CN115877415A - 一种超高精度空间航天器钟差估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高精度空间航天器钟差估计方法及系统，针对运行在不同轨道并搭载超高精度原子钟或原子钟组的空间航天器，在空间航天器上设置微波载荷和激光载荷，星载微波载荷设备采用双天线设置和采用三频四链路体制收发信号，星载激光载荷采用双向反射体制，借助不同频点的双上行和双下行微波链路观测值精确固定载波相位观测值中的整周模糊度和精确估计并监测大气时延误差，在上述基础上对各项误差建模消除以实现基于载波观测值和激光观测值的超高精度载波星地相对钟差估计，结合地面站钟钟差监测或预报结果实现准确度优于百皮秒的空间航天器钟差估计。

Description

一种超高精度空间航天器钟差估计方法及系统

技术领域

本发明属于空间时频传递技术领域，特别涉及一种基于微波链路和激光链路组合的超高精度卫星钟差估计方法及系统。

背景技术

对于不同轨道运行的空间航天器上搭载不同特性的高精度原子钟或原子钟组(优于1E-16)，结合空间环境优势和原子钟特性或可实现较地面同等或高一至两个量级的高精度空间时间频率信号源，并在空间建立天稳定度和不确定度优于1E-16量级的空间精密时间频率产生、运行和维持系统(空间精密时频系统)。为了实现基于空间精密时频系统的超高精度时间传递精度，需要设计稳定可靠的链路传输方案以实现超高精度的时间传递。目前激光和微波链路传输被证明是两种可行的高精度时间传递实现方式，然而它们都存在各自的脆弱性，激光链路在空间传输中受到大气湍流影响严重，数据可用率低，而微波链路传输通道时延情况复杂，导致无法在轨对硬件传输时延精确标定或建模。

空间航天器系统受限于搭载的星载原子钟精度和链路时间传递误差处理算法，在时间传递精度上始终无法进一步提高，目前空间时频传递效果较好的微波双向时间传递、精密单点定位时间传递和激光时间传递方法也仅能够达到ns量级的卫星钟差估计准确度，随着原子钟技术和载荷硬件水平的发展使得当前的时间传递方法已经无法进一步满足超高精度用户对于时频传递及其应用的需求。

因此考虑在空间航天器上搭载微波载荷和激光载荷进行组合星地测距，利用测距组合以实现一方的钟差估计，充分结合两种链路的测量优势，并设计合理可靠的微波链路和激光链路组合钟差估计算法实现超高精度的空间航天器钟差估计，从而为各级空间及地面高精度时间需求用户提供超高精度(准确度优于100ps)的时间服务。经文献检索，目前尚无人结合两种链路实现钟差估计，都是只用微波或激光测量钟差进行定位，或者使用微波和激光组合进行测距进而进行跟踪。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超高精度空间航天器钟差估计方法，借助不同频点的双上行和双下行微波链路观测值精确固定载波相位观测值中的整周模糊度和精确估计并监测大气时延误差，在上述基础上对各项误差建模消除以实现基于载波观测值和激光观测值的超高精度载波星地相对钟差估计，结合地面站钟钟差监测或预报结果实现准确度优于百皮秒的空间航天器钟差估计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，通过地面微波载荷时频传递天线向空间航天器微波载荷的接收天线S₂发射f₁和f₂频点的微波测距信号实现地面站和空间航天器之间的载波相位和伪距测量，获得f₁和f₂频点的上行观测值；通过空间航天器微波载荷的发射天线S₁向地面微波载荷时频传递天线发射f₁和f₃频点的微波测距信号实现地面站和空间航天器之间的载波相位和伪距测量，获得f₁和f₃频点的下行观测值；通过地面激光载荷向空间航天器激光载荷的发射波长为n₁的激光信号，经空间航天器激光载荷反射镜反射点J反射后激光信号返回到地面激光载荷实现地面站和空间航天器之间的激光测量，获得激光发射时刻t₀，空间航天器反射时刻t₁，地面站接收时刻t₂；通过精密定轨接收机获取来自不同导航星座卫星信号得到观测数据，利用观测数据计算得到空间航天器精密轨道数据，再结合星敏数据和地面精测数据计算得到微波载荷天线相位中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射点J的精密坐标；

步骤2，选择步骤1获得的载波相位观测值进行上下行配对组成双向单程测量载波组合，然后计算获得地面站和空间航天器时频设备之间的载波星地相对钟差值；

步骤3，计算并扣除载波星地相对钟差中的部分链路传输时延误差，得到还包含整周模糊度、大气时延误差和硬件传输时延组合误差的载波星地相对钟差估计值；其中，消除的部分链路传输误差包括运动时延误差(空间距离不对称误差和钟差非同时误差)、周期性相对论效应时延误差和引力时延误差；

步骤4，将f₁和f₂频点的上行观测值及f₁和f₃频点的下行观测值分别组合成双上行和双下行观测固定载波相位观测的整周模糊度，根据整周模糊度的结果进一步扣除载波星地相对钟差中的整周模糊度，得到不含整周模糊度的微波星地相对钟差；

步骤5，利用步骤1获得的观测值结合微波辐射计的大气数据估计大气时延误差(对流层和电离层误差)大小并监测影响，根据大气监测结果进一步并扣除载波星地相对钟差中的大气时延误差(包含对流层和电离层误差)，得到只包含硬件传输时延组合误差的微波星地相对钟差；

步骤6，根据步骤1获得的波长为n₁的激光测量值(包括激光发射时刻t₀、空间航天器激光载荷反射器反射时刻t₁、地面站接收时刻t₂)建模消除激光时间传递过程中的链路传输时延误差(包括运动时延误差和周期性相对论效应误差修正)，最终计算得到激光星地相对钟差；

步骤7，计算得到载波星地相对钟差中的硬件传输时延组合误差，然后进一步扣除载波星地相对钟差中的硬件传输时延组合误差，在扣除各项误差后结合地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差实现空间航天器高精度钟差估计。

所述的步骤1在组合模式下的测量过程中，包括微波测距和激光测距，其中，微波双向单程测量载波和微波双向单程伪距结果、双向激光测距结果组成的组合方程包括了空间航天器与地面站天线相互同时收或发的四个单向测量的载波测距结果和四个单向测量伪距结果，以及地面站发射激光信号经空间航天器上反射器反射回到地面站得到的激光测距结果；本发明通过精密定轨接收机接收GNSS星座的信号并处理得到观测数据，通过观测数据的计算得到空间航天器精密轨道数据，空间航天器精密轨道数据是空间航天器精密定轨接收机天线相位中心位置D，而空间航天器的载波相位和伪距测距作用点均为微波载荷天线相位中心S₁和S₂，激光测距作用点为激光载荷反射器反射点J，因此在数据处理时利用地面提前标定的各个载荷与精密定轨接收机天线相位中心之间的精密姿态和位置关系将精密轨道数据结果分别修正得到微波天线S₁、S₂的相位中心坐标值和激光载荷反射器反射点J的坐标值，计算流程如下：

