CN117388881A

CN117388881A - 一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法及系统

Info

Publication number: CN117388881A
Application number: CN202311696072.XA
Authority: CN
Inventors: 陈梦实; 袁海波; 高帅和; 龚学文
Original assignee: National Time Service Center of CAS
Current assignee: National Time Service Center of CAS
Priority date: 2023-12-12
Filing date: 2023-12-12
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2043-12-12
Also published as: CN117388881B

Abstract

本发明涉及一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法及系统，属于卫星技术领域。系统包括星载原子钟、GNSS接收模块、星钟控制模块和星载数据处理模块；方法包括低轨卫星的GNSS接收模块从多个地面GNSS观测站以及GNSS导航卫星获得GNSS导航卫星的精密坐标、相对于UTC(k)的精密钟差以及广播星历、码伪距和载波相位观测值；低轨卫星的星载数据处理模块采用上述数据解算本地时间Ts与UTC(k)的钟差；低轨卫星的星钟控制模块根据计算的钟差控制星载原子钟，实现星载原子钟到UTC(k)的溯源。本发明能够实现可靠的高精度低轨卫星向UTC(k)的溯源。

Description

一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法及系统

技术领域

本发明属于卫星技术领域，具体涉及一种实现低轨卫星的星载原子钟向高精度频率源UTC(k)（导航系统时间的地面参考）的溯源方法与系统。

背景技术

目前，低轨卫星作为包括美国全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯导航系统、欧盟的伽利略导航系统和中国北斗导航系统的四大卫星导航系统的拓展、增强与补充，低轨卫星导航、定位与授时增强服务已经成为导航系统的重要发展趋势之一。大规模的低轨卫星星座可以向用户提供高精度的定位、导航、授时服务。为保证提供服务的精度和可靠性，低轨卫星的星载钟需要溯源到高精度频率源，以提供高精度坐标与钟差数据。低轨卫星处于高速运动状态，可视时间较短，如何实现低轨卫星的星载钟的溯源技术是低轨卫星应用的难点问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

低轨卫星导航、定位与授时增强服务已经成为导航系统的重要发展趋势之一，获取时空基准困难是低轨卫星应用需要解决的关键问题之一，为了实现低轨卫星向高精度频率源的溯源，本发明基于精密单点定位技术(PPP，PrecisePointPositioning)，提供一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，包括：

S1：低轨卫星从多个地面GNSS观测站获取GNSS导航卫星的精密星历，所述精密星历包括GNSS导航卫星的精密轨道坐标、相对于参考时间UTC(k)的精密钟差；通过GNSS接收模块获取GNSS导航卫星的广播星历和观测数据，所述观测数据包括码伪距和载波相位观测值；

S2：根据所述GNSS导航卫星的精密轨道坐标、相对于参考时间UTC(k)的精密钟差、所述广播星历以及所述码伪距和载波相位观测值解算低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)；

S3：根据所述低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)控制星载原子钟，调整星载原子钟输出信号频率，使输出的卫星标准时间Ts与UTC(k)同步，实现星载原子钟到UTC(k)的溯源。

本发明进一步的技术方案：S1包括以下步骤：

S101，多个地面GNSS观测站观测GNSS导航卫星，计算GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差；

S102，多个地面GNSS观测站向低轨卫星发送GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差；

S103，在101步骤的同时，低轨卫星的星载GNSS接收模块接收GNSS导航卫星的广播星历、码伪距和载波相位观测值；

S104，低轨卫星的星载数据处理模块接收GNSS导航卫星的广播星历、码伪距和载波相位观测值以及GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差。

