CN115639743A - 一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法及系统，所述方法包括以下步骤：以预设参考钟组成一级天基时频中心，以预设守时原子钟组成二级天基时频中心；基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列；基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间。本发明提供的技术方案，可通过星间、星地的整网时间比对技术建立天基时间基准。

Description

一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法及系统

技术领域

本发明属于时间测量以及空间大地测量的交叉技术领域，特别涉及一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法及系统。

背景技术

卫星导航系统作为一项基础信息产业，在当前各大GNSS(全球导航卫星系统)系统并存的格局下，必将伴随着GNSS对抗的不断升级，地面运控系统作为各大GNSS系统的“大脑”，逐渐成为制约系统安全可靠运行的薄弱环节。为了避免由于地面运控系统的自然毁伤、人为破坏而造成整个GNSS系统空间段的功能瘫痪，实现卫星导航系统能在脱离地面运控系统支持的一段时间内独立运行，导航星座的自主运行已成为保证卫星导航系统作战服务效能的关键技术之一。在自主运行期间，导航星座脱离地面运控系统的支持，无法接入由地面时频系统所维持的导航系统时间(GNSS Time，GNSST)；为确保系统正常运行和服务效能，就需要综合利用导航卫星星载原子钟以及空间各类轨段的高性能原子钟建立一个稳定、统一的天基时间基准。

另外，随着航天技术的快速发展，天基综合信息网已成为未来空间系统发展的重要方向，其中涵盖了环境监测、通信、侦查监视、导航定位等多类系统，这些都需要天基时间基准的建立和维持。

基于上述陈述可知，建立天基时间基准是未来发展的重要方向，只有建立守时性能更强、稳定性能更优、可靠性能更高的天基时间基准，才能有效提升导航系统自主运行的能力，才能保证下一代卫星导航系统的PNT服务效能；综上，亟需一种新的天基时间基准建立方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，可通过星间、星地的整网时间比对技术建立天基时间基准。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，包括以下步骤：

以预设参考钟组成一级天基时频中心，以预设守时原子钟组成二级天基时频中心；

基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列；

基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间。

本发明的进一步改进在于，所述参考钟为空间站配置的高性能原子钟；其中，所述一级时频中心能够通过星地高精度比对链路实现参考钟与地面标准时间UTC的溯源。

本发明的进一步改进在于，所述守时原子钟包括导航卫星搭载的星载原子钟和其他空间在轨卫星搭载的原子钟。

本发明的进一步改进在于，所述基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间的步骤具体包括：

基于星间时间比对得到的各守时原子钟与参考钟的钟差信息，通过加权平均的时间尺度算法计算得到天基时间基准系统时间；

其中，所述时间尺度算法计算的步骤包括：将参考钟标记为“KJZ”，Clock_i(t)表示守时原子钟，i＝1，2，…，N，天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程表征形式为，

其中，KJZ(t)表示参考钟的时间；TA(t)-KJZ(t)为天基时间基准系统时间；Clock_i(t)-KJZ(t)指参与计算的各守时原子钟i相对参考钟的钟差比对数据；ω_i(t)表示各守时原子钟clock_i的权重；h_i′(t)是指各守时原子钟i相对天基时间基准系统时间的钟差h_i(t)的预报值，h_i(t)＝Clock_i(t)-TA(t)；

获取预设时间段的守时原子钟与参考钟的比对数据Δt_i-KJZ(t)，根据天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程计算获得对应时间段的天基时间基准系统时间Δt_TA-KJZ(t)；计算所述预设时间段的h_i(t)，计算表达式为h_i(t)＝Δt_i-KJZ(t)-Δt_TA-KJZ(t)；

对所述预设时间段的h_i(t)进行拟合建立钟差预报模型，对后续时刻的h_i(t)进行预报，相应的预报值作为所述天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程中的h_i′(t)；其中，在初始计算阶段，h_i(t)的预报模型尚未建立前，所述天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程中不考虑预报项h_i′(t)。

