在轨导航卫星主备钟切换方法与流程

本发明涉及星载原子钟技术领域，特别涉及一种在轨导航卫星主备钟切换方法。

背景技术：

随着卫星导航定位、卫星通信等领域的不断发展，卫星有效载荷对时间频率准确度的要求越来越高。卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度，高可靠的定位、导航、授时服务，关乎国家安全和国民经济发展。而精密时间保持技术是卫星导航系统提供高精度定位、导航、授时服务的技术基础。目前，卫星导航系统配备精密原子钟，并与各监控站、主控站的原子钟始终保持精密同步，从而为用户提供精密导航、授时服务。

为了保证导航卫星系统运行的稳定性和可靠性，导航卫星星载时频处理系统均采用了冗余备份架构设计，使用两台原子钟同时加电工作，其中一台处于主用工作状态而另外一台处于热备份工作状态。当主用工作的原子钟出现异常或故障时，系统可以自动平稳地切换到热备份的原子钟上，从而保证导航卫星频率信号的连续性。为保证主备原子钟切换前后系统输出时频基准信号不发生较大的抖动和变化，系统采用相位比较器对主备原子钟进行相位差测量，根据测得的相位差数据，通过相位控制字和频率控制字调整控制热备份原子钟信号始终跟随主用原子钟，如图1所示。

目前主备钟平稳切换技术只能实现钟差参数中的a0(相位差)，a1(钟速)的平稳切换，不能实现钟差参数中的a2(频率漂移)的切换，因此不能实现主备钟最优性能传递。在轨导航卫星钟差模型为δt＝a0+a1τ+a2τ²，其中δt为钟差，τ为时间，a0为相位，a1为频率，a2为频率漂移率。卫星钟钟差参数测量的准确性及其长期一致性直接影响卫星导航定位准确性。目前，为了保证导航卫星系统运行的稳定性和可靠性，导航卫星星载时频处理系统均采用了冗余备份架构设计，使用两台原子钟同时加电工作，其中一台处于主用工作状态而另外一台处于热备份工作状态，主备钟处于跟踪使能状态下，热备份原子钟的钟差参数相位a0备和频率a1备与主用原子钟的相位a0主和频率a1主保持一致，而热备份原子钟的频率漂移率a2备与主用原子钟的频率漂移率a2主不同。因此，当主用原子钟出现异常或故障时，导航卫星系统自动切换到热备份原子钟运行时，只能实现主备钟相位a0和频率a1的传递，不能实现主备钟频率漂移率a2的传递。在主备钟切换前后，频率漂移率a2发生跳变，不能实现卫星钟性能最优传递。

根据钟差模型，在轨导航卫星发生主备钟切换后，当地面不能及时上注新的钟差参数时，频率漂移率a2跳变将导致钟差预报误差随积分时间成平方增大，对于长期钟差预报影响巨大，例如48小时钟差预报误差将达到几十纳秒，这严重影响导航卫星授时精度，严重限制导航卫星系统自主导航运行能力。因此，急需一种在轨导航卫星主备钟切换最优性能传递技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在轨导航卫星主备钟切换方法，以解决现有的导航卫星系统自动切换到热备份原子钟运行时不能实现主备钟频率漂移率的传递的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种在轨导航卫星主备钟切换方法，所述在轨导航卫星主备钟切换方法包括：

步骤一，所述在轨导航卫星采用两台原子钟同时加电工作，其中一台所述原子钟作为主钟，所述主钟处于主用工作状态，另外一台所述原子钟作为热备钟，所述热备钟处于热备份工作状态；

结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数；

步骤二，通过所述在轨导航卫星下播的工程遥测数据，获取热备钟相对主钟的钟差参数；

步骤三，采用星上主备原子钟比相法，根据所述主钟钟差参数和所述工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数；

步骤四，在主备钟跟随状态下，所述热备钟的相位和频率与所述主钟的相位和频率保持相等且随时间同步变化，能够实现无缝切换；

在所述在轨导航卫星稳定运行后，卫星钟差数据的频率漂移率为常量，将所述热备钟钟差参数上注至所述在轨导航卫星存储备用；

步骤五，当所述在轨导航卫星自主监测到所述主钟与所述热备钟发生切换时，直接自主调用存储的所述热备钟钟差参数替换所述主钟钟差参数作为卫星钟差数据，对切换后的所述卫星钟差数据进行补偿，修正所述卫星钟差数据的频率漂移率。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，所述星地双向测距采用的下行信号为经过高频头的降频处理后输出的卫星信号，其频率为950mhz～2150mhz。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数包括：