本发明进一步的技术方案：所述精密轨道坐标的数据间隔为15分钟一组，所述精密钟差的数据为30秒一组。

本发明进一步的技术方案：S2包括以下步骤：

S201，对GNSS导航卫星的精密轨道坐标数据、精密钟差数据进行预处理；所述预处理包括误差项处理、插值处理；

S202，计算观测数据从GNSS导航卫星到低轨卫星的GNSS接收模块的传播路径中的各项误差修正项；

S203，将码伪距观测值、广播星历、各项误差修正项带入码伪距观测方程，经过伪距单点定位方法估算初始时刻低轨卫星相对于参考时间UTC(k)的钟差，估算的结果作为后续卡尔曼滤波计算的初始值；将码伪距、精密星历代入码伪距观测方程，将载波相位观测值、精密星历代入载波相位观测方程，联立码伪距观测方程和载波相位观测方程采用卡尔曼滤波的方式进行精密单点定位技术的参数估计；对估计得到的参数进行残差检验得到钟差Ts-UTC(k)。

本发明进一步的技术方案：所述的插值处理包括：所述GNSS导航卫星的精密轨道坐标数据采用高阶拉格朗日插值，所述精密钟差数据采用线性插值。

本发明进一步的技术方案：S3包括以下步骤：

S301，低轨卫星的星钟控制模块对获得的钟差Ts-UTC(k)进行预报；

S302，低轨卫星的星钟控制模块根据钟差预报值产生频率驾驭量；

S303，低轨卫星的星钟控制模块接收星载原子钟的原始信号；

S304，低轨卫星的星钟控制模块根据频率驾驭量驾驭控制星载原子钟，实现向UTC(k)的溯源并输出卫星标准时间Ts。

一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源系统，其特征在于，包括星载原子钟、GNSS接收模块、星钟控制模块和星载数据处理模块；

所述星载原子钟输出10MHz信号分别到星钟控制模块和星载数据处理模块，经过星钟控制模块进行放大分路，一路输入到GNSS接收模块作为参考源，另一路输入到星载数据处理模块用于比对计算；

所述星钟控制模块根据钟差数据调整星载原子钟输出时频信号的频率和相位，并输出调整后的时频信号；

所述GNSS接收模块通过天线接收GNSS导航卫星的广播星历和观测数据并输入到星载数据处理模块；同时接收GNSS观测站发送的精密星历并输入到星载数据处理模块；

所述星载数据处理模块根据输入的广播星历、观测数据和精密星历，计算得到本地频率源和参考频率源的钟差Ts-UTC(k)；根据计算的钟差Ts-UTC(k)、星载原子钟输入的信号以及星钟控制模块调整后的时频信号，计算星钟控制量并输入到星钟控制模块，实现星钟向UTC(k)的溯源。

本发明进一步的技术方案：还包括上注通信链路，所述上注通信链路用于地面GNSS观测站与低轨卫星之间的数据通信。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法及系统，该方法由地面站向低轨卫星上注GNSS导航卫星的精密轨道坐标和以UTC(k)为参考的精密钟差数据，可在低轨卫星上直接解算得到低轨卫星的星载原子钟和UTC(k)的钟差数据，实现可靠的高精度低轨卫星向UTC(k)的溯源。具有以下优点：

1）本发明基于GNSSPPP技术，可以实现亚纳秒量级的时间溯源；

2）本发明提出的溯源方法仅需一次GNSSPPP解算即可实现低轨卫星向UTC(k)的高精度溯源，流程较为简单，易于实现；

3）本发明提出的溯源方法以及系统依托于地面GNSS观测站和低轨卫星现有设施，实现所需成本较低。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法流程图。

图2为一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法详解图。

图3为一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供了一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1，描述了低轨卫星通过观测获得各大卫星导航系统卫星的观测数据、广播星历，以及从地面站获得精密星历（精密轨道坐标和精密钟差）的方法步骤，此处的精密星历是相对于广播星历而言；具体为：低轨卫星的GNSS接收模块观测和接收美国全球卫星导航系统、俄罗斯的格洛纳斯导航系统、欧盟的伽利略导航系统和中国北斗导航系统的多频观测数据以及广播星历，观测数据包括码伪距和载波相位观测值；同时低轨卫星也接收地面站上传的精密轨道坐标和精密钟差；以上所有数据由星载数据处理模块整合，准备进行下一步处理；

