CN113098582B - 一种卫星双向时间频率传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星双向时间频率传递方法。所述传递方法，包括：构建包括第一地面站、第二地面站和卫星转发器的单发双收的卫星双向时间频率传递系统；采用闭环控制方法使目标地面站到卫星转发器的出口处的码载一致；当第一地面站处于自发自收闭环链路模式时，目标地面站为第一地面站；当第二地面站处于自发自收闭环链路模式时，目标地面站为第二地面站；码载一致为目标地面站的接收载波频率与接收码频率的比值为设定整数值；当第一地面站到卫星转发器的出口处的码载一致且第二地面站到卫星转发器的出口处的码载一致时，基于载波相位测量方法计算第一地面站和第二地面站之间的时差。本发明能提高时间频率传递的精度。

Description

一种卫星双向时间频率传递方法
技术领域
本发明涉及时间传递领域，特别是涉及一种卫星双向时间频率传递方法。
背景技术
自21世纪以来，高精度时间比对连接方法成为根据世界各地70多个地方原子时实验室所维护的地方原子时生成国际原子时的必要方法。基于卫星转发的双向卫星时间频率传输(TWSTFT)是实现协调世界时(UTC)的主要技术。自2003年以来，由国际计时界提供的TWSTFT数据一直在这种情况下使用。传统卫星双向时间频率传递模型采用码伪距观测量，但是由于卫星转发器带宽的限制，一般采用的码速率为5MChip/s，最高为20MChip/s，则使时间频率传递精度难于进一步提高。而TWSTFT系统采用的载波频率工作在4GHz-14GHz，是码速率的上百倍，则若将载波相位观测量应用于卫星双向时间频率传递系统中，可使其系统时间传递精度提高1到2个数量级。
但由于卫星转发器本振与地面站时频参考不能共源，且一般采用GEO卫星转发器的本振性能较差，采用卫星转发器对地面信号进行转发时，破坏了信号载波相位的连续性及码和载波相位的一致性，使载波相位难于在卫星双向时间频率传递系统中得以应用，因此，时间传递精度有待提高。
发明内容
基于此，有必要提供一种卫星双向时间频率传递方法，将载波相位用于卫星双向时间频率传递系统中，以提高时间频率传递的精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种卫星双向时间频率传递方法，所述传递方法用于单发双收的卫星双向时间频率传递系统；所述卫星双向时间频率传递系统包括第一地面站、第二地面站和卫星转发器；所述传递方法，包括：
采用闭环控制方法使目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致；当所述第一地面站处于自发自收闭环链路模式时，所述目标地面站为所述第一地面站；当所述第二地面站处于自发自收闭环链路模式时，所述目标地面站为所述第二地面站；所述码载一致为所述目标地面站的接收载波频率与接收码频率的比值为设定整数值；
当所述第一地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致且所述第二地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致时，基于载波相位测量方法计算所述第一地面站和所述第二地面站之间的时差。
可选的，所述采用闭环控制方法使目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致，具体包括：
根据所述目标地面站的接收载波频率和接收码频率计算载码偏差；
根据所述目标地面站的接收码伪距计算卫星运行速度；
基于所述卫星运行速度、所述接收载波频率、发射载波频率和所述卫星转发器的本振频率计算所述卫星转发器出口的频率偏移；
基于所述载码偏差、所述卫星运行速度、所述频率偏移、所述发射载波频率和发射码频率计算所述目标地面站上行载波频率需控制调整的预偏量；
基于所述预偏量和所述载码偏差，采用BP神经网络PID控制器确定最优发射载波频率；所述最优发射载波频率为使得所述接收载波频率与所述接收码频率的比值为设定整数值的发射载波频率；当所述目标地面站以所述最优发射载波频率发射信号时，所述目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致。
可选的，所述基于所述预偏量和所述载码偏差，采用BP神经网络PID控制器确定最优发射载波频率，具体包括：
将第n个时刻的输入量[pre_fre(n),Δf(n),e(n),1]输入BP神经网络PID控制器，pre_fre(n)为第n个时刻的预偏量，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差，e(n)为第n个时刻的误差值；所述BP神经网络PID控制器包括BP神经网络和PID控制结构，所述BP神经网络的输入包括pre_fre(n)和Δf(n)，所述PID控制结构的输入包括e(n)和所述BP神经网络输出的PID控制三参数；
