专利名称：基于综合孔径观测的导航卫星自主时间同步方法
技术领域：
本发明属于航天器自主导航技术领域，涉及一种利用脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星进行高精度时间同步的方法。
背景技术：
卫星导航系统是一种天基的无线电导航定位与时间传递系统，是实时获取高精度测量信息的空间基础设施，能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的位置、速度和时间等导航信息服务。完整的卫星导航系统包括三大组成部分，即空间星座部分(导航星座)、地面控制部分和用户终端部分。其中，地面控制部分由分布在全球的多个监测站和注入站，以及I个主控制中心站组成，负责对导航卫星进行跟踪观测，精密确定卫星轨道和星载钟参数，编制导航电文和控制指令，并经由上行数据链路注入到导航卫星。导航卫星提取上行注入信息，将导航电文播发至用户终端接收机使用。也就是说，目前导航星座的运行、管理和维持都是由地面控制系统负责完成的，每日需要做一次上行信息注入(如GPS系统)。若导航卫星能够实现较长时间的自主导航和运行管理，将有效地减少地面测控站的布设数量，减轻地面控制系统工作负担，降低导航星座运行管理和长期维持费用；能够实时监测导航信息完好性，大大缩短故障报警时间，提高导航信息的连续性和可用性性能；减少地面站至卫星的上行信息注入次数，降低导航星座对地面测控系统的依赖程度，增强卫星导航系统在特殊时期的自主生存能力。可见，导航星座自主导航具有极其重要的实际工程应用价值。为此美国对其GPS系统进行了现代化改造，在GPS Block II R/II R_M、Block IIF等系列卫星上增加了星间通信/测距链路，通过星间双向测距、数据交换以及星载计算机滤波处理，不断修正卫星长期预报星历和时钟参数并自主生成导航电文和控制指令，维持星座基本构形的稳定，以满足用户连续高精度导航定位应用需求。然而，这种基于星间链路测距信息的导航星座自主导航方式，缺乏外部时空基准数据，难以解决两类不可观测性误差随时间积累问题。一类是星座整体旋转误差，这种误差会造成星座整体相对于惯性坐标系漂移；另一类是地球非均匀自转误差，造成地心固联坐标系相对于惯性坐标系漂移。尤其是星座整体旋转误差积累，将导致卫星星历和时钟参数误差逐渐增大，用户导航定位精度严重下降。目前，解决上述问题有两种基本途径⑴通过建立星座整体旋转和地球自转的长期预报模型，抑制误差积累(如GPS卫星自主导航方式)。但是这种方法从实际应用效果来看，并未彻底解决这一技术难题，不能满足星座长时间自主导航技术指标要求；⑵采用导航星座“抛锚”技术，通过地面站定期向星座卫星发射测距信号和调制地球自转参数信息，星上进行信息处理，抑制星座不可观测性误差随时间积累。但是这种通过建立星地链路的解决方式，违背了导航卫星长时间自主运行的原则。近年来，随着国内、外对基于X射线毫秒脉冲星计时观测的航天器自主导航技术的广泛研究，为导航卫星自主导航提供了一种新的思路和可行途径，尤其是为导航星座提供一种独立的外部绝对时空基准，能够解决星座长时间自主运行问题。基于X射线毫秒脉冲星计时观测的航天器自主导航是实现真正意义上的航天器高精度自主导航的有效模式。将脉冲星自主导航技术应用于全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem, GNSS),能够实现导航卫星的自主时间同步和卫星星历的自主测量与更新。这种自主导航是以脉冲星惯性时空参考架为参考的，脉冲星时空参考架相对于惯性参考架不存在旋转和时间漂移，因而能够抑制或消除星座自身旋转误差和导航卫星时间基准的长期漂移误差。应用脉冲星导航技术也能够精确测量GNSS自主导航存在的星座平均时间误差和星座整体旋转误差。在导航应用时，利用导航卫星上装备的X射线计时观测设备，对一组事先选定的毫秒脉冲星进行脉冲到达时间测量，测得每颗脉冲星的脉冲到达导航卫星的时刻，同时利用脉冲星钟模型可以预报出同一个脉冲到达太阳系质心的时刻，通过同一个脉冲到达导航卫星与太阳系质心时刻的比较，再结合这一组脉冲星的空间位置参数，就能解算出观测时刻导航卫星相对于太阳系质心的位置矢量(三维坐标)和星载钟相对于标准时间(太阳系质心坐标时，TCB)的钟差。其基本原理如