本发明的进一步改进在于，所述基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列的步骤包括：

基于双向时差测量方法实现星地之间的时间偏差计算；其中，编号为1的空间站与地面站j之间互相发送和接收测距信号，ρ_1j表示空间站发地面站j收所测得的伪距值，ρ_j1表示空间站收地面站j发所测得的伪距值；

建立的空间站与地面站的双向测量方程表示为，

其中，|r_j1|、|r_1j|分别为真空中的空间信号几何传输时延；

分别为上下行的系统误差，ε_1j、ε_j1为星间链路测量噪声，表现为随机误差；Δt为空间站参考钟与地面站的时间偏差；

将上下行伪距值ρ_1j和ρ_j1做差，利用双向测量以对消掉部分链路系统误差；计算获得|r_j1|、|r_1j|上下行传输距离不一致所带来的误差Δd；空间站参考钟与地面站的相对钟差的计算表达式为，

Δt_KJZ-UTC＝Δt＝(ρ_1j-ρ_j1)/2c-Δd/2c。

本发明的进一步改进在于，基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间之后还包括：

对天基时间基准系统时间性能进行评估；其中，进行评估时的评估指标包括频率稳定度、频率准确度、自主时间偏差和预报误差中的一个或多个。

本发明的进一步改进在于，所述对天基时间基准系统时间性能进行评估的步骤包括：

采用Hadamard方差进行频率稳定度性能评估；其中，Hadamard方差通过时差进行定义，表达式为，

其中，<·>为求期望运算；

对于有限个采样间隔为τ₀的原始时差序列，平滑时间τ＝m·τ₀时的Hadamard方差计算式为，

其中，{x_k,k＝1,2,...,M}为以τ为采样间隔对原始时差序列进行重采样得到的长度为M的钟差序列，M为时差数据点数，频差y_k＝(x_k+1-x_k)/τ；

基于Hadamard方差计算式，利用所有间隔为τ的频差或时差采样值进行计算，计算表达式为，

其中，{x_i,i＝1,2,...,N}为间隔为τ₀，长度为N的原始钟差序列；y_i＝(x_i+m-x_i)/τ。

本发明的进一步改进在于，所述对天基时间基准系统时间性能进行评估的步骤包括：

评估天基时间基准系统的频率准确度时，基于最小二乘准则，以一元线性方程x＝a₀+a₁·t对每小时的钟差序列x(t+mτ)进行拟合，获得一小时内M个历元的平均频率准确度并将其作为频率准确度的评价指标；

其中，

式中，m＝0,1,...,M，M为一小时内的历元数，钟差均值

采样时刻均值

本发明提供的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立系统，包括：

天基时频中心获取模块，用于以预设参考钟组成一级天基时频中心，以预设守时原子钟组成二级天基时频中心；

星间相对钟差序列获取模块，用于基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列；

天基时间基准系统时间获取模块，用于基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

针对卫星导航系统在自主运行期间会发生导航星座脱离地面运控系统支持而无法接入由地面时频系统所维持的导航系统时间从而导致导航系统自主运行能力降低的问题，本发明具体提出一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，能够通过星间、星地的整网时间比对技术建立天基时间基准，比目前的GNSS系统时间性能提高了至少一个量级。

本发明中，通过综合利用导航卫星星载原子钟、空间站高精度原子钟以及其他空间各类轨段的高性能原子钟，采用星间时间比对得到星间相对钟差并利用加权时间尺度算法生成稳定统一的天基时间基准，可联合星地高精度比对实现天基时间基准溯源。

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法的流程示意框图；

图2是本发明实施例提供的天基时间基准建立的整体框架示意图；

图3是本发明实施例中，滑动预报模式的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供的技术方法，可通过星间、星地的整网时间比对技术建立天基时间基准并对其性能进行评估，主要适用于未来构建天空地一体化信息网络及提升导航系统自主运行能力。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，包括以下步骤：

以空间站配置的高性能原子钟(称为参考钟)组成一级天基时频中心；具体解释性的，一级时频中心可以通过星地高精度比对链路实现参考钟与地面标准时间UTC(国际协调世界时)的精确溯源；

