CN114966766A - 导航星座时间基准的构建方法、装置和系统 - Google Patents

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CN114966766A CN202210554489.1A CN202210554489A CN114966766A CN 114966766 A CN114966766 A CN 114966766A CN 202210554489 A CN202210554489 A CN 202210554489A CN 114966766 A CN114966766 A CN 114966766A
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Abstract

本发明提供了一种导航星座时间基准的构建方法和系统，该方法包括：选择参考星和参考钟；通过星间链路获取每台目标原子钟和参考钟之间的相对钟差；在参考星采用第一优化算法获得每台目标原子钟的最优采样间隔，计算每台目标原子钟的最优权重，使得星座综合纸面时具有最优的稳定度；采用时间尺度算法计算每台目标原子钟相对于星座综合纸面时的驾驭参考钟差；在每颗目标卫星构建钟差控制系统用于根据驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，受驯晶振钟差是目标卫星的超稳晶振的驯服物理信号输出和目标原子钟的相对钟差数据；采用第二优化算法对钟差控制系统的噪声方差参数对进行优化，使得星座综合纸面时和超稳晶振的频率稳定度最优。

Description

导航星座时间基准的构建方法、装置和系统
技术领域
本发明主要涉及卫星导航领域，尤其涉及一种导航星座时间基准的构建方法、装置、系统和计算机可读介质。
背景技术
导航的基本原理是对时间和距离的测量，因而导航卫星高精度的自主守时是实现自主导航的前提。目前导航系统时间系统的建立和维持是依靠地面监测站对导航卫星持续监测并通过接收机对导航卫星数据进行采集，各监测站获取数据处理后统一发送给主控站，主控站解算出星载原子钟与地面站钟差，并根据原子钟差模型参数进行拟合，并上注到卫星。卫星将钟差数据包含在导航电文中，用于地面用户定位解算。
传统的导航系统的时间系统的建立与维持过度依赖地面站，这种模式给地面站运控带来很大的压力，并且系统鲁棒性不强。
发明内容
本申请要解决的技术问题是提供一种优化地、具有高稳定度和自适应能力提升的导航星座时间基准的构建方法、装置、系统和计算机可读介质。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种导航星座时间基准的构建方法，所述导航星座包括多颗卫星，每颗所述卫星上包括一个超稳晶振和至少一台原子钟，其特征在于，包括：选择一颗卫星作为参考星，选择所述卫星的一台原子钟作为参考钟，将其他卫星中的至少一个作为目标卫星，选择所述目标卫星上的一台原子钟作为所述目标卫星的目标原子钟；通过星间链路获取每台所述目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差；在所述参考星采用第一优化算法对每台所述目标原子钟的采样间隔进行优化，获得每台所述目标原子钟的最优采样间隔，根据所述最优采样间隔计算每台所述目标原子钟的最优权重，使得采用时间尺度算法根据多颗所述目标原子钟的钟差数据计算的星座综合纸面时具有最优的稳定度；采用所述时间尺度算法计算每台所述目标原子钟相对于所述星座综合纸面时的驾驭参考钟差，其中，在所述时间尺度算法中采用所述最优权重；在每颗所述目标卫星构建钟差控制系统，所述钟差控制系统用于根据所述驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，所述受驯晶振钟差是所述目标卫星的超稳晶振的驯服物理信号输出和所述目标原子钟的相对钟差数据；以及采用第二优化算法对所述钟差控制系统的噪声方差参数对进行优化，获得已寻优的钟差控制系统，所述已寻优的钟差控制系统具有最优噪声方差参数对，使得所述星座综合纸面时和所述超稳晶振的频率稳定度最优。
在本申请的一实施例中，通过星间链路获取每台所述目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差的步骤包括：
步骤S21：采用下面的公式计算所述目标卫星和所述参考星之间的伪距值：
Figure BDA0003654348130000021
其中，ρAB(t0)和ρBA(t0)表示在t0时刻参考星A和目标卫星B接收到彼此的伪距观测值，
Figure BDA0003654348130000022
和
Figure BDA0003654348130000023
表示A星和B星的三维位置矢量，clkA和clkB分别表示A星和B星的钟差，c为光速，Δt为光行时，
Figure BDA0003654348130000024
和
Figure BDA0003654348130000025
为A星和B星的发射时延，
Figure BDA0003654348130000026
和
Figure BDA0003654348130000027
为A星和B星的接收时延,
Figure BDA0003654348130000028
和
Figure BDA0003654348130000029
分别表示两颗卫星单向观测可精确建模的误差改正项，包括天线相位中心修正和相对论周期性效应修正；
步骤S22：采用下面的公式根据所述伪距值计算所述相对钟差CLKBA：
Figure BDA00036543481300000210
如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，采用所述时间尺度算法计算每台所述目标原子钟相对于所述星座综合纸面时的驾驭参考钟差的步骤包括：
步骤S31：采用下面的公式计算所述星座综合纸面时：
Figure BDA0003654348130000031
其中，t表示采样时刻，EAL(t)表示所述星座综合纸面时，ωi(t)表示第i台目标原子钟的权重，hi(t)表示第i台目标原子钟的钟面读数，
Figure BDA0003654348130000032
表示第i台目标原子钟的钟面读数的时间改正量，n表示所述多台目标原子钟的总数；
步骤S32：采用下面的公式计算所述驾驭参考钟差xej(t)：
Figure BDA0003654348130000033
其中，ωi(t)表示第i台目标原子钟的权重，xi1(t)表示第i台目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差数据，xie(t)表示第i台目标原子钟和所述星座综合纸面时之间的相对钟差数据，
Figure BDA0003654348130000034
表示xie(t)的微分的估计值；
其中，采用每台所述目标原子钟的Allan偏差计算所述权重。
在本申请的一实施例中，采用下面的公式计算第i台目标原子钟的权重：
Figure BDA0003654348130000035
