一种基于双向测距的空间航天器时间同步实现方法与流程

本发明属于时频技术领域及空间科学技术领域，特别涉及一种基于双向测距的空间航天器时间同步实现方法。

背景技术：

目前，国际上常用的时间同步和比对的方法有激光时间传递法、光纤时间传递法，gps共视法、双向卫星时间频率传递法(twstft)。其中，卫星双向时间传递技术已被证明是一种准确度和稳定度都比较高的时间传递手段。双向卫星时间频率传递(twstft)方法是用通信卫星来进行双向时间、频率信号的传递技术，在合理的花费条件下，是目前传递精度最高并且最重要的时间比对方式之一。

twstft主要是利用geo通信卫星接收并且转发来自两个地面实验室接的主钟时间秒信号，各地面观测站再将自己的主钟秒信号和接收到的对方的时间秒信号进行比对，从而实现时间比对的方法；该方法主要利用信号传递路径对称的特点，抵消传播路径上的大部分时延，因而时间同步精度更高。

目前，双向卫星时间频率传递方法的准确度可达500～750ps，稳定度可达200ps。twstft除了可以实现两个远程地面站的高精度时间频率传递外，还在地球自转精确测定、卫星的精密定位及卫星动力学研究，相对论效应、大地测量、大陆漂移、地壳形变、地震预报等研究，电离层、对流层特性的研究等领域也具有重大的科学意义。

随着科学技术的发展，人类对科学的探索研究已经从地面、近地空间延伸至远地空间甚至深空，空间飞行器、地月探测器等各类航天器的数量日益增多，空天地时间一体化已成为各类航天器协同工作的重要保障，对各类航天器的高精度时间同步也提出了更为迫切的需求。将twstft双向测距技术应用于空间航天器之间时间传递，通过合理的实现方法和实施途径来实现航天器间时间同步，是twstft技术的进一步拓展应用，也是实现航天器高精度时间同步的一种有效手段。

综上，亟需一种新的基于双向测距的空间航天器时间同步实现方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于双向测距的空间航天器时间同步实现方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的实现方法，可满足空间航天器高精度时间同步的需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于双向测距的空间航天器时间同步实现方法，包括以下步骤：

步骤1，通过双向单程测量实现航天器相互之间的伪距测量，获得双向单程观测伪距；

步骤2，根据步骤1获得的双向单程观测伪距，计算获得双向钟差；

步骤3，扣除双向钟差计算时的各项时延误差，实现空间航天器时间同步；其中，时延误差包括：传输路径不一致引起的时延误差和设备时延误差；传输路径不一致时，对双向单程观测伪距进行时标归算。

本发明的进一步改进在于，步骤1具体包括：

在双向测量的一次测量过程中，通过航天器双方相互发出信号供对方测量，然后交换测量数据，进行解算，从而得到双向单程观测伪距；

其中，所述双向测量为按照一定时序的两个单向测量的组合。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，需要实现时间同步的两个航天器分别为航天器1和航天器2；

t1＝τt2+τ21+τr1+δt+τrel-21+δ1(1)

t2＝τt1+τ12+τr2-δt+τrel-12+δ2(2)

式(1)和(2)中，t1为航天器1的伪距观测值，t2为航天器2的伪距观测值，，τt1、τt2分别表示航天器1和航天器2的设备发射时延，τr1、τr2分别表示航天器1和航天器2的设备接收时延，τ21表示信号从航天器2到航天器1的空间传播时延，τ12表示信号从航天器1到航天器2的空间传播时延，τrel-21、τrel-12分别是两个航天器的附加空间传播时延，δ1、δ2是航天器1和航天器2的测量噪声。

本发明的进一步改进在于，步骤2中，需要实现时间同步的两个航天器分别为航天器1和航天器2，航天器1和航天器2之间的钟差为δt，航天器之间双向钟差的计算表达式为：

式(3)中，t1为航天器1的伪距观测值，t2为航天器2的伪距观测值，τt1、τt2分别表示航天器1和航天器2的设备发射时延，τr1、τr2分别表示航天器1和航天器2的设备接收时延，τ21表示信号从航天器2到航天器1的空间传播时延，τ12表示信号从航天器1到航天器2的空间传播时延，τrel-21、τrel-12分别是两个航天器的附加空间传播时延，δ1、δ2是航天器1和航天器2的测量噪声；其中，τ12和τ21是包含双单向延迟的信息。