将所述PID控制结构输出的频率值作为第n个时刻的发射载波频率，并判断第n个时刻的接收载波频率与接收码频率的比值是否为设定整数值，若是，则将第n个时刻的发射载波频率确定为最优发射载波频率，若否，则依据第n-1个时刻的权重参数和第n-2个时刻的权重参数更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数后，进行第n+1个时刻的迭代。
可选的，所述依据第n-1个时刻的权重参数和第n-2个时刻的权重参数更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数，具体包括：
按照权值修正公式更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数，所述权值修正公式为
Figure BDA0002992350820000031
其中，w(n)为第n个时刻的权重参数，w(n-1)为第n-1个时刻的权重参数，Δw(n)为第n个时刻的权重变化量，α1为第n-2个时刻的惯性因子，α为第n-1个时刻的惯性因子，0＜α1＜α＜0.5，E(n)为第n个时刻的性能指标函数，
Figure BDA0002992350820000032
η为学习效率，w为权重参数，Δw(n-1)为第n-1个时刻的权重变化量，Δw(n-2)为第n-2个时刻的权重变化量。
可选的，所述载码偏差的计算公式为
Δf(n)＝N*fdcode(n)-fdcarrier(n)；
其中，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差，fdcode(n)为第n个时刻的接收载波频率，fdcarrier(n)为第n个时刻的接收码频率，N为设定整数值。
可选的，所述卫星运行速度的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000033
其中，v(n)为第n个时刻的卫星运行速度，ρ(n)为第n个时刻的接收码伪距，t为时间。
可选的，所述频率偏移的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000034
其中，fsat,offset(n)为第n个时刻的频率偏移，fuCarrier(n)为第n个时刻的发射载波频率，fdCarrier(n)为第n个时刻的接收载波频率，fsat,nominal为卫星转发器的本振频率，C为光速，v(n)为第n个时刻的卫星运行速度。
可选的，所述预偏量的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000041
其中，pre_fre(n)为第n个时刻的预偏量，N为设定整数值，fuCode(n)为第n个时刻的发射码频率，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差。
可选的，所述PID控制结构输出的频率值的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000042
其中，u(n)为PID控制结构在第n个时刻输出的频率值，Δu(n)为PID控制结构在第n个时刻输出的频率值偏差，u(n-1)为PID控制结构在第n-1个时刻输出的频率值，kp为PID控制三参数中的比例系数，ki为PID控制三参数中的积分系数，kd为PID控制三参数中的微分系数，e(n-1)为第n-1个时刻的误差值，e(n-2)为第n-2个时刻的误差值。
可选的，所述时差的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000043
其中，ΔTAB为第一地面站和所述第二地面站之间的时差；TA为第一地面站钟面时，TB为第二地面站钟面时；C为光速；λA为第一地面站接收的下行载波波长；λB为第二地面站接收的下行载波波长；NAB为第一地面站发第二地面站收时，经过卫星转发器转发后的下行测量存在的整周模糊度；NBA为第二地面站发第一地面站收时，经过卫星转发器转发后的下行测量存在的整周模糊度；ΦAB(n)为第n个时刻信号从第一地面站天线相位中心发射，经过空间上行链路，到达卫星转发器接收天线相位中心入口，再经过卫星转发器转发后从卫星转发器发射天线相位中心发出，经过空间下行链路到达第二地面站天线相位中心的载波相位测量值；ΦBA(n)为第n个时刻信号从第二地面站天线相位中心发射，经过空间上行链路，到达卫星转发器接收天线相位中心入口，再经过卫星转发器转发后从卫星转发器发射天线相位中心发出，经过空间下行链路到达第一地面站天线相位中心的载波相位测量值；
Figure BDA0002992350820000051
为卫星双向时间频率传递的通用误差；
Figure BDA0002992350820000052