其中，σi(τ)表示所述采样间隔为τ时的Allan偏差。
在本申请的一实施例中，所述第一优化算法是遗传算法。
在本申请的一实施例中，所述第一优化算法根据第一代价函数寻找所述优化采样间隔，使得所述星座综合纸面时的频率稳定度最小，其中，采用下面的公式表示所述第一代价函数：
Figure BDA0003654348130000036
其中，f表示所述第一代价函数，τ表示所述采样间隔，σEAL(τ)表示采用Allan偏差代表的所述星座综合纸面时的频率稳定度。
在本申请的一实施例中，所述第一优化算法根据第一代价函数寻找所述优化采样间隔，使得所述星座综合纸面时的频率稳定度最小，其中，采用下面的公式表示所述第一代价函数：
Figure BDA0003654348130000041
其中，f表示所述第一代价函数，τ表示所述采样间隔，window表示滑动窗口，σEAL(τ)表示采用Allan偏差代表的所述星座综合纸面时的频率稳定度。
在本申请的一实施例中，所述钟差控制系统包括与卡尔曼滤波和延迟器等价的数字锁相环。
在本申请的一实施例中，所述数字锁相环是三阶数字锁相环，分别采用下面的公式表示所述三阶数字锁相环的开环系统传递函数G(z)、闭环系统传递函数H(z)和闭环误差传递函数He(z)：
Figure BDA0003654348130000042
Figure BDA0003654348130000043
Figure BDA0003654348130000044
其中，Ks11表示两状态稳态卡尔曼增益之一。
在本申请的一实施例中，还包括：
步骤S101：针对所述三阶数字锁相环的卡尔曼滤波特性采用下面的公式建立关于相位差、频差和频漂的三维状态空间模型：
Figure BDA0003654348130000045
其中，Xk+1＝A·Xk+Jk为状态方程，Xk＝[xk yk dk]T，xk、yk和dk为表征频标相位、频率和频率变化率的三个状态变量，Jk＝[0 0 uk]T，uk为过程噪声；Zk＝H·Xk+wk为测量方程，Zk为测量值，wk为测量噪声；
其中，采用下面的公式计算所述过程噪声uk的方差：
Figure BDA0003654348130000046
其中，uk～N(0,Q33)；
采用下面的公式计算所述测量噪声wk的方差：
Figure BDA0003654348130000051
其中，wk～N(0,R)，所述钟差控制系统的噪声方差参数对包括R和Q33；
步骤S102：建立所述噪声方差参数对和两状态稳态卡尔曼增益Ks之间的近似关系如下：
Figure BDA0003654348130000052
Figure BDA0003654348130000053
Figure BDA0003654348130000054
其中，T表示采样时刻间隔。
在本申请的一实施例中，所述第二优化算法是遗传算法，通过调整所述噪声方差参数对使所述星座综合纸面时和所述超稳晶振的频率稳定度最优。
在本申请的一实施例中，所述第二优化算法根据第二代价函数寻找所述最优噪声方差参数对，其中，采用下面的公式表示所述第二代价函数：
Figure BDA0003654348130000055
其中，f(L(f))是由所述驾驭参考钟差和待驾驭的所述超稳晶振的单边带相位噪声谱密度曲线交点频率值表示的固定参考值，f(H)是由闭环系统传递函数H(z)和闭环误差传递函数He(z)的幅频响应曲线交点频率值表示的动态调试值，||表示求取偏差的绝对值，
Figure BDA0003654348130000056
表示在给定的[fdown,fup]代价函数频率边界区间内以预设的代价函数最小分辨率a进行因变量偏差最小绝对值对应的自变量值获取操作，TA表示所述驾驭参考钟差，USO表示所述超稳晶振。
在本申请的一实施例中，还包括：采用所述已寻优的钟差控制系统计算所述最优时频驾驭量如下：
Figure BDA0003654348130000057
其中，
Figure BDA0003654348130000058
表示每个采样时刻i对时间的最优驾驭量，
Figure BDA0003654348130000061
表示每个采样时刻i对频率的最优驾驭量，Err表示鉴相误差，USO(i)表示采样时刻i时的超稳晶振频标，USOsteered(i+1)表示经过驾驭后的采样时刻i+1时的超稳晶振频标。
本申请为解决上述技术问题还提出一种导航星座时间基准的构建装置，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行所述指令以实现如上所述的方法。
本申请为解决上述技术问题还提出一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现如上所述的方法。
本申请为解决上述技术问题还提出一种导航星座时间基准的构建系统，其特征在于，包括：至少一个单星平台、至少一个参考星平台和星座原子钟组，其中，每个所述单星平台对应于一颗目标卫星，所述目标卫星具有目标原子钟，所述单星平台包括物理信号驾驭模块和超稳晶振，所述参考星平台对应于一颗参考星，所述参考星具有参考钟，所述参考星平台包括星间链路测量模块和星座综合纸面时计算模块，所述星座原子钟组包括所述参考钟和每颗所述目标卫星的目标原子钟；所述星间链路测量模块用于从每颗所述目标卫星接收每台所述目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差；所述星座综合纸面时计算模块用于采用时间尺度算法根据多个所述目标原子钟的相对钟差计算星座综合纸面时和每台所述目标原子钟相对于所述星座综合纸面时的驾驭参考钟差，其中，每台所述目标原子钟具有对应的最优采样间隔和最优权重，根据所述最优权重使所述星座综合纸面时具有最优的稳定度；所述物理信号驾驭模块包括已寻优的钟差控制系统，所述已寻优的钟差控制系统用于根据所述驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，所述已寻优的钟差控制系统具有最优的噪声方差参数对，使得所述星座综合纸面时和所述超稳晶振的频率稳定度最优；所述超稳晶振用于根据所述最优时频驾驭量生成驯服物理信号输出，所述驯服物理信号输出用于和所述参考钟的参考时钟序列生成所述受驯晶振钟差。
在本申请的一实施例中，还包括星间链路传递模块，用于将所述驾驭参考钟差从所述参考星平台传递至每个所述单星平台。
在本申请的一实施例中，所述单星平台还包括数字相位测量模块，用于获取所述超稳晶振的频标和所述目标原子钟之间的受驯晶振钟差。
本申请的导航星座时间基准的构建方法和系统在导航星座中将每颗卫星上的原子钟组合为虚拟的星座原子钟组，采用第一优化算法获得目标原子钟的最优权重，使得根据改进的时间尺度算法获得驾驭参考钟差时，星座综合纸面时具有最优的稳定度；同时采用第二优化算法对单星平台上的钟差控制系统的噪声方差参数对进行优化，实现了高精度自适应迭代寻优，高效地生成最优时频驾驭量并实现时频信号的物理输出。本申请的构建方法和构建系统在导航卫星整网应用场景下，具有更好的时频基准自主可用性、自适应性和整体最佳的频率稳定性。
