CN114002939A - 一种实现透明转发卫星授时的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实现透明转发卫星授时的方法和系统，在地面获得卫星的双行数据，解算卫星的预报位置信息，获得1PPS时间信号的传播时延，将该时延和卫星预报位置发射给卫星，同时接收经卫星转发的本站发射信号，获得时频传递收发时延信息；获取接收信号码与载波相位的偏离值，对产生的时频播发信号载波进行调整，使信号在到达卫星转发载荷发射天线时，伪码与载波的相位保持一致；采用同时刻的载波相位测距信息和从解调电文获得的卫星位置信息建立观测方程，计算信号发射时间补偿参数；位置已知的用户接收卫星播发的授时信号，根据信号发射时间补偿参数获得授时结果。本发明降低了对卫星的要求，极大缩减了实现卫星授时的成本。

Description

一种实现透明转发卫星授时的方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星授时领域，尤其是一种高精度授时的技术。
背景技术
GPS、BDS、GLONASS(Global Navigation satellite system，GLONASS)及Gaileo系统是当前国际上已向全球提供导航、定位、授时服务的四大卫星导航系统。这些已 建成的卫星导航系统，在星上都放置有高性能的星载原子钟，导航信号在卫星上产生， 对卫星有很高的研制要求；同时，需要建设大量卫星跟踪站，获得卫星的精确位置， 将卫星位置编辑成星历播发给用户；导航信号由卫星直接播发给用户，用户接收不少 于4颗卫星的信号，通过解调解算实现导航、定位、授时。
2017年，中国科学院国家授时中心建成转发式卫星导航试验系统，该系统通过地球同步轨道(GEO)卫星或倾斜轨道同步(IGSO)卫星上的转发载荷对地面产生导航 信号的转发实现导航信号的播发，不需要发射专用导航卫星，卫星上不需要高性能星 载原子钟，降低了系统对卫星的要求。其实现导航、定位、授时的原理与上述卫星导 航系统类似，需要建设大量卫星跟踪站，获得卫星的精确位置，将卫星位置编辑成星 历播发给用户，用户接收不少于4颗卫星的信号，通过解调解算实现导航、定位、授 时。此外，由于卫星转发破坏了导航信号载波相位的连续及码和载波相位的一致性， 只能采用伪码观测量进行导航、定位、授时，实现米级定位和百纳秒的授时。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种实现透明转发卫星授时的方法，采用具有转发载荷的卫星，降低了对卫星的要求；基于信号转发的特点，采用卫星双行数 据提供卫星位置信息，极大缩减了实现卫星授时的成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现透明转发卫星授时的方法， 包括以下步骤：
(1)在地面获得卫星的双行数据，解算卫星的预报位置信息，结合时频微波信号收发时延信息，获得1PPS时间信号从基准源输出端口到卫星的传播时延，将该时延 和卫星预报位置以系统要求格式编制成电文；
(2)将电文信息以与时频基准同步的要求进行调制，变频、放大后发射给卫星， 同时接收经卫星转发的本站发射信号，获得时频传递收发时延信息；
(3)根据时频传递收发时延信息获取接收信号码与载波相位的偏离值，并依据该偏离值对产生的时频播发信号载波进行调整，使信号在到达卫星转发载荷发射天线时， 伪码与载波的相位保持一致；
(4)采用同时刻的载波相位测距信息和从解调电文获得的卫星位置信息建立观测方程，计算信号发射时间补偿参数；位置已知的用户接收卫星播发的授时信号，对接 收信号进行捕获、跟踪，获得测量伪距，根据信号发射时间补偿参数获得授时结果。
所述的信号发射时间补偿参数
Figure BDA0003118383270000021
ρloop为载波相位测距信息，(xg,yg,zg)时频信号收发地面站的地址，(xs,ys,zs)为从解调电文获得的卫星位置信息，τrd为地面收发时频信号的接收设备时延。
本发明还提供实现上述方法的一种实现透明转发卫星授时的系统，包括地面时频基准、时频信号收发地面站、卫星信号数据处理中心和具有透明转发载荷的卫星。