1)利用空间航天器携带的星敏感器测量得到数据，数据处理后得到空间航天器的基准坐标系相对于地心惯性系J2000.0之间的姿态四元数根据姿态四元数q₄+q₁i+q₂j+q₃k，计算从空间航天器基准坐标系到地心惯性系J2000.0的旋转矩阵

2)根据rot_struct2eci计算地心惯性系J2000.0下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差Δr₁＝rot_struct2eci·Δr；其中，Δr为地面精测得到的空间航天器基准坐标系下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差；

3)计算地心惯性系J2000.0到地心地固系的旋转矩阵rot_eci2ecf，由此计算地心地固系下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差Δr₂＝rot_eci2ecf·Δr₁；

4)计算得到微波载荷天线中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射器反射点S在地心地固系下的位置P₁＝P₀+Δr₂＝P₀+rot_eci2ecf·rot_struct2eci·Δr，其中，P₀为精密定轨天线天线相位中心在地心地固系下的位置坐标；

5)根据地面标定和上述转换方法，得到微波载荷相位中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射点J的精密坐标。

所述的步骤1中，微波双向双程测量载波和伪距结果、双向激光测距结果组成的组合方程如下：

式中，A表示空间航天器，B表示地面站，G表示地面站微波载荷的微波时频天线，c为真空光速，λ为波长，N为载波相位对应的整周模糊度，t^Snd和t^Rcv分别为发射和接收时刻；

和/>

分别为f₁频点和f₃频点的下行测量伪距，S₁G代表传播路径，星载微波载荷时频天线S₁发射信号，地面站接收信号；/>

和/>

分别为f₁频点和f₂频点的上行测量伪距，GS₂代表传播路径，地面站发射信号，星载微波载荷时频天线S₂接收信号；/>

和/>

分别为f₁频点和f₃频点的下行测量载波相位，S₁G代表传播路径，星载微波载荷时频天线S₁发射信号，地面站接收信号；/>

和/>

分别为f₁频点和f₂频点的上行测量载波相位，GS₂代表传播路径，地面站发射信号，星载微波载荷时频天线天线S₂接收信号；/>

和/>

分别为空间航天器微波载荷对地时频天线S₁和S₂的相位中心位置矢量，R_G为地面站发射天线相位中心矢量，x_S和x_G分别为空间航天器和地面站钟差，δ^Snd和δ^Rcv为信号发射通道和接收通道的硬件传输时延，δ^rel为周期性相对论效应等效时延，δ^tro为对流层效应等效时延，δ^ion为对流层效应等效时延，δ^OF为相位中心偏移等效时延，δ^g是引力时延，ε为测距噪声；t₀为地面探测计时设备测量激光发射时刻，t₁为星载探测计时设备测量星载信号接收时刻，t₂为地面探测计时设备测量激光接收时刻，τ为激光信号在地面站与卫星间的往返时间间隔，由卫星激光测距测得，τ'_uplink和τ'_downlink分别为激光信号的上行传播时延和下行传播时延，由地面站激光发射时刻t₀和接收时刻t₂以及修正项计算得到。

所述的步骤2中，利用频点为f₁的上下行载波相位观测值计算微波星地相对钟差。实现微波星地相对钟差估计的双方分别为地面站G和空间航天器S，由于空间航天器S的上下行信号收发天线相位中心分别为S₁和S₂并不一致，且空间航天器高速运动，导致星地双向载波观测值中包含了不同时刻空间航天器位置与钟差信息，为此需要将f₁频点双向载波中包含的时空信息归算至同一时刻t，则t时刻的空间航天器与地面站的微波星地相对钟差表达式为：

式中，Δδ^mov/2表示双向钟差解算过程中的运动时延误差总和。地面站钟钟差x_G可以通过地面站钟钟差监测设备得到监测钟差结果或预报钟差，那么空间航天器钟差x_G在修正各项误差后得到。

所述的步骤3通过建模消除载波星地双向钟差估计过程中的运动时延误差(包含空间距离不对称误差和钟差非同时误差)，修正模型如下：

式中，当归算时刻t足够接近发射或接收时刻时运动时延误差越小，式中的空间航天器时频天线相位中心位置矢量R通过步骤1获得，空间航天器钟差x_S通过广播星历或精密星历获得，地面站钟差x_G通过迪地面监测设备得到监测钟差结果或预报钟差。

所述的步骤3通过对空间航天器受到的摄动力分析建立高阶相对论模型消除载波星地双向钟差估计过程中的周期性相对论效应误差，修正模型如下：

式中，Δδ^rel表示双向钟差解算过程中的周期性相对论效应总时延误差，

代表t时刻目标i的相对论效应等效时延，i＝G或S₁或S₂，分别代表地面站相位中心、微波载荷天线相位中心S₁、微波载荷天线相位中心S₂，a是空间航天器轨道半长轴，e是轨道偏心率，E是轨道偏心距，GM是地球的地心引力常数，r_s是地心距离，V是地球非球面扰动电位，a_E是地球赤道的半长轴，/>

是纬度，ξ是东经，/>

为关联的勒让德函数，B(A_lm,B_lm)是地球引力势的系数。

所述的步骤3针对星地测距信号空间传播过程中地面站和空间航天器相对地心的位置变化引起载波星地双向钟差估计过程中的引力时延误差，建立双向引力时延修正模型进行修正，模型如下：

式中，d_AB(t₁,t₂)＝|R_A(t₁)-R_B(t₂)|,r_G、

和/>

分别是地面站相位中心G、微波载荷天线S₁和天线S₂到地球中心的距离。

所述的步骤4利用卫星和地面站互发互收测距信号得到的f₁和f₂频点的上行观测值

和/>

及f₁和f₃频点的下行观测值/>

和/>

将观测值组合成上行和下行观测对来固定载波相位观测的整周模糊度，具体计算方法如下：

1)利用测距组合分别计算双上行和双下行的宽巷观测值

和窄巷观测值/>

式中，c为光速；ρ为伪距；Φ是载波相位；δ为电离层等效延迟；λ为波长；N为整周模糊度；ρ^*为所有与信号频率无关的误差综合；下标w、n、1，2，3分别表示宽巷、窄巷、f₁、f₂和f₃；上标up和down分别表示对应上行和下行。

2)分别将宽巷观测值和窄巷观测值方程组中的第一个式子代入第四个式子，计算得到窄巷整周模糊度

和/>

3)分别将宽巷观测值和窄巷观测值方程组中的第二个式子代入第三个式子，以计算得到宽巷整周模糊度

和/>

4)利用不同时刻的观测值重复步骤2)和3)，得到宽巷模糊度

和窄巷模糊度/>

利用得到的宽巷和窄巷模糊度计算微波双向双程测量载波和伪距结果、双向激光测距结果组成的组合方程中的整周模糊度N₁、N₂、N₃和N₄，/>

所述的步骤5中，结合利用卫星和地面站互发互收测距信号得到的f₁和f₂频点的上行载波观测值

和/>

及f₁和f₃频点的下行载波观测值/>

和/>

分别组合成双上行和双下行观测，然后再结合微波辐射计的大气数据估计大气(电离层和对流层)时延误差大小，计算方法如下：

1)根据所选地面站点，将历史大气数据和微波辐射计监测数据作为输入计算出对应网格的折射率，然后利用三维射线追踪计算生成大量的对流层色散延迟样本，根据样本训练并构建基于双频对流层色散延迟之差与表面干压Pd、水汽压Pw、温度T的对流层色散时延模型，利用不同频点组合的对流层色散时延模型准确修正对流层误差影响，不同频点链路组合的对流层模型如下：

