一种基于同频的星地高精度时频传递方法

摘要

本发明公开了一种基于同频的星地高精度时频传递方法，属于星地时间传递领域，包括步骤：卫星和地面站之间选择同一个载波频率互发互收测距信号进行双向测量，利用双向测量结果进行时间比对。本发明解决了不依赖于地面大气测量设备而获得的星地高精度时间传递和比对的问题，实现皮秒量级的星地时间高精度比对，为后续更高精度星地时间比对的应用提供技术途径和手段。

说明书

技术领域

本发明涉及星地时间传递领域，更为具体的，涉及一种基于同频的星地高精度时频传递方法。

背景技术

星地时间传递主要有两种方式：第一种为被动方式，目前各大GNSS系统采用该种方式，通过地面用户接收多颗卫星广播的信号，通过对接收信号的测量，完成定位解算的同时，获得星地时间的偏差，该种方式受到卫星的定轨精度、测量精度、电离层等误差的限制，时间同步的精度在10纳秒左右。第二种方式为主动方式，地面和卫星互发信号，利用双向时间测量结果进行比对，通过双向测距结果之差可以获得星地钟差。该种技术体制可以提升时间同步的精度，可以将时间同步精度提升到纳秒以内。

进一步的精度提升还与传输通道中对流层色散时延引入的误差等存在相关，需要采用微波辐射计等进行测量或者修正才能进入到皮秒量级的测量精度。

皮秒量级的高精度时间比对除了需要考虑电离层等引起的非色散时延外，还需要考虑对流层引入的色散时延，该部分时延与大气的特性存在相关联，且误差在几十皮秒的量级，需要借助地面大气测量设备进行大气参数测量后进行误差剥离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于同频的星地高精度时频传递方法，解决了不依赖于地面大气测量设备而获得星地高精度时间传递和比对的问题，实现皮秒量级星地时间的高精度比对，为后续更高精度的星地时间比对应用提供技术途径和手段。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种基于同频的星地高精度时频传递方法，包括步骤：卫星和地面站之间选择同一个载波频率互发互收测距信号进行双向测量，利用双向测量过程进行误差抵消。

进一步地，所述利用双向测量过程进行时延抵消包括子步骤：设下行测距信号为卫星在

按照如下方式建立卫星与地面站之间双向测量的测量方程：

将伪距r

其中，v

将测量方程作差，得到卫星与地面站的钟差计算方程，利用钟差计算方程解算出卫星信号接收信号测量时刻的钟差

进一步地，所述利用双向测量过程进行误差抵消，在基于星地具备纳秒量级时间同步精度的基础上进行。

进一步地，在卫星和地面站之间互发互收测距信号过程中，载荷发射的信号耦合至射频抵消组件和数字抵消组件中，用于同频收发的抵消处理，地面站同样进行同频收发的抵消处理。

进一步地，载荷和地面站分别以需要比对和评估的时钟为参考，合成本振、产生信号。

进一步地，在星上按照输入的1pps开展地面注入信号的接收处理和测量，地面按照输入的1pps开展星上播发信号的接收处理和测量，星上测量数据发送至地面进行后续处理。

进一步地，利用同频信号传输路径近似相同，且受到电离层、对流层影响的相似特点，抵消传输路径引入的误差。

进一步地，每提取出一组双向测距值，完成一次钟差解算。

进一步地，在同频双向比对过程中，双向传输过程中，电离层和对流层误差相似，在

进一步地，卫星与地面站之间的单向伪距测量值由收发时刻的时间差计算。

本发明的有益效果包括：

本发明通过设计同频同时全双工技术体制的支持，实现星地传输链路上的电离层误差、对流层误差等误差的抵消，为皮秒量级星地时间比对精度的实现提供了有效的技术手段，为高精度空间时间基准的建立、空间基准和地面站的高精度时间比对提供了基础。特别适用于星地/星间的高精度时间比对，为依赖于高精度时间比对的相关科学试验的开展提供了基础。

本发明通过基于同频抵消的星地高精度时频传递和比对技术，实现不需要地面大气辅助测量设备支持下的皮秒量级时间比对，大幅简化和降低了星地高精度时间对大气测量设备的支撑，为高精度星地时间比对的推广和使用提供了基础。

本发明以高稳钟的数据为参考，在载波相位测量精度优于0.3ps，时延稳定性优于0.2ps基础上，可以实现1E-17量级星地时间频率比对，优于欧空局ACES 1E-16量级频率对比精度，支持0.68ps@1Day时间比对稳定度。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为星地时频传递和比对的示意图；