步骤S2，描述了低轨卫星通过GNSSPPP方法计算低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)的方法步骤，具体为：低轨卫星的星载数据处理模块根据观测数据对精密星历进行插值和填充，计算多项误差修正项后代入码伪距和载波相位观测方程，通过卡尔曼滤波的方式进行参数估计，经过残差检验后得到低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)；

步骤S3，星载数据处理模块采用计算获得的钟差T_S-UTC(k)数据以及星载原子钟输出的原始信号和经过星钟控制系统调整的时频信号的比对结果输入到星钟控制模块，星钟控制模块对比对结果进行预报处理并生成控制驾驭量，对低轨卫星的星载原子钟进行调整控制，实现星载原子钟到UTC(k)的溯源；

在步骤S1中，描述了低轨卫星通过观测获得各大卫星导航系统卫星的观测数据、广播星历，以及从地面站获得精密轨道坐标和精密钟差的方法步骤。

如图2所示，在本发明一个实施例中，具体包括以下子步骤：

S101，多个地面GNSS观测站观测GNSS导航卫星，计算GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差。

具体地，卫星的精密轨道坐标数据间隔应为15分钟一组，精密钟差数据应为30秒一组，精密星历包含GPS、格洛纳斯、伽利略、北斗四系统导航卫星的数据；

S102，地面GNSS观测站通过上注通信链路向低轨卫星发送GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差；

S103，在S101步骤的同时，低轨卫星的GNSS接收模块接收可观测GNSS导航卫星的广播星历并产生码伪距和载波相位观测值；

S104，低轨卫星的星载数据处理模块接收码伪距和载波相位观测值、GNSS导航卫星的广播星历以及GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差，准备进行下一步处理；

在步骤S1中，低轨卫星分别从地面站以及GNSS接收模块获得了GNSS导航卫星的码伪距和载波相位观测值、GNSS导航卫星的广播星历以及GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于参考时间UTC(k)的精密钟差，用作后续步骤计算处理的原始数据。

在步骤S2中，描述了通过步骤S1获取的所有数据进行精密单点定位技术处理，获得低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)的方法步骤。

如图2所示，在本发明一个实施例中，具体包括以下子步骤：

S201，低轨卫星的星载数据处理模块对接收的原始数据进行预处理；

具体预处理方法包括，首先排除原始数据粗大误差值，然后根据观测数据的数据间隔对GNSS导航卫星的精密轨道坐标和精密钟差进行插值处理，其中，GNSS导航卫星的精密轨道坐标数据使用高阶拉格朗日插值，精密钟差数据使用线性插值；

最后，可以进行周跳探测和钟跳探测，常用的周跳探测方法包括MW(Melbourne-Wubbena)组合和GF(geometryfree)组合周跳探测。MW组合方法由同一历元的相位观测值的宽巷组合减伪距观测值的窄巷组合求得，适用于实时观测值的周跳探测。GF组合利用前一历元和当前历元组合观测值的差值进行周跳探测，可以探测MW组合在同时发生周跳时无法探测的周跳。对于钟跳，可以采用历元间差分法进行实时补偿处理；

S202，低轨卫星的星载数据处理模块计算观测信号从GNSS导航卫星到低轨卫星的GNSS接收模块的传播路径中的各项误差修正项；各项误差修正项包括电离层时延修正、硬件时延修正、天线相位中心修正、相对论效应修正。

观测信号从GNSS导航卫星到低轨卫星的GNSS接收模块的传播路径中包含了多项误差源。电离层分布于距地面50公里高到约1000公里高不等，部分低轨卫星的轨道高度处于该范围内，信号会受到电离层影响。信号在电离层中的折射率与信号频率相关，电离层时延与信号频率的平方呈反比关系。采用双频观测值，可以较好地消除低阶电离层时延。此外，信号传输的过程中还包括低轨卫星和GNSS导航卫星的硬件设备时延、天线相位缠绕效应带来的误差和信号物理参考点与天线相位中心不同的误差，一般通过设备校准和对应的天线数据文件获得对应的改正项信息。同时，低轨卫星处于高速运动状态，需要考虑相对论效应对于低轨卫星的星载原子钟，GNSS导航卫星的星载原子钟以及信号传输过程的影响；

