CN117890936B - 一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法和系统，包括：针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取星载GNSS观测数据和广播星历；非基准星将星载GNSS观测数据和广播星历发送至基准星；基准星将得到的所有星载GNSS观测数据预处理；基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，用载波相位卫星之间组合的方式求解当前时刻下的星间钟差；基于两颗低轨卫星的硬件标定信息确定当前时刻下卫星的IF伪距硬件延迟；对求解得到的星间钟差解构还原得到真实星间钟差。本发明无需高精GNSS星钟星历及动力学定轨等高强度解算方法，可直接确定低轨卫星星间钟差，完成星间时间传递，消耗资源少、运算量低，且无需星间链路测量载荷。

Description

一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法和系统

技术领域

本发明属于通信导航以及卫星定位授时领域，具体涉及一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法和系统。

背景技术

低轨卫星通常指的是运行在距离地面较低高度的卫星，其轨道高度通常在400～2000公里之间。得益于低轨卫星高度低、速度快、造价成本低等特点，低轨增强GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星系统)定位导航授时拥有信号强度强、收敛时间短、多路径效应白噪化等一系列优势，在近年获得了越来越多的关注。为更好地利用低轨导航信号实现地面的高精度实时定位授时，低轨卫星的高精度实时钟差成为了重要前提。

GNSS卫星通常使用地面站网进行精密卫星钟差确定，低轨卫星由于飞行速度快、地面投影面积小，使用与GNSS相同钟差确定策略的前提是建设密集分布的全球地面站网，这在海洋、沙漠等地区难以实现。因此，低轨卫星精密钟差确定往往借助其星载GNSS接收机及天线；作为GNSS用户，利用GNSS信号进行精密定时，再通过星间单差完成星间时间传递，从而为建立高精度天基时间基准建立基础。

现有的低轨卫星星间高精度时间传递，通常依赖于两种方法：1)利用GNSS精密星钟星历进行低轨卫星精密定时后进行差分；2)通过星间激光测量信号实现星间时间传递。第一种方法的优势在于可同时进行高精度低轨卫星定轨，但该方法依赖高精度GNSS星钟星历及动力学定轨等高强度解算，一般在地面运控系统实施，且GNSS星钟星历的精度将直接影响星间时间传递的精度。第二种方法的优势在于不依赖星载GNSS观测，但需要额外激光测量链路载荷，即依赖构建星间链路所需载荷，增加了低轨卫星成本，同时星间时间传递的精度依赖激光测距精度。

因此，如何解决上述缺陷，提出一种新的低轨卫星星间高精度时间传递，是本领域内一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法和系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明实施例提供了一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，所述方法包括：

针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取星载GNSS观测数据和广播星历；所述两颗低轨卫星中的非基准星将自身的星载GNSS观测数据和广播星历发送至所述基准星；所述基准星将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理；

所述基准星基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差；

所述基准星基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟；所述基准星利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差。

第二方面，本发明实施例提供了一种低轨卫星在轨实时星间时间传递系统，包括两颗低轨卫星，其中一颗作为基准星，另一颗作为非基准星；其中：

所述非基准星，用于在当前时刻获取星载GNSS观测数据和广播星历；并将自身获取的星载GNSS观测数据和广播星历发送给所述基准星；

所述基准星，用于在当前时刻获取星载GNSS观测数据和广播星历；将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理；基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差；基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟；利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差。

本发明的有益效果：

本发明实施例所提供的方案中，对于基线长度为数百至上千千米的低轨卫星，利用星载GNSS观测数据，通过载波相位卫星之间组合的方式，在无需高精GNSS星钟星历及动力学定轨等高强度解算方法的情况下，可直接由低轨卫星在轨自主确定星间钟差，无需地面干预，从而以消耗资源少、运算量低，且无需星间链路测量载荷的方式完成星间时间传递，能够显著提升星间时间传递的时效性和自主运行能力，能够降低地面运控系统负担。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

第一方面，本发明实施例提供了一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，如图1所示，该方法可以包括如下步骤：

S1，针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取星载GNSS观测数据和广播星历；所述两颗低轨卫星中的非基准星将自身的星载GNSS观测数据和广播星历发送至所述基准星；所述基准星将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理；