①对于双上行链路的对流层折射误差修正模型为：

②对于双下行链路的对流层折射误差修正模型为：

③对于上下行链路的对流层折射误差修正模型为：

式中，θ表示仰角，通过空间航天器的精密或广播轨道与地面站精密位置计算得到；表面干压P_d、水汽压P_w、温度T通过地面微波辐射计设备测量得到，上标up和down分别代表上行和下行链路测得的大气参数；α、β和γ分别为三套模型的系数，通过对流层色散延迟样本训练建模得到；

根据计算得到的上下行链路对流层误差结果修正t时刻的空间航天器与地面站的微波星地相对钟差表达式中的对流层误差Δδ^tro；

2)电离层折射误差通过载波双上行和双下行链路计算修正，计算流程如下：

①得到载波双上行链路的载波观测量组合如下：

得到载波双下行链路的载波观测量组合如下：

②将双上行和双上行载波观测量分别差分，得到双上行两个频点的电离层误差差分值

和双下行两个频点的电离层误差差分值/>

其中，

其中，

式中，

依据高精度轨道信息进行修正，/>

依据地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差和精密星历进行修正，/>

依据对流层折射误差修正模型进行修正，/>

依据整周模糊度公式修正，/>

参考周期性相对论修正模型进行修正，/>

参考引力时延修正模型进行修正，/>

在地面粗略标定得到；

计算得到双上行电离层误差差分值

和双下行电离层误差差分值/>

进一步得到接收天线S₂和发射天线S₁所接收或发射信号穿过电离层的STEC值，/>

式中，

f是频率，B₀是地磁场的强度，θ为地磁场方向与电磁信号传播方向之间的夹角，m为电子的质量，e为电子电荷量，ε₀为空气中携带的介质，μ₀为真空中的磁导率；

根据计算得到的信号路径对应的STEC值监测不同路径的电离层效应，并根据监测结果计算修正电离层效应Δδ^ion，

所述的步骤6中，用双向激光测距方程最后两个式子计算激光星地相对钟差，实现激光星地相对钟差估计的双方分别为地面站G和空间航天器S，并假设地面站和空间航天器之间的钟差为Δt_j，则t₁时刻的空间航天器与地面站的相对钟差表达式为：

其中，

x_G为地面站钟差，根据地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差得到，R_J为空间航天器激光载荷反射点J的位置矢量，V_J为空间航天器激光载荷反射点J的速度矢量，R_JG为地面站激光信号发射器的相位中心矢量，V_JG为地面站激光信号发射器的速度矢量；τ_Cal为各类修正项，其中的Δτ_dis和Δτ_clk根据上述精密轨道和钟差计算修正，Δτ_rel参考相对论修正模型计算修正，以上操作均在ECI坐标系下进行。

所述的步骤7中，将计算得到的激光星地相对钟差估计值和消除整周模糊度、周期性相对论、引力时延、大气误差后的载波星地相对钟差进行差分，得到一段时间内的硬件传输时延组合误差，然后将其估计为一个常数，这个常数短在时间内作为载波星地钟差中的硬件传输时延组合误差，计算如下：

式中，

表征在时间区间[t_m,t_n]内的硬件时延组合误差估计值。

本发明还提供一种实现上述方法的超高精度空间航天器钟差估计系统，包括：

地面设备，其向空间航天器的星载微波载荷发射频点为f₁和f₃的上行微波信号，并接收空间航天器星载微波载荷发射的频点为f₁和f₂的下行微波信号；其向空间航天器的星载激光载荷反射波长为n₁的上行激光信号，并记录发射信号时刻；其接收经过空间航天器星载激光载荷反射回来的波长为n₁的下行激光信号，并记录接收信号时刻；

星载设备，其接收地面微波设备发射的频点为f₁和f₃的微波信号，并向地面发射频点为f₁和f₂的微波信号；其反射并探测来自地面波长为n₁的激光信号，记录信号反射时刻；

所述的地面设备包括：

产生所述f₁和f₃频点微波信号的地面微波载荷；

产生所述n₁波长激光信号的地面激光载荷，其同时能接收空间航天器激光反射器反射回来的n₁波长激光信号；

产生高精度时间频率信号的原子钟，其向所述的地面微波载荷和激光载荷提供超高精度的时频信号；

获取大气参数的微波辐射计；

与所述地面微波载荷连接的微波时频传递天线，其一方面将所述微波信号发射至空间航天器，另一方面接收从空间航天器上发射的所述不同频段的微波信号；

地面数据传输系统，其接收所述微波测距信号下传的载波相位和伪距观测数据，接收所述激光测距信号下传的激光测距观测数据，接收微波辐射计的数据；

与所述地面数据传输系统连接的星地时频链路控制中心，其计算得到空间航天器精密轨道数据，并利用得到的空间航天器精密轨道估计所述空间航天器钟和地面站钟的相对钟差，并进一步估计出空间航天器的钟差；

所述的星载设备包括：

产生所述f₁和f₂频点微波信号的空间航天器微波载荷；

探测并反射所述n₁波长激光信号的空间航天器激光载荷；

产生高精度时间频率信号的原子钟或原子钟组，其向所述的空间航天器微波载荷、激光载荷以及精密定轨接收机提供高精度的时频信号；

与所述空间航天器微波载荷连接的微波时频传递对地天线S₁，其将所述频点f₁和f₃的微波信号发射至地面微波载荷；

与所述空间航天器微波载荷连接的微波时频传递对地天线S₂，其接收从地面微波载荷发射的所述f₁和f₂频点的微波信号；

精密定轨接收机，接收机天线对天，能够接收来自不同导航星座卫星信号得到观测数据；

星敏感器，其通过测量获得空间航天器的基准坐标系相对于地心惯性系J2000.0之间的姿态四元数数据；

空间数据传输系统，其向地面发射所述的微波测距信号下传的观测数据、轨道观测数据和钟差数据。

本发明的有益效果是：通过对激光双向链路和微波三频四链路的组合模式下，综合测距信息和轨道信息进行处理后，利用双天线同频载波测距估计星地相对钟差，并设计结合激光双向链路对微波双向时间传递过程中的各项误差进行逐项精密补偿，其中包括运动时延误差、周期性相对论效应误差、引力时延误差、大气误差和硬件时延组合误差的改正，在载波双向模式下的运动时延误差需要结合定轨接收机、星敏感器和地面精测数据做精密定轨和数据转换得到精确载荷天线位置进一步建模修正运动时延误差，周期性相对论误差修正需要分析航天器受摄动力影响情况建立高阶相对论修正模型改正，这区别于传统低阶模型，引力时延误差修正需要建立双向引力时延修正模型改正，大气对流层误差借助于微波辐射器和历史数据分别建立双上行、双下行和上下行对流层误差修正模型以监测和修正对流层影响，电离层误差利用精密轨道数据和部分误差修正技术建立双上行、双下行和上下行电离层修正模型以监测和修正电离层影响，硬件时延组合误差的估计需要借助激光双向钟差估计方法和结果的部分有效数据(无湍流影响)与载波双向相对钟差联合建立硬件时延组合误差估计模型修正，充分发挥微波链路和激光链路的优势实现超高精度的钟差估计，结果可满足优于百ps级空间航天器钟差估计准确度的需求。