以导航卫星搭载的星载原子钟和其他空间在轨卫星搭载的原子钟(称为守时原子钟)为二级天基时频中心；

各守时原子钟与参考钟之间通过星间时间比对技术得到星间相对钟差序列；

基于这些钟差序列，采用预设的时间尺度算法就可以生成天基时间基准系统时间(简称天基系统时)，架构如图2所示。

本发明实施例构成的天基系统时可以具备自主守时、天地时频同步能力，即具有天基自主守时模式和天地联合运行模式两种模式。常态情况下，采用天地联合运行模式，即利用空间站参考钟和多颗导航卫星星载原子钟之间的相对钟差测量结果，进一步采用加权时间尺度算法建立天基系统时，最后通过空间站参考钟与地面的星地高精度比对链路实现天基系统时的对地精确溯源；当地面系统难以正常运行或星地比对链路受到干扰情况下，即可采用天基自主守时模式，此时不再通过星地链路进行比对溯源，仅由空间站参考钟和导航卫星星载钟通过相对钟差测量以及加权时间尺度算法建立天基时间基准并自主维持，其性能可以达到年稳定度3×10^-17，半年自主时间偏差约为1ns。

本发明实施例具体示例解释性的，目前空间站上搭载了高性能光钟，其日稳定度优于5×10^-18，同时空间站上搭载了北斗导航体制星间链路载荷，可以与北斗导航卫星通过星间建链实现自主时间同步，达到优于0.3ns的时间同步性能；另外，空间站上还搭载了空地高精度时频比对链路，可以实现优于6ps的空地时间比对精度，有利于实现时间基准的星地溯源。具体应用实施过程中，可充分利用空间站上配置和搭载的丰富的载荷资源，结合北斗导航星座的星载原子钟资源以及星间、星地时间比对技术，就可以实现一种高精度的、性能稳定的天基时间基准。

本发明实施例中，基于加权平均时间尺度算法生成天基时间基准，包括以下步骤：基于星间时间比对得到各卫星守时原子钟与空间站参考钟的钟差信息，通过一种加权平均的时间尺度算法计算得到一个高精度的纸面时间，就称为天基时间基准系统时间(天基系统时)。其中，天基系统时的计算方法包括：将空间站参考钟标记为“KJZ”，Clock_i(t)表示北斗各卫星守时原子钟，i＝1，2，…，N，则天基系统时的时间尺度基本方程表征形式为：

其中，KJZ(t)表示空间站参考钟的时间；TA(t)-KJZ(t)为天基系统时，天基系统时实际上是通过与空间站参考钟之间的钟差来表征的，可以表示为Δt_TA-KJZ(t)＝TA(t)-KJZ(t)；Clock_i(t)-KJZ(t)指参与计算的各卫星守时原子钟i相对空间站参考钟的钟差比对数据，可以表示为Δt_i-KJZ(t)＝Clock_i(t)-KJZ(t)；ω_i(t)表示各守时原子钟clock_i的权重，一般情况下，参与原子时算法的守时原子钟总权重为1，即

是指各卫星的守时原子钟i相对天基系统时的钟差h_i(t)的预报值，其中h_i(t)＝Clock_i(t)-TA(t)。

根据以上建立的天基系统时基本方程可知，在获取星间相对钟差测量值的前提下，建立天基系统时的关键在于相对钟差的预报h_i′(t)以及权重ω_i(t)的确定；其中，对两次计算间隔内的钟差预报h_i′(t)是天基系统时建立的关键要素之一，关系着对各守时原子钟频率偏差的补偿精度以及最终天基系统时的时间维持能力，其计算方法为：

通过累积前一段时间的守时原子钟与空间站参考钟的比对数据Δt_i-KJZ(t)，并根据(1)式计算出对应时间段的天基系统时Δt_TA-KJZ(t)，然后计算累积时段的h_i(t)：

h_i(t)＝Δt_i-KJZ(t)-Δt_TA-KJZ(t) (2)；

之后对累积时段的h_i(t)进行拟合建立钟差预报模型，对后续时刻的h_i(t)进行预报，相应的预报值即作为(1)式中的h_i′(t)。在初始计算阶段，h_i(t)的预报模型尚未建立前，(1)式中不考虑预报项h_i′(t)。