以地面基准原子钟为基准的地面运控系统发射上行信号，与一卫星建立上行测距链路，所述卫星以所述星载原子钟的主钟为基准，同时所述卫星发射下行信号，与所述地面运控系统建立下行测距链路，所述卫星测量星地之间的上行伪距值，所述地面运控系统测量星地之间的下行伪距值；

所述上行伪距值通过遥测回传到所述地面运控系统，所述地面运控系统根据所述下行伪距值与所述上行伪距值，计算得到采样周期内的所述主钟相对所述地面基准原子钟的钟差。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数还包括：

所述卫星测量星地之间的上行伪距值为星地之间微波传播时延与所述主钟相对地面基准原子钟的钟差之和；

所述地面运控系统测量星地之间下行伪距值为所述星地之间微波传播时延与所述主钟相对地面基准原子钟的钟差之差；

对于同一采样周期内测量到的所述上行伪距值中包含的所述星地微波传播时延与所述下行伪距值中包含的所述星地微波传播时延相等。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，通过所述在轨导航卫星下播的工程遥测数据，获取热备钟相对主钟的钟差参数包括：

卫星时频处理系统实时测量并记录所述热备钟相对所述主钟的钟差。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，所述卫星时频处理系统实时测量并记录的所述热备钟相对所述主钟的钟差为热备钟输出信号的相位与主钟输出信号的相位之差；

通过星载时频处理系统的鉴相器测量得到热备钟输出信号与主钟输出信号的相位差，即为所述热备钟相对所述主钟的钟差。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，采用星上主备原子钟比相法，根据所述主钟钟差参数和所述工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数包括：

所述热备钟相对所述主钟的钟差通过遥测回传到所述地面运控系统，所述地面运控系统根据所述主钟相对所述地面基准原子钟的钟差与所述热备钟相对所述主钟的钟差，得到所述热备钟相对所述地面基准原子钟的钟差。

可选的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，所述上行伪距值和所述热备钟相对所述主钟的钟差均通过星地测控通道实时下传到所述地面，并汇集到所述地面运控系统，进行数据处理得到所述主钟相对地面基准原子钟钟差及所述热备钟相对地面基准原子钟钟差。

在本发明提供的在轨导航卫星主备钟切换方法中，通过根据主钟钟差参数和工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数，将热备钟钟差参数上注至在轨导航卫星存储备用，当在轨导航卫星自主监测到主钟与热备钟发生切换时，直接自主调用存储的热备钟钟差参数替换主钟钟差参数作为卫星钟差数据，对切换后的卫星钟差数据进行补偿，修正卫星钟差数据的频率漂移率，实现了卫星主备钟切换时的最优性能传递。因此，本发明提出了一种在轨导航卫星主备钟切换最优性能传递技术，能实现在轨主备钟切换时相位、频率及频率漂移率的最优传递，将长期钟差预报精度提高一个量级，提升导航卫星自主导航运行能力。

