一种星间双向时间传递的非互易传播时延修正方法

摘要

一种星间双向时间传递的非互易传播时延修正方法，星间双向时间传递受卫星高速运动和相对论的影响，非互易传播时延修正成为其主要的钟差修正项之一，直接影响星间时频传递精度。通过对非互易运动时延、引力光线偏折时延以及初同步误差时延精确计算，可以提高非互易传播时延的修正精度。本方法根据卫星定期获取的星历和与主控站的钟差，通过对卫星轨道和钟差进行预报，初步标定发射与接收信号时刻的全局坐标时和位置，并建立各项非互易传播时延的计算方法，进而计算出非互易传播时延修正值，并对其附加稳定度进行评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星间双向时间传递的非互易传播时延修正方法，主要用于星间双向时间传递的非互易传播时延修正。

背景技术

星间时间传递链路用于测量卫星与卫星的本地时间在全局坐标下的钟差(时差)。长期稳定的高精度星间时间传递链路对于提升守时/授时、导航及基础物理测量的精度有重要意义。星间双向时间传递受卫星高速运动和相对论的影响，非互易传播时延修正成为其主要的钟差修正项之一，直接影响星间时频传递精度。

目前，星间时间传递链路主要被用于导航系统中，不确定度在亚ns水平，非互易传播时延修正主要考虑至c

对于非互易传播时延的修正，主要是在全局参考系下通过分类并精确计算各项非互易传播时延，保留影响指标的项，并代入测量或预报得到的卫星轨道和运动学参数完成数值计算。因此，一些技术手段均在分类和评估各项非互易传播时延，包括引力偏折时延、运动时延，以及如何标定卫星的本地发射与接收信号时刻的全局坐标时及位置。因此，相关技术的要求在于如何根据定期获得的卫星星历，对轨道和钟差进行预报，准确分类和评估各项非互易传播时延，以及在全局参考系标定卫星的本地发、收时刻及位置，实现非互易传播时延修正值的计算。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星间双向时间传递的非互易传播时延修正方法，根据定期获取的卫星星历及与主控站的钟差，在全局参考系实时标定卫星的本地发、收时刻及位置，并分类和精确计算各项非互易传播时延，提高星间双向时间传递非互易传播时延的修正精度。

本发明的技术解决方案是：

一种星间双向时间传递的非互易传播时延修正方法，步骤如下：

(1)定期获取参与时间比对两星的星历及与主控站的钟差；

(2)根据步骤(1)获取的星历和钟差，计算两星的初同步钟差、轨道，外推两星的星历；

(3)根据步骤(2)获取的外推星历和初同步钟差，采样并分类计算两星双向传递的多种引力光线偏折时延，包括地球质量与自旋多极矩时延、月亮与太阳的潮汐多极矩时延与惯性势时延；

(4)将步骤(3)每次采样计算得到的两星双向传播的各种引力光线偏折时延分别作差，获得各种非互易引力光线偏折时延的采样值；

(5)根据步骤(4)计算的非互易引力光线偏折时延采样值，分类评估各项非互易引力光线偏折时延的大小范围，剔除不影响预设指标的引力光线偏折时延项；

(6)根据保留的引力光线偏折时延项，生成非互易引力光线偏折时延计算模块；

(7)根据步骤(1)获得的星历和钟差，以及根据两星原子钟的性能，进行钟差预报和轨道预报，进而标定两星发射与接收信号时刻的全局坐标时及对应的位置、速度和加速度；

(8)根据步骤(7)获得的发射与接收信号时刻的全局坐标时及运动学参数，将两星的发、收信号时刻配对和配组，即分别初步确定两星在本地的发射时刻及在对方站点的到达本地时刻，将单星的本地发射时刻与对应的全局坐标时和在对方站点的到达本地时刻与对应的全局坐标时作为一对数据，且将全局坐标系下两星发送时刻相近的两对数据配成一组；

(9)根据步骤(8)得到的配组数据，计算两星的未修正钟差；

(10)根据步骤(7)的标定结果，获取步骤(8)得到的配组数据中两星发射时刻的全局坐标时所对应的位置、速度和加速度，采用步骤(6)得到的非互易引力光线偏折时延计算模块对非互易引力光线偏折时延进行计算，得到非互易引力光线偏折时延修正值；

