一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法及系统

本发明属于卫星导航，具体涉及一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法及系统。

背景技术：

1、瞄准精度更高、功能更多、效果更佳的目标，世界各大卫星导航系统着手开展新一代低轨卫星星座建设。低轨卫星的信号强度是中轨卫星的上千倍，这种高信号功率使其有机会穿透障碍物，甚至有可能深入到室内gnss(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)信号无法到达的地方。低轨卫星的运动速度是中轨卫星的两倍多，高速飞行使卫星信号的多径效应白噪化。低轨卫星信号强度大，轨道高度低，运动速度快，能够与中高轨导航星座形成优势互补，提升导航定位授时服务性能。其中，导航定位授时服务性能提升的关键在于低轨卫星时间必须与地面时间同步。因此，星地时间同步也是航天器状态测控关注的重点之一。

2、目前，现有的星地时间同步方法是采用低轨卫星和地面站通过星地qv波段通信的方式和星间链路的方式联合实现的。星地qv获得星地时间同步结果，星间链路获得星间时间同步结果。当低轨卫星对于地面不可见时，需要通过星间链路以中继的方式持续实现星地时间同步，进而得到每颗低轨卫星和地面站全时段的星地时间同步结果。

3、然而，上述方法存在以下缺陷，一是由于qv方式实现星地同步的前提是地面站和低轨卫星一直可视，而在实际中，低轨卫星的运动速度是中轨卫星的2倍多，每颗低轨卫星对于地面站的可视时长很短，仅10-20分钟，这导致资源的利用率较低，造成资源的极大浪费，还需要通过星间链路以中继的方式持续实现星地时间同步，过程较为繁琐。二是多手段联合处理方式设计系统差标定和观测方程紧耦合，容易造成误差累积，影响星地时间同步精度。此外，由于受到星上载荷和成本等因素的制约，低轨卫星通常搭载晶振作为频率源。而普通晶振的稳定度较低，难以实现高精度的星地时间同步。

4、综上，现有的星地同步方法受限于地面站和低轨卫星必须可视以及晶振，存在资源浪费严重、星间链路传输压力大以及同步精度不高的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，包括：

3、以守时实验室作为地面站，接收导航卫星的gnss卫星数据；利用低轨卫星接收导航卫星的leo(low earth orbit satellite，低轨道地球卫星)卫星数据，并将所述leo卫星数据通过回传卫星回传至地面；其中，所述回传卫星为与所述地面站可见的低轨卫星；

4、基于ssr(state space representation，状态空间表示)数据分别对所述gnss卫星数据和所述leo卫星数据进行双频消电离层组合的精密单点定位计算，对应得到地面站相对于导航卫星的钟差和低轨卫星相对于导航卫星的钟差；

5、对所述地面站相对于导航卫星的钟差和所述低轨卫星相对于导航卫星的钟差进行互差操作，得到星地时间同步信息；

6、将所述星地时间同步信息通过所述回传卫星上注至所有低轨卫星，以对所述低轨卫星的时频信号进行调控，从而实现星地时间同步。

7、第二方面，本发明提供了一种低轨卫星和地面站的星地时间同步系统，包括：

8、第一数据接收模块，配置在地面站，用于接收导航卫星的gnss卫星数据；其中，所述地面站采用守时实验室；

9、第二数据接收模块，配置在低轨卫星上，用于接收导航卫星的leo卫星数据；

10、地面运控中心，包括数据获取模块、第一数据计算模块、第二数据计算模块、第三数据计算模块以及数据上传模块；

11、所述数据获取模块用于从地面站获取ssr数据、从回传卫星获取leo卫星数据、并从地面分析中心获取ssr数据；其中，所述回传卫星为与所述地面站可见的低轨卫星；

12、所述第一数据计算模块用于基于ssr数据对所述gnss卫星数据进行双频消电离层组合的精密单点定位计算，得到地面站相对于导航卫星的钟差；

13、所述第二数据计算模块用于基于ssr数据对所述leo卫星数据进行双频消电离层组合的精密单点定位计算，得到低轨卫星相对于导航卫星的钟差；

14、所述第三数据计算模块用于对所述地面站相对于导航卫星的钟差和所述低轨卫星相对于导航卫星的钟差进行互差操作，得到星地时间同步信息；

15、所述数据上传模块用于将所述星地时间同步信息通过所述回传卫星上注至所有低轨卫星，以对所述低轨卫星的时频信号进行调控，从而实现星地时间同步。

16、本发明的有益效果：

17、本发明提供的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法及系统，一方面分别通过地面站和低轨卫星获取导航卫星的gnss卫星数据和leo卫星数据，利用精密单点定位技术获得地面站相对于导航卫星的钟差和低轨卫星相对于导航卫星的钟差，从而得到星地时间同步信息并将其上注至低轨卫星，避免了地面站不再受限于必须与低轨卫星可视，灵活度更高，缓解了星间链路传输压力，节约了资源；另一方面采用守时实验室作为地面站，利用守时实验室高稳定度的信号和高精度时间同步偏差调控低轨卫星频率源，使其获得高稳定度的频率信号。该方法无需低轨卫星搭载高稳定度的原子钟，即可实现高精度的星地时间同步，明显减少了低轨星座建设和后期运行维护成本。

18、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，将所述leo卫星数据通过回传卫星回传至地面，包括：

3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，基于ssr数据分别对所述gnss卫星数据和所述leo卫星数据进行双频消电离层组合的精密单点定位计算，对应得到地面站相对于导航卫星的钟差和低轨卫星相对于导航卫星的钟差，包括：

4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，基于实时ssr数据进行实时轨道恢复和钟差恢复，得到导航卫星的坐标和钟差，包括：

5.根据权利要求3所述的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，构建地面站ppp观测方程，并联合所述导航卫星的坐标、钟差以及所述gnss卫星数据进行求解，得到地面站相对于导航卫星的钟差，包括：

6.根据权利要求3所述的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，构建低轨卫星ppp观测方程，并联合所述导航卫星的坐标、钟差以及所述leo卫星数据进行求解，得到低轨卫星相对于导航卫星的钟差，包括：

7.根据权利要求1所述的一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法，其特征在于，对所述地面站相对于导航卫星的钟差和所述低轨卫星相对于导航卫星的钟差进行互差操作，得到星地时间同步信息，表达式为：

8.一种低轨卫星和地面站的星地时间同步系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种低轨卫星和地面站的星地时间同步方法及系统，该方法包括：以守时实验室作为地面站，接收导航卫星的GNSS卫星数据；利用低轨卫星接收导航卫星的LEO卫星数据，并将LEO卫星数据通过回传卫星回传至地面；基于SSR数据分别对GNSS卫星数据和LEO卫星数据进行精密单点定位计算，对应得到地面站相对于导航卫星的钟差和低轨卫星相对于导航卫星的钟差；对得到的两个钟差进行互差操作，得到星地时间同步信息；并将其通过回传卫星上注至所有低轨卫星，以实现星地时间同步。该方法可实现高精度的星地时间同步，具有较低的低轨星座建设和后期运行维护成本，灵活度更高，缓解了星间链路传输压力，节约了资源。

技术研发人员：钦伟瑾,王侃,刘娅,任晓乾,佘佳宁,杨旭海
受保护的技术使用者：中国科学院国家授时中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15