精密星历获得，处理中选择某颗LEO卫星A作为参考，其坐标rleoA(xleoA,yleoA,zleoA)可以通过GNSS实时精密单点定位获得；因此，上述方程估计参数包含LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo、两LEO卫星间的i卫星的相对的整数模糊度
Figure GDA00035258665900001411
两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟
Figure GDA00035258665900001412
和LEO卫星B的坐标(xleoB,yleoB,zleoB)，采用卡尔曼滤波估计上述参数，然后基于估计获得载波相位浮点模糊度
Figure GDA0003525866590000151
采用LAMBDA方法获得LEO卫星间单差载波相位整数模糊度
Figure GDA0003525866590000152
由此获得模糊度固定解后的LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo，同时可获得LEO卫星B的坐标rleoB(xleoB,yleoB,zleoB)，从而获得两LEO卫星之间的相对位置(dx,dy,dz)，其公式如下：
Figure GDA0003525866590000153
(103)依据两LEO星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，实时估计两LEO卫星的速度分别为
Figure GDA0003525866590000154
和
Figure GDA0003525866590000155
(2)依据LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息，以平滑后的位置和速度信息作为虚拟观测量并附加约束，重新估计LEO星间相对位置和钟差信息；具体方式为：
(201)依据LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息，其技术如下：
Figure GDA0003525866590000156
rleoB(t)＝rleoA，0(t；a，e，i，Ω，ω，μ0；p1，…pd)+δrs，ant(t)
其中，rleoB、
Figure GDA0003525866590000157
和
Figure GDA0003525866590000158
为LEO卫星位置、速度和加速度信息，f表示力学函数模型，rleoB，0和δrleoB，ant分别为惯性系下的卫星质心坐标和相位中心偏差，a、e、i、Ω、ω和μ0分别代表6个LEO卫星轨道的开普勒轨道根数，p1，…pd代表d维的LEO卫星动力学参数。依据历史估计的LEO卫星位置rleoB和速度
Figure GDA0003525866590000161
采用卫星动力学方程进行拟合平滑，拟合平滑后获得拟合后的LEO卫星B的位置
Figure GDA0003525866590000162
和速度
Figure GDA0003525866590000163
(202)以平滑后的位置
Figure GDA0003525866590000164
构建虚拟观测量并附加约束，联合上述伪距和载波相位观测量LEO星间单差的观测方程，重新估计LEO星间相对位置rleoB和钟差信息δtleo，所构建的位置虚拟观测方程如下：
Figure GDA0003525866590000165
(3)以两LEO重新估计后的位置和星间钟差信息为基础，采用两LEO卫星的精确星间测距作为观测量，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能；具体方式为：
以两LEO重新估计后的位置和钟差信息δtleo、速度和星间钟差信息为基础，采用两LEO卫星的精确星间测距观测量Rleo，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能，其评估采用的公式如下：
σleo(t)＝Rleo(t)-ρleo(t)-C(σtleo(t)+δtdelay(t))
Figure GDA0003525866590000166
其中，t为观测时刻，Rleo为两LEO卫星间的星间精确测距量，ρleo为两LEO卫星之间的站间几何距离，σtleo为两LEO卫星接收机相对钟差，δtdelay为星间测距设备和GNSS设备的时间偏差，C为光速，σleo为两LEO卫星间的星间测距验后残差，以σleo的值作为两LEO卫星的时间同步性能表征。
(4)在星间PTP时间同步测量支持下，基于两LEO位置和速度信息补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差，获得星间高精度PTP时间同步结果，并以LEO卫星GNSS时间同步结果为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果，探测和识别LEO星间时间同步的异常。具体方式为：
(401)在星间PTP时间同步测量σtptp支持下，基于两LEO位置与速度信息，补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差δtcor，获得星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp，所采用的不对称性误差补偿方法如下：
Figure GDA0003525866590000171
Figure GDA0003525866590000172
Figure GDA0003525866590000173
σtleo，ptp＝σtptp-δtcor
