一种基于卫星转发器的导航地面站设备时延校准方法

本发明涉及时延校准领域，具体涉及一种基于卫星转发器的导航地面站设备时延校准方法。

背景技术：

地面站设备时延的精确测量是卫星导航系统以及卫星双向时间频率传递技术实现高精度时间传递的关键技术。

在卫星导航系统中，通常采用无线电双向伪距时间同步法来实现星地时间同步和站间时间同步，而时间同步设备的时延测量误差是系统时间同步的主要误差；在转发式卫星导航系统中，导航信号在地面产生，通过地面导航站发送给卫星并转发给用户，地面站的设备时延会包含在用户接收机的伪码测距观测量中，影响导航信号测距结果，因此地面站设备时延的测量误差是影响系统定位授时精度的重要因素之一；在卫星双向时间频率传递系统中，由于两个地面站信号的发射与接收路径基本相同，方向相反，因此可以大幅度的消除测距过程中的路径误差影响，但地面站设备时延误差仍是影响时间比对精度主要因素。综上，地面站时延校准技术是卫星导航系统和卫星双向时间比对方法的关键技术之一，对高精度的空间基准和时频基准的建立是至关重要的。

监测接收机和地面站综合基带的原始伪距观测量中包含地面站设备时延，通过测量地面站设备时延并在伪距观测量中进行扣除从而获得链路准确的伪距观测量，地面站设备时延校准误差会影响最终的测距精度，所以提高地面站设备时延的校准精度是提高卫星导航系统的服务性能以及卫星双向时间比对的精度的关键。如何精确的标校地面站设备时延，标定完成后如何验证地面站间时延标定结果的准确性，需要进一步的研究。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于卫星转发器的导航地面站设备时延校准方法，解决地面站设备时延难以有效校准的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于卫星转发器的导航地面站设备时延校准方法，地面站综合基带产生测距信号，经过上变频器、高功率放大器、天线向伪卫星发射信号，伪卫星接收天线接收来自地面站的信号并通过转发器转发，地面站天线接收伪卫星转发的信号经过低噪放、下变频器后在地面站综合基带处理，完成地面站-伪卫星-地面站整个环路的时延测量；

具体校准过称为：

第一步：地面站-伪卫星-地面站环路链路时延测量

δtloop＝δt1+δt2+δt3+δt4+δt5+δt6+δt7+δt8+δt4′+δt5′+δt6′+δt7′+δt8′+δt9+δt10+δt11

其中，δt1是连接地面原子钟组到一级时频分配放大器的电缆时延；δt2是连接一级时频分配放大器到导航地面站时频放大器的电缆时延；δt3是连接导航地面站时频放大器到基带的电缆时延；δt4和δt4′分别是综合基带内部发射和接收校准时延；δt5和δt5′分别是导航地面站设备发射和接收时延；δt6和δt6′分别是上行和下行的空间链路时延；δt7和δt7′分别是上行和下行的空间链路的电离层时延；δt8和δt8′分别是上行和下行的空间链路的对流层时延；δt9是连接伪卫星接收天线到转发器的电缆时延；δt10是伪卫星转发器时延；δt11是连接伪卫星转发器到伪卫星发射天线电缆时延；

第二步：地面站-伪卫星-接收机链路时延测量

信号由地面站综合基带产生经上行射频设备、天线、空间链路到达伪卫星接收天线，经过转发器转发后通过电缆直接连接到监测接收机的时延值称为一跳时延值trec：

trec＝δt1+δt2+δt3+δt4+δt5+δt6+δt7+δt8+δt9+δt10+δt12+δt13

其中δt12是连接伪卫星转发器出口到伪卫星地面站监测接收机射频信号入口的电缆时延；δt13是接收机内部校准时延；

监测接收机的一跳时延值是通过时间间隔计数器sr620采集的，接收机输出1pps信号通过sr620与主钟输出的1pps信号比对，因此时间间隔计数器sr620采集的时差数据tsr620为：