附图说明
包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1是本申请一实施例的导航星座时间基准的构建方法的示例性流程图；
图2是本申请一实施例的导航星座时间基准的构建系统的框图；
图3是本申请一实施例的构建方法中的时间尺度算法的示例性流程图；
图4是本申请一实施例的构建方法中的遗传算法的示例性流程图；
图5是本申请一实施例的构建系统中的钟差控制系统执行物理信号时频驾驭的示例性流程图；
图6是本发明一实施例的导航星座时间基准的构建装置的系统框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
本申请的导航星座时间基准的构建方法和构建系统适用于包括多颗卫星的导航星座，每颗卫星上包括一个超稳晶振和至少一台原子钟。在一些实施例中，每颗卫星上包括4台原子钟，其中一台处于热开状态，另外3台原子钟中包括一台热备份钟和2台冷备份钟。本申请对导航星座中卫星的数量不做限制，本申请以包括24颗卫星的导航星座为例进行说明。
图1是本申请一实施例的导航星座时间基准的构建方法的示例性流程图。参考图1所示，该构建方法包括以下步骤：
步骤S110：选择一颗卫星作为参考星，选择卫星的一台原子钟作为参考钟，将其他卫星中的至少一个作为目标卫星，选择目标卫星上的一台原子钟作为目标卫星的目标原子钟；
步骤S120：通过星间链路获取每台目标原子钟和参考钟之间的相对钟差；
步骤S130：在参考星采用第一优化算法对每台目标原子钟的采样间隔进行优化，获得每台目标原子钟的最优采样间隔，根据最优采样间隔计算每台目标原子钟的最优权重，使得采用时间尺度算法根据多颗目标原子钟的钟差数据计算的星座综合纸面时具有最优的稳定度；
步骤S140：采用所述时间尺度算法计算每台目标原子钟相对于星座综合纸面时的驾驭参考钟差，其中，在时间尺度算法中采用最优权重；
步骤S150：在每颗目标卫星构建钟差控制系统，钟差控制系统用于根据驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，受驯晶振钟差是目标卫星的超稳晶振的驯服物理信号输出和目标原子钟的相对钟差数据；以及
步骤S160：采用第二优化算法对钟差控制系统的噪声方差参数对进行优化，获得已寻优的钟差控制系统，已寻优的钟差控制系统具有最优噪声方差参数对，使得星座综合纸面时和超稳晶振的频率稳定度最优。
本申请还公开了一种导航星座时间基准的构建系统。该构建系统可以用于实现本申请的构建方法，因此，关于构建方法的附图和说明内容都可以用于说明该构建系统。图2是本申请一实施例的导航星座时间基准的构建系统的框图。参考图2所示，该构建系统200包括：至少一个单星平台210、至少一个参考星平台220和星座原子钟组230，其中，每个单星平台210对应于一颗目标卫星，目标卫星具有目标原子钟，单星平台220包括物理信号驾驭模块和超稳晶振214，参考星平台220对应于一颗参考星，参考星具有参考钟，参考星平台220包括星间链路测量模块221和星座综合纸面时计算模块222，星座原子钟组230包括参考钟和每颗目标卫星的目标原子钟；星间链路测量模块221用于从每颗目标卫星接收每台目标原子钟和参考钟之间的相对钟差；星座综合纸面时计算模块222用于采用时间尺度算法根据多个目标原子钟的相对钟差计算星座综合纸面时和每台目标原子钟相对于星座综合纸面时的驾驭参考钟差，其中，每台目标原子钟具有对应的最优采样间隔和最优权重，根据最优权重使星座综合纸面时具有最优的稳定度；物理信号驾驭模块包括已寻优的钟差控制系统211，已寻优的钟差控制系统211用于根据驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，已寻优的钟差控制系统211具有最优的噪声方差参数对，使得星座综合纸面时和超稳晶振的频率稳定度最优；超稳晶振214用于根据最优时频驾驭量生成驯服物理信号输出，驯服物理信号输出用于和参考钟的参考时钟序列生成受驯晶振钟差。
如图2所示，单星平台220中包括23个单星平台，分别是单星平台1、…、单星平台23。每个单星平台23对应于一颗目标卫星。可以在目标卫星的星载计算机系统中构建单星平台。本说明书以单星平台1为例进行说明，其他的单星平台的结构和功能都和单星平台1相似。在单星平台1中，物理信号驾驭模块包括钟差控制系统211、第二优化算法模块212和最优时频驾驭量输出模块213。具体地将在后文结合构建方法进行说明。
如图2所示，星座原子钟组230是一个虚拟单元，其中包括参考星上的参考钟ASF1的时间数据，以及每颗目标卫星上的目标原子钟ASF2、…、ASF23的时间数据。
如图2所示，参考星平台220可以是设置在参考星的星载计算机系统中。在一些实施例中，该构建系统200还包括星间链路传递模块240，用于将驾驭参考钟差从参考星平台220传递至每个单星平台210。
以下结合附图对本申请的构建系统和构建方法进行说明。
在步骤S110中，可以在该导航星座的多颗卫星中，选取一台稳定性最好的原子钟作为该参考钟，包括该参考钟的卫星作为参考星，在该参考星上搭建图2中所示的参考星平台220。
在一些实施例中，步骤S110包括以下步骤：
步骤S111：获得导航星座中的多颗卫星的原子钟的历史钟差数据；
步骤S112：采用下面的公式计算每台原子钟的频率稳定度
Figure BDA0003654348130000111
Figure BDA0003654348130000112
其中，
Figure BDA0003654348130000113
表示采用Allan方差代表的频率稳定度，τ表示采样间隔，xi代表该原子钟的第i个历史钟差数据，N表示历史钟差数据的总数；
步骤S113：将频率稳定度最小的原子钟作为参考钟，将包括该参考钟的卫星作为参考星。
在步骤S21中，星载计算机的存储器中通常会存储有每台原子钟的历史钟差数据，可以从该存储器中调用原子钟的历史钟差数据。
通过步骤S22的方法对每个原子钟的状态进行评估，主要是评估其频率稳定度。在该实施例中采用Allan方差作为原子钟的频率稳定度，并不用于限制频率稳定度的具体计算方法。在其他的实施例中，还可以采用其他的参量作为原子钟的频率稳定度，例如Allan偏差。
结合图2，在该实施例中，选择ASF1作为参考钟，包括ASF1的卫星作为参考星。同时，导航星座中除了参考星之外的其他卫星都可以作为目标卫星。在本说明书的实施例中，将一个导航星座中除了参考星之外的全部其他卫星都作为目标卫星。在其他的实施例中，可以从其他卫星中选取一些作为目标卫星。
在步骤S120中，星间链路用于导航卫星中各个卫星之间的通信。结合图2，可以由参考星平台220上的星间链路测量模块221从每颗目标卫星接收每台目标原子钟和参考钟之间的相对钟差。
在一些实施例中，步骤S120包括以下步骤：
步骤S21：采用下面的公式计算目标卫星和参考星之间的伪距值：
Figure BDA0003654348130000121
其中，ρAB(t0)和ρBA(t0)表示在t0时刻参考星A和目标卫星B接收到彼此的伪距观测值，