附图说明

图1是现有的在轨导航卫星主备钟切换方法示意图；

图2是现有的在轨导航卫星主备钟切换方法主备钟切换钟差变化示意图；

图3是本发明一实施例的在轨导航卫星主备钟切换方法示意图；

图中所示：10-主钟；20-热备钟；30-电源；40-频率合成器；50-相位比较器；60-控制器；70-开关矩阵。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的在轨导航卫星主备钟切换方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种在轨导航卫星主备钟切换方法，以解决现有的导航卫星系统自动切换到热备份原子钟运行时不能实现主备钟频率漂移率的传递的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种在轨导航卫星主备钟切换方法，所述在轨导航卫星主备钟切换方法包括：步骤一，所述在轨导航卫星采用两台原子钟同时加电工作，其中一台所述原子钟作为主钟，所述主钟处于主用工作状态，另外一台所述原子钟作为热备钟，所述热备钟处于热备份工作状态；结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数；步骤二，通过所述在轨导航卫星下播的工程遥测数据，获取热备钟相对主钟的钟差参数；步骤三，采用星上主备原子钟比相法，根据所述主钟钟差参数和所述工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数；步骤四，在主备钟跟随状态下，所述热备钟的相位和频率与所述主钟的相位和频率保持相等且随时间同步变化，能够实现无缝切换；在所述在轨导航卫星稳定运行后，卫星钟差数据的频率漂移率为常量，将所述热备钟钟差参数上注至所述在轨导航卫星存储备用；步骤五，当所述在轨导航卫星自主监测到所述主钟与所述热备钟发生切换时，直接自主调用存储的所述热备钟钟差参数替换所述主钟钟差参数作为卫星钟差数据，对切换后的所述卫星钟差数据进行补偿，修正所述卫星钟差数据的频率漂移率。

在轨导航卫星钟差模型为δt＝a0+a1τ+a2τ²，其中δt为钟差，τ为时间，a0为相位，a1为频率，a2为频率漂移率。

目前，为了保证导航卫星系统运行的稳定性和可靠性，导航卫星星载时频处理系统均采用了冗余备份架构设计，如图1所示，电源30为整个系统供电，使用两台原子钟同时加电工作，其中一台处于主用工作状态(主钟/主用原子钟10)而另外一台处于热备份工作状态(热备钟/热备份原子钟20)，主备钟处于跟踪使能状态下，热备钟20的相位和频率与主钟10保持跟随状态(通过频率合成器40和控制器60实现，相位比较器50用于监测主备钟之间的钟差数据，根据钟差数据，“频率合成器40和控制器60”联合控制热备钟20跟随主钟10，保持主备钟的相位和频率参数相同)，通过开关矩阵70实现系统输出频率，即备钟相位a0备和频率a1备与主钟相位a0主和频率a1主保持相等，但是备钟频率漂移率a2备与主钟频率漂移率a2主不相等。因此，当主钟出现异常或故障，自动切换到备钟运行时，只能实现主备钟相位a0和频率a1的传递，不能实现主备钟频率漂移率a2的传递。由于备钟频率漂移率a2备与主钟频率漂移率a2主不相等，从主钟切换到备钟后，频率漂移率a2发生跳变，不能实现卫星钟性能最优传递，如图2所示(在τ0时从主钟切换到备钟)，当地面不能及时上注新的钟差参数时，卫星使用的钟差参数a2主与切换备钟后的实际钟差参数a2备严重不符，长期钟差预报误差随积分时间成平方增大。

为了实现在轨主备钟切换时相位a0、频率a1及频率漂移率a2的最优传递，在导航卫星原子钟稳定运行后，通过在轨导航卫星下播的工程遥测数据“主备钟相位差”，获取备钟相对于主钟的钟差参数(a0备-a0主)、(a1备-a1主)和(a2备-a2主)。结合l频段星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法可以计算得到主钟钟差参数a0主、a1主和a2主，然后采用星上主备原子钟比相法可以计算得到备钟钟差参数a0备、a1备、a2备。由于主备钟跟随状态下，备钟相位a0备和频率a1备与主钟相位a0主和频率a1主保持相等且随时间同步变化，可以实现无缝切换，而在稳定运行后卫星原子钟频率漂移率基本为一个常量，因此仅将计算得到的备钟钟差参数a2备上注给卫星存储备用即可。当卫星自主监测到主备钟切换时，直接自主调用存储的备钟钟差参数a2备替换原主钟钟差参数a2主，对切换后的卫星钟差数据进行补偿，修正频率漂移率，实现卫星主备钟切换时的最优性能传递。