其中δt14是连接接收机输出的1pps信号到时间间隔计数器sr620关门信号入口的电缆时延；δt15是连接一级时频分配放大器到伪卫星地面站时频放大器的电缆时延；

第三步：地面站发射设备时延和接收设备时延总和测量

地面站发射设备和接收设备时延总和ttotal为：

其中δt1+δt2+δt3是地面原子钟组到导航地面站基带发射帧头的传输时延；δt6+δt7+δt8和δt6′+δt7′+δt8′是地面站到伪卫星的空间链路时延，分别可以根据地面站天线旋转中心坐标和伪卫星接收和发射天线坐标计算得到；δt9+δt10+δt11是伪卫星收发天线与转发器连接电缆时延以及转发器自身的处理时延；

第四步：地面站发射设备时延和接收设备时延的测量

根据ttotal得到导航地面站发射链路设备时延tup：

其中δt12是连接伪卫星转发器出口到伪卫星地面站监测接收机射频信号入口的电缆时延；δt13是监测接收机内部时延；δt14是监测接收机输出的1pps信号到sr620关门信号入口的电缆时延；δt15是连接一级时频分配放大器到伪卫星地面站时频放大器的电缆时延；δt1是连接地面原子钟组到一级时频分配放大器的电缆时延；

ttotal减去tup得到接收链路设备时延tdown：

通过得到的导航地面站发射链路设备时延tup和接收链路设备时延tdown完成对导航地面站设备时延的校准。

进一步，通过地面高精度原子钟为导航地面站内各个设备提供标准的时频参考信号，导航地面站向伪卫星发射信号并接收伪卫星转发器转发的信号。

进一步，待测地面站向伪卫星发射信号，综合基带测量并记录环路时延值，监测接收机记录一跳时延值，所有数据每秒记录一次，对最终的观测量进行统计分析处理，得到最终的发射链路设备时延tup和接收链路设备时延tdown。

本发明基于卫星转发器的导航地面站设备时延校准方法，使用伪卫星的转发器代替卫星转发器，通过地面站综合基带以及监测接收机的载波相位测量功能，地面站综合基带采用自发自收的工作模式对地面站设备时延进行标定，导航地面站向伪卫星发射信号，并接收伪卫星转发的信号，由监测接收机和时间间隔计数器sr620等构成的地面监测平台同时接收伪卫星转发的信号，对信号传输时延进行监测，通过对链路传输路径上各段时延的分析，得到导航地面站发射和接收链路设备时延。

校准方案所使用的设备如导航地面站、标校伪卫星转发器、监测接收机、测试sr620均接外部系统参考时钟源，所有标准线缆使用通用仪器配合完成精确的初始标定，标定完成后，可以有效解决地面站设备时延有效校准。

该方法的精度达到了亚纳秒量级，对于转发式卫星导航系统的虚拟钟模型建立有着重要的意义，同时对转发式卫星导航系统的导航功能和授时服务以及卫星双向时间频率比对等时间传递系统地面站设备时延标校有着重要的意义。通过伪卫星转发器完成地面站设备时延校准试验，试验结果表明该方法切实可行，是一种方便、有效的地面站设备时延校准方法。

附图说明

图1地面站设备时延校准原理图；

图2设备连接关系图；

图3地面站设备连接图；

图4地面站综合基带测量的环路时延统计图；

图5伪卫星地面站监测接收机测量的一跳时延统计图；

图6地面站发射设备时延统计图；

图7地面站接收设备时延统计图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

假定需要标校的地面站为a站，地面高精度原子钟为导航地面站内各个设备提供标准的时频参考信号，导航地面站向伪卫星发射信号并接收伪卫星转发器转发的信号。

地面站综合基带产生测距信号，经过上变频器、高功率放大器、天线向伪卫星发射信号，伪卫星接收天线接收来自地面站的信号并通过转发器转发，地面站天线接收伪卫星转发的信号经过低噪放、下变频器后在地面站综合基带处理，完成地面站-伪卫星-地面站整个环路的时延测量。