附图说明

图1是本发明的基于微波链路和激光链路组合的超高精度空间航天器钟差估计系统结构图；

图2是本发明的星载设备及其安装位置示意图；

图3是本发明的基于微波链路和激光链路组合的超高精度空间航天器钟差估计方案流程图；

图4是本发明的微波链路和激光链路组合测量示意图；

图5是本发明的基于微波链路的载波星地钟差估计原理图；

图6是本发明的基于激光链路的星地钟差估计原理图。

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。

针对运行在不同轨道并搭载超高精度原子钟或原子钟组(天稳优于1E-16@1day)的空间航天器，借助高水平载荷和超高精度误差处理算法，通过星地微波和激光链路均可以单独实现超高精度的空间航天器钟差估计，但是单独的激光链路受大气湍流影响大数据可用率低，而单独微波链路无法精确解耦载荷信号收发通道的硬件传输时延误差，为了获得更好的空间航天器估计钟差准确度，本发明的目的在于提出一种基于微波链路和激光链路组合的超高精度空间航天器钟差估计方法及系统，在空间航天器上设置微波载荷和激光载荷，星载微波载荷设备采用双天线设置和采用三频四链路体制收发信号，星载激光载荷采用双向反射体制，在微波链路和激光链路组合模式下，利用适当的参数设置及超高精度的误差修正技术，该系统及方法能够实现百皮秒级的空间航天器钟差估计准确度，该组合估计模式可充分发挥微波和激光链路的优点。

本发明实施例的一种基于微波链路和激光链路组合的超高精度空间航天器钟差估计系统，请参阅图1。其中星载设备及其安装位置请参阅图2。

本发明实施例的一种基于微波链路和激光链路组合的超高精度空间航天器钟差估计方法，请参阅图3和图4，具体包括以下步骤：

(1)通过空间航天器微波载荷设备发射天线S₁向地面发射频点f₁和f₃的微波信号，同时其接收天线S₂接收地面发射的频点为f₁和f₂的微波信号可实现空间航天器和地面站之间的三频四链路的载波相位和伪距测量。

三频四链路的一次测量过程中，通过空间航天器微波载荷和地面站双方互发测距信号供对方测量，然后交换测量数据，进行解算、配对、归类，从而可得到用于时间传递的不同天线同频双向单程载波相位测量值组合

图5中，需要实现时间传递的双方分别为空间航天器A和地面站B，航天器A的对地天线S₁在

时刻发射频点为f₁的微波信号，该信号经过空间航天器A发射设备硬件时延、整周模糊度、链路传输误差，并经过地面站接收设备的设备硬件时延后，最终在地面站B的/>

时刻被检测，得到信号下行载波相位观测值/>

同理，地面站B在/>

时刻发射频点为f₁的微波信号，空间航天器A的对地天线S₂在/>

时刻检测到该信号，得到信号上行载波相位观测值/>

则一次同频双向单程载波相位测量组合方程为：

式中，c为真空光速，λ为波长，t^Snd和t^Rcv分别为发射和接收时刻，

和/>

分别为f₁频点的下行测量载波相位和f₁频点的上行测量载波相位；/>

和/>

分别为空间航天器微波载荷对地时频天线S₁和S₂的相位中心位置矢量，x_S和x_G分别为空间站和地面站钟差，δ^Snd和δ^Rcv为信号发射通道和接收通道的硬件传输时延(下标G代表地面站的天线，S代表空间航天器的不同天线)，δ^rel为周期性相对论效应等效时延，δ^tro为对流层效应等效时延,δ^ion为对流层效应等效时延,δ^OF为相位中心偏移等效时延，δ^g是引力时延，ε为测距噪声。

(2)利用不同天线的同频双向单程载波相位观测值计算空间航天器与地面站之间的相对钟差

将式(1)中双向载波中包含的时空信息归算至同一时刻t，然后将归算后的上下行载波相位测量差分可以得到空间航天器和地面站的在t时刻的载波星地相对钟差值Δt_w，计算表达式如下：

式中，Δδ^mov/2表示双向钟差解算过程中的运动时延误差总和，其余参数含义与(1)式中一致。地面站钟钟差x_G可以通过地面站钟钟差监测设备得到监测钟差结果或预报钟差，那么空间航天器钟差x_G在修正各项误差后得到。

(3)空间航天器载荷关键点精确位置计算

为了在计算相对钟差过程中能够对各项误差精确建模，需要提供空间航天器上搭载的其他载荷的精密位置信息，然而常规的定轨只能得到空间航天器质心或定轨接收机相位中心的位置信息，因此需要结合搭载的星敏感器数据和地面标定结果利用下面方法转换得到微波载荷和激光载荷关键点的精密坐标信息，计算流程如下：

1)利用空间航天器携带的星敏感器测量得到数据，数据处理后可以得到空间航天器的基准坐标系相对于地心惯性系J2000.0之间的姿态四元数根据姿态四元数q₄+q₁i+q₂j+q₃k，可以计算从空间航天器基准坐标系到地心惯性系J2000.0的旋转矩阵rot_struct2eci：

2)根据rot_struct2eci计算地心惯性系J2000.0下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差Δr₁为：

Δr₁＝rot_struct2eci·Δr (4)

其中，Δr为地面精测得到的空间航天器基准坐标系下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差。

3)采用已有的算法可以直接计算地心惯性系J2000.0到地心地固系的旋转矩阵，令其为rot_eci2ecf，由此可计算地心地固系下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差Δr₂为：

Δr₂＝rot_eci2ecf·Δr₁ (5)

4)最后可以计算得到微波载荷天线中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射器反射点S在地心地固系下的位置P₁为：

P₁＝P₀+Δr₂ (6)

其中，P₀为精密定轨天线天线相位中心在地心地固系下的位置坐标。

5)整体的计算公式可以表示为：

P₁＝P₀+rot_eci2ecf·rot_struct2eci·Δr (7)