S203，低轨卫星的星载数据处理模块进行参数估计，解算低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)；

由S201和S202步骤得到的低轨卫星的GNSS接收模块数据、广播星历、精密星历和各项误差修正项，形成码伪距观测方程和载波相位观测方程。其中，双频码伪距观测方程可以表示为式(1)：

(1)

式中，i代表GNSS导航卫星编号，j代表观测值频段号，代表光速，/>代表观测的码伪距值，/>代表GNSS导航卫星坐标和接收坐标间的物理距离，/>和/>分别代表GNSS接收模块参考时间以及GNSS导航卫星时间和卫星导航系统参考时的钟差，/>代表GNSS接收模块和GNSS导航卫星硬件时延，/>代表步骤S202中所述各项误差修正项，代表GNSS接收模块的码伪距观测噪声。

载波相位观测方程可以表示为式(2)：

(2)

式中，代表载波相位观测值，/>代表载波波长，/>是以周围单位的原始载波观测值，从载波相位观测文件中获得，/>代表整数模糊度，/>代表频率相关的GNSS接收模块和GNSS导航卫星硬件延迟，/>代表载波观测噪声。

先将码伪距观测值和广播星历的卫星坐标和钟差信息带入码伪距观测方程，经过伪距单点定位方法估算初始时刻低轨卫星的坐标和GNSS接收模块相对于参考时间UTC(k)的钟差，估算的结果作为后续卡尔曼滤波计算的初始值。然后将码伪距和载波相位观测值、精密卫星坐标和钟差代入码伪距观测方程和载波相位观测方程，采用卡尔曼滤波的方式进行PPP参数估计。以上述数学模型，式(1)(2)为例。某一时刻观测到n颗卫星，采用双频码伪距和载波相位观测数据，可建立4n个观测方程。误差方程由式(3)表示：

(3)

式中，n为GNSS导航卫星数，m为待估参数量，此处m=2n+4，为观测值残差向量，为系数矩阵，/>为状态向量，/>为观测值和计算值的差。状态向量的待估参数包括低轨卫星的坐标向量/>，本地钟差/>（即低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差），第i个GNSS导航卫星的双频模糊度/>和/>，状态向量可以由式(4)表示：

(4)

式中，、/>和/>为低轨卫星的坐标向量/>的三维坐标，/>、/>代表第n个GNSS导航卫星的双频模糊度。

由式(1)(2)组合，系数矩阵可以表示为式(5)：

(5)

式中，、/>、/>分别为第1个GNSS导航卫星到低轨卫星连线的方向余弦，/>、/>、分别为第n个GNSS导航卫星到低轨卫星连线的方向余弦。对应的系统噪声方差矩阵如式(6)所示：

(6)

式中，Q为系统噪声矩阵，为低轨卫星的三维坐标的协方差矩阵，/>为钟差的协方差矩阵，/>和/>为双频模糊度的协方差矩阵。

卡尔曼滤波过程可以表示为式(7)：

(7)

式中，和/>为更新后的状态矩阵和系统噪声方差矩阵，R为观测噪声的方差矩阵，可根据卫星高度角或信噪比随机模型确定，I为单位矩阵，/>为矩阵H的转置。经过参数估计后，对计算得到的结果进行残差检验，通过检验的低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)是本步骤的输出结果。

S204，低轨卫星的星载数据处理模块将GNSSPPP数据处理计算得到的低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差Ts-UTC(k)储存并发送到低轨卫星的星钟控制模块进行下一步处理。

在本步骤中，低轨卫星通过一次GNSSPPP数据处理过程，直接得到了低轨卫星的本地时间和参考时间UTC(k)的钟差，该数据将用于进一步控制驾驭星载原子钟，实现低轨卫星星载原子钟向UTC(k)的溯源。