为第一地面站和第二地面站两站载波伪距的测量噪声。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种卫星双向时间频率传递方法，首先采用闭环控制方法使得目标地面站的接收载波频率与接收码频率的比值为设定整数值，从而使目标地面站到卫星转发器的出口处的信号达到码与载波相位的一致性，这样解决了码载不一致导致的载波相位难于在卫星双向时间频率传递系统中得以应用的问题，确保了载波相位在卫星双向时间频率传递方法中应用的有效性，将载波相位用于卫星双向时间频率传递系统中，可使其系统时间传递精度提高1到2个数量级。因此，本发明提高了时间频率传递的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的卫星双向时间频率传递系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的卫星双向时间频率传递方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的其中一个地面站信号以频率为主的信号传播流程图；
图4为本发明实施例提供的基于载波频率实时控制调整的卫星双向时间频率传递系统载波频率控制调整原理图；
图5为本发明实施例提供的基于BP神经网络PID控制器的载波频率控制原理图；
图6为本发明实施例提供的基于BP神经网络PID控制器的载波频率控制算法流程图；
图7为本发明实施例提供的基于载波频率实时控制调整的卫星双向时间频率传递方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
本发明的目的是一种载波频率实时控制调整的卫星双向时间频率传递方法，对传输路径进行实时闭环测量载波频率，实现对上行载波频率的控制调整，以此在卫星出口达到码与载波的一致性，从而达到地面站码与载波的一致性间，完成高精度的时间频率传递。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例的卫星双向时间频率传递方法用于单发双收的卫星双向时间频率传递系统。参见图1，所述卫星双向时间频率传递系统包括第一地面站A、第二地面站B和卫星转发器。其中第一地面站A和第二地面站B均包括：天线、本地时频统一参考源(A地时钟/B地时钟)、上行射频链路、下行射频链路以及综合基带等。
所述卫星双向时间频率传递系统中各双向地面站可同时接收本站(自发自收)和对方站发射的卫星信号。第一地面站A通过地面站综合基带产生上行待传输信号，通过射频链路到达第一地面站A天线相位中心，通过空间链路至卫星，经卫星透明转发后，第一地面站A接收自身信号并且第二地面站B接收此信号；第二地面站B通过地面站综合基带产生上行待传输信号，通过射频链路到达第二地面站B天线相位中心，通过空间链路至卫星，经卫星透明转发后，第二地面站B接收自身信号并且第一地面站A接收此信号；其中第一地面站A接收第一地面站A的信号形成自发自收的闭环链路，第二地面站B接收第二地面站B的信号形成自发自收的闭环链路，第二地面站B接收第一地面站A发送的信号和第一地面站A接收第二地面站B发送的信号形成卫星双向的比对链路，如图1所示。通过交换A、B两个地面站之间收集的数据，可以得到两个原子钟之间高度精确的时钟差值ΔTAB。
图2为本发明实施例提供的卫星双向时间频率传递方法的流程图。参见图2，本实施例的卫星双向时间频率传递方法，包括：
步骤101：采用闭环控制方法使目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致；当所述第一地面站处于自发自收闭环链路模式时，所述目标地面站为所述第一地面站；当所述第二地面站处于自发自收闭环链路模式时，所述目标地面站为所述第二地面站；所述码载一致为所述目标地面站的接收载波频率与接收码频率的比值为设定整数值。
其中，所述采用闭环控制方法使目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致，具体包括：
1)根据所述目标地面站的接收载波频率和接收码频率计算载码偏差；所述载码偏差的计算公式为
Δf(n)＝N*fdcode(n)-fdcarrier(n) (1)
其中，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差，fdcode(n)为第n个时刻的接收载波频率，fdcarrier(n)为第n个时刻的接收码频率，N为设定整数值。
2)根据所述目标地面站的接收码伪距计算卫星运行速度；所述卫星运行速度的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000071
其中，v(n)为第n个时刻的卫星运行速度，ρ(n)为第n个时刻的接收码伪距，t为时间。
3)基于所述卫星运行速度、所述接收载波频率、发射载波频率和所述卫星转发器的本振频率计算所述卫星转发器出口的频率偏移；所述频率偏移的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000072