6)根据地面标定和上述转换方法，可得到微波载荷相位中心S₁和S₂在ECEF下的精密坐标，以及激光载荷反射点J在ECEF下的精密坐标。

(4)载波相位整周模糊度固定

利用载波相位进行星地测距过程中存在整周模糊度，因此整周模糊度的求解是实现高精度相对钟差估计的基础。

参阅图5，三频四链路的一次测量过程中，通过空间航天器微波载荷和地面站双方互发测距信号供对方测量，然后交换测量数据，进行解算，配对，归类，得到用于固定整周模糊度的上行和下行载波及伪距测量值组合，并基于测距组合(上行：

和

下行：/>

和/>

)固定相对钟差估计过程的载波相位整周模糊度：

1)利用测距组合分别计算双上行和双下行的宽巷和窄巷观测值分别如下式(8)和式(9)：

式中，c为光速；ρ为伪距；Φ是载波相位；δ为电离层等效延迟；λ为波长；N为整周模糊度；ρ^*为所有与信号频率无关的误差综合；下标w、n、1，2，3分别表示宽巷、窄巷、f₁、f₂和f₃；上标up和down分别表示对应上行和下行。

2)分别将式(8)和(9)方程组中的第一个式子代入第四个式子可以计算得到窄巷整周模糊度

和/>

计算如下：

3)将式(8)和(9)方程组中的第二个式子代入第三个式子可以计算得到宽巷整周模糊度

和/>

计算如下：

4)利用不同时刻的大量观测值重复2)和3)步骤的计算可以得到最合理有效的宽巷模糊度

和/>

和窄巷模糊度/>

和/>

利用上述计算得到的宽巷和窄巷模糊度计算式(2)中的整周模糊度N₁、N₂、N₃和N₄，计算如下：

(5)载波星地相对钟差估计中的链路传输误差修正

为了提高载波星地相对钟差估计准确度，还需要对公式(2)中包含的各项链路传输误差项进行修正，各项误差的修正方法分别如下：

1)星地相对钟差估计中的相对运动时延误差修正

空间航天器和地面站之间总是存在高速相对运动，这将导致信号传播路径和信号收发时刻差异，不可避免的将引起传输链路上额外时延误差，针对载波星地相对钟差解算过程中耦合的运动时延误差Δδ^mov/2可通过精确建模估计并消除，计算如下：

式中，当归算时刻t足够接近发射或接收时刻时运动时延误差越小，空间航天器钟差x_S可以通过广播星历或精密星历获得，地面站钟差x_G可以通过迪地面监测设备得到监测钟差结果或预报钟差，地面站发射天线相位中心G位置矢量R_G可以通过地面精确标定和ECEF-ECI坐标转换得到，空间航天器微波载荷时频天线S₁和S₂的相位中心位置矢量可根据式(7)和ECEF-ECI坐标转换得到。

2)星地相对钟差估计中的周期性相对论误差修正

周期性相对论效应是由于空间航天器所处位置的轨道偏心率引起的，导致测距信号在传播过程中存在偏差，此项误差极大影响了载波星地双向钟差估计准确度，因此需要建立高阶相对论模型消除载波星地双向钟差估计过程中的周期性相对论效应误差，修正模型如下：

式中，Δδ^rel表示双向钟差解算过程中的周期性相对论效应总时延误差，

代表t时刻目标i(i＝G或S₁或S₂，分别代表地面站相位中心、微波载荷天线相位中心S₁、微波载荷天线相位中心S₂)的相对论效应等效时延，c是光速，a是空间航天器轨道半长轴，e是轨道偏心率，E是轨道偏心距，GM是地球的地心引力常数，r_s是地心距离，V是地球非球面扰动电位，a_E是地球赤道的半长轴，/>

是纬度，ξ是东经，/>

为关联的勒让德函数，B(A_lm,B_lm)是地球引力势的系数。

3)星地相对钟差估计中的引力时延误差修正

在百ps级的空间航天器钟差估计准确度约束下，需要充分考虑式(2)中由地球中心引力引起的引力时延Δδ^g，该项误差需要通过精确建模消除，模型如下：

式中，d_AB(t₁,t₂)＝|R_A(t₁)-R_B(t₂)|,r_G、

和/>

分别是地面站相位中心G、微波载荷天线S₁和天线S₂到地球中心的距离。

4)大气监测及星地相对钟差估计中的大气误差修正

由于发射和接收信号的传输路径并不一致，这导致信号穿过的大气环境并不完全重合，这带来了额外的大气环境误差，主要是对流层和电离层误差，因此需要计算评估大气误差的影响并修正，对流层和电离层监测修正方法分别如下：

(1)对流层误差监测及修正

根据所选地面站点，将历史大气数据和微波辐射计监测数据作为输入计算出对应网格的折射率，然后利用三维射线追踪计算生成大量的对流层色散延迟样本，根据样本训练并构建基于双频对流层色散延迟之差与表面干压Pd、水汽压Pw、温度T等相关参数的对流层色散时延模型，利用不同频点组合的对流层色散时延模型可以准确修正对流层误差影响，参阅图5，不同频点链路组合的对流层模型如下：

①对于双上行链路(对应

和/>

)的对流层折射误差修正模型为：

②对于双下行链路(对应

和/>

)的对流层折射误差修正模型为：

③对于上下行链路(对应

和/>

)的对流层折射误差修正模型为：

式中，θ表示仰角可通过空间航天器的精密或广播轨道与地面站精密位置计算得到；表面干压P_d、水汽压P_w、温度T通过地面微波辐射计设备测量得到，上标up和down分别代表上行和下行链路测得的大气参数；α、β和γ分别为三套模型的系数，是通过对流层色散延迟样本训练建模得到。

根据式(20)计算得到的的对流层误差结果修正式(2)中的对流层误差Δδ^tro。

(2)电离层误差监测及修正

电离层折射误差通过载波双上行(频率分别为f₁、f₂)和双下行(频率分别为f₁、f₃)链路计算修正，计算方法及流程如下；

①参阅图5，有载波双上行和双下行链路的载波观测量组合分别如下：双上行：

双下行：

②将(21)和(22)中的双上行和双上行载波观测量分别差分可分别得到双上行两个频点的电离层误差差分值

和双下行两个频点的电离层误差差分值/>

分别计算如下：/>

双上行电离层差为：

其中，

双下行电离层差为：

其中，

式(23)～(26)中，

可依据高精度轨道信息进行修正，/>

可依据地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差和精密星历进行修正，/>

可依据式(18)和(19)的对流层折射误差修正模型进行修正，/>

可依据式(14)修正，/>

可参考式(16)的周期性相对论修正模型进行修正，/>

可参考式(17)的引力时延修正模型进行修正,/>

可在地面粗略标定得到。/>

根据式(23)和(25)可计算得到双上行电离层误差差分值

和双下行电离层误差差分值/>

进一步可以得到接收天线S₂和发射天线S₁所接收或发射信号穿过电离层的STEC值，计算如下：

式中，

f是频率，B₀是地磁场的强度，θ为地磁场方向与电磁信号传播方向之间的夹角，m为电子的质量，e为电子电荷量，ε₀为空气中携带的介质，μ₀为真空中的磁导率。

根据式(27)计算得到的信号路径对应的STEC值可监测不同路径的电离层效应，并根据监测结果计算修正式(7)中的电离层效应Δδ^ion，计算如下：

(6)利用激光双向链路辅助估计载波星地相对钟差解算过程中的硬件时延组合误差

1)激光双向钟差解算

参阅图6，利用双向激光测距结果可以解算出地面站和空间航天器的相对钟差，计算如下：

其中，

式中，x_G为地面站钟差(可根据地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差得到)，R_J为空间航天器激光载荷反射点J的位置矢量，V_J为空间航天器激光载荷反射点J的速度矢量，R_JG为地面站激光信号发射器的相位中心矢量，V_JG为地面站激光信号发射器的速度矢量；τ_Cal为各类修正项，其中的Δτ_dis和Δτ_clk可根据上述精密轨道和钟差计算修正，其中Δτ_rel可参考式(9)的相对论修正模型计算修正，以上操作均在ECI坐标系下进行。