本发明的进一步改进在于，双向传播路径不一致，τ12-τ21不能为零，式(3)中无法完全抵消传播路径延迟的影响，采用的补偿方法包括：利用先验星历数据，将不同时刻的双向单程观测伪距换算到某一参考历元，得到同一参考时刻的双向单程观测伪距；

利用同一参考时刻的双向单程观测伪距构成测量方程，根据式(3)解算钟差δt。

本发明的进一步改进在于，步骤2中，在进行钟差解算之前，对双向单程观测伪距进行平滑；平滑的方法采用多项式拟合平滑法。

本发明的进一步改进在于，设备时延误差通过标定的方法补偿。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，还包括：对相对测量值进行测量野值剔除。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，进行测量野值剔除时，

采取门限判别方法，包括：ti时刻的伪距观测值h(ti)，按其在hmin≤h(ti)≤hmax所允许变化范围内的条件来检验异常性；

其中，hmin、hmax分别为给定星地观测所能允许的最小和最大被测参数值，记tk时刻设备积分处理器求出的航天器的伪距信息为ρ(k)，所选取的积分器误差为δδ，随机测量误差取为ε，则hmax＝ρ(k)+nδδ+ε，hmin＝ρ(k)-nδδ-ε；

或者，

采用检验同一参数在两个相邻时刻的观测值之差的模的方法，包括：根据h(ti+1)-h(ti)≤f(ti+1-ti)，f是给定星地观测值两相邻时刻最大变化值，且f＝|ρ(k+1)-ρ(k)|。

本发明的进一步改进在于，能够实现时间同步精度优于0.3ps

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于testft双向测距技术实现空间航天器时间同步的具体实现方法，可满足空间航天器高精度时间同步的需求。本发明中，当双向传播路径一致时，抵消了传播路径延迟的影响，使得双向同步精度提高。但是对于采用时分体制的链路，“双向单程”测量并非同时进行，另外航天器之间存在一定的相对运动，都可能造成双向传播路径不一致，导致τ21≠τ12，这两个时延的矢量差可能随时间而变化，就会引起由于传输路径不一致导致的时延误差，需要进行必要的补偿。本发明通过一定的方法将误差项进行扣除，能保证最终时间同步的精度。

本发明中，由于先验星历本身也存在一定的误差，因此利用先验星历解算的卫星位置误差也会表现为随机误差，通过两个反正测距过程还是无法完全相互抵消随机误差。本发明在进行钟差解算之前，进一步对双向测距值数据进行平滑，平滑的方法可以采用多项式拟合平滑法，这样就可以滤掉随机误差部分，使轨道误差表现为慢变特性，从而有利于两个测距方程中由轨道误差引起的时标配对归算误差的相互对消。

本发明中，测距野值的处理其实是对测距粗差的识别与剔除，主要目的是要剔除由于测量设备因素造成的观测异常或者剔除由于航天器平台造成的异常数据。这些野值可能对测量精度和数据处理的结果带来严重影响，进行修正或剔除以进一步保证测量精度。

本发明主要适用于在空间航天器之间利用双向测距技术实现高精度时间同步，航天器之间可以实现的时间同步精度优于0.3ps。

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中，空间航天器双向单程测量原理示意图；

图2是本发明实施例中，空间站和卫星双向测距实现示意图；

图3是本发明实施例中，kjz-meo时间同步精度示意图；

图4是本发明实施例中，kjz-igso时间同步精度示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种基于双向测距的空间航天器时间同步实现方法，具体包括以下步骤：