本发明实施例中，加权平均时间尺度算法可以根据原子钟表现出的频率稳定度水平对其权重进行更新，该算法可依据长期或者短期稳定度的不同加权准则来相应优化综合时间尺度的长期或短期频率稳定度，因此相比其他的尺度算法，更适合天基时间基准的高精度建立和长期维持。天基系统时的建立可以提高系统时间的频率稳定度，抑制其绝对时差的漂移趋势，并使导航卫星本地时间通过星间时间传递同步于天基系统时，从而使导航星座在自主运行期间具有更高的时间维持与溯源能力。

本发明实施例中，联合星地高精度比对实现天基时间基准溯源，包括：

建立天基时间基准不但要自主生成系统时间，还要保证星座自主运行期间时间服务的准确性，对天基时间基准进行溯源同步是保证时间服务的有效途径；本发明实施例通过高精度星地时间比对技术，将天基时间基准TA溯源至标准时间UTC(NTSC)，由于UTC(NTSC)与国际协调世界时UTC保持一致，可以将UTC(NTSC)看作为UTC时间，从而实现天基时间基准对于UTC的精确溯源；本发明实施例具体的溯源方法采用双向时差测量方法来实现高精度星地时间比对。

本发明实施例中，星地高精度时间比对的基本原理是基于双向时差测量方法实现星地之间的时间偏差计算，实现方法如下：

空间站(编号为1)与地面站j之间互相发送和接收测距信号，ρ_1j表示空间站发地面站j收所测得的伪距值，ρ_j1则相反。

可建立空间站与地面站的双向测量方程：

其中，|r_j1|、|r_1j|分别为真空中的空间信号几何传输时延，

分别为上下行的系统误差，包含了大气环境引起的时延以及相位中心偏移导致的附加时延、传输引力时延、接收端原子钟的周期性相对论效应改正等综合时延；ε.为星间链路测量噪声，表现为随机误差；Δt为空间站参考钟与地面站的时间偏差(即相对钟差)。

将上下行伪距值ρ_1j和ρ_j1做差，利用双向测量可以以对消掉大部分的链路系统误差。同时利用空间站精密轨道信息可以计算得到|r_j1|、|r_1j|上下行传输距离不一致所带来的误差Δd；最后通过公式(4)计算得到空间站参考钟与地面站的相对钟差。

由于地面站参考时间为UTC(NTSC)，又UTC(NTSC)与UTC一致，则得到空间站参考钟相对UTC的时间偏差Δt_KJZ-UTC：

Δt_KJZ-UTC＝Δt＝(ρ_1j-ρ_j1)/2c-Δd/2c (4)

天基时间基准建立后必须对其性能进行有效评估，才能保证其对于未来空间系统包括导航系统的适用性和可靠性；但是采用什么评价体系和方法，评价的参数和规则是什么，怎样才能合理的、充分的评估天基时间基准，这些目前国内外尚未有明确的规定，本发明实施例具体给出了一套完整的评估体系和方法。

本发明实施例中，天基时间基准性能评估包括以下步骤：

(1)频率稳定度

频率稳定度指频率受到固有噪声影响而产生的随机变化，Allan方差是最常用的原子钟频率稳定度时域评估指标；但Allan方差仅对频率进行一次差运算，频率线性偏移以及甚低频噪声的影响将导致在较长的平滑时间下原子钟固有的噪声特性被淹没或计算结果不收敛；Hadamard方差通过频率二次差克服了Allan方差对频率线性漂移敏感以及对甚低频噪声不收敛的缺点；鉴于此，采用Hadamard方差进行天基系统时频率稳定度性能评估，Hadamard方差可通过时差进行定义：