其中，fsat,offset(n)为第n个时刻的频率偏移，fuCarrier(n)为第n个时刻的发射载波频率，fdCarrier(n)为第n个时刻的接收载波频率，fsat,nominal为卫星转发器的本振频率，C为光速，v(n)为第n个时刻的卫星运行速度。
4)基于所述载码偏差、所述卫星运行速度、所述频率偏移、所述发射载波频率和发射码频率计算所述目标地面站上行载波频率需控制调整的预偏量；所述预偏量的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000081
其中，pre_fre(n)为第n个时刻的预偏量，N为设定整数值，fuCode(n)为第n个时刻的发射码频率，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差。
5)基于所述预偏量和所述载码偏差，采用BP神经网络PID控制器确定最优发射载波频率；所述最优发射载波频率为使得所述接收载波频率与所述接收码频率的比值为设定整数值的发射载波频率；当所述目标地面站以所述最优发射载波频率发射信号时，所述目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致。具体为：
①将第n个时刻的输入量[pre_fre(n),Δf(n),e(n),1]输入BP神经网络PID控制器，pre_fre(n)为第n个时刻的预偏量，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差，e(n)为第n个时刻的误差值；所述BP神经网络PID控制器包括BP神经网络和PID控制结构，所述BP神经网络的输入包括pre_fre(n)和Δf(n)，所述PID控制结构的输入包括e(n)和所述BP神经网络输出的PID控制三参数。
②将所述PID控制结构输出的频率值作为第n个时刻的发射载波频率，并判断第n个时刻的接收载波频率与接收码频率的比值是否为设定整数值，若是，则将第n个时刻的发射载波频率确定为最优发射载波频率，若否，则依据第n-1个时刻的权重参数和第n-2个时刻的权重参数更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数后，进行第n+1个时刻的迭代。该步骤中，权重参数更新过程按照权值修正公式进行，按照第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数，所述权值修正公式为
Figure BDA0002992350820000091
其中，α1Δw(n-2)为第n-2个时刻的动量项，该权值修正公式中添加动量项的作用就是为了记忆前两个时刻连接权的变化方向，可得到较大的学习速率，以提高学习速度。当n＝1时，w(n-1)、αΔw(n-1)和α1Δw(n-2)均为零，当n＝2时，α1Δw(n-2)为零。w(n)为第n个时刻的权重参数，w(n-1)为第n-1个时刻的权重参数，Δw(n)为第n个时刻的权重变化量，α1为第n-2个时刻的惯性因子，α为第n-1个时刻的惯性因子，0＜α1＜α＜0.5，E(n)为第n个时刻的性能指标函数，
Figure BDA0002992350820000092
η为学习效率，w为权重参数，Δw(n-1)为第n-1个时刻的权重变化量，Δw(n-2)为第n-2个时刻的权重变化量。
其中，所述PID控制结构输出的频率值的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000093
其中，u(n)为PID控制结构在第n个时刻输出的频率值，Δu(n)为PID控制结构在第n个时刻输出的频率值偏差，u(n-1)为PID控制结构在第n-1个时刻输出的频率值，kp为PID控制三参数中的比例系数，ki为PID控制三参数中的积分系数，kd为PID控制三参数中的微分系数，e(n-1)为第n-1个时刻的误差值，e(n-2)为第n-2个时刻的误差值。当n＝1时，e(n-1)、e(n-2)和u(n-1)均为零；当n＝2时，e(n-2)为零。
步骤102：当所述第一地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致且所述第二地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致时，基于载波相位测量方法计算所述第一地面站和所述第二地面站之间的时差。
所述时差的计算公式为：
Figure BDA0002992350820000101
其中，ΔTAB为第一地面站和所述第二地面站之间的时差；TA为第一地面站钟面时，TB为第二地面站钟面时；C为光速；λA为第一地面站接收的下行载波波长；λB为第二地面站接收的下行载波波长；NAB为第一地面站发第二地面站收时，经过卫星转发器转发后的下行测量存在的整周模糊度；NBA为第二地面站发第一地面站收时，经过卫星转发器转发后的下行测量存在的整周模糊度；ΦAB(n)为第n个时刻信号从第一地面站天线相位中心发射，经过空间上行链路，到达卫星转发器接收天线相位中心入口，再经过卫星转发器转发后从卫星转发器发射天线相位中心发出，经过空间下行链路到达第二地面站天线相位中心的载波相位测量值(以周期为单位)；ΦBA(n)为第n个时刻信号从第二地面站天线相位中心发射，经过空间上行链路，到达卫星转发器接收天线相位中心入口，再经过卫星转发器转发后从卫星转发器发射天线相位中心发出，经过空间下行链路到达第一地面站天线相位中心的载波相位测量值(以周期为单位)；