(1)通过双向单程测量实现航天器相互之间的伪距测量

请参阅图1，双向单程测量的过程如图1所示，即在双向测量的一次测量过程中通过航天器双方相互发出信号供对方测量，然后交换测量数据，进行解算，从而得到相对测量值。

可选的，由于同频点信号收发隔离不易实现，双向测量不一定要同时进行，而是可以按照一定时序的两个单向测量的组合。

图1中，需要实现时间同步的两个航天器分别为航天器1和航天器2，设两个航天器设备之间的时间偏差(钟差)为δt。航天器1设备在本地秒脉冲的上升沿向对方发射测距信号，该信号是经过伪码调制的扩频信号，其伪码相位携带了本地发送时刻的信息。该信号经过航天器1发射设备的时延、空间传播时延、其他附加传播时延，并经过航天器2接收设备的时延后，在航天器2的某一时刻被检测到，得到航天器2的伪距观测值t2；同理航天器2设备在本地秒脉冲的上升沿向对方发射测距信号，在航天器1的某一时刻被检测到，得到航天器1的伪距观测值t1；则t1和t2可以被表示为：

t1＝τt2+τ21+τr1+δt+τrel-21+δ1(1)

t2＝τt1+τ12+τr2-δt+τrel-12+δ2(2)

其中，τt1、τt2分别表示航天器1和航天器2的设备发射时延，τr1、τr2分别表示航天器1和航天器2的设备接收时延，τ21表示信号从航天器2到航天器1的空间传播时延，τ12表示信号从航天器1到航天器2的空间传播时延，τrel-21、τrel-12分别是两个航天器的相对论效应以及对流层、电离层等引起的附加空间传播时延，δ1、δ2是航天器1和2和的测量噪声。

(2)利用单程伪距计算双向钟差

将步骤(1)中的公式(1)和(2)式相减除以2得到航天器之间双向钟差的计算表达式：

式中，τ12和τ21是包含双单向延迟的信息。

因此当双向传播路径一致时，τ12-τ21为零，抵消了传播路径延迟的影响，使得双向同步精度进一步提高。

但是对于采用时分体制的链路，“双向单程”测量并非同时进行，另外航天器之间存在一定的相对运动，都可能造成双向传播路径不一致，导致τ21≠τ12，这两个时延的矢量差可能随时间而变化，就会引起由于传输路径不一致导致的时延误差，需要进行必要的补偿。

另外，式(3)中还包含了测量过程中的其他各种误差时延项，比如设备时延，由于相对论效应以及对流层、电离层等引起的附加空间传播时延τrel-21、τrel-12，航天器和地面设备的测量噪声δ1、δ2等，均需要通过一定的方法将这些误差项进行扣除，才能保证最终时间同步的精度。

(3)对单向伪距观测值进行测量野值剔除

一般在得到原始观测伪距数据后，首先要做的是对测量野值进行处理。测距野值的处理其实是对测距粗差的识别与剔除，主要目的是要剔除由于测量设备因素造成的观测异常或者剔除由于航天器平台造成的异常数据。这些野值可能对测量精度和数据处理的结果带来严重影响，必须进行修正或剔除以保证测量精度。航天器间测距数据的野值剔除可以采取门限判别方法。

其原理是ti时刻的伪距观测值h(ti)，按其在hmin≤h(ti)≤hmax所允许变化范围内的条件来检验异常性，其中hmin、hmax分别为给定星地观测所能允许的最小和最大被测参数值。记tk时刻设备积分处理器求出的航天器的伪距信息为ρ(k)，若所选取的积分器误差为δδ，随机测量误差取为ε，则hmax＝ρ(k)+nδδ+ε、hmin＝ρ(k)-nδδ-ε。

另外通过检验同一参数在两个相邻时刻的观测值之差的模也可以作为一种判定野值的补充方法，即根据h(ti+1)-h(ti)≤f(ti+1-ti)，f是给定星地观测值两相邻时刻最大变化值，且f＝|ρ(k+1)-ρ(k)|。

(4)扣除各项时延误差，实现高精度时间同步

为了提高时间同步的精度，还需要对公式(3)中包含的各项误差项进行扣除，各项误差的扣除方法分别如下：

1)传输路径不一致引起的时延误差

τ12和τ21是包含双单向延迟的信息，当双向传播路径不一致时，τ12-τ21不能为零，公式(3)无法完全抵消传播路径延迟的影响，需要进行补偿。

主要补偿方法是通过对测量方程中的双向单程观测伪距进行时标归算，即利用先验星历数据或其他观测量，将不同时刻的测量伪距换算到某一参考历元，进而得到同一参考时刻的双向测距值。