其中<·>为求期望运算。

对于有限个采样间隔为τ₀的原始时差序列，平滑时间τ＝m·τ₀时的Hadamard方差计算式为：

其中，{x_k,k＝1,2,...,M}为以τ为采样间隔对原始时差序列进行重采样得到的长度为M的钟差序列，M为时差数据点数，频差y_k＝(x_k+1-x_k)/τ。

根据计算式(6)可知，对原始时差数据进行重采样的方式舍弃了大量的有效时差数据；为了提高频率稳定度估计的置信度，重叠Hadamard方差不对原始数据重采样，而是利用所有间隔为τ的频差或时差采样值进行计算，即

此处的{x_i,i＝1,2,...,N}为间隔为τ₀，长度为N的原始钟差序列；y_i＝(x_i+m-x_i)/τ。

本发明实施例中，适合采用重叠Hadamard方差进行天基时间基准稳定度评估。

(2)频率准确度

频率准确度通常以实际输出频率相对于标称频率的偏差表征，但瞬时频率无法直接测量；为了准确评估天基系统时的频率准确度，基于最小二乘准则，以一元线性方程x＝a₀+a₁·t对每小时的钟差序列x(t+mτ)，m＝0,1,...,M(M为一小时内的历元数)进行拟合，可得一小时内M个历元的平均频率准确度并将其作为频率准确度的评价指标；

其中，钟差均值

采样时刻均值

(3)自主时间偏差

天基系统时的自主时间偏差即为在无外界干预条件下，天基系统时相对UTC时差的自主变化曲线，即Δt_TA-UTC；

Δt_{TA_UTC}(t)＝TA(t)-UTC(t) (9)

天基系统时相对UTC的时差Δt_TA-UTC可以通过以下方法得到：通过公式(1)得到天基系统时TA相对空间站参考钟的钟差Δt_TA-KJZ，通过公式(4)星地时间比对得到空间站参考钟相对UTC的钟差Δt_KJZ-UTC，将Δt_TA-KJZ-Δt_KJZ-UTC就可以得到天基系统时相对UTC的钟差Δt_TA-UTC。

当时间偏差Δt_TA-UTC超过预定指标约束时，就需要利用外部UTC对天基系统时进行时间驾驭，使其时差收敛。因此，自主时间偏差主要反映了天基时间基准的对地时间溯源能力和自主时间维持能力。

(4)预报误差

天基系统时以国际时间基准UTC为溯源基准。为了保证授时服务的准确性，天基系统时应当与UTC保持同步。广义的时间同步是指获取天基系统时相对UTC的时差，需要通过建立时间溯源链路获取。而当可对天基系统时进行准确预报时，可利用预报时差对天基系统时进行数学校正，从而降低向UTC溯源链路的建立频率。对天基系统时准的时差预报需积累一定弧段的时差数据建立时差预报模型，再利用预报模型进行时差的外推预报。而用于预报模型建立的时差弧段长度将对时差预报精度产生显著影响。

本发明一具体实施例中，假定空间站参考钟为T_KJZ，参与守时的北斗卫星原子钟为T_BDi，某地面站标准钟为T_UTC，包括以下步骤：

(1)以空间站参考钟T_KJZ为一级天基时频中心，参与守时的各北斗卫星守时原子钟T_BDi组成二级天基时频中心，二级时频中心的各卫星通过星间链路实现与一级时频中心的时间同步，得到T_BDi与T_KJZ的相对钟差Δt_BDi-KJZ；

(2)利用加权平均的时间尺度算法，并根据公式(1)、(2)计算生成天基系统时Δt_TA-KJZ；

(3)利用星地高精度时间比对方法，并利用公式(4)计算得到空间站参考钟相对UTC的时间偏差Δt_KJZ-UTC；

(4)累计15天时间内的天基系统时数据Δt_TA-KJZ，利用公式(7)对天基系统时的天稳和300秒稳定度进行评估；

(5)累计1小时内的天基系统时数据Δt_TA-KJZ，利用公式(8)对天基系统时的频率准确度进行评估；

(6)利用上述步骤(2)和(3)中得到Δt_TA-KJZ和Δt_KJZ-UTC，将Δt_TA-KJZ-Δt_KJZ-UTC，得到Δt_TA-UTC，分别计算自主运行10天、30天、60天后自主时间偏差Δt_TA-UTC；