Figure BDA0003654348130000122
和
Figure BDA0003654348130000123
表示A星和B星的三维位置矢量，clkA和clkB分别表示A星和B星的钟差，c为光速，Δt为光行时，
Figure BDA0003654348130000124
和
Figure BDA0003654348130000125
为A星和B星的发射时延，
Figure BDA0003654348130000126
和
Figure BDA0003654348130000127
为A星和B星的接收时延,
Figure BDA0003654348130000128
和
Figure BDA0003654348130000129
分别表示两颗卫星单向观测可精确建模的误差改正项，包括天线相位中心修正和相对论周期性效应修正；
步骤S22：采用下面的公式根据伪距值计算所述相对钟差CLKBA：
Figure BDA00036543481300001210
步骤S21和S22可以由星间链路测量模块221来实施。
在步骤S130中，在参考星采用第一优化算法获得每台原子钟的最优采样间隔和最优权重。该最优采样间隔为公式(1)的采样间隔τ的优化值。该最优权重指时间尺度算法中所用到的权重的优化值。
时间尺度算法是采用一个原子钟组内的多台物理钟的钟差序列计算获取一个虚拟钟差序列，将该虚拟钟差序列称为综合原子时。综合原子时的稳定度优于原子钟组内的任何一个物理钟的稳定度。在步骤S130中，从多颗目标卫星的多个原子钟获得的钟差序列，经过时间尺度算法的计算之后所获得的虚拟钟差序列被称为星座综合纸面时。
结合图2，星座综合纸面时计算模块222中包括时间尺度算法模块223和第一优化算法模块224。其中，第一优化算法模块224用于执行步骤S130中的第一优化算法，对时间尺度算法模块223中所要使用的时间尺度算法进行优化。
本申请对步骤S130和S140中所涉及的时间尺度算法不做限制。
时间尺度算法包括Algos算法、Kalman算法、AT1算法、KPW算法等。这些时间尺度算法都是根据基本时间尺度方程BTSE(Basic Time Scale Equations)发展而来。
在一些实施例中，步骤S130中采用时间尺度算法计算每台原子钟相对于纸面时的驾驭参考钟差的步骤包括：
步骤S31：采用下面的公式计算纸面时：
Figure BDA0003654348130000131
其中，EAL(t)表示纸面时，t表示采样时刻，ωi(t)表示第i台原子钟的权重，hi(t)表示第i台原子钟的钟面读数，
Figure BDA0003654348130000132
表示第i台原子钟的钟面读数的时间改正量，n表示原子钟组中的原子钟总数。
公式(4)是一种时间尺度方程。根据公式(4)，可以获得第i台原子钟相对于纸面时的钟差数据表达式如下：
xi(t)＝EAL(t)-hi(t) (5)
以及原子钟的相对钟差表达式：
xij(t)＝xi(t)-xj(t) (6)
步骤S32：采用下面的公式计算驾驭参考钟差：
Figure BDA0003654348130000133
其中，ωi(t)表示第i台目标原子钟的权重，xi1(t)表示第i台目标原子钟和参考钟之间的相对钟差数据，xie(t)表示第i台目标原子钟和星座综合纸面时之间的相对钟差数据，
Figure BDA0003654348130000134
表示xie(t)的微分的估计值。
在一些实施例中，该构建系统200的单星平台210中还包括数字相位测量模块215。参考图2所示，每个目标原子钟的时频数据输入至相对应的单星平台的数字相位测量模块215中，数字相位测量模块215根据目标原子钟的数据和超稳晶振的频标计算受驯晶振钟差。
在公式(7)中，采用每台目标原子钟的Allan偏差计算权重ωi(t)，每台目标原子钟包括例如图2中所示的除参考钟ASF1之外的其他原子钟。
在一些实施例中，采用下面的公式计算第i台目标原子钟的权重：
Figure BDA0003654348130000135
其中，σi(τ)表示采样间隔为τ时的Allan偏差。
一些传统的技术方案是根据经验值来选取采样间隔τ，根据这样的方案，对经验的依赖性过强，精度和稳定性都不高，不利于导航卫星时频基准的自动化调整。
本申请在步骤S130中采用第一优化算法来确定最优采样间隔τ，并进一步地根据该最优采样间隔τ确定最优权重ωi，例如利用公式(8)计算最优权重ωi，可以克服传统技术方案的问题。
具体地，在一些实施例中，第一优化算法是遗传算法。遗传算法(GA)作为一种全局启发式优化搜索算法，其核心思想是模仿生物遗传学和自然选择机理进行逐次、并行的迭代来高效解决函数优化等问题，算法本身具有内在并行性、全局优化性和稳健性等特点。
在一些实施例中，采样遗传算法的该第一优化算法根据第一代价函数寻找优化采样间隔，使得星座综合纸面时的频率稳定度最小，其中，采用下面的公式表示第一代价函数：
Figure BDA0003654348130000141
其中，f表示第一代价函数，τ表示采样间隔，σEAL(τ)表示采用Allan偏差代表的星座综合纸面时的频率稳定度。
在公式(9)中，第一代价函数f的优化参数包括采样间隔τ，在执行遗传算法时，其原理为寻找使星座综合纸面时EAL的稳定度最小的采样间隔τ。
在另一实施例中，采用下面的公式表示第一代价函数：
Figure BDA0003654348130000142
其中，f表示第一代价函数，τ表示采样间隔，window表示滑动窗口，σEAL(τ)表示采用Allan偏差代表的星座综合纸面时的频率稳定度。
在公式(10)中，第一代价函数f的优化参数包括采样间隔τ和滑动窗口window，在执行遗传算法时，其原理为寻找使纸面时EAL的稳定度最小的采样间隔τ和滑动窗口window。
需要说明，步骤S130和S140中所使用的目标原子钟的钟差数据都是历史钟差数据，将大量的历史钟差数据用于上述的公式(7)，结合遗传算法获得最优权重ωi，从而可以获得具有最优的稳定度的纸面时。根据该最优的纸面时，在步骤S140可以获得每台目标原子钟相对于星座综合纸面时的最优的驾驭参考钟差。
结合图2所示，来自每个目标原子钟的钟差数据输入至星间链路测量模块221，经过执行步骤S130和S140之后，星座综合纸面时计算模块222输出驾驭参考钟差。
图3是本申请一实施例的构建方法中的时间尺度算法的示例性流程图。结合图2和图3所示，时间尺度算法模块223所执行的时间尺度算法包括以下步骤：
步骤S311：使用星间链路测距传递钟差。该步骤和图1中所示的步骤S120相同，此处将该步骤包括在时间尺度算法的流程中，用于表示时间尺度算法需获得每个目标原子钟的钟差，并不用于表示需要再次传递钟差。
步骤S312：由N台目标原子钟获取N-1组观测钟差Xij。该观测钟差的表达式参考公式(6)。
步骤S313：使用第一优化算法确定最优权重。该第一优化算法是前文所述的遗传算法。在一些实施例中，在步骤S313通过优化采样间隔τ、或者采样间隔τ和滑动窗口window来确定最优权重。
步骤S314：使用历史数据计算卡尔曼预测器所需的各协方差。