2)计算硬件时延组合误差估计值

硬件时延值短期内在一个常数附近抖动，变化趋势不明显，对相对钟差稳定度影响不大，但是其由于其存在一个固定偏差，因此为了更好的得到相对钟差的估计准确度，需要将这个常数值估出来，在经过上述(1)～(5)步骤后可以基本上模糊度误差和链路传输误差，然后借助激光链路计算钟差可以较为准确的估计出微波双向中存在的硬件时延组合误差，计算如下：

式中，

表征在时间区间[t_m,t_n]内的硬件时延组合误差估计值。

(7)空间航天器钟差估计

在式(2)经过各项误差修正后得到相对钟差，然后基于地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差可以实现空间航天器高精度钟差估计，可以解算出空间航天器任一时刻钟差x_S(t)。

参阅图3至图6，本发明实施例中，假定实现时间传递的两方分别为LEO卫星和地面站，则以LEO卫星钟差估计为例进行说明，在微波三频四链路和激光双向反射组合体制下，假定微波上下行信号以同发或同收进行测距，其LEO星载设备的发射天线相位中心S₁和接收天线相位中心S₂，则实现LEO卫星高精度钟差估计的具体步骤如下：

步骤1，LEO卫星的发射天线S₁在

时刻发射频点为f₁的微波信号，该信号经过LEO发射设备硬件时延、整周模糊度、链路传输误差，并经过地面站接收设备的设备硬件时延后，最终在地面站B的/>

时刻被检测，得到信号下行载波相位观测值/>

同理，地面站B在

时刻发射频点为f₁的微波信号，LEO卫星的对地天线S₂在/>

时刻检测到该信号，得到信号上行载波相位观测值/>

则一次同频双向单程载波相位测量组合方程为：

式中，c为真空光速，λ为波长，t^Snd和t^Rcv分别为发射和接收时刻，

和/>

分别为f₁频点的下行测量载波相位和f₁频点的上行测量载波相位；/>

和/>

分别为空间航天器微波载荷对地时频天线S₁和S₂的相位中心位置矢量，x_S和x_G分别为空间站和地面站钟差，δ^Snd和δ^Rcv为信号发射通道和接收通道的硬件传输时延(下标G代表地面站的天线，S代表空间航天器的不同天线)，δ^rel为周期性相对论效应等效时延，δ^tro为对流层效应等效时延,δ^ion为对流层效应等效时延,δ^OF为相位中心偏移等效时延，δ^g是引力时延，ε为测距噪声。

步骤2，将步骤1配对的双向载波中包含的时空信息归算至同一时刻t，然后将归算后的上下行载波相位测量差分可以得到空间航天器和地面站的在t时刻的载波星地相对钟差值Δt_w表达式：

步骤3，误差修正

通过误差建模的方式对步骤2中相对钟差结果包含的各项误差按顺序进行逐项修正，分别修正整周模糊度、运动时延误差、周期性相对论误差、引力时延误差、大气误差(对流层误差和电离层误差)和硬件时延误差。修正运动时延误差时所使用的位置信息应该是微波载荷天线相位中心精密位置，这个精密位置文件可以通过结合定轨天线相位中心精密定轨数据、地面精测数据和星敏感器数据计算得到；周期性相对论误差通过分析卫星受力情况构建高阶相对论修正模型进行精确修正；大气误差监测和修正需要利用微波辐射计监测数据建立双上行、双下行和上下行观测组合建立大气误差修正模型进行修正和监测；双向的硬件时延误差是组合误差，通过结合激光双向钟差估计结果定期估计修正。

步骤4，计算LEO卫星高精度钟差估计值x_S(t)

通过(32)估计出的相对钟差结果和各项误差建模修正后，解算得到LEO卫星和地面站之间的真实双向钟差为Δt，然后结合各个时刻的地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差可以实现空间航天器高精度钟差估计，可以解算出LEO卫星的某一时刻估计钟差x_S(t)。

Claims (9)

1.一种超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过地面微波载荷时频传递天线向空间航天器微波载荷的接收天线S₂发射f₁和f₂频点的微波测距信号实现地面站和空间航天器之间的载波相位和伪距测量，获得f₁和f₂频点的上行观测值；通过空间航天器微波载荷的发射天线S₁向地面微波载荷时频传递天线发射f₁和f₃频点的微波测距信号实现地面站和空间航天器之间的载波相位和伪距测量，获得f₁和f₃频点的下行观测值；通过地面激光载荷向空间航天器激光载荷的发射波长为n₁的激光信号，经空间航天器激光载荷反射镜反射点J反射后激光信号返回到地面激光载荷实现地面站和空间航天器之间的激光测量，获得激光发射时刻t₀，空间航天器反射时刻t₁，地面站接收时刻t₂；通过精密定轨接收机获取来自不同导航星座卫星信号得到观测数据，利用观测数据计算得到空间航天器精密轨道数据，再结合星敏数据和地面精测数据计算得到微波载荷天线相位中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射点J的精密坐标；

步骤2，选择步骤1获得的载波相位观测值进行上下行配对组成双向单程测量载波组合，然后计算获得地面站和空间航天器时频设备之间的载波星地相对钟差值；

步骤3，计算并扣除载波星地相对钟差中的部分链路传输时延误差，得到还包含整周模糊度、大气时延误差和硬件传输时延组合误差的载波星地相对钟差估计值；其中，消除的部分链路传输误差包括运动时延误差、周期性相对论效应时延误差和引力时延误差；

步骤4，将f₁和f₂频点的上行观测值及f₁和f₃频点的下行观测值分别组合成双上行和双下行观测固定载波相位观测的整周模糊度，根据整周模糊度的结果进一步扣除载波星地相对钟差中的整周模糊度，得到不含整周模糊度的微波星地相对钟差；

步骤5，利用步骤1获得的观测值结合微波辐射计的大气数据估计大气时延误差大小并监测影响，根据大气监测结果进一步并扣除载波星地相对钟差中的大气时延误差，得到只包含硬件传输时延组合误差的微波星地相对钟差；

