一种基于伪卫星的卫星地面站站间时延校准方法与流程

本发明涉及时延校准领域，具体涉及一种基于伪卫星的卫星地面站站间时延校准方法。

背景技术：

时延的精确测量和传递是卫星导航能够成功实现的核心技术。在卫星导航系统中，高精度的空间基准和时延基准对用户接收机的定位起到关键性的作用，系统各组成部分的时延校准精度直接影响系统的定位和授时精度，因此，时延校准技术是卫星导航系统的关键技术之一，对高精度的空间基准和时延基准的建立至关重要。

由于地面站站间不完全校准引起的时延包含在伪码测距的测量值之中，影响了星地距离的测量结果，在伪码测距值中需要精确扣除地面站间时延，以便获得高精度的星地测量结果。地面站间时延的准确性是提升卫星定轨精度的关键，也是提升卫星导航系统服务精度的关键。如何准确地标定地面站间时延，标定完成后如何验证地面站间时延标定结果的准确性，都需要深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于伪卫星的卫星地面站站间时延校准方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

设标定的卫星地面站为n套，每次设备时延标定时，选取1套地面站作为基准站，编号为a，其它地面站作为待标定地面站，分别编号b，c，d、e……同时保持n套地面站设备时频同源，即n套地面站设备使用同一台高稳定度的原子钟输出的时频信号；

第一步，地面站发射信道时延标定

由伪卫星和卫星地面站共同组成测量系统对地面站发射信道时延进行标定，由卫星地面站的基带发射导航信号，经过上变频器变频，功放功率放大后，由地面站天线发射，伪卫星接收到来自天线的导航信号，下变频后经过稳相电缆传送给卫星地面站的基带接收端，由基带测量传输时延值：

即能够得出地面站a基带测量值tic(a)：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp2+tp3+tp5

其中：tta为地面站a发射信道时延值，tas为发射空间链路传输时延值，tp1为伪卫星接收天线和转发器时延，tp2为伪卫星转发器到变频器线缆时延，tp3为伪卫星变频器时延，tp5为伪卫星到地面站稳相电缆时延；

tta＝tic(a)-tas-tp1-tp2-tp3-tp5

tas由各个地面站与伪卫星坐标计算得出，d为发射天线与接收天线距离，c为光速，由于伪卫星内部传输时延已知，所以tp1、tp2、tp3为已知量，tp5稳相电缆时延值通过矢量网络分析仪标定；

同理，其他地面站的发射设备时延为：

ttb＝tic(b)-tbs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttc＝tic(c)-tcs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttd＝tic(d)-tds-tp1-tp2-tp3-tp5

tte＝tic(e)-tes-tp1-tp2-tp3-tp5

……

第二步，地面站接收信道时延标定

由伪卫星和卫星地面站共同组成测量系统对地面站接收信道时延进行标定，由卫星地面站的基带发射导航信号，经过上变频器变频，功放功率放大后，由地面站天线发射，伪卫星接收到来自天线的导航信号，转发器转发后发射天线发射，地面站接收经过低噪声放大器放大、下变频器变频后传送给卫星地面站的基带接收端，由基带测量传输时延值；

即能够得出地面站a基带测量值：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp4+tsa+tra

其中：tp4为伪卫星发射天线时延值，tsa为接收空间链路传输时延值，tra为地面站接收信道时延值，

tra＝tic(a)-tta-tas-tp1-tp4-tsa

由于伪卫星发射天线与接收天线的同一点安装，所以：

tas＝tsa

tra＝tic(a)-tta-2tas-tp1-tp4

由于伪卫星内部传输时延已知，所以tp4为已知量，

同理，其他地面站的发射设备时延为：

trb＝tic(b)-ttb-2tbs-tp1-tp4

trc＝tic(c)-ttc-2tcs-tp1-tp4

trd＝tic(d)-ttd-2tds-tp1-tp4

tre＝tic(e)-tte-2tes-tp1-tp4

……

第三步，地面站时延自校准

地面站天线标校伪卫星对准后，发射导航信号给标校伪卫星，接收经过标校伪卫星转发的导航信号，基带计算出环路时延值，并推到出上行空间链路时延值。标校伪卫星转发器耦合口输出经电缆给接收机，接收机接收导航信号解调出1pps秒脉冲信号给计数器sr620，计数器sr620比对与时频基准源输出的1pps脉冲信号，推导出接收机环路的上行空间链路时延值。两个值作差结果为地面站时延校准值。

地面站a基带测量值tic(a)：

tic(a)＝tta(a)+tas(a)+tp1+tp4+tsa(a)+tra(a)

其中，tta(a)、tra(a)分别为地面站a发射、接收射频信道时延，tas(a)、tsa(a)分别为基带解算时的上下行空间链路时延值，tp1为标校伪卫星接收天线和转发器时延，tp4为标校伪卫星发射天线时延值。

由于收发链路对等，可以认为：

tas(a)＝tsa(a)