所述的卫星信号数据处理中心获得卫星的双行数据，解算卫星的预报位置信息，结合接收时频信号收发地面站提供的时频微波信号收发时延信息，获得1PPS时间信号 从基准源输出端口到卫星的传播时延，将该时延和卫星预报位置编制成电文，发送给 时频信号收发地面站；时频信号收发地面站将接收的电文信息以与时频基准严格同步 的要求进行调制，变频、放大后发射给卫星，同时接收经卫星转发的本站发射信号， 获得时频传递收发时延信息，将该信息提交给卫星信号数据处理中心；同时，时频信 号收发地面站根据获得的时频传递收发时延信息，获取接收信号码与载波相位的偏离 值，并依据该偏离值对产生的时频播发信号载波进行调整，使信号在到达卫星转发载 荷发射天线时，伪码与载波的相位保持一致；卫星信号数据处理中心采用同时刻的载 波相位测距信息和从解调电文获得的卫星位置信息建立观测方程，计算信号发射时间 补偿参数，并将发射时间补偿参数结合卫星星历信息编辑成电文，发送给时频信号收 发地面站；位置已知的用户接收卫星播发的授时信号，对接收信号进行捕获、跟踪， 获得测量伪距，根据信号发射时间补偿参数获得授时结果。
所述的地面时频基准设备包括时间频率产生设备和时间基准溯源设备；时间频率产生设备利用至少一个氢钟和至少一个铯钟组成原子钟组，以氢钟作为主钟，依据钟 组联合尺度算法计算得到一个综合原子时尺度，利用时间基准溯源设备获得的溯源比 对数据和纸面时数据计算主钟频率驾驭量，通过相位微跃计实现主钟频率驾驭，最终 产生准确稳定的标准时间频率信号。
所述的时频信号收发地面站包括时频微波信号产生与接收处理设备、发射信号功率放大设备、接收信号低噪声放大器设备以及天线；时频信号产生与接收处理设备以 地面时频基准设备提供的时频信号为参考，产生内部时频信号，并保持内部时频信号 与参考信号严格同步，以内部时频信号的工作时钟驱动，将卫星的位置信息及1PPS时 间信号从基准源输出端口到卫星的时延信息编制成播发点位，实现发播时频信号的产 生与调制；该调制信号经发射信号功率放大设备进行功率放大后，通过天线发射给卫 星，卫星对地面发射信号进行透明转发给用户；时频信号产生与接收处理设备同时接 收经卫星转发的本站发射信号，经接收信号低噪声放大器设备进行功率放大后，对接 收的信号进行捕获、跟踪、解调、测距，获得载波与伪码测距值及解调电文信息，根 据观测到的载波、伪码测距值，计算码与载波相位的偏差量，根据偏差量对产生时频 信号的载波频率与相位进行调整，实现码与载波相位的一致。
所述的时频信号收发地面站通过收发信号闭环接收获得环路测距信息；卫星信号数据处理中心根据时频信号收发地面站提供的环路测距信息及接收解算的卫星位置信息，计算信号从地面产生到卫星转发器段的发射时间补偿量，该补偿量将信号发射链 路时延、卫星星历误差，下行电离层附加延迟、下行对流层附加延迟的进行打包补偿。
本发明采用单颗或多颗具有卫星转发载荷的卫星实现星基授时功能，采用卫星的数量与时频信号收发地面站的数量相同。
本发明的有益效果是：
(1)继承了转发式卫星导航系统的优点，即不需要发射专用的导航卫星，星上不需要高性能的星载原子钟，采用具有转发载荷的通用通信卫星即可实现高精度的授时， 降低了系统的技术难度的建设成本；
(2)通过对地面产生信号进行控制，实现了载波相位测距；
(3)采用双行数据预报卫星位置，不需要建设大量的地面跟踪站，进一步降低了系统的建设费用。
(4)基于卫星转发的特点，实现了卫星播发信号时间与地面时间的严格同步，采用单颗卫星，基于载波相位观测量，实现了十纳秒级的授时服务。
综上，基于本发明提高了转发式系统的授时性能，降低了卫星授时系统的技术难度和建设成本。
附图说明
图1是透明转发卫星授时系统组成框图；
图2是地面时频基准设备组成框图；
图3是卫星信号数据处理中心数据处理流程图；
图4是时频信号收发地面站组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明公开了一种基于透明转发卫星实现授时的方法，特点在于高精度的时间频率基准放置在地面，时频发播信号在地面产生，由卫星透明转发给用户，星上不需要 高性能星载原子钟，降低了卫星的设计和实现难度；同时，系统不需要建设专用的卫 星跟踪站，极大的降低了系统建设成本和建设风险，缩短了系统的建设周期。