其中，所述低轨卫星是指轨道高度在400～2000公里之间的卫星。

本发明实施例的S1~S3是针对一个当前时刻进行处理，最终在星上计算得到该当前时刻所述两颗低轨卫星的真实星间钟差，可以理解的是，通过不同时刻的上述处理过程，可以获取各个时刻下所述两颗低轨卫星的真实星间钟差。以下以当前时刻为例进行说明。

本领域技术人员可以理解的是，一个低轨卫星的接收机可以获取到该低轨卫星对多颗GNSS卫星的观测数据，针对每颗GNSS卫星的观测数据可以包括该低轨卫星到观测的GNSS卫星的伪距和载波相位的观测量，对GNSS卫星的观测数据称之为星载GNSS观测数据；同时该低轨卫星的接收机还可以获取到广播星历。关于星载GNSS观测数据和广播星历的相关概念请参见现有技术理解，在此不做详细说明。

在S1中，所述两颗低轨卫星包括一颗基准星和一颗非基准星，为了增加灵活性，所述基准星可以为所述两颗低轨卫星中的任意一颗，除了所述基准星的另一颗即为非基准星。

虽然所述基准星和所述非基准星均为低轨卫星，但由于高度和视角的差异，各自可以观测到的多颗GNSS卫星可能是不同的。在所述两颗低轨卫星均获取到各自观测GNSS卫星得到星载GNSS观测数据和广播星历后，所述两颗低轨卫星中的非基准星将自身的星载GNSS观测数据和广播星历发送至所述基准星；后续步骤将在所述基准星上进行处理，比如，可以由所述基准星上的一个计算设备，如计算机等执行。所述两颗低轨卫星中的非基准星将自身的星载GNSS观测数据和广播星历发送至所述基准星时，可以将自己的硬件标定信息也发送给所述基准星。

在S1中，所述基准星先将非基准星发送的星载GNSS观测数据以及所述基准星自身的星载GNSS观测数据进行预处理，所述预处理的过程和现有技术中的预处理过程类似，可以包括：

所述基准星将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据中的野值进行剔除；并探测当前时刻是否发生GNSS载波相位周跳，并在发生时进行标记。

野值剔除可以采用现有方式进行，在此不做详述。

所述基准星探测当前时刻是否发生GNSS载波相位周跳，并在发生时进行标记，是为了便于后续引入新的模糊度，具体探测和标记过程也属于现有技术，在此不做说明。

S2，所述基准星基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差；

可选的一种实施方式中，S2可以包括以下步骤：

S21，针对所述两颗低轨卫星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

(1)；

(2)；

(3)；

(4)；

考虑到低轨卫星观测GNSS卫星及数据获取过程中存在的电离层延迟、硬件延迟等系统误差，对观测值建模产生的不良影响，在S2中，是针对所述两颗低轨卫星观测的所有GNSS卫星中共同可见的每颗GNSS卫星，利用观测该颗GNSS卫星时，所述两颗低轨卫星得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，构建针对该颗GNSS卫星的函数模型，以实现消除系统误差，提高星间钟差求解精度的目的。

其中，表示数学期望值；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合(Ionosphere-free)以IF表示，观测值与模型值之差(Observed-Minus-Computed term)以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示作为非基准星的低轨卫星/>，与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示低轨卫星/>的接收机钟差；/>表示基准星/>的接收机钟差；/>表示低轨卫星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示低轨卫星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示低轨卫星/>的IF载波相位硬件延迟；/>表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

从上述公式(1)~ (4)可以看出，仅、/>和/>是未知参数，/>为三维的向量，/>为一维向量；为了实现求解，需要利用多颗共同可见的GNSS卫星对应的函数模型。假设所述两颗低轨卫星共同可见的GNSS卫星共有/>颗，当前共同可见的GNSS卫星分别对应一个/>，因此当前共同可见的/>颗GNSS卫星得到的/>可以表示为。