因此，

用计数器sr620测得的接收机链路时延值与1pps之差记为ticsr620(a)：

ticsr620(a)＝t1+ttb(a)+tta(a)+tas(a)'+tp1+t2+t3+t4+t5-t6

其中，t1时频基准源到基带1pps秒脉冲信号入口的时延值，ttb(a)为地面站a基带处理时延值，tas(a)'接收机解算时的上行链路时延值，t2为伪卫星下行测试电缆时延，t3为接收机射频通道时延值，t4为接收机基带处理时延值，t5为接收机输出到计数器sr620线缆时延值，t6为时频基准源到计数器sr620端口的时延值。

此时的的上行链路时延值tas(a)'为：

tas(a)'＝ticsr620(a)+t6-t1-ttb(a)-tta(a)-tp1-t2-t3-t4-t5

基带测量得到的上行空间链路时延值与计数器测量的上行空间链路时延值之差，如下式：

整理得：

同理可得其他各站的时差值：

……

第四步，地面站间时延校准：

首先a号站向伪卫星发射，b号站、c号站、d号站、e号站……同时接收由伪卫星转发的导航信号，分别解算出发射时延与接收时延的差值，再由b号站、c号站、d号站、e号站……同时向伪卫星发射导航信号，a号站接收由伪卫星转发的导航信号，分别解算发射时延与接收时延的差值；

以a号站作为参考基准，和b号进行双向比对，可以得到如下公式：

tic(a)＝tta(b)+tas(b)+tp1+tp4+tsa(a)+tra(a)

tic(b)＝tta(a)+tas(a)+tp1+tp4+tsa(b)+tra(b)

上两式作差再移项，可得：

tic(a)-tic(b)＝tta(b)-tta(a)+tra(a)-tra(b)

+tas(b)-tsa(b)+tsa(a)-tas(a)

又因为对同一地面站，上下行链路对等，可知：

tas(b)＝tsa(b)

tas(a)＝tsa(a)

因此

tic(a)-tic(b)＝tta(b)-tta(a)+tra(a)-tra(b)

同理，通过以上的计算方法我们可以得到地面站c站与a站之间的时差值：

tic(a)-tic(c)＝tta(c)-tta(a)+tra(a)-tra(c)

同理，通过以上的计算方法我们可以得到地面站d站与a站之间的时差值：

tic(a)-tic(d)＝tta(d)-tta(a)+tra(a)-tra(d)

同理，通过以上的计算方法我们可以得到地面站e站与a站之间的时差值：

tic(a)-tic(e)＝tta(e)-tta(a)+tra(a)-tra(e)

……

至此，得到了b、c、d、e……站与a站的时延值，作为修正量在导航电文中进行修正，从而提高定位精度。

本发明使用伪卫星的转发器代替卫星转发器，通过卫星地面站自身基带的测量功能，采用多发多收时延比对模式分别进行地面站间时延标定，从而校准了各地面站间的时延。该方法的精度够达到了亚纳秒量级，试验结果可作为预偏量在导航电文中直接扣除，对于转发式卫星导航定位系统的精度有着比较重要的意义。通过伪卫星完成卫星地面站间时延校准试验，试验结果表明该方法切实可行，是一种方便、有效的地面站站间时延校准方法。

附图说明

图1地面站发射设备时延标定设备连接图；

图2地面站接收设备时延标定设备连接图；

图3地面站自发自收校准原理图；

图4地面站站间时延校准原理图；

图5地面站a与地面站b时延差值统计图；

图6地面站a与地面站c时延差值统计图；

图7地面站a与地面站d时延差值统计图；

图8地面站a与地面站e时延差值统计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

假设标定的卫星地面站有5套，每次设备时延标定时，选取1套地面站作为基准站，编号为a，其它4套地面站作为待标定地面站，分别编号b，c，d、e。同时保持5套地面站设备时频同源，即5套地面站设备使用同一台高稳定度的原子钟输出的时频信号。

参见图1，标定地面站发射信道时延

地面站a基带测量值tic(a)：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp2+tp3+tp5

其中：tta为地面站a发射信道时延值，tas为发射空间链路传输时延值，tp1为伪卫星接收天线和转发器时延，tp2为伪卫星转发器到变频器线缆时延，tp3为伪卫星变频器时延，tp5为伪卫星到地面站稳相电缆时延；

tta＝tic(a)-tas-tp1-tp2-tp3-tp5

tas由各个地面站与伪卫星坐标计算得出，d为发射天线与接收天线距离，c为光速，由于伪卫星内部传输时延已知，所以tp1、tp2、tp3为已知量，tp5稳相电缆时延值通过矢量网络分析仪标定；