本发明基于透明转发卫星的星基授时系统包括一套地面时频基准、一个具有对星发射信号的时频微波信号产生与接收处理地面站(简称“时频信号收发地面站”)、一 个卫星信号数据处理中心，及一个具有透明转发载荷的卫星。
卫星信号数据处理中心通过网络获得系统采用卫星的双行数据，解算卫星的预报位置信息，结合接收时频信号收发地面站提供的时频微波信号收发时延信息，获得 1PPS时间信号从基准源输出端口到卫星的传播时延，将该时延和卫星预报位置以系统 要求格式编制成电文，发送给时频信号收发地面站；时频信号收发地面站以地面时频 基准设备提供的时频信号为参考，产生内部所需的各类时频信号，将接收的电文信息 以与时频基准严格同步的要求进行调制，变频、放大后发射给卫星，同时接收经卫星 转发的本站发射信号，获得时频传递收发时延信息，将该信息提交给卫星信号数据处 理中心。同时，时频信号收发地面站根据获得的时频传递收发时延信息，获取接收信 号码与载波相位的偏离值，并依据该偏离值对产生的时频播发信号载波进行调整，使 信号在到达卫星转发载荷发射天线时，伪码与载波的相位保持一致。
本发明采用单颗具有卫星转发载荷的卫星即可实现高精度星基授时功能，其应用可扩展至多颗卫星；采用卫星的数量与时频信号收发地面站的数量对应。
本发明所述的地面时频基准设备包括时间频率产生设备、时间基准溯源与保持设备；时间频率产生设备利用多台原子钟(至少需要一个氢钟、一个铯钟，如果条件允 许，有更高性能的钟更好，对于钟组数量无上限)组成原子钟组。以氢原子钟作为主 钟，依据钟组联合尺度算法计算得到一个综合原子时尺度，利用时间基准溯源设备获 得的溯源比对数据和纸面时数据计算主钟频率驾驭量，通过相位微跃计实现主钟频率 驾驭，最终产生准确稳定的标准时间频率信号。
本发明所述的时频信号收发地面站，包括时频微波信号产生与接收处理设备，发射信号功率放大设备、接收信号低噪声放大器设备、天线及伺服跟踪设备。时频信号 产生与接收处理设备以权利要求1所述的地面时频基准设备提供的时频信号为参考，产 生内部所需的各类时频信号，并保持内部时频信号与参考信号严格同步。以内部时频 信号的工作时钟驱动，将卫星的位置信息及1PPS时间信号从基准源输出端口到卫星的 时延信息编制成播发点位，实现发播时频信号的产生与调制；该调制信号经发射信号 功率放大设备进行功率放大后，通过天线发射给卫星，卫星对地面发射信号进行透明 转发给用户；时频信号产生与接收处理设备同时接收经卫星转发的本站发射信号，对 接收的信号进行捕获、跟踪、解调、测距，获得载波与伪码测距值及解调电文信息， 根据观测到的载波、伪码测距值，计算码与载波相位的偏差量，根据偏差量对产生时 频信号的载波频率与相位进行调整，实现码与载波相位的一致。
本发明所述的时频信号收发地面站，具有对地面产生时频微波信号的载波进行调整的功能，基于该调整，保证在卫星转发载荷发射天线处，伪码与载波的相位保持一 致。
本发明所述的卫星信号数据处理中心，主要完成采集卫星双行数据，获得卫星运行位置的解算与预报信息。
本发明所述的时频信号收发地面站，通过收发信号闭环接收，获得环路测距信息；卫星信号数据处理中心根据时频信号收发地面站提供的环路测距信息及接收解算的卫 星位置信息，计算信号从地面产生到卫星转发器段的发射时间补偿量，该补偿量将信 号发射链路时延、卫星星历误差，下行电离层附加延迟、下行对流层附加延迟的进行 打包补偿，具有很强的差分补偿作用。
本发明所述的卫星是具有透明转发载荷的卫星，可以接收地面发射的时频传递微波信号，对其进行频率变换后，透明转发给用户。
本发明所采用卫星的轨道类型不受限制，不同轨道类型的卫星决定了授时信号的覆盖区域和提供服务的连续性。采用GEO/SIGSO卫星，具有覆盖范围广，服务信号连 续的特点；采用IGSO/MEO/LEO卫星，存在服务信号不连续的特点。