步骤6，根据步骤1获得的波长为n₁的激光测量值建模消除激光时间传递过程中的链路传输时延误差，最终计算得到激光星地相对钟差；

步骤7，计算得到载波星地相对钟差中的硬件传输时延组合误差，然后进一步扣除载波星地相对钟差中的硬件传输时延组合误差，在扣除各项误差后结合地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差实现空间航天器高精度钟差估计。

2.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤1在组合模式下的测量过程中，利用地面提前标定的各个载荷与精密定轨接收机天线相位中心之间的精密姿态和位置关系将精密轨道数据结果分别修正得到微波天线S₁、S₂的相位中心坐标值和激光载荷反射器反射点J的坐标值，计算流程如下：

1)利用空间航天器携带的星敏感器测量得到数据，数据处理后得到空间航天器的基准坐标系相对于地心惯性系J2000.0之间的姿态四元数根据姿态四元数q₄+q₁i+q₂j+q₃k，计算从空间航天器基准坐标系到地心惯性系J2000.0的旋转矩阵

2)根据rot_struct2eci计算地心惯性系J2000.0下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差Δr₁＝rot_struct2eci·Δr；其中，Δr为地面精测得到的空间航天器基准坐标系下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差；

3)计算地心惯性系J2000.0到地心地固系的旋转矩阵rot_eci2ecf，由此计算地心地固系下从精密定轨天线相位中心到微波载荷天线中心或激光载荷反射器反射点的位置偏差Δr₂＝rot_eci2ecf·Δr₁；

4)计算得到微波载荷天线中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射器反射点S在地心地固系下的位置P₁＝P₀+Δr₂＝P₀+rot_eci2ecf·rot_struct2eci·Δr，其中，P₀为精密定轨天线天线相位中心在地心地固系下的位置坐标；

5)根据地面标定和上述转换方法，得到微波载荷相位中心S₁和S₂精密坐标，以及激光载荷反射点J的精密坐标；

所述的步骤1中，微波双向双程测量载波和伪距结果、双向激光测距结果组成的组合方程如下：

式中，A表示空间航天器，B表示地面站，G表示地面站微波载荷的微波时频天线，c为真空光速，λ为波长，N为载波相位对应的整周模糊度，t^Snd和t^Rcv分别为发射和接收时刻；

和/>

分别为f₁频点和f₃频点的下行测量伪距，S₁G代表传播路径，星载微波载荷时频天线S₁发射信号，地面站接收信号；/>

和/>

分别为f₁频点和f₂频点的上行测量伪距，GS₂代表传播路径，地面站发射信号，星载微波载荷时频天线S₂接收信号；/>

和/>

分别为f₁频点和f₃频点的下行测量载波相位，S₁G代表传播路径，星载微波载荷时频天线S₁发射信号，地面站接收信号；/>

和/>

分别为f₁频点和f₂频点的上行测量载波相位，GS₂代表传播路径，地面站发射信号，星载微波载荷时频天线天线S₂接收信号；/>

和/>

分别为空间航天器微波载荷对地时频天线S₁和S₂的相位中心位置矢量，R_G为地面站发射天线相位中心矢量，x_S和x_G分别为空间航天器和地面站钟差，δ^Snd和δ^Rcv为信号发射通道和接收通道的硬件传输时延，δ^rel为周期性相对论效应等效时延，δ^tro为对流层效应等效时延，δ^ion为对流层效应等效时延，δ^OF为相位中心偏移等效时延，δ^g是引力时延，ε为测距噪声；t₀为地面探测计时设备测量激光发射时刻，t₁为星载探测计时设备测量星载信号接收时刻，t₂为地面探测计时设备测量激光接收时刻，τ为激光信号在地面站与卫星间的往返时间间隔，由卫星激光测距测得，τ'_uplink和τ'_downlink分别为激光信号的上行传播时延和下行传播时延，由地面站激光发射时刻t₀和接收时刻t₂以及修正项计算得到。

3.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤2中，将f₁频点双向载波中包含的时空信息归算至同一时刻t，则t时刻的空间航天器与地面站的微波星地相对钟差表达式为：

式中，Δδ^mov/2表示双向钟差解算过程中的运动时延误差总和。地面站钟钟差x_G可以通过地面站钟钟差监测设备得到监测钟差结果或预报钟差，那么空间航天器钟差x_G在修正各项误差后得到。

4.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤3通过建模消除载波星地双向钟差估计过程中的运动时延误差，修正模型如下：

式中，当归算时刻t足够接近发射或接收时刻时运动时延误差越小，式中的空间航天器时频天线相位中心位置矢量R通过步骤1获得，空间航天器钟差x_S通过广播星历或精密星历获得，地面站钟差x_G通过迪地面监测设备得到监测钟差结果或预报钟差；

所述的步骤3通过对空间航天器受到的摄动力分析建立高阶相对论模型消除载波星地双向钟差估计过程中的周期性相对论效应误差，修正模型如下：

式中，Δδ^rel表示双向钟差解算过程中的周期性相对论效应总时延误差，

代表t时刻目标i的相对论效应等效时延，i＝G或S₁或S₂，分别代表地面站相位中心、微波载荷天线相位中心S₁、微波载荷天线相位中心S₂，a是空间航天器轨道半长轴，e是轨道偏心率，E是轨道偏心距，GM是地球的地心引力常数，r_s是地心距离，V

是地球非球面扰动电位，a_E是地球赤道的半长轴，

是纬度，ξ是东经，/>

为关联的勒让德函数，B(A_lm,B_lm)是地球引力势的系数；

所述的步骤3针对星地测距信号空间传播过程中地面站和空间航天器相对地心的位置变化引起载波星地双向钟差估计过程中的引力时延误差，建立双向引力时延修正模型进行修正，模型如下：

/>

式中，d_AB(t₁,t₂)＝|R_A(t₁)-R_B(t₂)|,r_G、

和/>

分别是地面站相位中心G、微波载荷天线S₁和天线S₂到地球中心的距离。

5.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤4利用卫星和地面站互发互收测距信号得到的f₁和f₂频点的上行观测值

和/>

及f₁和f₃频点的下行观测值/>

和/>

将观测值组合成上行和下行观测对来固定载波相位观测的整周模糊度，具体计算方法如下：

1)利用测距组合分别计算双上行和双下行的宽巷观测值

和窄巷观测值/>

式中，c为光速；ρ为伪距；Φ是载波相位；δ为电离层等效延迟；λ为波长；N为整周模糊度；ρ^*为所有与信号频率无关的误差综合；下标w、n、1，2，3分别表示宽巷、窄巷、f₁、f₂和f₃；上标up和down分别表示对应上行和下行。

2)分别将宽巷观测值和窄巷观测值方程组中的第一个式子代入第四个式子，计算得到窄巷整周模糊度

和/>

3)分别将宽巷观测值和窄巷观测值方程组中的第二个式子代入第三个式子，以计算得到宽巷整周模糊度

和/>

4)利用不同时刻的观测值重复步骤2)和3)，得到宽巷模糊度

和窄巷模糊度

利用得到的宽巷和窄巷模糊度计算微波双向双程测量载波和伪距结果、双向激光测距结果组成的组合方程中的整周模糊度N₁、N₂、N₃和N₄，/>

6.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤5中，结合利用卫星和地面站互发互收测距信号得到的f₁和f₂频点的上行载波观测值