在该时间尺度算法中，采用卡尔曼滤波器的预测器来根据历史数据预测将来一时刻的数据。本申请对该卡尔曼预测器的具体结构、方法不做限制。
步骤S315：使用卡尔曼预测器预测各目标原子钟的频差。该频差为公式(7)中的
Figure BDA0003654348130000151
步骤S316：计算星座综合原子时xej，即公式(7)中的xej(t)。
步骤S317：利用xej-xij获取xei，以及利用xe1-x1获取xe。x1表示参考钟的时间序列，xe1、xij、xei的含义可参考公式(6)。
步骤S317之后继续执行步骤S315，最终获得每个目标原子钟的驾驭参考钟差，也即星座综合原子时。
根据步骤S110-S140，采用遗传算法对每台目标原子钟的权重进行寻优，获得最优权重，从而获得每台目标原子钟相对于星座综合纸面时的最优的驾驭参考钟差。根据优化的时间尺度算法获得的星座综合纸面时的稳定性和可预报性优于任何一台星载原子钟。
本申请在获取可靠的星座综合纸面时作为驾驭基准后，可以通过多种闭环驯服的控制算法，实现对星载高稳晶振的高性能物理信号驾驭生成，由于高稳晶振具有短期稳定性较好，中长期稳定性较差的特性，因而经过星座综合原子时驾驭后的物理输出信号可兼具短稳和中长稳都优异的特性，可为导航卫星提供10.23MHz的基频信号，支持卫星信号的调制与解调，同时分频得到的PPS脉冲用于建立卫星时间。
在步骤S150，首先在每颗目标卫星的单星平台中构建钟差控制系统，该钟差控制系统是根据时频驾驭算法来生成时频驾驭量，以用于对超稳晶振的晶振钟差进行驯服和驾驭，获得驯服物理信号输出。
在传统的驯服控制中，参数调节的方式需要进行多次离散调试，且仅能获得近似的结果，带来了精度局限性和自适应可靠性不高等问题。
本申请的构建方法在步骤S160采用第二优化算法对钟差控制系统进行优化，实现钟差控制系统的自动寻优，可以避免传统技术的问题。
结合图2，在构建系统200中，由物理信号驾驭模块执行步骤S150和S160，具体地，采用第二优化算法模块212对钟差控制系统211进行优化，并通过最优时频驾驭量输出模块213输出最优时频驾驭量。
参考图2，以单星平台1为例，超稳晶振的驯服物理信号输出USOsteered输入至数字相位测量模块215，同时，目标原子钟ASF2的时间数据输入至单星平台1中的数字相位测量模块215，数字相位测量模块215根据该驯服物理信号输出USOsteered和目标原子钟ASF2的相对钟差数据输出受驯晶振钟差1。从星间链路传递模块240传递至单星平台1的驾驭参考钟差1输入至单星平台1的加法器，驾驭参考钟差1减去受驯晶振钟差1的差值输入至第二优化算法模块212。
具体地，在一些实施例中，钟差控制系统211包括与卡尔曼滤波和延迟器等价的数字锁相环(DPLL)。
在一些实施例中，数字锁相环是三阶数字锁相环，分别采用下面的公式表示三阶数字锁相环的开环系统传递函数G(z)、闭环系统传递函数H(z)和闭环误差传递函数He(z)：
Figure BDA0003654348130000171
Figure BDA0003654348130000172
Figure BDA0003654348130000173
其中，Ks11表示两状态稳态卡尔曼增益之一，Ks11中的11表示该卡尔曼增益在卡尔曼增益矩阵中的位置。
在一些实施例中，数字锁相环也可以是二阶数字锁相环或其他任意阶树的数字锁相环，可以根据原子钟的实际情况来设置，本申请对此不做限制。需要说明，在导航星座中，每颗卫星上的原子钟的类型可能是各异的，例如有的是铯钟，有的是铷钟，采用三阶数字锁相环基本上可以适用于这些不同类型的原子钟。以下采用三阶数字锁相环为例来说明优化计算过程。
采用可观测的卡尔曼(Kalman)滤波器加入延迟器结构等价DPLL的闭环驯服算法可以较容易地从理论分析层面获取时频驾驭量，并且所需调节的噪声方差参数可以按比例简化为参数对，此外时域频域结合的参数选取过程更加直观。
在钟差控制系统211中采用三阶数字锁相环的实施例中，本申请的构建方法还包括以下步骤：
步骤S101：针对三阶数字锁相环的卡尔曼滤波特性采用下面的公式建立关于相位差、频差和频漂的三维状态空间模型：
Figure BDA0003654348130000174
其中，Xk+1＝A·Xk+Jk为状态方程，Xk＝[xk yk dk]T，xk、yk和dk为表征频标相位、频率和频率变化率的三个状态变量，Jk＝[0 0 uk]T，uk为过程噪声；Zk＝H·Xk+wk为测量方程，Zk为测量值，wk为测量噪声；
其中，采用下面的公式计算过程噪声uk的方差：
Figure BDA0003654348130000181
其中，uk～N(0,Q33)；
采用下面的公式计算测量噪声wk的方差：
Figure BDA0003654348130000182
其中，wk～N(0,R)，钟差控制系统的噪声方差参数对包括R和Q33；
步骤S102：建立噪声方差参数对和两状态稳态卡尔曼增益Ks之间的近似关系如下：
Figure BDA0003654348130000183
Figure BDA0003654348130000184
Figure BDA0003654348130000185
其中，T表示采样时刻间隔。
卡尔曼滤波算法包括下面公式(20)中所示的五个基本过程：
Figure BDA0003654348130000186
卡尔曼滤波器在经过如式(20)所示的“预测－实测－修正”反复递推迭代步骤后可进入稳态，如下式(21)所示：
Figure BDA0003654348130000187
其中，
Figure BDA0003654348130000188
稳态Kalman增益Ks的下标为其矩阵中对应行列的元素。作Z变换推导后可以得到稳态卡尔曼滤波器关于测量值Zk和相位状态变量的估计值
Figure BDA0003654348130000191
之间的输入输出关系，如下面的公式(22-23)所示：
Figure BDA0003654348130000192
Figure BDA0003654348130000193
通过上述公式(14-19)解算出了噪声方差参数对R、Q33和卡尔曼增益Ks之间的近似关系。由此可以构建适合本申请的时频驾驭控制系统的等价三阶数字锁相环，从而实现每采样时间间隔T对用时频驾驭量的解算。在一些实施例中，采样时间间隔T为1秒。确定的噪声方差参数对R、Q33与卡尔曼增益Ks之间的近似关系为下一步控制系统参数对的最优选取提供有效的竖直关联支持。
在一些实施例中，步骤S160中的第二优化算法是遗传算法，通过调整噪声方差参数对使纸面时和超稳晶振的频率稳定度最优。在步骤S160中采用遗传算法可以对噪声方差参数对的选取流程加以综合改进。采用遗传算法的第二优化算法想要达到的效果是：保证数字锁相环驾驭物理输出信号以使整体频率稳定度为最优，也即保证数字锁相环驾驭物理输出信号充分兼顾星座综合纸面时和超稳晶振不同时期的频率稳定度优势。为了达到这一目标要求，需要使得在频率域上，驾驭参考及待驾驭晶振的单边带相位噪声谱密度曲线曲线交点频率值，与所构建的二阶数字锁相环的闭环系统传递函数和闭环误差传递函数的幅频响应曲线交点频率值，两者达到尽可能的一致。