(11)计算步骤(8)获得的配组数据中两星发射时刻的相对位置矢量；

(12)根据步骤(11)获得的两星发射时刻的相对位置矢量和步骤(7)获得两星发射时刻的速度和加速度对非互易运动时延进行计算；

(13)利用步骤(10)和(12)分别得到的非互易引力光线偏折时延修正值与运动时延修正值对步骤(9)得到的未修正钟差进行修正，得到两星的初修正钟差；

(14)以步骤(13)获得的初修正钟差作为初同步误差，计算非互易初同步误差时延修正；

(15)将步骤(10)、(12)和(14)获得的时延修正值叠加，并从全局参考系变换至B星本地参考系，得到非互易传播时延修正值；

(16)对非互易传播时延修正序列的附加稳定度进行评估。

所述步骤(3)采样并分类计算两星双向传递的多种引力光线偏折时延，具体为：

(3.1)根据两星外推的星历，以1/4轨道周期为采样间隔；该轨道周期是指取两星轨道周期的较小值；

(3.2)将步骤(2)计算得到的两星初始钟差作为每次采样两星发射时刻的全局坐标时差；

(3.3)在地球引力势近似对称和非时变条件下，基于一阶后牛顿近似，采用世界函数方法计算的地球质量和自旋多极矩时延、月亮和太阳的潮汐多极矩时延和惯性势时延；

(3.4)地球质量和自旋多极矩时延、月亮和太阳的潮汐多极矩时延这几类引力偏折时延均包含多种引力偏折时延项，其中每种引力偏折时延由各类势的多极展开势产生；惯性势时延包含测地、Lense-Thirring和Thomas进动时延；

所述步骤(5)分类评估各项非互易引力光线偏折时延的大小范围，剔除不影响预设指标的光线偏折时延项，具体为：根据步骤(4)对各类多种非互易引力光线偏折时延的采样计算结果，将各种非互易引力光线偏折时延的最大值与预设指标比较，预设指标为时频传递链路精度乘以0.3，剔除小于预设指标的引力光线偏折时延项。

所述步骤(6)根据保留的引力光线偏折时延项，生成非互易光线偏折时延计算模块，具体为：提取影响时频传递精度的引力光线偏折时延项，根据它们的理论计算公式，编写非互易引力光线偏折时延的计算程序。

所述步骤(9)两星的未修正钟差定义为同一坐标时所对应的B星本地时间和A星本地时间相减，其计算公式为：

式中：观测量Δτ

所述步骤(12)非互易运动时延计算公式为：

式中：c表示光速，t

所述步骤(14)非互易初同步误差时延，计算公式为：

式中：Δt表示步骤(13)得到的初修正钟差并变换到全局参考系；v

所述步骤(16)对非互易传播时延修正序列的附加稳定度进行评估，具体为：

(16.1)通过编写的卫星运动仿真程序或者利用轨道模拟的相关软件，模拟计算出卫星的星历，即起始时刻之后的某时刻的位置、速度、加速度，并根据卫星星历的误差模型与幅度向卫星星历添加误差，从而计算出含误差的卫星星历；

(16.2)编写基于非连续比对数据的Overlapping Allan Deviation(重叠阿伦偏差)或阿伦偏差算法。该算法对于中高轨卫星之间的时间传递，能够跳过中断的时间段，直接计算重叠阿伦偏差或阿伦偏差；对于低轨卫星和中高轨卫星之间的时间传递，能够利用中断数据计算短期和长期重叠阿伦偏差或阿伦偏差，并对中期稳定度进行修正；对于不同轨道的LEO卫星之间的比对，能够计算出短期稳定度；

(16.3)根据所建立的非互易传播时延修正算法及仿真的卫星理想和误差星历，分别计算出基于理想星历和基于误差星历的非互易性传播时延修正序列，再将两者作差，获得非互易传播时延修正残差序列，计算其重叠阿伦偏差或阿伦偏差，完成非互易传播时延修正的附加稳定度评估。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本方法提高了星间双向时间传递非互易传播时延的修正精度。本方法充分考虑相对论和卫星高速运动对星间时间传递的影响，将非互易传播时延分为非互易引力光线偏折时延、运动时延和初同步误差时延，通过本方法中的步骤(10)、(12)和(14)，分别提高了各项时延的计算精度，从而提高了非互易传播时延的计算精度。