同理，其他地面站的发射设备时延为：

ttb＝tic(b)-tbs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttc＝tic(c)-tcs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttd＝tic(d)-tds-tp1-tp2-tp3-tp5

tte＝tic(e)-tes-tp1-tp2-tp3-tp5

……

参见图2，标定地面站接收信道时延

地面站a基带测量值tic(a)：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp4+tsa+tra

其中：tp4为伪卫星发射天线时延值，tsa为接收空间链路传输时延值，tra为地面站接收信道时延值，

tra＝tic(a)-tta-tas-tp1-tp4-tsa

由于伪卫星发射天线与接收天线的同一点安装，所以：

tas＝tsa

tra＝tic(a)-tta-2tas-tp1-tp4

由于伪卫星内部传输时延已知，所以tp4为已知量，

同理，其他地面站的发射设备时延为：

trb＝tic(b)-ttb-2tbs-tp1-tp4

trc＝tic(c)-ttc-2tcs-tp1-tp4

trd＝tic(d)-ttd-2tds-tp1-tp4

tre＝tic(e)-tte-2tes-tp1-tp4

……

参见图3，地面站时延自校准

地面站a基带测量值tic(a)：

tic(a)＝tta(a)+tas(a)+tp1+tp4+tsa(a)+tra(a)

其中，tta(a)、tra(a)分别为地面站a发射、接收射频信道时延，tas(a)、tsa(a)分别为基带解算时的上下行空间链路时延值，tp1为标校伪卫星接收天线和转发器时延，tp4为标校伪卫星发射天线时延值。

由于收发链路对等，可以认为：

tas(a)＝tsa(a)

因此，

用计数器sr620测得的接收机链路时延值与1pps之差记为ticsr620(a)：

ticsr620(a)＝t1+ttb(a)+tta(a)+tas(a)'+tp1+t2+t3+t4+t5-t6

其中，t1时频基准源到基带1pps秒脉冲信号入口的时延值，ttb(a)为地面站a基带处理时延值，tas(a)'接收机解算时的上行链路时延值，t2为伪卫星下行测试电缆时延，t3为接收机射频通道时延值，t4为接收机基带处理时延值，t5为接收机输出到计数器sr620线缆时延值，t6为时频基准源到计数器sr620端口的时延值。

此时的的上行链路时延值tas(a)'为：

tas(a)'＝ticsr620(a)+t6-t1-ttb(a)-tta(a)-tp1-t2-t3-t4-t5

基带测量得到的上行空间链路时延值与计数器测量的上行空间链路时延值之差，如下式：

整理得：

同理可得其他各站的时差值：

……

参见图4，地面站间时延校准。

以a号站作为参考基准，和b号进行双向比对，假设1pps信号到达各站的时延完全相同的，由于伪卫星在地面安装，所以不用考虑对流层、电离层和sagnac效应引起的时延，根据伪码测距原理可以得到如下公式：

tic(a)＝dtb+dbs+dsba+dsa+dra

tic(b)＝dta+das+dsab+dsb+drb

上两式作差再移项，可得：

tic(a)-tic(b)＝dtb-dta+dra-drb

+(dbs-dsb)+(dsa-das)

+dsba-dsab

式中，das、dbs分别为地面站a、地面站b发射空间链路传输时延值，dsa、dsb分别为地面站a、地面站b接收空间链路传输时延值，dsab、dsba为伪卫星转发器时延。

由于上下行链路完全对称，所以：

das＝dsa

dbs＝dsb

伪卫星的转发器只有一个，所以同一个转发器时延相同，即sab链路和sba链路中卫星转发器时延相同，于是可得：

dsab＝dsba

代入tic(a)-tic(b)＝dtb-dta+dra-drb+(dbs-dsb)+(dsa-das)+dsba-dsab后整理可得：

tic(a)-tic(b)＝dtb-dta+dra-drb

同理，通过以上的计算方法我们可以得到地面站c站与a站之间的时延相对值：

tic(a)-tic(c)＝dtc-dta+dra-drc

同理，通过以上的计算方法我们可以得到地面站d站与a站之间的时延相对值：

tic(a)-tic(d)＝dtd-dta+dra-drd

同理，通过以上的计算方法我们可以得到地面站e站与a站之间的时延相对值：

tic(a)-tic(e)＝dte-dta+dra-dre

至此，得到了b、c、d、e站与a站的时延值，作为修正量在导航电文中进行修正，从而提高定位精度。

图5-图8给出了使用伪卫星分别对五个地面站进行标定的结果统计图。地面站天线同时对伪卫星发射信号，地面站的基带软件每秒记录一组数据。每一次测量分别取相同时段的约24个小时的观测值进行数据处理。

地面站a与地面站b的时延差最大值为13.44纳秒，最小值为11.21纳秒，均值为12.38纳秒，均方差为0.37纳秒；地面站a与地面站c的时延差最大值为19.83纳秒，最小值为17.98纳秒，均值为18.91纳秒，均方差为0.31纳秒；地面站a与地面站d的时延差最大值为26.50纳秒，最小值为23.79纳秒，均值为25.16纳秒，均方差为0.43纳秒；地面站a与地面站e的时延差最大值为26.68纳秒，最小值为22.83纳秒，均值为24.76纳秒，均方差为0.49纳秒。由于b、c、d、e站与a站的距离依次变远，所以，均方差值依次增大。此次时延标定的精度够达到了亚纳秒量级，试验结果可作为预偏量在导航电文中直接扣除，对于转发式卫星导航定位系统的精度有着比较重要的意义。通过伪卫星完成卫星地面站间时延校准试验，试验结果表明该方法切实可行，是一种方便、有效的站间时延校准方法。