原子钟的频漂主要受器件老化的影响。在一些实施例中，采用下面的公式表示包括频漂的钟差模型：
Figure BDA0003654348130000194
其中，x(t)表示采样时刻t的钟差数据样本点，x0表示初始时间偏差，y0表示初始频率偏差，D表示线性频率漂移率，ε(t)表示平稳噪声和非平稳噪声等不同类型噪声的随机频率偏差。非确定性的随机噪声类型主要包括：频率随机游走、频率闪烁噪声、频率白噪声、相位闪烁噪声以及相位白噪声等。在一些实施例中，D可以通过最小二乘拟合获得。随机噪声可以采用公式(25)所示的经典幂律噪声谱模型表示：
Sy(f)＝h2f2+h1f1+h0+h-1f-1+h-2f-2 (25)
其中，Sy(f)是即时频率偏差的单边带功率谱密度；h2为相位白噪声项系数；h1为相位闪烁项系数；h0为频率白噪声项系数；h-1为频率闪烁噪声项系数；h-2为频率随机游走项系数。在已知多个时间间隔τ上的Allen方差样本点的条件下，可通过如下Allen方差内部结构反演的方法采用非负最小二乘来对这五种噪声系数进行计算：
Figure BDA0003654348130000201
由此可获得对应的确定性趋势项系数及五项噪声系数值h-2、h-1、h0、h1、h2，进而可以计算对应的单边带相位噪声谱密度曲线，公式如下：
Figure BDA0003654348130000202
其中，f0为频率源中心频率，f为边带频率。
具体地，在一些实施例中，第二优化算法根据第二代价函数寻找最优噪声方差参数对，其中，采用下面的公式表示第二代价函数：
Figure BDA0003654348130000203
其中，f(L(f))是由驾驭参考钟差和待驾驭的超稳晶振的单边带相位噪声谱密度曲线交点频率值表示的固定参考值，f(H)是由闭环系统传递函数H(z)和闭环误差传递函数He(z)的幅频响应曲线交点频率值表示的动态调试值，||表示求取偏差的绝对值，
Figure BDA0003654348130000204
表示在给定的[fdown,fup]代价函数频率边界区间内以预设的代价函数最小分辨率a进行因变量偏差最小绝对值对应的自变量值获取操作，TA表示纸面时，USO表示超稳晶振。
根据上述的第二代价函数，以整体频率稳定度最优为原则，对第二代价函数最小化获取的最优噪声方差参数对R和Q33，可以保证驾驭物理输出信号充分兼顾综合原子时和超稳晶振不同时期的频率稳定度优势。
图4是本申请一实施例的构建方法中的遗传算法的示例性流程图。参考图4所示，该遗传算法的遗传算子设计包含了交叉算子、变异算子、自我复制算子及自然选择多个环节，遗传算法的设计考虑到算法稳定性及计算复杂量，采用的主要参数为：种群数量上限N为200，种群进化代数Ger为100，单个变量的编码基因长度L为10，交叉概率Pc为0.9，变异概率Pm为0.2，自我复制概率Pt为0.1，算法停止条件为达到最大进化代数。
参考图4，采用遗传算法完成对驾驭控制系统中噪声方差参数对R和Q33的最优选取，执行流程步骤如下：
步骤S411：根据算法预设条件计算基因串长，进行种群编码及初始化，随机法产生初始种群；
步骤S412-S414：将种群个体进行交叉、变异，自我复制操作，用多种进化策略产生新一代种群；
步骤S415：对种群进行解码操作，计算每个个体的适应度(代价函数值)；在步骤S130中，该代价函数是第一代价函数，在步骤S160中，该代价函数是第二代价函数。
步骤S416：根据个体种群适应度进行排名，淘汰排名靠后的基因，自然选择出有限个适应度最高的个体构成下一代双亲；
步骤S417：判断是否满足停止条件：如果不满足，继续运行算法，返回步骤S412；如果满足，执行步骤S418；
步骤S418：根据最优化的噪声方差参数对，输出两交点频率值偏差绝对值所定义的代价函数最小值，算法流程结束。
图4所示仅为示例，不用于限制本申请中所使用的遗传算法的具体步骤。
图5是本申请一实施例构建系统中的钟差控制系统执行物理信号时频驾驭的示例性流程图。结合图2和图5所示，该钟差控制系统211是一种三阶数字锁相环。i时刻的驾驭参考钟差TAi和超稳晶振在i时刻的受驯晶振钟差USOi的差，作为驾驭误差Erri输入至开环系统传递函数G(z)，开环系统传递函数G(z)的输出量和原始USOi之和作为下一时刻i+1的受驯晶振钟差USOi+1输出，受驯晶振钟差USOi+1也即图2中所示的从USO240输出的驯服物理信号输出。根据图5可得：
z·USOsteered(z)＝G(z)·(TA(z)-USOsteered(z))+USO(z) (29)
其中，TA表示整个导航星座综合原子时的驾驭参考钟差，USO为待驾驭的原始超稳晶振的频标，USOsteered为驾驭后的超稳晶振物理信号输出。通过逆Z变换可得到时域中驾驭后超稳晶振物理信号输出与单星平台综合原子时驾驭参考钟差的时差关系，如下所示：
Figure BDA0003654348130000221
其中，
Figure BDA0003654348130000222
表示每个采样时刻i对时间的最优驾驭量，
Figure BDA0003654348130000223
表示每个采样时刻i对频率的最优驾驭量，Err表示鉴相误差，USO(i)表示采样时刻i时的超稳晶振频标，USOsteered(i+1)表示经过驾驭后的采样时刻i+1时的超稳晶振频标。
根据上述的实施例，结合已寻优的钟差控制系统211和解算出来的噪声方差参数对R、Q33与卡尔曼增益Ks之间的近似关系，可实现最优时频驾驭量的逼近生成，最终高效地调整各个单星平台210上的超稳晶振达到期望的最佳驾驭物理信号输出
本申请的导航星座时间基准的构建方法和构建系统，具有以下有益效果：
(1)在用于建立的卫星时间可满足时频信号物理输出最佳稳定度要求的前提下，与现有的导航卫星整网星座平台时频基准建立维持技术的设备资源一致，并且具有系统结构简明易操作的特点。
(2)所提供的导航星座时间基准的自主建立与维持方法，可在进行时频基准服务时增强导航系统的生存能力和自主运行能力，并且减轻地面站的工作压力和运行成本。
(3)在综合利用星间链路和整网星座星载原子钟守时钟组的情况下，拓展性地结合遗传算法寻优改进现有的时间尺度算法计算出星座纸面时，得到高稳定度且自适应能力提升的可靠驾驭基准，在该场景下具有星座纸面时整体频率稳定度最佳的优点。
(4)在计算获得最佳可靠驾驭基准的前提下，于现有的使用Kalman滤波器及延迟器等价的三阶数字锁相环(DPLL)驾驭方式的基础上，针对参数选择环节对照调试的低自适应性问题，拓展性地进一步结合遗传算法调整寻优控制系统参数，可产生最优时频驾驭量，生成整体频率稳定度最佳的时频信号的物理输出。
本申请还包括一种导航星座时间基准的构建装置，包括存储器和处理器。其中，该存储器用于存储可由处理器执行的指令；处理器用于执行该指令以实现前文所述的导航星座时间基准的构建方法。