由于先验星历本身也存在一定的误差，因此利用先验星历解算的卫星位置误差也会表现为随机误差，通过两个反正测距过程还是无法完全相互抵消随机误差。因此在进行钟差解算之前，进一步对双向测距值数据进行平滑，平滑的方法可以采用多项式拟合平滑法，这样就可以滤掉随机误差部分，使轨道误差表现为慢变特性，从而有利于两个测距方程中由轨道误差引起的时标配对归算误差的相互对消。

最后利用同一参考时刻的双向测距值就可以重新组成一组新的(1)和(2)构成测量方程，然后根据(3)式进一步解算钟差δt。

2)设备时延误差

公式(3)中，(τt1+τr2)-(τt2+τr1)这项反映的是在不考虑路径情况下，信号由航天器1到航天器2的信号来回时间差，即为两个单向测量中电路延迟的差异，与设备零值有关。对于两个固定的设备，该值将是一个确定的小量，可以通过标定的方法减小或消除其影响。

3)其他误差

相对论效应、电离层及对流层延迟误差以及接收机噪声误差等项，采用目前成熟的算法处理即可，这里不作为发明的重点内容介绍。

具体实施例

请参阅图1至图4，本发明实施例中，假定实现时间同步的两个航天器一方为空间站，另一方为北斗卫星，则以空间站和北斗卫星之间的时间同步为例进行说明，假定二者以时分体制的方式实现测量交互，则二者实现高精度时间同步的具体步骤为：

步骤1，空间站a在本地t1时刻发出信号，该信号是经过伪码调制的扩频信号，其伪码相位携带了发送时刻t1的信息。发射系统的电路延迟为ta，无线电的空间延迟为τa，该信号经过卫星b的电路处理延迟rb，在t2时刻被检测到。由于信号在t1时刻发出，在t2被检测到，考虑到卫星存在相对运动，其相对距离是时间的函数，因此测量到的延迟τa是这t1和t2两个时刻的函数τa(t1,t2)，该延迟包括了所有空间路径上的延迟。卫星b基于自身的时钟测量这两个时刻的时延值为tb。

步骤2，卫星b也在时刻t3时刻发出测距信号，从而提供双单向的时间和距离测量。设发射系统的电路延迟为tb，无线电的空间延迟为τb，该信号经过空间站a的电路处理延迟ra，在t4时刻被检测到。和空间站a同样的道理，空间延迟为τb在卫星存在运动的情况下，其延迟是时间函数τb(t3,t4)。空间站a测量出卫星b发出信号到空间站a接收到信号的时刻差值为ta。

空间站与卫星各自接收到的伪距观测值表示为：

式中，δba、δba为各自的测量噪声，δrel别为相对论效应、电离层延迟引入的系统性测量误差，ra、ta为空间站a的接收和发射设备时延，rb和tb为卫星b的接收和发射设备时延。

步骤3，同一参考时刻的测距值配对求解

即利用空间站和卫星的先验星历数据，将不同时刻的伪距观测值换算到同一参考时刻的双向测距值。利用同一时刻的双向测距值就可以重新组成一组新的(1)和(2)构成测量方程。

步骤4，误差模型修正

利用各项误差扣除方法，对路径时延不一致引起的误差、设备时延误差、相对论效应误差、其他电离层对流层误差等误差进行修正和扣除。

步骤5，计算空间站与卫星之间的双向钟差δt

最后解算得到空间站与卫星的双向钟差δt为表示为：

其中，ψ为第5步骤中扣除的误差项之和。

步骤6，分析空间站与卫星之间的时间同步精度

以仿真生成的空间站与卫星的轨道为真实参考轨道，在参考轨道上附加随机误差后生成空间站和卫星各自的伪距值，随机误差设置如表1所示。

表1.空间站和卫星的轨道随机误差设置

结合各项误差修正后，计算得到空间站与卫星之间的钟差，如图3所示为空间站和北斗某meo卫星的相对钟差，相对钟差rms为2.7e-4ns，图4为空间站和北斗某igso卫星的相对钟差，rms达到8.7e-5ns。可以看出，通过本发明的方法，航天器之间可以实现的时间同步精度优于0.3ps。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。