其中，δt1为LEO卫星B的PTP信号发送到LEO卫星A的光行时间，δt2为LEO卫星A接收LEO卫星B的PTP信号后，将自身PTP信号发送至LEO卫星A所需的时间。
(402)以LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp，探测和识别LEO星间时间同步的异常，其实现的具体方法如下：
dt＝|σtleo-σtleo，ptp|＜εt
其中，dt为LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo与星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp的时间偏差，εt为判别阈值，当且仅当其中dt小于指定的阈值εt时为正常，否则为异常。
总之，本发明提出了一种适用于编队LEO星间高精度时间同步和评估方法，它采用卫星动力学平滑位置来约束LEO星间共视时间比对估计方程，减弱LEO卫星位置误差对时间同步性能的影响，解决了LEO卫星存在异常机动需要初始化和卫星平台运算资源较大消耗问题。此外，本发明采用位置信息辅助的PTP同步方法和星间测距信息来自主实现LEO星间时间同步性能的检验和评估，解决了编队LEO卫星高精度时间同步自主实时在线评估问题，满足编队LEO星间高精度时间同步自主估计和实时评估的需求。

Claims (1)

1.一种编队LEO卫星星间时间同步和评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)依据两LEO卫星星载接收机实时测量获得的GNSS伪距和载波相位，构造LEO卫星星间GNSS伪距和载波相位观测量的单差值，估计两LEO卫星之间的相对位置和星间钟差；同时，依据两LEO卫星星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，估计两LEO卫星的运动速度；具体方式为：
(101)依据两LEO卫星星载接收机实时测量获得的GNSS伪距
Figure FDA0003525866580000011
和
Figure FDA0003525866580000012
以及两LEO卫星的载波相位
Figure FDA0003525866580000013
和
Figure FDA0003525866580000014
构造GNSS伪距和载波相位观测量的LEO卫星星间单差方程：
Figure FDA0003525866580000015
Figure FDA0003525866580000016
Figure FDA0003525866580000017
Figure FDA0003525866580000018
其中，
Figure FDA0003525866580000019
和
Figure FDA00035258665800000110
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得的伪距，
Figure FDA00035258665800000111
和
Figure FDA00035258665800000112
分别为A与B两LEO卫星星载接收机获得的载波相位观测量，
Figure FDA00035258665800000113
和
Figure FDA00035258665800000114
分别代表两LEO卫星间的i卫星f频率的伪距和载波的单差值，
Figure FDA00035258665800000115
和
Figure FDA00035258665800000116
分别代表两LEO卫星间i卫星f频率单差伪距和载波相位测量噪声，
Figure FDA00035258665800000117
和γf分别代表两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟和比例系数，Cδtleo代表i卫星的两LEO卫星的接收机相对钟差，
Figure FDA00035258665800000118
和
Figure FDA00035258665800000119
分别代表两LEO卫星间的相对接收机码偏差和载波相位非整数偏差，λleo，f和
Figure FDA0003525866580000021
分别代表载波相位波长和两LEO卫星间的i卫星的相对整数模糊度，
Figure FDA0003525866580000022
代表与LEO卫星i间的几何距离单差值，其方程如下：
Figure FDA0003525866580000023
Figure FDA0003525866580000024
Figure FDA0003525866580000025
Figure FDA0003525866580000026
和
Figure FDA0003525866580000027
分别代表A与B两LEO卫星与i卫星间的几何距离，xi、yi和zi分别代表i卫星的三维坐标，xleoA、yleoA和ZleoA分别代表LEO卫星A的三维坐标，xleoB、yleoB和ZleoB分别代表LEO卫星B的三维坐标；
(102)依据上述伪距和载波相位观测量的LEO星间单差观测方程，估计两LEO之间的相对位置(dx，dy，dz)和星间钟差δtleo，其实现过程如下：
在上述观测方程中，两LEO卫星间的相位偏差
Figure FDA0003525866580000028
和两LEO卫星间的码偏差
Figure FDA0003525866580000029
均为已知量，i卫星的三维坐标(xi，yi，Zi)通过实时GNSS卫星精密星历获得；处理中选择某颗LEO卫星A作为参考，其坐标rleoA(xleoA，yleoA，ZleoA)通过GNSS实时精密单点定位获得；因此，上述方程估计参数包含LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo、两LEO卫星间的i卫星的相对的整数模糊度