Figure BDA0002992350820000103
为卫星双向时间频率传递的通用误差；
Figure BDA0002992350820000104
为第一地面站和第二地面站两站载波伪距的测量噪声。
在实际应用中，上述卫星双向时间频率传递方法的具体实现过程如下：
步骤1：构建单发双收的卫星双向时间频率传递系统。
步骤2：构建第一地面站A发射信号在卫星转发器出口码与载波一致性的模型，包括：
第一地面站A发射信号在卫星转发器出口具有码与载波一致性需使处于自发自收链路模式的第一地面站A的接收载波频率和接收码频率有一个整数倍(N)的关系。即
Figure BDA0002992350820000102
其中，fdCode为接收码频率；fdCarrier为接收载波频率。
通过第一地面站A接收第一地面站A信号形成自发自收的闭环链路模式，计算第n个历元(时刻)第一地面站A的接收载波频率和码频率的偏差Δf(n)，计算公式如公式(1)所示。
步骤3：通过第一地面站A自发自收闭环链路模式接收码伪距ρ实时计算卫星运行速度，计算公式如公式(2)所示。
步骤4：图3给出信号从地面站到卫星再到地面站的码与载波频率的变化。图3中，fuCode为第一地面站A的发射码频率；fuCarrier为第一地面站A的发射载波频率；f'uCode为信号到达卫星转发器入口处的码频率；f'uCarrier为信号到达卫星转发器入口处的载波频率；fsat为卫星转发器的频率；f'dCode为信号经过卫星转发器变频后，卫星转发器出口处的码频率；f'dCarrier为信号经过卫星转发器变频后，卫星转发器出口处的载波频率；fdCode为第一地面站A的接收码频率；fdCarrier为第一地面站A的接收载波频率，ρ为第一地面站A的自发自收闭环链路模式接收码伪距。
参见图3，并根据步骤3计算的卫星运行速度和接收载波频率计算出卫星转发器出口的频率偏移fsat,offset，计算公式如公式(3)所示。
步骤5：则根据步骤2、步骤3和步骤4和对传输信号的载波频率进行实时测量，可实时计算上行载波频率需控制调整的预偏量pre_fre(n)，计算公式如公式(4)所示。
步骤6：图4为地面站上行载波频率控制调整的原理图。参见图4，具体控制调整步骤如下：
步骤6-1：根据步骤5计算的上行载波频率需控制调整的预偏量pre_fre，把此预偏量输入BP神经网络PID控制器中，如图5所示。
步骤6-2：BP神经网络PID控制器的流程算法图如图6所示。
步骤6-2-1：BP神经网络PID控制器中的BP神经网络为4-5-3结构，即BP神经网络包括4个输入层、5个隐含层和3和输出层。给定BP神经网络PID控制器的网络输入层的输入量为[pre_fre(n),Δf(n),e(n),1]，选定各层权值系数初值、学习效率η和动量因子α。其中，e(n)＝u(n)-pre_fre(n)，u(n)为经过PID控制器后的输出的频率值。
BP神经网络中，输入层的输入为：
Figure BDA0002992350820000121
隐含层的节点输入为：
Figure BDA0002992350820000122
隐含层的节点输出为：
Figure BDA0002992350820000123
其中，M＝4，h＝[pre_fre(n),Δf(n),e(n),1]T,Ω＝5。
Figure BDA0002992350820000124
为隐含层加权系数；上角标(1)、(2)、(3)分别对应表示输入层、隐含层和输出层。f为隐含层的每个神经元取双正切函数(Sigmoid)作为激活函数。
步骤6-2-2：通过信号前向传播，根据步骤6-2-3可得到网络输出层的节点输入和输出为：
Figure BDA0002992350820000125
其中，
Figure BDA0002992350820000126
为输出层的权值系数；g为活化函数取非负的Sigmoid的函数。
步骤6-2-3：增加在n-2时刻的权值变化量，α1为n-2时刻的惯性因子(0＜α1＜α＜0.5)，改进后的权值修正公式如公式(5)所示。
步骤6-2-4：步骤6-2-3的权值参数每更新一次，则带入到步骤6-2-1和步骤6-2-2中的
Figure BDA0002992350820000127
和
Figure BDA0002992350820000128
不停更新其网络输入层、网络隐含层的输入输出量。则输出层输出的输出节点分别对应三个可调参数比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd也不停更新，如式(12)所示。