在步骤S3中，描述了低轨卫星的星钟控制模块采用计算获得的钟差数据对低轨卫星的星载原子钟数据信号控制，实现低轨卫星向UTC(k)溯源的方法步骤。

如图2所示，在本发明一个实施例中，具体包括以下子步骤：

S301，低轨卫星的星钟控制模块通过步骤S2获得的星载原子钟时间和参考时间的钟差TS-UTC(k)是后处理数据，需要进行预报处理；

S302，低轨卫星的星钟控制模块根据钟差预报值生成对原子钟的频率控制驾驭量；

S303，低轨卫星的星钟控制模块接收来自星载原子钟的原始信号；

S304，低轨卫星的星钟控制模块根据频率控制驾驭量，对星载原子钟进行调频处理，进行星载原子钟向UTC(k)的同步，实现星载原子钟向UTC(k)的溯源，输出卫星标准时间Ts。

在本步骤中，根据步骤S2获得的数据，实现了低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源。

综上所述，本实施例提供了一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，具体包括低轨卫星从多个地面GNSS观测站以及GNSS导航卫星获得GNSS导航卫星的精密坐标、相对于UTC(k)的精密钟差以及广播星历、码伪距和载波相位观测值；低轨卫星的星载数据处理模块采用上述数据解算本地时间Ts与UTC(k)的钟差；低轨卫星的星钟控制模块根据计算的钟差控制星载原子钟，实现星载原子钟到UTC(k)的溯源。

本发明实施例还提供一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源系统。

如图3所示，该系统包括星载原子钟、GNSS接收模块、星钟控制模块、星载数据处理模块和上注通信链路；其中，

星载原子钟，输出10MHz信号分别到星钟控制模块和星载数据处理模块，经过星钟控制模块进行放大分路，一路输入到GNSS接收模块作为参考源，另一路输入到星载数据处理模块用于比对计算；

星钟控制模块，根据钟差数据调整星载原子钟输出时频信号的频率和相位，并稳定地输出调整后的时频信号；

GNSS接收模块，接收低轨卫星的星钟控制模块输出的时频信号作为本地频率参考，可以接收各GNSS导航卫星的广播星历和观测数据；同时接收GNSS观测站发送的精密星历；

星载数据处理模块，解析GNSS接收模块产生的广播星历和观测数据，以及地面站上注的精密星历，对这些原始数据进行处理得到并输出低轨卫星时间和UTC(k)的偏差数据；

上注通信链路，地面GNSS观测站经过上注通信链路向低轨卫星发送GNSS导航卫星的精密轨道坐标和相对于UTC(k)的钟差数据。

综上所述，本申请实施例提供的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源系统，可以接收各类GNSS导航卫星的广播星历和精密星历等各种导航信息，并产生对应的观测数据，采用上述原始数据解算星载原子钟与UTC(k)的钟差，采用钟差数据对星载原子钟进行控制，从而实现低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，S1包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，所述精密轨道坐标的数据间隔为15分钟一组，所述精密钟差的数据为30秒一组。

4.根据权利要求1所述的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，S2包括以下步骤：

S203，将码伪距观测值、广播星历、各项误差修正项带入码伪距观测方程，经过伪距单点定位方法估算初始时刻低轨卫星相对于参考时间UTC(k)的钟差，估算的结果作为后续卡尔曼滤波计算的初始值；将码伪距、精密星历代入码伪距观测方程，将载波相位观测值、精密星历代入载波相位观测方程，联立码伪距观测方程和载波相位观测方程采用卡尔曼滤波方式进行精密单点定位技术的参数估计；对估计得到的参数进行残差检验得到钟差Ts-UTC(k)。

5.根据权利要求4所述的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，所述插值处理包括：所述GNSS导航卫星的精密轨道坐标数据采用高阶拉格朗日插值，所述精密钟差数据采用线性插值。

6.根据权利要求1所述的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源方法，其特征在于，S3包括以下步骤：

S303，低轨卫星的星钟控制模块接收星载原子钟的原始信号；

7.一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源系统，其特征在于，包括星载原子钟、GNSS接收模块、星钟控制模块和星载数据处理模块；

8.根据权利要求7所述的一种低轨卫星的星载原子钟向UTC(k)的溯源系统，其特征在于，还包括上注通信链路，所述上注通信链路用于地面GNSS观测站与低轨卫星之间的数据通信。