图6是本发明一实施例的导航星座时间基准的构建装置的系统框图。参考图6所示，该构建装置600可包括内部通信总线601、处理器602、只读存储器(ROM)603、随机存取存储器(RAM)604以及通信端口605。当应用在个人计算机上时，该构建装置600还可以包括硬盘606。内部通信总线601可以实现该构建装置600组件间的数据通信。处理器602可以进行判断和发出提示。在一些实施例中，处理器602可以由一个或多个处理器组成。通信端口605可以实现该构建装置600与外部的数据通信。在一些实施例中，该构建装置600可以通过通信端口605从网络发送和接受信息及数据。该构建装置600还可以包括不同形式的程序储存单元以及数据储存单元，例如硬盘606，只读存储器(ROM)603和随机存取存储器(RAM)604，能够存储计算机处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器602所执行的可能的程序指令。处理器执行这些指令以实现方法的主要部分。处理器处理的结果通过通信端口传给用户设备，在用户界面上显示。
上述的构建方法可以实施为计算机程序，保存在硬盘606中，并可加载到处理器602中执行，以实施本申请的构建方法。
本发明还包括一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码在由处理器执行时实现前文所述的导航星座时间基准的构建方法。
导航星座时间基准的构建方法实施为计算机程序时，也可以存储在计算机可读存储介质中作为制品。例如，计算机可读存储介质可以包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD))、智能卡和闪存设备(例如，电可擦除可编程只读存储器(EPROM)、卡、棒、键驱动)。此外，本文描述的各种存储介质能代表用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可以包括但不限于能存储、包含和/或承载代码和/或指令和/或数据的无线信道和各种其它介质(和/或存储介质)。
应该理解，上文所描述的实施例仅是示意。本文描述的实施例可在硬件、软件、固件、中间件、微码或者其任意组合中实现。对于硬件实现，处理器可以在一个或者多个特定用途集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器和/或设计为执行本文所述功能的其它电子单元或者其结合内实现。
本申请的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘CD、数字多功能盘DVD……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。
计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

Claims (18)

1.一种导航星座时间基准的构建方法，所述导航星座包括多颗卫星，每颗所述卫星上包括一个超稳晶振和至少一台原子钟，其特征在于，包括：
选择一颗卫星作为参考星，选择所述卫星的一台原子钟作为参考钟，将其他卫星中的至少一个作为目标卫星，选择所述目标卫星上的一台原子钟作为所述目标卫星的目标原子钟；
通过星间链路获取每台所述目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差；
在所述参考星采用第一优化算法对每台所述目标原子钟的采样间隔进行优化，获得每台所述目标原子钟的最优采样间隔，根据所述最优采样间隔计算每台所述目标原子钟的最优权重，使得采用时间尺度算法根据多颗所述目标原子钟的钟差数据计算的星座综合纸面时具有最优的稳定度；
采用所述时间尺度算法计算每台所述目标原子钟相对于所述星座综合纸面时的驾驭参考钟差，其中，在所述时间尺度算法中采用所述最优权重；
在每颗所述目标卫星构建钟差控制系统，所述钟差控制系统用于根据所述驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，所述受驯晶振钟差是所述目标卫星的超稳晶振的驯服物理信号输出和所述目标原子钟的相对钟差数据；以及
采用第二优化算法对所述钟差控制系统的噪声方差参数对进行优化，获得已寻优的钟差控制系统，所述已寻优的钟差控制系统具有最优噪声方差参数对，使得所述星座综合纸面时和所述超稳晶振的频率稳定度最优。
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，通过星间链路获取每台所述目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差的步骤包括：
步骤S21：采用下面的公式计算所述目标卫星和所述参考星之间的伪距值：
Figure FDA0003654348120000011
其中，ρAB(t0)和ρBA(t0)表示在t0时刻参考星A和目标卫星B接收到彼此的伪距观测值，
Figure FDA0003654348120000021
和
Figure FDA0003654348120000022
表示A星和B星的三维位置矢量，clkA和clkB分别表示A星和B星的钟差，c为光速，Δt为光行时，
Figure FDA0003654348120000023
和
Figure FDA0003654348120000024
为A星和B星的发射时延，
Figure FDA0003654348120000025
和
Figure FDA0003654348120000026
为A星和B星的接收时延,
Figure FDA0003654348120000027
和
Figure FDA0003654348120000028
分别表示两颗卫星单向观测可精确建模的误差改正项，包括天线相位中心修正和相对论周期性效应修正；
步骤S22：采用下面的公式根据所述伪距值计算所述相对钟差CLKBA：
Figure FDA0003654348120000029
3.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，采用所述时间尺度算法计算每台所述目标原子钟相对于所述星座综合纸面时的驾驭参考钟差的步骤包括：
步骤S31：采用下面的公式计算所述星座综合纸面时：
Figure FDA00036543481200000210
其中，t表示采样时刻，EAL(t)表示所述星座综合纸面时，ωi(t)表示第i台目标原子钟的权重，hi(t)表示第i台目标原子钟的钟面读数，
Figure FDA00036543481200000211
表示第i台目标原子钟的钟面读数的时间改正量，n表示所述多台目标原子钟的总数；
步骤S32：采用下面的公式计算所述驾驭参考钟差xej(t)：
Figure FDA00036543481200000212
其中，ωi(t)表示第i台目标原子钟的权重，xi1(t)表示第i台目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差数据，xie(t)表示第i台目标原子钟和所述星座综合纸面时之间的相对钟差数据，
Figure FDA00036543481200000213