具体校准过程如下：

参见图1和图3，测量导航地面站-伪卫星-地面站环路时延。

导航地面站综合基带测量得到环路时延值δtloop为：

δtloop＝δt1+δt2+δt3

δt4+δt5+δt6+δt7+δt8+δt4′+δt5′+δt6′+δt7′+δt8′+δt9+δt10+δt11

其中，δt1是连接地面原子钟组到一级时频分配放大器的电缆时延；δt2是连接一级时频分配放大器到导航地面站时频放大器的电缆时延；δt3是连接导航地面站时频放大器到基带的电缆时延；δt4和δt4′分别是基带内部发射和接收校准时延；δt5和δt5′分别是导航地面站设备发射和接收时延；δt6和δt6′分别是上行和下行的空间链路时延；δt7和δt7′分别是上行和下行的空间链路的电离层时延；δt8和δt8′分别是上行和下行的空间链路的对流层时延；δt9是连接伪卫星接收天线到转发器的电缆时延；δt10是伪卫星转发器时延；δt11是连接伪卫星转发器到伪卫星发射天线电缆时延。

参见图1和图3，测量监测接收机一跳时延值。

在伪卫星地面站通过使用时间间隔计数器sr620采集监测接收机测量的一跳时延值tsr620为：

其中δt12是连接伪卫星转发器出口到伪卫星地面站监测接收机射频信号入口的电缆时延；δt13是接收机内部校准时延；δt14是连接接收机输出的1pps信号到sr620关门信号入口的电缆时延；δt15是连接一级时频分配放大器到伪卫星地面站时频放大器的电缆时延。

参见图1，计算地面站发射设备时延和接收设备时延。

通过计算可以得到地面站发射设备和接收设备时延总和ttotal为：

其中δtloop是地面站综合基带测量的导航地面站-伪卫星-地面站的环路时延值；δt1+δt2+δt3是地面原子钟组到地面站基带发射帧头的传输时延，该时延是已知可测量的；δt6+δt7+δt8和δt6′+δt7′+δt8′是地面站到伪卫星的空间链路时延，分别可以根据地面站天线旋转中心坐标和伪卫星接收和发射天线坐标计算得到，由于地面站与伪卫星距离较近，空间链路中的对流层、电离层等时延是可以忽略不计的，故该段时延是已知的；δt9+δt10+δt11是伪卫星收发天线与转发器连接电缆时延以及转发器自身的处理时延，该段时延是可测量，是已知的，因此可以得到地面站设备时延总和ttotal。

计算地面站发射链路设备时延tup：

其中δt12是连接伪卫星转发器出口到伪卫星地面站监测接收机射频信号入口的电缆时延，该测试电缆时延可以提前标定，是已知的；δt13是监测接收机内部时延，监测接收机在测试前进行标校，故这部分时延可忽略；δt14是监测接收机输出的1pps信号到sr620关门信号入口的电缆时延，该时延可提前标定，是已知的；δt15是连接一级时频分配放大器到伪卫星地面站时频放大器的电缆时延，该时延可提前标定，是已知的；δt1是连接地面原子钟组到一级时频分配放大器的电缆时延，该时延可提前标定，是已知的。

由此可以计算得到地面站发射链路设备时延。

通过tdown＝ttotal-tup计算可以得到接收链路设备时延tdown。

校准方案所使用的设备如导航地面站、标校伪卫星转发器、监测接收机、测试sr620均接外部系统参考时钟源，所有标准线缆使用通用仪器配合完成精确的初始标定，标定完成后，可以有效解决地面站设备时延有效校准。

图4-图7给出了使用伪卫星对地面站设备时延进行标定的结果图。待测地面站向伪卫星发射信号，综合基带测量并记录环路时延值，监测接收机记录一跳时延值，所有数据每秒记录一次，对最终的观测量进行统计分析处理。

结果表明地面站发射设备时延最大值为197.25ns，最小值为196.0ns，其统计的标准差为0.18ns；地面站接收设备时延最大值为348.53ns，最小值为348.40ns，其统计的标准差为0.018ns；地面站设备时延标校的精度可以达到亚纳秒量级。该方法对卫星导航系统和卫星双向时间比对方法精度提高有着重要的意义。通过伪卫星转发器完成地面站设备时延校准试验，试验结果表明，该方法切实可行，是一种有效的地面站设备时延校准方法。

参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。