Figure BDA0002992350820000129
步骤6-2-4：根据步骤6-2-3得到可调的PID控制参数，得到输出的频率值，如公式(6)所示。
步骤6-2-5：把步骤6-2-4得到的u(n)作为发射频率fuCarrier。在地面站接收端判断载波频率控制精度是否满足
Figure BDA0002992350820000131
N的精度需要达到|N-374|＜2.6×10-11，如果满足则结束。说明在第一地面站A到卫星转发器出口处的发射信号的码与载波具有一致性。
步骤7：第二地面站B发射信号通过步骤2到步骤6，使第二地面站B到卫星转发器出口处的发射信号的码与载波具有一致性。
步骤8：通过步骤6和步骤7使得A、B两地面站在卫星出口处信号都具有码与载波的一致性。则第一地面站A、第二地面站B接收对方信号时可直接应用其载波相位数据，实现基于载波相位的卫星双向时间频率传递方法。第一地面站A、第二地面站B的基于载波相位测量的时差可采用公式(7)计算得到。
根据步骤1到步骤8可获得异地两站之间的钟差，以达到异地站间的时间同步，如图7所示。
本实施例的卫星双向时间频率传递方法，具有如下优点：
(1)通过地面站自发自收闭环链路模式，可对传输信号的载波频率进行实时测量，可实时计算上行载波频率需控制调整的预偏量。
(2)通过改进的BP神经网络PID控制器对载波频率的预偏量进行实时控制调整，实现地面站向卫星的载波频率控制调整。该方法实现了信号在卫星转发器出口达到码与载波相位的一致性，确保了载波相位在卫星双向时间频率传递方法中应用的有效性。
(3)可用于异地远距离两站之间或多站之间的高精度双向时间频率传递。
(4)采用该方法可以使时间同步精度提高1～2个数量级。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述传递方法用于单发双收的卫星双向时间频率传递系统；所述卫星双向时间频率传递系统包括第一地面站、第二地面站和卫星转发器；所述传递方法，包括：
采用闭环控制方法使目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致；当所述第一地面站处于自发自收闭环链路模式时，所述目标地面站为所述第一地面站；当所述第二地面站处于自发自收闭环链路模式时，所述目标地面站为所述第二地面站；所述码载一致为所述目标地面站的接收载波频率与接收码频率的比值为设定整数值；
当所述第一地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致且所述第二地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致时，基于载波相位测量方法计算所述第一地面站和所述第二地面站之间的时差；
所述采用闭环控制方法使目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致，具体包括：
根据所述目标地面站的接收载波频率和接收码频率计算载码偏差；
根据所述目标地面站的接收码伪距计算卫星运行速度；
基于所述卫星运行速度、所述接收载波频率、发射载波频率和所述卫星转发器的本振频率计算所述卫星转发器出口的频率偏移；
基于所述载码偏差、所述卫星运行速度、所述频率偏移、所述发射载波频率和发射码频率计算所述目标地面站上行载波频率需控制调整的预偏量；
基于所述预偏量和所述载码偏差，采用BP神经网络PID控制器确定最优发射载波频率；所述最优发射载波频率为使得所述接收载波频率与所述接收码频率的比值为设定整数值的发射载波频率；当所述目标地面站以所述最优发射载波频率发射信号时，所述目标地面站到所述卫星转发器的出口处的码载一致。
2.根据权利要求1所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述基于所述预偏量和所述载码偏差，采用BP神经网络PID控制器确定最优发射载波频率，具体包括：
将第n个时刻的输入量[pre_fre(n),Δf(n),e(n),1]输入BP神经网络PID控制器，pre_fre(n)为第n个时刻的预偏量，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差，e(n)为第n个时刻的误差值；所述BP神经网络PID控制器包括BP神经网络和PID控制结构，所述BP神经网络的输入包括pre_fre(n)和Δf(n)，所述PID控制结构的输入包括e(n)和所述BP神经网络输出的PID控制三参数；
将所述PID控制结构输出的频率值作为第n个时刻的发射载波频率，并判断第n个时刻的接收载波频率与接收码频率的比值是否为设定整数值，若是，则将第n个时刻的发射载波频率确定为最优发射载波频率，若否，则依据第n-1个时刻的权重参数和第n-2个时刻的权重参数更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数后，进行第n+1个时刻的迭代。