(7)检查自主运行后的时间偏差Δt_TA-UTC是否超过指标约束，若超出指标，就需要利用外部UTC对天基时间基准进行时间或频率驾驭，使其时差收敛；

(8)累积2小时弧段的时间偏差数据Δt_TA-UTC，采用一次多项式拟合预报模型，预报未来2小时的钟差，并求RMSE；

(9)累积24小时的时间偏差数据Δt_TA-UTC，采用一次多项式拟合预报模型，预报未来24小时的钟差，并求RMSE；

(10)累积3天的时间偏差数据Δt_TA-UTC，采用二次多项式拟合预报模型，预报未来7天的钟差，并求RMSE；

累积10天的时间偏差数据Δt_TA-UTC，采用二次多项式拟合预报模型，预报未来60天的钟差，并求RMSE。

根据导航星座自主运行时间的长短，可分别从短期(2小时)、中期(1天)、长期(7天)、超长期(60天)对天基时间基准的溯源精度进行预报误差评估；其中，短期溯源能力评估方式为利用累积2小时弧段的时间偏差数据Δt_TA-UTC，拟合多项式预报模型，预报未来2小时的钟差，以预报均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)作为溯源精度评估指标；同理，中期评估采用24小时拟合弧段预报未来24小时的钟差；长期评估采用3天拟合弧段预报未来7天的钟差；超长期评估采用10天拟合弧段预报未来60天的钟差。中短期预报采用一次多项式预报模型，长期和超长期预报采用二次多项式模型。为保证预报精度统计结果的可靠性，采用滑动预报模式以获得多个统计样本，每次预报中拟合弧段和预报弧段向后滑动1小时，如图3。

针对卫星导航系统在自主运行期间会发生导航星座脱离地面运控系统支持而无法接入由地面时频系统所维持的导航系统时间从而导致导航系统自主运行能力降低的问题，本发明提出一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，通过综合利用导航卫星星载原子钟、空间站高精度原子钟以及其他空间各类轨段的高性能原子钟，采用星间时间比对得到星间相对钟差并利用加权时间尺度算法生成稳定统一的天基时间基准，最后联合星地高精度比对实现天基时间基准溯源；该方法建立的天基时间基准天稳定度达到7×10^-16，半年自主时间偏差约为1ns，比目前的GNSS系统时间性能提高了至少一个量级。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。

本发明再一实施例中，提供一种基于整网时间比对的天基时间基准建立系统，包括：

天基时频中心获取模块，用于以预设参考钟组成一级天基时频中心，以预设守时原子钟组成二级天基时频中心；

星间相对钟差序列获取模块，用于基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列；

天基时间基准系统时间获取模块，用于基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

以预设参考钟组成一级天基时频中心，以预设守时原子钟组成二级天基时频中心；

基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列；

基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，所述参考钟为空间站配置的高性能原子钟；

其中，所述一级时频中心能够通过星地高精度比对链路实现参考钟与地面标准时间UTC的溯源。

3.根据权利要求1所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，所述守时原子钟包括导航卫星搭载的星载原子钟以及其他空间在轨卫星搭载的原子钟。

4.根据权利要求1所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，所述基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间的步骤具体包括：

基于星间时间比对得到的各守时原子钟与参考钟的钟差信息，通过加权平均的时间尺度算法计算得到天基时间基准系统时间；

其中，所述时间尺度算法计算的步骤包括：将参考钟标记为“KJZ”，Clock_i(t)表示守时原子钟，i＝1，2，…，N，天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程表征形式为，

其中，KJZ(t)表示参考钟的时间；TA(t)-KJZ(t)为天基时间基准系统时间；Clock_i(t)-KJZ(t)指参与计算的各守时原子钟i相对参考钟的钟差比对数据；ω_i(t)表示各守时原子钟clock_i的权重；h_i′(t)是指各守时原子钟i相对天基时间基准系统时间的钟差h_i(t)的预报值，h_i(t)＝Clock_i(t)-TA(t)；