如图1所示，本发明实施例的基于透明转发卫星的星基授时系统包括：1套地面 时频基准设备，用于产生、保持本地的时间频率信号，并将该信号溯源至UTC(NTSC)； 1套具有对星发射信号的时频信号收发地面站，用于产生时间频率微波发射信号，并 接收经卫星转发的本地发射信号，对其进行接收处理，获得测距信息；1个卫星信号 数据处理中心，及1个具有透明转发载荷的卫星。在具体实施过程中，以国家授时中 心(NTSC)在西安建设的转发式卫星导航试验系统为测试平台，试验和验证本发明提 出方法的可行性和有效性。具体实施步骤如下：
步骤1：时频信号收发地面站设备时延的精确测量
可采用矢网、示波器等仪器对时频信号收发地面站设备时延进行分段测量，或基于卫星转发系统地面站对导航信号可自发自收的工作特点，采用地面伪卫星对地面站 发射的时频微波信号进行转发，通过对已知路径时延进行计算的方法对时频信号收发 地面站设备时延进行测量，详细测量方法这里不再赘述。通过该步骤可获得时频信号 收发地面站的发射和接收设备时延τtd、τrd。
步骤2：如图2所示，地面时频基准设备主要包括原子钟组，时间溯源设备，钟 组、溯源数据处理与控制设备；钟组、溯源数据处理与控制设备采用溯源比对数据计 算主钟频率驾驭量，驾驭本地钟组中主钟信号，生成本地物理时间频率基准信号，配 送给时频信号收发地面站与卫星信号数据处理中心；
步骤3：图3中，卫星信号数据处理中心获取卫星的双行数据，将其归算到与本 地系统时间对应的卫星星历位置，以电文要求格式进行编辑；此时电文中包含的虚拟 钟信息还未获得，以0补充，卫星星历结合虚拟钟信息编辑成电文发送给时频信号收 发地面站；
步骤4：如图4所示，时频信号收发地面站时频微波信号产生与接收处理设备接 收卫星信号数据处理中心提供的电文信息，对信息进行调制，以地面时频基准设备提 供的时频信号为参考，产生信息调制、信号发射、内部时序控制所需的时频信号，并 保持内部时频信号与时频参考信号严格同步；并将调制信号进行变频、放大后，通过 天线发射给卫星；
步骤5：时频信号收发地面站天线接收经卫星转发的本站发射的时频微波信号，时频微波信号产生与接收处理设备对其捕获、跟踪、解调后，将伪码、载波相位测距 信息及解调信息发送给卫星信号数据处理中心；
步骤6：时频信号收发地面站采用同时刻观测到的伪码和载波相位观测量，结合201410488206.3和2016105490730两项专利中描述的方法，对地面产生的时间频率传 递微波信号进行控制，使该信号到达卫星转发器出口时，信号中包含的码和载波的相 位保持一致，使用户可直接利用载波相位观测量实现测距；
步骤7：卫星信号数据处理中心采用时频信号收发地面站提供的同时刻的载波相位测距信息ρloop，及从解调电文获得的卫星位置信息(xs,ys,zs)，建立观测方程，计算 信号发射时间补偿参数τtr：
Figure BDA0003118383270000071
其中，τrd为时频信号收发地面站接收设备时延。
步骤8：卫星信号数据处理中心将发射时间补偿参数结合卫星星历信息编辑成电文，发送给时频信号收发地面站；
步骤9：位置已知的用户接收该卫星播发的授时信号，对接收信号进行捕获、跟踪，获得测量伪距ρ0，采用通用导航系统授时的原理获得授时结果。
Figure BDA0003118383270000072
其中，ρu是用户伪距观测值；(xu，yu，zu)是用户位置坐标；c是光速；τud为用户 接收设备时延；tu是用户时间与系统时间的钟差，用户本地时间基于该钟差进行调整 后产生用户校准时间，即用户授时结果。

Claims (7)

1.一种实现透明转发卫星授时的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在地面获得卫星的双行数据，解算卫星的预报位置信息，结合时频微波信号收发时延信息，获得1PPS时间信号从基准源输出端口到卫星的传播时延，将该时延和卫星预报位置以系统要求格式编制成电文；
(2)将电文信息以与时频基准同步的要求进行调制，变频、放大后发射给卫星，同时接收经卫星转发的本站发射信号，获得时频传递收发时延信息；
(3)根据时频传递收发时延信息获取接收信号码与载波相位的偏离值，并依据该偏离值对产生的时频播发信号载波进行调整，使信号在到达卫星转发载荷发射天线时，伪码与载波的相位保持一致；
