一種集中式天基時間基準建立方法
1.本發明涉及一種時間基準建立方法。
背景技術：
2.我國自主建立的北斗導航系統時間(bdt)主要由地面運控站的時頻系統通過組合鐘組模式建立和維持。該時頻系統可劃分為鐘組、內部測量分系統、外部比對分系統、數據處理分系統和信號產生分系統這五大分系統。鐘組是北斗時產生的物理基礎，內部測量分系統進行鐘組內部的循環比對測量，為時間尺度計算提供鐘差測量值，外部比對分系統用于獲取bdt相對于utc(ntsc)等其他時間尺度的偏差，數據處理分系統處理所有的測量值，采用加權平均算法生成一個相對穩定的時間尺度，即bdt，將其作為整個北斗系統時間的時間基準。
3.gps系統時間是由地面段和空間段原子鐘綜合運作產生。gps系統時間以地面主控站內的一臺高精度原子鐘為參考鐘，主控站內部時鐘與參考鐘進行內部時間比對，監測站以及星載原子鐘與參考鐘進行遠程時間比對，得到系統內各原子鐘相對于主控站參考鐘的鐘差數據，再采用時間尺度算法生成自由運行的gpst。最后通過美國海軍天文臺維持的地方協調時utc(usno)對自由運行的gpst進行駕馭，實現高精度時間同步。
4.上述兩種方法建立的時間基準有一個相同之處，即都是在地面上建立的，但一個航天系統如導航系統，正常情況下需依托地面時間基準和空間時間基準共同保障系統穩定運行，在失去地面連接等非正常情況下系統運行就必須依托天基時間基準。地面時間基準可基于成熟的地面守時理論通過地面守時實驗室產生與保持。我國北斗衛星導航系統并未設計星座守時功能，無法生成星座統一的天基時間基準，即我國天基時間基準建立還需進一步的試驗和技術攻關。
技術實現要素：
5.為了克服現有技術的不足，本發明提供一種集中式天基時間基準建立方法，以低軌航天器搭載的高精度時間頻率系統為基礎，利用該試驗系統連續產生e
?
17量級的高精度時間頻率信號作為比對基準，建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間鏈路，并作為整個星間鏈路的一個中心節點納入北斗系統，一方面通過低軌航天器與北斗衛星之間的時間比對鏈路，獲取低軌航天器上高精度時間頻率系統搭載的高性能原子鐘與北斗星載鐘之間的鐘差數據；另一方面通過低軌航天器上高精度時間頻率系統自身具有的微波雙向鏈路和激光鏈路，建立低軌航天器與地面站的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據，利用兩種鐘差數據，通過綜合時間尺度算法計算自主運行模式下和地面運控模式下的集中式天基時間基準。
6.本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：
7.步驟1，在低軌航天器與北斗衛星之間建立星間測距和通信鏈路；
8.步驟2，基于相控陣天線體制采用時分、捷變的工作模式，將該鏈路接入北斗鏈路
網絡管理控制系統，將低軌航天器上的高精度時間頻率系統完全納入北斗衛星系統，并作為整個星間鏈路和天基時間計算的中心節點；
9.步驟3，通過低軌航天器與北斗衛星之間的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上時間頻率系統搭載的原子鐘與北斗星載原子鐘之間的鐘差數據，并將數據通過數據傳輸鏈路傳至集中式天基時間計算節點；
10.步驟4，通過綜合加權原子時算法生成集中式天基時間基準，
[0011][0012]
其中，clock
低
表示低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘，ta(t)即是原子時算法得到的紙面時間，clock
低
?