S22，通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星包含伪距硬件延迟的星间钟差。

针对上述未知参数，具体的求解方法为现有方法，具体在此不做详细说明。在求解过程中，仅需考虑历元间的时间约束，通常在不发生周跳的情况下，认为/>两历元间的值相等。求解得到的星间钟差/>是一个估计值，而同时求解出的/>和/>并非本发明实施例关注的，后续不做处理。

本领域技术人员可以理解的是，现有的低轨卫星星间高精度时间传递方法中，一种方法是利用GNSS精密星钟星历进行低轨卫星精密定时后进行差分，但该方法依赖于高精度GNSS星钟星历及动力学定轨等高强度解算，且GNSS星钟星历的精度将直接影响星间时间传递的精度，该方法中由于计算量大一般只能下传观测数据在地面设备上完成，即使提高低轨卫星成本增加星上计算能力实现星上解算，低轨卫星上也很难获取到实时精密的GNSS卫星星钟星历信息。另一种方法是通过星间激光测量信号实现星间时间传递，但该方法需要额外激光链路载荷，因此依赖于构建星间链路所需载荷，同时星间时间传递的精度依赖激光测距精度。

由于本发明实施例的函数模型中消除了GNSS卫星钟差，因此解算这三个未知参数时无需精密GNSS星钟产品，GNSS轨道产品既可使用预报的精密产品，也可使用精度较低的广播星历。本发明实施例也无需要使用动力学定轨等高强度解算方法，也不依赖激光链路载荷完成，本发明实施例实现了星上低计算复杂度的解算过程，无需将数据传输至地面计算，提高了星间钟差计算的效率和便捷性。

需要补充说明的是，在本发明实施例的函数模型的观测方程 (1) 和 (2)中，实质隐含了误差数据，/>为基准星/>的坐标真值，这个误差数据被残差吸收掉了，由于GNSS卫星高度远大于两颗低轨卫星基线长度，GNSS卫星/>到两颗低轨卫星的单位方向向量几乎一致，因此上述的残差项很小，不影响解算。

S3，所述基准星基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟；所述基准星利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差。

由公式(3)可知，理论上的数值/>应该是/>，但考虑到存在两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟，公式(3)不仅包含所需星间钟差/>，还包含两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟之差。在S3中通过确定当前时刻的两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟，结合求解得到的星间钟差来确定真实星间钟差，即/>。

本领域技术人员可以理解的是，低轨卫星发射前，研制方会对其进行硬件标定，低轨卫星的相关信息中含有硬件标定信息。

针对S3，所述基准星基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟，包括：

1)若所述两颗低轨卫星的硬件标定信息表示所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟是稳定不变的，则直接从所述硬件标定信息中得到低轨卫星的IF伪距硬件延迟/>和基准星/>的IF伪距硬件延迟/>；

2)若所述两颗低轨卫星的硬件标定信息表示所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟是随时间和温度变化的，则将当前时刻以及当前温度代入两颗低轨卫星各自的硬件标定信息所含有的标定公式，分别计算出当前时刻以及当前温度下，低轨卫星的IF伪距硬件延迟/>和基准星/>的IF伪距硬件延迟/>。

具体的，上述情况1表明所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟基本保持稳定，分别为一个固定的数值，则直接获取对应的数值和/>即可，其只影响星间钟差的准度而非稳定度。

上述情况2表明所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟随温度和时间因素有较大变化，并非均是固定的数值，研制方针对这种情况，会针对低轨卫星预先给出标定公式，所述标定公式以温度和时刻作为输入量，以低轨卫星的IF伪距硬件延迟作为输出量，表征不同输入量和输出量的映射关系，所述标定公式的确定过程请参见相关技术理解，在此不做说明。

因此，在S3中，针对情况2)，基准星和作为非基准星的低轨卫星/>可以分别利用自身的标定公式，代入当前时刻以及当前温度后得到自身的IF伪距硬件延迟，即得到/>和/>。

在确定和/>后，所述基准星利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差，包括：

将求解得到的星间钟差以及得到的所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟，代入预设的真实星间钟差计算公式，得到真实星间钟差；其中，所述预设的真实星间钟差计算公式为：