(2)本方法以周期获取的卫星星历和与主控站的钟差数据为基础，通过轨道和钟差预报实现在全局参考系标定卫星的本地发射和接收信号时刻及位置，能够支持实时的高精度非互易传播时延修正。

(3)本方法建立了非互易传播时延修正的附加稳定度评估方法，这对星间时间传递链路的设计与评估有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为星间双向时间传递的示意图；

图3为卫星轨道运动与建链示意图；

图4为非互易运动时延修正算例图；

图5为非互易传播时延修正的附加稳定度评估方法的原理框图；

图6为非互易运动时延修正残差序列算例图；

图7为非互易运动时延修正附加稳定度算例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

星间双向时间传递非互易传播时延修正的基本原理在于确定各类非互易传播时延的计算方法，对两星发射与接收信号时刻的全局坐标时和位置进行标定，对发、收时刻进行配对，并据此完成数值计算。非互易传播时延计算的难点在于在两星发、收时刻的全局坐标时和位置标定精度不高的条件下如何建立各项非互易传播时延的算法。本发明的技术原理是根据卫星定期获取星历和钟差(与主控站)数据这一条件，通过对卫星轨道和钟差进行预报，初步标定发、收时刻的全局坐标时和位置，并将非互易传播时延分为非互易初同步误差时延、运动时延和引力光线偏折时延进行分别计算，建立非互易传播时延的算法，从而进行非互易传播时延的数值计算和附加稳定度评估。通过对星间双向时间传递非互易传播时延修正的仿真分析，该方法可以精确计算非互易传播时延修正项，并评估附加稳定度，可以用于星间时间传递链路的设计、评估和数据处理中。

如图1所示，本发明提出的一种星间双向时间传递的非互易传播时延修正方法，步骤如下：

(1)定期获取参与时间比对两星的星历及与主控站的钟差；

(2)根据步骤(1)获取的星历和钟差，计算两星的初同步钟差、轨道，外推两星的星历；

(3)根据步骤(2)获取的外推星历和初同步钟差，采样并分类计算两星双向传递的多种引力光线偏折时延，包括地球质量与自旋多极矩时延、月亮与太阳的潮汐多极矩时延与惯性势时延，具体为：

(3.1)根据两星外推的星历，以1/4轨道周期为采样间隔；该轨道周期是指取两星轨道周期的较小值；

(3.2)将步骤(2)计算得到的两星初始钟差作为每次采样两星发射时刻的全局坐标时差；

(3.3)在地球引力势近似对称和非时变条件下，基于一阶后牛顿近似，采用世界函数方法计算的地球质量和自旋多极矩时延、月亮和太阳的潮汐多极矩时延和惯性势时延；

(3.4)地球质量和自旋多极矩时延、月亮和太阳的潮汐多极矩时延这几类引力偏折时延均包含多种引力偏折时延项，其中每种引力偏折时延由各类势的多极展开势产生；惯性势时延包含测地、Lense-Thirring和Thomas进动时延。

(4)将步骤(3)每次采样计算得到的两星双向传播的各种引力光线偏折时延分别作差，获得各种非互易引力光线偏折时延的采样值。例如，非互易地球四极矩时延的计算方法为：

上式：

(5)根据步骤(4)计算的非互易引力光线偏折时延采样值，分类评估各项非互易引力光线偏折时延的大小范围，剔除不影响预设指标的引力光线偏折时延项，具体为：

根据步骤(4)对各类多种非互易引力光线偏折时延的采样计算结果，将各种非互易引力光线偏折时延的最大值与预设指标比较，预设指标为时频传递链路精度乘以0.3，剔除小于预设指标的引力光线偏折时延项。