图1所示。在图1中，导航卫星利用搭载的X射线脉冲星自主导航系统测量出导航卫星相对于太阳系质心的位置以及星载钟相对于标准时间的钟差，实现自主定位与定时。X射线脉冲星自主导航系统主要包括以下几部分4个X射线探测器，用于探测来自脉冲星的X射线脉冲信号，并在一定的积分时间内获得具有满意信噪比的积分脉冲轮廓；星载原子钟，为TOA的测量提供参考时间；X射线脉冲星和太阳系天体历表数据库，提供脉冲星时空参考架和导航算法需要的基础数据；T0A测量和处理模块，采用合适算法，利用积分脉冲轮廓，获得观测得到的脉冲到达时间；导航卫星位置、速度和时间算法模块，利用观测得到的TOA建立脉冲星导航观测方程，采用合适算法实现航天器状态参数(位置、速度、时间)的测量和预报。X射线脉冲星计时观测是脉冲星自主导航技术的基础。X射线计时观测系统的基本结构如图2所示，航天器将所搭载的X射线探测器对准目标源，观测并记录下来自目标源及其背景天区的X射线光子的到达时间(Time of Arrival, TOA),到达时间的测量是以星载原子钟提供的时间信号为参考的，然后由数据记录系统记录下原始的观测数据。由于航天器的高速运动会导致观测信号产生明显的多普勒效应；由于狭义相对论效应的影响，星载原子钟的实际振动频率相对于其标称频率也会发生变化；而且目前已发现的适用于航天器自主导航的毫秒脉冲星多处于双星系统，导致所观测脉冲星绕双星系统质心的公转运动也会对观测信号产生额外的影响；除此之外，还需考虑Shapiro延迟等多项误差源的影响。因此原始的观测数据要经过观测数据预处理系统的进一步处理，以消除各种误差源对观测数据的影响。在完成各项误差源的改正之后，按照所观测脉冲星的自转周期对观测序列进行叠加处理，以获得具有满意信噪比的积分脉冲轮廓。将积分脉冲轮廓与数据库中记录的标准脉冲轮廓进行比较后再加上本次观测的起始时刻，就得到本次观测的T0A。大量的观测数据表明对于X射线波段辐射最强的Crab (J0534 + 2200)脉冲星，用一个有效面积为Im2的X射线探测器，每秒可接收约7800个来自脉冲星的X射线光子(信号)和约78000个来自所在星云的光子(噪声)，即一个脉冲周期的信号光子数是260个左右，噪声光子数是2600个左右。而其他X射线脉冲星的X射线流量强度仅仅是Crab脉冲星的千分之一甚至更低，也就是说每Im2的探测器每秒只能探测到10个左右的信号光子甚至更少，而本底光子数目在100个左右。若要获得一个清晰的脉冲轮廓，至少需要十几个小时的连线观测时间。 信噪比如此之低的观测信号，成为了限制脉冲星自主导航技术实际应用的主要原因之一。若要将其用于导航卫星的自主导航，就必须采取措施以提高信噪比，目前有两种解决方案一种是延长观测时间；另一种是使用大面积的探测器。但两种方案均具有其局限性，对于第一种方案，观测时间的延长会降低导航解的实时性，无法实现对导航信息完整性的准实时监测，并延长故障报警时间；对于第二种方案，由于导航卫星的有效载荷有限，因此大面积的X射线探测器是难以搭载上去的。对于导航卫星位置坐标的自主测量，目前有一种较为可行的技术方案，即利用两颗导航卫星上装备X射线探测器同时观测同一颗X射线变源，这两颗卫星之间的连线构成动态星间测量基线，同一信号到达两颗卫星的时间之差即反映了星间基线相对于脉冲星的方向，通过对多颗X射线变源信号的同步观测便可以测定星间基线在惯性时空参考架中的方向。同时测量多条星间基线在惯性时空参考架中的方向，并结合星间测距/通信链路的测量结果与轨道动力学方程，便可实现导航卫星位置坐标的自主测定。X射线变源的流量比X射线毫秒脉冲星的流量通常高5 6个量级，因此不需要使用大面积的探测器也不需要很长的观测时间，便可获得较高的测量精度。但利用X射线变源无法实现导航卫星自主时间同步，只有利用X射线毫秒脉冲星才可以实现导航卫星自主时间同步。综上所述，若要将X射线脉冲星自主导航技术应用于导航卫星以实现导航星座的自主时间同步，就必须解决观测信号信噪比过低的问题。现有的提高观测信号信噪比的方法主要有两种增大探测器的有效面积或延长观测时间，两种方法分别存在以下问题对于导航卫星而言，其上要搭载原子钟组、时频信号产生与保持系统、天线、太阳能电池等大量用于导航信号产生、保持与发射的设备。可分配给X射线探测器系统的有效载荷是很有限的，而大面积的X射线探测器体积大、质量大、功耗高，必定会占用较多的卫星有效载荷，难以实施。