图2为双向测距过程的示意图；

图3为仿真评估的钟差数据稳定度；

图4为同频星地高精度时间传递效果评估结果的示意图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

本发明实施例提出了不依赖于地面大气测量设备的星地皮秒量级星地时间高精度比对方法和技术体制，主要实施内容如下：

卫星/飞行器和地面站选择同一个载波频率进行双向收发测量和通信。

星地具备几十纳秒量级的时间同步精度(可采用通过该链路完成时间同步或者利用GNSS授时接收机即可完成该量级的星地时间同步精度)。

配置同频抵消处理设备，包括高隔离度的天线、射频抵消组件(如果有必要)和数字抵消组件。载荷发射的信号需要耦合至射频抵消组件和数字抵消组件中，用于同频收发的抵消处理，地面站也需要采用类似的设备。

载荷和地面站分别以需要评估的时钟为参考，合成本振、产生信号需要的时钟，使得载波播发信号和地面站播发信号中携带有需要有待评估钟组的特性。

星上按照输入的1pps开展地面注入信号的接收处理和测量，地面亦按照输入的1pps开展星上播发信号的接收处理和测量，星上测量数据发送至地面进行后续处理。

利用同频信号传输路径近似相同和受到电离层和对流层的影响的特点，可以抵消传输路径等引入的误差。

卫星与地面站之间持续互发互收测距信号进行双向测量。每提取出一组双向测距值，可完成一次钟差解算。假设所提取的下行测距信号为卫星在

卫星与地面站之间的单向伪距测量值由收发时刻时间差计算。测距信号的传播受到收发设备硬件延迟和空间传播延迟的影响，其中硬件时延无法通过双向测量抵消，需要精确标定进行补偿。空间信号传播延迟除了包括卫星与地面站的空间距离延迟，还包括信号传播路径中大气折射、相位中心偏移引入的附加延迟，以及相对论效应的等效时延。

据此，可建立卫星与地面站之间一次双向测量的测量方程：

伪距进一步可以表示为各项误差：

其中，v

在同频双向比对过程中，双向传输过程中，电离层和对流层等误差相似，可以在

实施例1：一种基于同频的星地高精度时频传递方法，包括步骤：卫星和地面站之间选择同一个载波频率互发互收测距信号进行双向测量，利用双向测量过程进行误差抵消。

实施例2：在实施例1的基础上，所述利用双向测量过程进行时延抵消包括子步骤：设下行测距信号为卫星在

按照如下方式建立卫星与地面站之间双向测量的测量方程：

将伪距r

其中，v

将测量方程作差，得到钟差计算方程，利用钟差计算解算出卫星信号接收信号测量时刻的钟差

实施例3：在实施例2的基础上，所述利用双向测量过程进行时延抵消，在基于星地具备纳秒量级的时间同步精度的基础上进行。

实施例4：在实施例2的基础上，在卫星和地面站之间互发互收测距信号过程中，载荷发射的信号耦合至射频抵消组件和数字抵消组件中，用于同频收发的抵消处理，地面站进行同频收发的抵消处理。

实施例5：在实施例2的基础上，载荷和地面站分别以需要比对和评估的时钟为参考，合成本振、产生信号。

实施例6：在实施例2的基础上，在星上按照输入的1pps开展地面注入信号的接收处理和测量，地面按照输入的1pps开展星上播发信号的接收处理和测量，星上测量数据发送至地面进行后续处理。

实施例7：在实施例2的基础上，利用同频信号传输路径近似相同和受到电离层、对流层的影响的特点，抵消传输路径、相对论效应引入的误差。

实施例8：在实施例2的基础上，每提取出一组双向测距值，完成一次钟差解算。

实施例9：在实施例2的基础上，在同频双向比对过程中，双向传输过程中，电离层和对流层误差相似，在

实施例10：在实施例2的基础上，卫星与地面站之间的单向伪距测量值由收发时刻时间差计算。

实施例11：在实施例1～实施例10的基础上，双向链路的观测结果包含了钟源特性、观测误差、观测过程中的观测结果稳定性、传输过程中的误差等的影响。模拟的高稳定度钟的数据如图3所示，秒稳在2E-15，天稳约8E-18。

按照目前测量能力，可以实现0.3ps的测量精度，经过对在轨设备的控温，可以将时延波动控制在0.2ps附近，经过仿真分析可得(如图4所示)，可以具备1E-17量级天稳的星地时间频率比对能力，0.7ps@1Day的时间比对稳定度。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

根据本申请的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。