(6)根据保留的引力光线偏折时延项，生成非互易引力光线偏折时延计算模块，具体为：

提取影响时频传递精度的引力光线偏折时延项，根据它们的理论计算公式，编写非互易引力光线偏折时延的计算程序。

(7)根据步骤(1)获得的星历和钟差，以及根据两星原子钟的性能，进行钟差预报和轨道预报，进而标定两星发射与接收信号时刻的全局坐标时及对应的位置、速度和加速度；

(8)根据步骤(7)获得的发射与接收信号时刻的全局坐标时及运动学参数，将两星的发、收信号时刻配对和配组，即分别初步确定两星在本地的发射时刻及在对方站点的到达本地时刻，将单星的本地发射时刻与对应的全局坐标时和在对方站点的到达本地时刻与对应的全局坐标时作为一对数据，且将全局坐标系下两星发送时刻相近的两对数据配成一组；

(9)根据步骤(8)得到的配组数据，计算两星的未修正钟差；

星间双向时间传递如图2所示，所述步骤(9)两星的未修正钟差，定义为同一坐标时所对应的B星本地时间和A星本地时间相减，其计算公式为：

式中：观测量Δτ

(10)根据步骤(7)的标定结果，获取步骤(8)得到的配组数据中两星发射时刻的全局坐标时所对应的位置、速度和加速度，采用步骤(6)得到的非互易引力光线偏折时延计算模块对非互易引力光线偏折时延进行计算，得到非互易引力光线偏折时延修正值；

(11)计算步骤(8)获得的配组数据中两星发射时刻的相对位置矢量；

(12)根据步骤(11)获得的两星发射时刻的相对位置矢量和步骤(7)获得两星发射时刻的速度和加速度对非互易运动时延进行计算，非互易运动时延计算公式为：

式中：c表示光速，t

对于LEO、MEO、GEO和IGSO之间的时间传递，其建链情况如图3所示，对应的非互易运动时延的算例如图4所示。非互易运动时延是非互易传播时延的最大项，计算表明，星间双向时间传递的非互易运动时延可大至us量级，因而，非互易传播时延需要被精确修正。

(13)利用步骤(10)和(12)分别得到的非互易引力光线偏折时延修正值与运动时延修正值对步骤(9)得到的未修正钟差进行修正，得到两星的初修正钟差；

(14)以步骤(13)获得的初修正钟差作为初同步误差，计算非互易初同步误差时延修正，非互易初同步误差时延的计算公式为：

式中：Δt表示步骤(13)得到的初修正钟差并变换到全局参考系；v

(15)将步骤(10)、(12)和(14)获得的时延修正值叠加，并从全局参考系变换至B星本地参考系，得到非互易传播时延修正值；

(16)对非互易传播时延修正序列的附加稳定度进行评估。具体方法如图5所示，具体为：

(16.1)通过编写的卫星运动仿真程序或者利用轨道模拟的相关软件，模拟计算出卫星的星历，即起始时刻之后的某时刻的位置、速度、加速度，并根据卫星星历的误差模型与幅度向卫星星历添加误差，从而计算出含误差的卫星星历；

(16.2)编写基于非连续比对数据的Overlapping Allan Deviation(重叠阿伦偏差)或阿伦偏差算法。该算法对于中高轨卫星之间的时间传递，能够跳过中断的时间段，直接计算重叠阿伦偏差或阿伦偏差；对于低轨卫星和中高轨卫星之间的时间传递，能够利用中断数据计算短期和长期重叠阿伦偏差或阿伦偏差，并对中期稳定度进行修正；对于不同轨道的LEO卫星之间的比对，能够计算出短期稳定度；

(16.3)根据所建立的非互易传播时延修正算法及仿真的卫星理想和误差星历，分别计算出基于理想星历和基于误差星历的非互易性传播时延修正序列，再将两者作差，获得非互易传播时延修正残差序列，计算其重叠阿伦偏差或阿伦偏差，完成非互易传播时延修正的附加稳定度评估。考虑到非互易运动时延是非互易传播时延的最大项，以非互易运动时延修正残差序列和附加稳定度的计算为例来进行说明。图6示例了对于LEO、MEO、GEO和IGSO卫星之间的时间传递，在定轨和测速精度分别为1m和0.001m/s的条件下非互易运动时延修正的残差序列，图7表示了地面站GS与GEO卫星、IGSO卫星与GEO卫星之间时间传递的非互易运动时延修正的附加稳定度。可以看出，非互易传播时延可以实现较精确的修正，并可实现对修正的附加稳定度的评估。