(4)采用同时刻的载波相位测距信息和从解调电文获得的卫星位置信息建立观测方程，计算信号发射时间补偿参数；位置已知的用户接收卫星播发的授时信号，对接收信号进行捕获、跟踪，获得测量伪距，根据信号发射时间补偿参数获得授时结果。
2.根据权利要求1所述的实现透明转发卫星授时的方法，其特征在于，所述的信号发射时间补偿参数
Figure FDA0003118383260000011
ρloop为载波相位测距信息，(xg,yg,zg)时频信号收发地面站的地址，(xs,ys,zs)为从解调电文获得的卫星位置信息，τrd为地面收发时频信号的接收设备时延。
3.一种根据权利要求1所述方法的实现透明转发卫星授时的系统，包括地面时频基准、时频信号收发地面站、卫星信号数据处理中心和具有透明转发载荷的卫星，其特征在于，所述的卫星信号数据处理中心获得卫星的双行数据，解算卫星的预报位置信息，结合接收时频信号收发地面站提供的时频微波信号收发时延信息，获得1PPS时间信号从基准源输出端口到卫星的传播时延，将该时延和卫星预报位置编制成电文，发送给时频信号收发地面站；时频信号收发地面站将接收的电文信息以与时频基准严格同步的要求进行调制，变频、放大后发射给卫星，同时接收经卫星转发的本站发射信号，获得时频传递收发时延信息，将该信息提交给卫星信号数据处理中心；同时，时频信号收发地面站根据获得的时频传递收发时延信息，获取接收信号码与载波相位的偏离值，并依据该偏离值对产生的时频播发信号载波进行调整，使信号在到达卫星转发载荷发射天线时，伪码与载波的相位保持一致；卫星信号数据处理中心采用同时刻的载波相位测距信息和从解调电文获得的卫星位置信息建立观测方程，计算信号发射时间补偿参数，并将发射时间补偿参数结合卫星星历信息编辑成电文，发送给时频信号收发地面站；位置已知的用户接收卫星播发的授时信号，对接收信号进行捕获、跟踪，获得测量伪距，根据信号发射时间补偿参数获得授时结果。
4.根据权利要求3所述的实现透明转发卫星授时的系统，其特征在于，所述的地面时频基准设备包括时间频率产生设备和时间基准溯源设备；时间频率产生设备利用至少一个氢钟和至少一个铯钟组成原子钟组，以氢钟作为主钟，依据钟组联合尺度算法计算得到一个综合原子时尺度，利用时间基准溯源设备获得的溯源比对数据和纸面时数据计算主钟频率驾驭量，通过相位微跃计实现主钟频率驾驭，最终产生准确稳定的标准时间频率信号。
5.根据权利要求3所述的实现透明转发卫星授时的系统，其特征在于，所述的时频信号收发地面站包括时频微波信号产生与接收处理设备、发射信号功率放大设备、接收信号低噪声放大器设备以及天线；时频信号产生与接收处理设备以地面时频基准设备提供的时频信号为参考，产生内部时频信号，并保持内部时频信号与参考信号严格同步，以内部时频信号的工作时钟驱动，将卫星的位置信息及1PPS时间信号从基准源输出端口到卫星的时延信息编制成播发点位，实现发播时频信号的产生与调制；该调制信号经发射信号功率放大设备进行功率放大后，通过天线发射给卫星，卫星对地面发射信号进行透明转发给用户；时频信号产生与接收处理设备同时接收经卫星转发的本站发射信号，经接收信号低噪声放大器设备进行功率放大后，对接收的信号进行捕获、跟踪、解调、测距，获得载波与伪码测距值及解调电文信息，根据观测到的载波、伪码测距值，计算码与载波相位的偏差量，根据偏差量对产生时频信号的载波频率与相位进行调整，实现码与载波相位的一致。
6.根据权利要求3所述的实现透明转发卫星授时的系统，其特征在于，所述的时频信号收发地面站通过收发信号闭环接收获得环路测距信息；卫星信号数据处理中心根据时频信号收发地面站提供的环路测距信息及接收解算的卫星位置信息，计算信号从地面产生到卫星转发器段的发射时间补偿量，该补偿量将信号发射链路时延、卫星星历误差，下行电离层附加延迟、下行对流层附加延迟的进行打包补偿。
7.根据权利要求3所述的实现透明转发卫星授时的系统，其特征在于，采用单颗或多颗具有卫星转发载荷的卫星实现星基授时功能，采用卫星的数量与时频信号收发地面站的数量相同。
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