<实施例一>

本实施例提供一种在轨导航卫星主备钟切换方法，如图3所示，所述在轨导航卫星主备钟切换方法包括：步骤一，所述在轨导航卫星采用两台原子钟同时加电工作，其中一台所述原子钟作为主钟10，所述主钟10处于主用工作状态，另外一台所述原子钟作为热备钟20，所述热备钟20处于热备份工作状态；结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数a0主、a1主和a2主；步骤二，通过所述在轨导航卫星下播的工程遥测数据，获取热备钟相对主钟的钟差参数(a0备-a0主)、(a1备-a1主)和(a2备-a2主)；步骤三，采用星上主备原子钟比相法，根据所述主钟钟差参数和所述工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数a0备、a1备和a2备；步骤四，在主备钟跟随状态下，所述热备钟的相位和频率a0备和a1备与所述主钟的相位和频率a0主和a1主保持相等且随时间同步变化，能够实现无缝切换；在所述在轨导航卫星稳定运行后，卫星钟差数据的频率漂移率为常量，将所述热备钟钟差参数a2备上注至所述在轨导航卫星存储备用；步骤五，当所述在轨导航卫星自主监测到所述主钟与所述热备钟发生切换时，直接自主调用存储的所述热备钟钟差参数a2备替换所述主钟钟差参数a2主作为卫星钟差数据，对切换后的所述卫星钟差数据进行补偿，修正所述卫星钟差数据的频率漂移率。

具体的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，所述星地双向测距采用的下行信号为经过高频头的降频处理后输出的卫星信号，其频率为950mhz～2150mhz。在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数包括：以地面基准原子钟为基准的地面运控系统发射上行信号，与一卫星建立上行测距链路，所述卫星以所述星载原子钟的主钟为基准，同时所述卫星发射下行信号，与所述地面运控系统建立下行测距链路，所述卫星测量星地之间的上行伪距值，所述地面运控系统测量星地之间的下行伪距值；所述上行伪距值通过遥测回传到所述地面运控系统，所述地面运控系统根据所述下行伪距值与所述上行伪距值，计算得到采样周期内的所述主钟相对所述地面基准原子钟的钟差。

进一步的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，结合星地双向测距观测数据，利用星地双向比对法计算得到多个主钟钟差参数还包括：所述卫星测量星地之间的上行伪距值为星地之间微波传播时延与所述主钟相对地面基准原子钟的钟差之和；所述地面运控系统测量星地之间下行伪距值为所述星地之间微波传播时延与所述主钟相对地面基准原子钟的钟差之差；对于同一采样周期内测量到的所述上行伪距值中包含的所述星地微波传播时延与所述下行伪距值中包含的所述星地微波传播时延相等。

另外，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，通过所述在轨导航卫星下播的工程遥测数据，获取热备钟相对主钟的钟差参数包括：卫星时频处理系统实时测量并记录所述热备钟相对所述主钟的钟差。在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，所述卫星时频处理系统实时测量并记录的所述热备钟相对所述主钟的钟差为热备钟输出信号的相位与主钟输出信号的相位之差；通过星载时频处理系统的鉴相器测量得到热备钟输出信号与主钟输出信号的相位差，即为所述热备钟相对所述主钟的钟差。

具体的，在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，采用星上主备原子钟比相法，根据所述主钟钟差参数和所述工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数包括：所述热备钟相对所述主钟的钟差通过遥测回传到所述地面运控系统，所述地面运控系统根据所述主钟相对所述地面基准原子钟的钟差与所述热备钟相对所述主钟的钟差，得到所述热备钟相对所述地面基准原子钟的钟差。在所述的在轨导航卫星主备钟切换方法中，所述上行伪距值和所述热备钟相对所述主钟的钟差均通过星地测控通道实时下传到所述地面，并汇集到所述地面运控系统，进行数据处理得到所述主钟相对地面基准原子钟钟差及所述热备钟相对地面基准原子钟钟差。

在本发明提供的在轨导航卫星主备钟切换方法中，通过根据主钟钟差参数和工程遥测数据，计算得到多个热备钟钟差参数，将热备钟钟差参数上注至在轨导航卫星存储备用，当在轨导航卫星自主监测到主钟与热备钟发生切换时，直接自主调用存储的热备钟钟差参数替换主钟钟差参数作为卫星钟差数据，对切换后的卫星钟差数据进行补偿，修正卫星钟差数据的频率漂移率，实现了卫星主备钟切换时的最优性能传递。因此，本发明提出了一种在轨导航卫星主备钟切换最优性能传递技术，能实现在轨主备钟切换时相位、频率及频率漂移率的最优传递，将长期钟差预报精度提高一个量级，提升导航卫星自主导航运行能力。

综上，上述实施例对在轨导航卫星主备钟切换方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。