获取预设时间段的守时原子钟与参考钟的比对数据Δt_i-KJZ(t)，根据天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程计算获得对应时间段的天基时间基准系统时间Δt_TA-KJZ(t)；计算所述预设时间段的h_i(t)，计算表达式为h_i(t)＝Δt_i-KJZ(t)-Δt_TA-KJZ(t)；

对所述预设时间段的h_i(t)进行拟合建立钟差预报模型，对后续时刻的h_i(t)进行预报，相应的预报值作为所述天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程中的h_i′(t)；其中，在初始计算阶段，h_i(t)的预报模型尚未建立前，所述天基时间基准系统时间的时间尺度基本方程中不考虑预报项h_i′(t)。

5.根据权利要求2所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，所述基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列的步骤包括：

基于双向时差测量方法实现星地之间的时间偏差计算；其中，编号为1的空间站与地面站j之间互相发送和接收测距信号，ρ_1j表示空间站发地面站j收所测得的伪距值，ρ_j1表示空间站收地面站j发所测得的伪距值；

建立的空间站与地面站的双向测量方程表示为，

其中，|r_j1|、|r_1j|分别为真空中的空间信号几何传输时延；

分别为上下行的系统误差，ε_1j、ε_j1为星间链路测量噪声，表现为随机误差；Δt为空间站参考钟与地面站的时间偏差；

将上下行伪距值ρ_1j和ρ_j1做差，利用双向测量以对消掉部分链路系统误差；计算获得|r_j1|、|r_1j|上下行传输距离不一致所带来的误差Δd；空间站参考钟与地面站的相对钟差的计算表达式为，

Δt_KJZ-UTC＝Δt＝(ρ_1j-ρ_j1)/2c-Δd/2c。

6.根据权利要求1所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间之后还包括：

对天基时间基准系统时间性能进行评估；其中，进行评估时的评估指标包括频率稳定度、频率准确度、自主时间偏差和预报误差中的一个或多个。

7.根据权利要求6所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，所述对天基时间基准系统时间性能进行评估的步骤包括：

采用Hadamard方差进行频率稳定度性能评估；其中，Hadamard方差通过时差进行定义，表达式为，

其中，<·>为求期望运算；

对于有限个采样间隔为τ₀的原始时差序列，平滑时间τ＝m·τ₀时的Hadamard方差计算式为，

其中，{x_k,k＝1,2,...,M}为以τ为采样间隔对原始时差序列进行重采样得到的长度为M的钟差序列，M为时差数据点数，频差y_k＝(x_k+1-x_k)/τ；

基于Hadamard方差计算式，利用所有间隔为τ的频差或时差采样值进行计算，计算表达式为，

其中，{x_i,i＝1,2,...,N}为间隔为τ₀，长度为N的原始钟差序列；y_i＝(x_i+m-x_i)/τ。

8.根据权利要求6所述的一种基于整网时间比对的天基时间基准建立方法，其特征在于，所述对天基时间基准系统时间性能进行评估的步骤包括：

评估天基时间基准系统的频率准确度时，基于最小二乘准则，以一元线性方程x＝a₀+a₁·t对每小时的钟差序列x(t+mτ)进行拟合，获得一小时内M个历元的平均频率准确度并将其作为频率准确度的评价指标；

其中，

式中，m＝0,1,...,M，M为一小时内的历元数，钟差均值

采样时刻均值

9.一种基于整网时间比对的天基时间基准建立系统，其特征在于，包括：

天基时频中心获取模块，用于以预设参考钟组成一级天基时频中心，以预设守时原子钟组成二级天基时频中心；

星间相对钟差序列获取模块，用于基于参考钟和各个守时原子钟进行星间时间比对，获得星间相对钟差序列；

天基时间基准系统时间获取模块，用于基于所述星间相对钟差序列，采用预设的时间尺度算法生成天基时间基准系统时间。

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