和/>

及f₁和f₃频点的下行载波观测值/>

和/>

分别组合成双上行和双下行观测，然后再结合微波辐射计的大气数据估计大气时延误差大小，计算方法如下：

1)根据所选地面站点，将历史大气数据和微波辐射计监测数据作为输入计算出对应网格的折射率，然后利用三维射线追踪计算生成大量的对流层色散延迟样本，根据样本训练并构建基于双频对流层色散延迟之差与表面干压Pd、水汽压Pw、温度T的对流层色散时延模型，利用不同频点组合的对流层色散时延模型准确修正对流层误差影响，不同频点链路组合的对流层模型如下：

①对于双上行链路的对流层折射误差修正模型为：

②对于双下行链路的对流层折射误差修正模型为：

③对于上下行链路的对流层折射误差修正模型为：

式中，θ表示仰角，通过空间航天器的精密或广播轨道与地面站精密位置计算得到；表面干压P_d、水汽压P_w、温度T通过地面微波辐射计设备测量得到，上标up和down分别代表上行和下行链路测得的大气参数；α、β和γ分别为三套模型的系数，通过对流层色散延迟样本训练建模得到；

根据计算得到的上下行链路对流层误差结果修正t时刻的空间航天器与地面站的微波星地相对钟差表达式中的对流层误差Δδ^tro；

2)电离层折射误差通过载波双上行和双下行链路计算修正，计算流程如下：

①得到载波双上行链路的载波观测量组合如下：

得到载波双下行链路的载波观测量组合如下：

②将双上行和双上行载波观测量分别差分，得到双上行两个频点的电离层误差差分值

和双下行两个频点的电离层误差差分值/>

其中，

其中，

式中，

依据高精度轨道信息进行修正，/>

依据地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差和精密星历进行修正，/>

依据对流层折射误差修正模型进行修正，

依据整周模糊度公式修正，/>

参考周期性相对论修正模型进行修正，/>

参考引力时延修正模型进行修正，/>

在地面粗略标定得到；

计算得到双上行电离层误差差分值

和双下行电离层误差差分值/>

进一步得到接收天线S₂和发射天线S₁所接收或发射信号穿过电离层的STEC值，

式中，

f是频率，B₀是地磁场的强度，θ为地磁场方向与电磁信号传播方向之间的夹角，m为电子的质量，e为电子电荷量，ε₀为空气中携带的介质，μ₀为真空中的磁导率；

根据计算得到的信号路径对应的STEC值监测不同路径的电离层效应，并根据监测结果计算修正电离层效应Δδ^ion，

7.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤6中，用双向激光测距方程最后两个式子计算激光星地相对钟差，实现激光星地相对钟差估计的双方分别为地面站G和空间航天器S，并假设地面站和空间航天器之间的钟差为Δt_j，则t₁时刻的空间航天器与地面站的相对钟差表达式为：

其中，

x_G为地面站钟差，根据地面站钟钟差的监测钟差结果或预报钟差得到，R_J为空间航天器激光载荷反射点J的位置矢量，V_J为空间航天器激光载荷反射点J的速度矢量，R_JG为地面站激光信号发射器的相位中心矢量，V_JG为地面站激光信号发射器的速度矢量；τ_Cal为各类修正项，其中的Δτ_dis和Δτ_clk根据上述精密轨道和钟差计算修正，Δτ_rel参考相对论修正模型计算修正，以上操作均在ECI坐标系下进行。

8.根据权利要求1所述的超高精度空间航天器钟差估计方法，其特征在于，所述的步骤7中，将计算得到的激光星地相对钟差估计值和消除整周模糊度、周期性相对论、引力时延、大气误差后的载波星地相对钟差进行差分，得到一段时间内的硬件传输时延组合误差，然后将其估计为一个常数，这个常数短在时间内作为载波星地钟差中的硬件传输时延组合误差，计算如下：

式中，

表征在时间区间[t_m,t_n]内的硬件时延组合误差估计值。

9.一种实现权利要求1所述方法的超高精度空间航天器钟差估计系统，其特征在于，包括：

地面设备，其向空间航天器的星载微波载荷发射频点为f₁和f₃的上行微波信号，并接收空间航天器星载微波载荷发射的频点为f₁和f₂的下行微波信号；其向空间航天器的星载激光载荷反射波长为n₁的上行激光信号，并记录发射信号时刻；其接收经过空间航天器星载激光载荷反射回来的波长为n₁的下行激光信号，并记录接收信号时刻；

星载设备，其接收地面微波设备发射的频点为f₁和f₃的微波信号，并向地面发射频点为f₁和f₂的微波信号；其反射并探测来自地面波长为n₁的激光信号，记录信号反射时刻；

所述的地面设备包括：

产生所述f₁和f₃频点微波信号的地面微波载荷；

产生所述n₁波长激光信号的地面激光载荷，其同时能接收空间航天器激光反射器反射回来的n₁波长激光信号；

产生高精度时间频率信号的原子钟，其向所述的地面微波载荷和激光载荷提供超高精度的时频信号；

获取大气参数的微波辐射计；

与所述地面微波载荷连接的微波时频传递天线，其一方面将所述微波信号发射至空间航天器，另一方面接收从空间航天器上发射的所述不同频段的微波信号；

地面数据传输系统，其接收所述微波测距信号下传的载波相位和伪距观测数据，接收所述激光测距信号下传的激光测距观测数据，接收微波辐射计的数据；

与所述地面数据传输系统连接的星地时频链路控制中心，其计算得到空间航天器精密轨道数据，并利用得到的空间航天器精密轨道估计所述空间航天器钟和地面站钟的相对钟差，并进一步估计出空间航天器的钟差；

所述的星载设备包括：

产生所述f₁和f₂频点微波信号的空间航天器微波载荷；

探测并反射所述n₁波长激光信号的空间航天器激光载荷；

产生高精度时间频率信号的原子钟或原子钟组，其向所述的空间航天器微波载荷、激光载荷以及精密定轨接收机提供高精度的时频信号；

与所述空间航天器微波载荷连接的微波时频传递对地天线S₁，其将所述频点f₁和f₃的微波信号发射至地面微波载荷；

与所述空间航天器微波载荷连接的微波时频传递对地天线S₂，其接收从地面微波载荷发射的所述f₁和f₂频点的微波信号；

精密定轨接收机，接收机天线对天，能够接收来自不同导航星座卫星信号得到观测数据；

星敏感器，其通过测量获得空间航天器的基准坐标系相对于地心惯性系J2000.0之间的姿态四元数数据；

空间数据传输系统，其向地面发射所述的微波测距信号下传的观测数据、轨道观测数据和钟差数据。

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