3.根据权利要求2所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述依据第n-1个时刻的权重参数和第n-2个时刻的权重参数更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数，具体包括：
按照权值修正公式更新第n个时刻所述BP神经网络PID控制器中的权重参数，所述权值修正公式为
Figure FDA0003628981520000021
其中，w(n)为第n个时刻的权重参数，w(n-1)为第n-1个时刻的权重参数，Δw(n)为第n个时刻的权重变化量，α1为第n-2个时刻的惯性因子，α为第n-1个时刻的惯性因子，0＜α1＜α＜0.5，E(n)为第n个时刻的性能指标函数，
Figure FDA0003628981520000022
η为学习效率，w为权重参数，Δw(n-1)为第n-1个时刻的权重变化量，Δw(n-2)为第n-2个时刻的权重变化量。
4.根据权利要求1所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述载码偏差的计算公式为
Δf(n)＝N*fdcode(n)-fdcarrier(n)；
其中，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差，fdcode(n)为第n个时刻的接收载波频率，fdcarrier(n)为第n个时刻的接收码频率，N为设定整数值。
5.根据权利要求1所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述卫星运行速度的计算公式为：
Figure FDA0003628981520000031
其中，v(n)为第n个时刻的卫星运行速度，ρ(n)为第n个时刻的接收码伪距，t为时间。
6.根据权利要求1所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述频率偏移的计算公式为：
Figure FDA0003628981520000032
其中，fsat,offset(n)为第n个时刻的频率偏移，fuCarrier(n)为第n个时刻的发射载波频率，fdCarrier(n)为第n个时刻的接收载波频率，fsat,nominal为卫星转发器的本振频率，C为光速，v(n)为第n个时刻的卫星运行速度。
7.根据权利要求6所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述预偏量的计算公式为：
Figure FDA0003628981520000033
其中，pre_fre(n)为第n个时刻的预偏量，N为设定整数值，fuCode(n)为第n个时刻的发射码频率，Δf(n)为第n个时刻的载码偏差。
8.根据权利要求2所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述PID控制结构输出的频率值的计算公式为：
Figure FDA0003628981520000041
其中，u(n)为PID控制结构在第n个时刻输出的频率值，Δu(n)为PID控制结构在第n个时刻输出的频率值偏差，u(n-1)为PID控制结构在第n-1个时刻输出的频率值，kp为PID控制三参数中的比例系数，ki为PID控制三参数中的积分系数，kd为PID控制三参数中的微分系数，e(n-1)为第n-1个时刻的误差值，e(n-2)为第n-2个时刻的误差值。
9.根据权利要求1所述的一种卫星双向时间频率传递方法，其特征在于，所述时差的计算公式为：
Figure FDA0003628981520000042
其中，ΔTAB为第一地面站和所述第二地面站之间的时差；TA为第一地面站钟面时，TB为第二地面站钟面时；C为光速；λA为第一地面站接收的下行载波波长；λx为第二地面站接收的下行载波波长；NBA为第一地面站发第二地面站收时，经过卫星转发器转发后的下行测量存在的整周模糊度；NBA为第二地面站发第一地面站收时，经过卫星转发器转发后的下行测量存在的整周模糊度；ΦAB(n)为第n个时刻信号从第一地面站天线相位中心发射，经过空间上行链路，到达卫星转发器接收天线相位中心入口，再经过卫星转发器转发后从卫星转发器发射天线相位中心发出，经过空间下行链路到达第二地面站天线相位中心的载波相位测量值；ΦBA(n)为第n个时刻信号从第二地面站天线相位中心发射，经过空间上行链路，到达卫星转发器接收天线相位中心入口，再经过卫星转发器转发后从卫星转发器发射天线相位中心发出，经过空间下行链路到达第一地面站天线相位中心的载波相位测量值；
Figure FDA0003628981520000051
为卫星双向时间频率传递的通用误差；
Figure FDA0003628981520000052
为第一地面站和第二地面站两站载波伪距的测量噪声。
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