(5)；

其中，表示真实星间钟差。表示真实情况下两颗低轨卫星接收机钟的时差。

本发明实施例所提供的低轨卫星在轨实时星间时间传递方法中，对于基线长度为数百至上千千米的低轨卫星，利用星载GNSS观测数据，通过载波相位卫星之间组合的方式，在无需高精GNSS星钟星历及动力学定轨等高强度解算方法的情况下，可直接由低轨卫星在轨自主确定星间钟差，无需地面干预，从而以消耗资源少、运算量低，且无需星间链路测量载荷的方式完成星间时间传递，能够显著提升星间时间传递的时效性和自主运行能力，能够降低地面运控系统负担。

第二方面，相应于上述方法实施例，本发明实施例还提供了一种低轨卫星在轨实时星间时间传递系统，包括两颗低轨卫星，其中一颗作为基准星，另一颗作为非基准星；其中：

所述非基准星，用于在当前时刻获取星载GNSS观测数据和广播星历；并将自身获取的星载GNSS观测数据和广播星历发送给所述基准星；

所述基准星，用于在当前时刻获取星载GNSS观测数据和广播星历；将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理；基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差；基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟；利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差。

关于该系统中基准星和非基准星的具体处理过程请参见第一方面的相关内容，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，其特征在于，包括：

针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取星载GNSS观测数据和广播星历；所述两颗低轨卫星中的非基准星将自身的星载GNSS观测数据和广播星历发送至基准星；所述基准星将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理；

所述基准星基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差；

所述基准星基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟；所述基准星利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差。

2. 根据权利要求 1所述的低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，其特征在于，所述基准星为所述两颗低轨卫星中的任意一颗。

3. 根据权利要求 1所述的低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，其特征在于，所述基准星将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理，包括：

所述基准星将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据中的野值进行剔除；并探测当前时刻是否发生GNSS载波相位周跳，并在发生时进行标记。

4. 根据权利要求 1所述的低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，其特征在于，所述基准星基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差，包括：

针对所述两颗低轨卫星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

；

；

；

；

其中，表示数学期望值；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合以IF表示，观测值与模型值之差以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示作为非基准星的低轨卫星/>，与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；表示IF组合波长；/>表示低轨卫星/>的接收机钟差；/>表示基准星/>的接收机钟差；表示低轨卫星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示低轨卫星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示低轨卫星/>的IF载波相位硬件延迟；/>表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星包含伪距硬件延迟的星间钟差。

5.根据权利要求4所述的低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，其特征在于，所述基准星基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟，包括：

若所述两颗低轨卫星的硬件标定信息表示所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟是稳定不变的，则直接从所述硬件标定信息中得到低轨卫星的IF伪距硬件延迟/>和基准星/>的IF伪距硬件延迟/>；

若所述两颗低轨卫星的硬件标定信息表示所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟是随时间和温度变化的，则将当前时刻以及当前温度代入两颗低轨卫星各自的硬件标定信息所含有的标定公式，分别计算出当前时刻以及当前温度下，低轨卫星的IF伪距硬件延迟和基准星/>的IF伪距硬件延迟/>。

6.根据权利要求5所述的低轨卫星在轨实时星间时间传递方法，其特征在于，所述基准星利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差，包括：

将求解得到的星间钟差以及得到的所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟，代入预设的真实星间钟差计算公式，得到真实星间钟差；其中，所述预设的真实星间钟差计算公式为：

；

其中，表示真实星间钟差。

7.一种低轨卫星在轨实时星间时间传递系统，其特征在于，包括两颗低轨卫星，其中一颗作为基准星，另一颗作为非基准星；其中：

所述非基准星，用于在当前时刻获取星载GNSS观测数据和广播星历；并将自身获取的星载GNSS观测数据和广播星历发送给所述基准星；

所述基准星，用于在当前时刻获取星载GNSS观测数据和广播星历；将接收到的星载GNSS观测数据以及自身的星载GNSS观测数据进行预处理；基于得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的星间钟差；基于所述两颗低轨卫星的硬件标定信息，确定当前时刻下所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟；利用所述两颗低轨卫星的IF伪距硬件延迟对求解得到的星间钟差进行解构，还原得到真实星间钟差。