表示xie(t)的微分的估计值；
其中，采用每台所述目标原子钟的Allan偏差计算所述权重。
4.如权利要求3所述的构建方法，其特征在于，采用下面的公式计算第i台目标原子钟的权重：
Figure FDA00036543481200000214
其中，σi(τ)表示所述采样间隔为τ时的Allan偏差。
5.如权利要求3所述的构建方法，其特征在于，所述第一优化算法是遗传算法。
6.如权利要求5所述的构建方法，其特征在于，所述第一优化算法根据第一代价函数寻找所述优化采样间隔，使得所述星座综合纸面时的频率稳定度最小，其中，采用下面的公式表示所述第一代价函数：
Figure FDA0003654348120000031
其中，f表示所述第一代价函数，τ表示所述采样间隔，σEAL(τ)表示采用Allan偏差代表的所述星座综合纸面时的频率稳定度。
7.如权利要求5所述的构建方法，其特征在于，所述第一优化算法根据第一代价函数寻找所述优化采样间隔，使得所述星座综合纸面时的频率稳定度最小，其中，采用下面的公式表示所述第一代价函数：
Figure FDA0003654348120000032
其中，f表示所述第一代价函数，τ表示所述采样间隔，window表示滑动窗口，σEAL(τ)表示采用Allan偏差代表的所述星座综合纸面时的频率稳定度。
8.如权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述钟差控制系统包括与卡尔曼滤波和延迟器等价的数字锁相环。
9.如权利要求8所述的构建方法，其特征在于，所述数字锁相环是三阶数字锁相环，分别采用下面的公式表示所述三阶数字锁相环的开环系统传递函数G(z)、闭环系统传递函数H(z)和闭环误差传递函数He(z)：
Figure FDA0003654348120000033
Figure FDA0003654348120000034
Figure FDA0003654348120000035
其中，Ks11表示两状态稳态卡尔曼增益之一。
10.如权利要求9所述的构建方法，其特征在于，还包括：
步骤S101：针对所述三阶数字锁相环的卡尔曼滤波特性采用下面的公式建立关于相位差、频差和频漂的三维状态空间模型：
Figure FDA0003654348120000041
其中，Xk+1＝A·Xk+Jk为状态方程，Xk＝[xk yk dk]T，xk、yk和dk为表征频标相位、频率和频率变化率的三个状态变量，Jk＝[0 0 uk]T，uk为过程噪声；Zk＝H·Xk+wk为测量方程，Zk为测量值，wk为测量噪声；
其中，采用下面的公式计算所述过程噪声uk的方差：
Figure FDA0003654348120000042
其中，uk～N(0,Q33)；
采用下面的公式计算所述测量噪声wk的方差：
Figure FDA0003654348120000043
其中，wk～N(0,R)，所述钟差控制系统的噪声方差参数对包括R和Q33；
步骤S102：建立所述噪声方差参数对和两状态稳态卡尔曼增益Ks之间的近似关系如下：
Figure FDA0003654348120000044
Figure FDA0003654348120000045
Figure FDA0003654348120000046
其中，T表示采样时刻间隔。
11.如权利要求10所述的构建方法，其特征在于，所述第二优化算法是遗传算法，通过调整所述噪声方差参数对使所述星座综合纸面时和所述超稳晶振的频率稳定度最优。
12.如权利要求11所述的构建方法，其特征在于，所述第二优化算法根据第二代价函数寻找所述最优噪声方差参数对，其中，采用下面的公式表示所述第二代价函数：
Figure FDA0003654348120000047
其中，f(L(f))是由所述驾驭参考钟差和待驾驭的所述超稳晶振的单边带相位噪声谱密度曲线交点频率值表示的固定参考值，f(H)是由闭环系统传递函数H(z)和闭环误差传递函数He(z)的幅频响应曲线交点频率值表示的动态调试值，||表示求取偏差的绝对值，
Figure FDA0003654348120000051
表示在给定的[fdown,fup]代价函数频率边界区间内以预设的代价函数最小分辨率a进行因变量偏差最小绝对值对应的自变量值获取操作，TA表示所述驾驭参考钟差，USO表示所述超稳晶振。
13.如权利要求11所述的构建方法，其特征在于，还包括：采用所述已寻优的钟差控制系统计算所述最优时频驾驭量如下：
Figure FDA0003654348120000052
其中，
Figure FDA0003654348120000053
表示每个采样时刻i对时间的最优驾驭量，
Figure FDA0003654348120000054
表示每个采样时刻i对频率的最优驾驭量，Err表示鉴相误差，USO(i)表示采样时刻i时的超稳晶振频标，USOsteered(i+1)表示经过驾驭后的采样时刻i+1时的超稳晶振频标。
14.一种导航星座时间基准的构建装置，包括：
存储器，用于存储可由处理器执行的指令；
处理器，用于执行所述指令以实现如1-13任一项所述的方法。
15.一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现如1-13任一项所述的方法。
16.一种导航星座时间基准的构建系统，其特征在于，包括：至少一个单星平台、至少一个参考星平台和星座原子钟组，其中，每个所述单星平台对应于一颗目标卫星，所述目标卫星具有目标原子钟，所述单星平台包括物理信号驾驭模块和超稳晶振，所述参考星平台对应于一颗参考星，所述参考星具有参考钟，所述参考星平台包括星间链路测量模块和星座综合纸面时计算模块，所述星座原子钟组包括所述参考钟和每颗所述目标卫星的目标原子钟；
所述星间链路测量模块用于从每颗所述目标卫星接收每台所述目标原子钟和所述参考钟之间的相对钟差；
所述星座综合纸面时计算模块用于采用时间尺度算法根据多个所述目标原子钟的相对钟差计算星座综合纸面时和每台所述目标原子钟相对于所述星座综合纸面时的驾驭参考钟差，其中，每台所述目标原子钟具有对应的最优采样间隔和最优权重，根据所述最优权重使所述星座综合纸面时具有最优的稳定度；
所述物理信号驾驭模块包括已寻优的钟差控制系统，所述已寻优的钟差控制系统用于根据所述驾驭参考钟差和受驯晶振钟差计算最优时频驾驭量，所述已寻优的钟差控制系统具有最优的噪声方差参数对，使得所述星座综合纸面时和所述超稳晶振的频率稳定度最优；
所述超稳晶振用于根据所述最优时频驾驭量生成驯服物理信号输出，所述驯服物理信号输出用于和所述参考钟的参考时钟序列生成所述受驯晶振钟差。
17.如权利要求16所述的构建系统，其特征在于，还包括星间链路传递模块，用于将所述驾驭参考钟差从所述参考星平台传递至每个所述单星平台。
18.如权利要求16所述的构建系统，其特征在于，所述单星平台还包括数字相位测量模块，用于获取所述超稳晶振的频标和所述目标原子钟之间的受驯晶振钟差。
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