而且，现有的脉冲星自主导航技术通常要求在卫星上搭载4个X射线探测器，这就使得在导航卫星上搭载大面积X射线探测器的方案变的更不可行。在探测器尺寸受限的情况下，还可以采用延长观测时间的办法来提高信噪比。但除了 Crab脉冲星外，通常用于导航的毫秒脉冲星X射线辐射流量都非常低，即使对于有效面积为Im2的大面积X射线探测器而言，在I秒钟的时间间隔内所能接收到的光子信号也仅为10个左右甚至更少，若要获得一个清晰的脉冲轮廓，至少需要十几个小时的连续观测时间。在如此长的观测时间内，导航卫星已沿轨道飞行了很长的一个弧段甚至是一周，而脉冲星自主导航系统给出的还是观测开始时卫星的运动状态参数与钟差参数。因此观测时间的延长会大大降低导航解的实时性，无法实现对星载钟状态的准实时监测，并会延长故障报警时间。发明专利200710005043. 9提出了一种基于X射线脉冲星的导航卫星自主轨道确定、时间同步和姿态测量的系统与方法。该专利仍然是利用传统的X射线脉冲星自主导航方法来实现导航卫星的自主时间同步，无法彻底解决X射线脉冲星导航中所存在的弱信号观测问题。
发明内容
为了克服现有脉冲星自主导航技术中存在的观测信号信噪比过低而且难以辨识的不足，本发明提出了一种X射线波段的综合孔径观测方案，在不增大探测器面积、不延长观测时间的情况下，很好的解决了基于脉冲星的导航星座自主时间同步中所存在的弱信号检测问题，测量精度高且易于实施。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤步骤一，根据各颗导航卫星的星历和毫秒脉冲星的位置参数，选定一组可同时观测到同一颗毫秒脉冲星的导航卫星，并从中任选一颗作为基准卫星，其余的导航卫星作为协同观测卫星，协同观测卫星的观测数据要归算至基准卫星处；步骤二，所有的协同观测卫星与基准卫星同时对同一颗毫秒脉冲星开展计时观测，并将各自的原始观测数据进行保存；同时协同观测卫星与基准卫星根据各自的的位置与速度参数完成原始观测信号的多普勒效应、狭义相对论效应与Shapiix)延迟改正；步骤三，在每次计时观测完成后，各协同观测卫星将各自的观测数据传送至基准
卫星；步骤四，基准卫星利用不同时刻星间相对位置测量数据，来完成各协同观测卫星至基准卫星处的时延改正，具体方法为在t时刻，第i颗协同观测卫星在惯性空间中相对于基准卫星的位置矢量为所
观测毫秒脉冲星的方向矢量为^则t时刻协同观测卫星至基准卫星的TOA测量数据时延
改正值为
权利要求
1.一种基于综合孔径观测的导航卫星自主时间同步方法，其特征在于包括下述步骤步骤一，根据各颗导航卫星的星历和毫秒脉冲星的位置参数，选定一组可同时观测到同一颗毫秒脉冲星的导航卫星，并从中任选一颗作为基准卫星，其余的导航卫星作为协同观测卫星，协同观测卫星的观测数据要归算至基准卫星处；步骤二，所有的协同观测卫星与基准卫星同时对同一颗毫秒脉冲星开展计时观测，并将各自的原始观测数据进行保存；同时协同观测卫星与基准卫星根据各自的的位置与速度参数完成原始观测信号的多普勒效应、狭义相对论效应与ShapiIO延迟改正；步骤三，在每次计时观测完成后，各协同观测卫星将各自的观测数据传送至基准卫星；步骤四，基准卫星利用不同时刻星间相对位置测量数据，来完成各协同观测卫星至基准卫星处的时延改正，具体方法为在t时刻，第i颗协同观测卫星在惯性空间中相对于基准卫星的位置矢量为I所观测毫秒脉冲星的方向矢量力^则t时刻协同观测卫星至基准卫星的TOA测量数据时延改正值为
全文摘要
本发明提供了一种基于综合孔径观测的导航卫星自主时间同步方法，所有的协同观测卫星与基准卫星同时对同一颗毫秒脉冲星开展计时观测，基准卫星利用不同时刻星间相对位置测量数据，来完成各协同观测卫星至基准卫星处的时延改正，对完成时延改正的各组观测数据进行叠加处理以得到综合孔径计时观测系统的观测波形；对基准卫星星载钟的钟差进行测量，计算导航星座各卫星与标准时间TCB的钟差并在每颗卫星各自的广播星历中将钟差改正值播发出去，即完成了导航卫星的自主时间同步。本发明达到了减小导航卫星的X射线探测器载荷、缩短观测时间、提高导航卫星自主时间同步精度与实时性的技术效果。
文档编号G01C21/24GK103033188SQ20121056690
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者尹东山 申请人:中国科学院国家授时中心