Figure FDA00035258665800000210
两LEO卫星所观测的i卫星对应的基准频率的电离层相对延迟
Figure FDA00035258665800000211
和LEO卫星B的坐标(xleoB，yleoB，ZleoB)，采用卡尔曼滤波估计上述参数，然后基于估计获得载波相位浮点模糊度
Figure FDA00035258665800000212
采用LAMBDA方法获得LEO卫星间单差载波相位整数模糊度
Figure FDA0003525866580000031
由此获得模糊度固定解后的LEO卫星间的相对接收机钟差δtleo，同时获得LEO卫星B的坐标rleoB(xleoB，yleoB，ZleoB)，从而获得两LEO卫星之间的相对位置(dx，dy，dz)如下：
Figure FDA0003525866580000032
(103)依据两LEO星载接收机实时测量获得的GNSS多普勒观测信息，实时估计两LEO卫星的速度分别为
Figure FDA0003525866580000033
和
Figure FDA0003525866580000034
(2)依据所述两LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息，以平滑后的位置作为虚拟观测量并附加约束，重新估计LEO卫星之间的相对位置和星间钟差信息；具体方式为：
(201)依据LEO卫星的历史位置信息和速度信息，基于卫星动力学方程进行拟合平滑，获得LEO卫星平滑后的位置和速度信息：
Figure FDA0003525866580000035
rleoB(t)＝rleoB，0(t；a，e，i，Ω，ω，μ0；p1，…pd)+δrs，ant(t)
其中，rleoB、
Figure FDA0003525866580000036
和
Figure FDA0003525866580000037
分别为LEO卫星的位置、速度和加速度，f表示力学函数模型，rleoB，0和δrs，ant分别为惯性系下的卫星质心坐标和相位中心偏差，a、e、i、Ω、ω和μ0分别代表6个LEO卫星轨道的开普勒轨道根数，p1，…pd代表d维的LEO卫星动力学参数，t表示时间；依据历史估计的LEO卫星位置rleoB和速度
Figure FDA0003525866580000038
采用卫星动力学方程进行拟合平滑，拟合平滑后获得拟合后的LEO卫星B的位置
Figure FDA0003525866580000039
和速度
Figure FDA0003525866580000041
(202)以平滑后的位置
Figure FDA0003525866580000042
构建虚拟观测量并附加约束，联合伪距和载波相位观测量LEO星间单差的观测方程，重新估计LEO星间相对位置rleoB和钟差δtleo，所构建的位置虚拟观测方程如下：
Figure FDA0003525866580000043
(3)以重新估计后的相对位置和星间钟差信息为基础，采用两LEO卫星的精确星间测距作为观测量，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能；步骤(3)中，评估两LEO卫星GNSS时间同步的性能的公式如下：
σleo(t)＝Rleo(t)-ρleo(t)-C(σtleo(t)+δtdelay(t))
Figure FDA0003525866580000044
其中，Rleo为两LEO卫星间的星间精确测距量，ρleo为两LEO卫星之间的站间几何距离，σtleo为两LEO卫星接收机相对钟差，δtdelay为星间测距设备和GNSS设备的时间偏差，C为光速，σleo为两LEO卫星间的星间测距验后残差，以σleo的值作为两LEO卫星的时间同步性能表征；
(4)在星间PTP时间同步测量支持下，基于两LEO卫星的位置和速度信息，补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差，获得星间高精度PTP时间同步结果，并以LEO卫星GNSS时间同步结果为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果，探测和识别LEO卫星星间时间同步的异常；具体方式为：
(401)在星间PTP时间同步测量σtptp支持下，基于两LEO位置与速度信息，补偿星间PTP时间同步中卫星运动导致的不对称性误差δtcor，获得星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp；所采用的不对称性误差补偿方法如下：
Figure FDA0003525866580000051
Figure FDA0003525866580000052
Figure FDA0003525866580000053
σtleo，ptp＝σtptp-δtcor
其中，δt1为LEO卫星B的PTP信号发送到LEO卫星A的光行时间，δt2为LEO卫星A接收LEO卫星B的PTP信号后，将自身PTP信号发送至LEO卫星A所需的时间；
(402)以LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo为基础，评估星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp，探测和识别LEO星间时间同步的异常，其实现的具体方法如下：
dt＝|σtleo-σtleo，ptp|＜εt
其中，dt为LEO卫星GNSS时间同步结果σtleo与星间高精度PTP时间同步结果σtleo，ptp的时间偏差，εt为判别阈值，当且仅当其中dt小于阈值εt时为正常，否则为异常。
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