h
i
(t)指低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘與鐘i的比對數據，h
′
i
(t)指鐘i的預報值，ω
i
(t)指鐘i的權重，(t)指鐘i的權重，為鐘i的阿倫方差，i＝1,2
…
,n，n表示北斗星載原子鐘數量。
[0013]
所述的步驟1以低軌航天器上時頻系統連續產生的時間頻率信號作為比對基準，依照北斗衛星之間的星間鏈路工作模式，在低軌航天器上搭載一臺ka星間鏈路設備，進行建鏈規劃，星間鏈路管理中心分配時隙給北斗衛星和低軌航天器星間鏈路設備，根據時隙表要求，在規定時隙內建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間比對鏈路；此外，低軌航天器地面系統將星座配置表、時隙表、路由表、時隙/路由切換指令、北斗衛星和低軌航天器軌道長期預報歷書和鐘差參數上注給低軌航天器，供低軌航天器與北斗衛星之間建鏈使用。
[0014]
所述的步驟1采用每小時一張時隙表，包含20個時隙，根據入境可視的情況給低軌航天器分配相應的時隙與對應可視的北斗衛星進行建鏈。
[0015]
所述的步驟2通過gnss接收機將低軌航天器與北斗衛星兩大系統的時間基準進行統一，時間同步至bdt上，通過鏈路將兩大系統的星歷、測距信息進行交換。
[0016]
所述的步驟3還利用低軌航天器上時間頻率系統自身具有的微波雙向鏈路和激光鏈路，建立低軌航天器與地面站之間的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據；所述的步驟4在低軌航天器與北斗衛星之間建立雙向測量鏈路，獲取低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與北斗星載鐘之間的鐘差數據，再通過微波雙向鏈路和激光鏈路實現低軌航天器與地面站之間的高精度時間比對，獲取低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據，綜合低上述兩種鐘差數據，通過綜合加權原子時算法生成以低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘為核心的集中式天基時間。
[0017]
所述的n表示北斗星載原子鐘和地面站原子鐘的數量之和。
[0018]
本發明的有益效果是：
[0019]
(1)目前還未建有天基高低軌之間的高精度時間比對鏈路，即無法生成統一星座
的天基時間基準。本發明將低軌航天器上的高精度時頻系統納入北斗衛星系統，且低軌航天器上的高精度時頻系統配置多臺守時型原子鐘，建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間鏈路，可利用低
?
星精密鐘差數據生成天基時間基準，該時間基準具備長期守時的能力。
[0020]
(2)目前絕大部分的時間基準都是在地面上建立的，或通過地面時間基準對導航衛星進行授時。本發明將時間基準建立在星座上，生成集中式天基時間基準，并通過天地激光鏈路和ka微波鏈路最終溯源到utc(ntsc)，實現對地面時間基準的備份，形成統一的、天地互備的時間基準系統，保障我國時間基準的安全可靠性。
[0021]
(3)目前還未實現將超高精度的原子鐘搭載到導航衛星上進行在軌測試，但未來航天系統對高精度天基時間基準的需求越來越迫切，即對航天器搭載的星載鐘性能和精度要求也會越來越高。本發明搭建試驗平臺，建立一套低軌航天器及其地面站、低軌航天器上的高精度時間頻率系統及其地面站和北斗衛星及其地面站的聯合運轉機制與數據交互流程，為超高精度星載鐘應用于未來航天系統的搭載提供在軌驗證數據和技術支撐。
附圖說明
[0022]
圖1是各系統之間的比對鏈路圖；
[0023]
圖2是自主運行模式下集中式天基時間生成流程圖；
[0024]
圖3是天地聯合運行模式下集中式天基時間生成流程圖；
[0025]
圖4是星間鏈路校準原理圖。
具體實施方式
[0026]
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。
[0027]
本發明在低軌航天器上搭建守時平臺，整合天基時頻的可用資源，提出一種集中式天基時間基準建立方法，構建集中式天基時間基準生成試驗系統，最終生成以低軌航天器上高精度時間頻率系統搭載的高性能原子鐘為中心的天基時間基準。
[0028]
本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：
[0029]
步驟1，以低軌航天器上高精度時頻系統連續產生的高精度時間頻率信號作為比對基準，依照北斗衛星之間的星間鏈路工作模式，在低軌航天器上搭載一臺ka星間鏈路設備，按要求進行建鏈規劃，星間鏈路管理中心分配合理的時隙給北斗衛星和低軌航天器星間鏈路設備，根據時隙表要求，在規定時隙內建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間比對鏈路。低軌航天器地面系統也會將星座配置表、時隙表、路由表、時隙/路由切換指令、北斗衛星和低軌航天器軌道長期預報歷書和鐘差參數等信息都上注給低軌航天器，供低軌航天器與北斗衛星之間建鏈使用。盡量不增加北斗星間鏈路管理中心的工作復雜程度和工作流程，采用每小時一張時隙表(20個時隙)，根據入境可視的情況給低軌航天器分配相應的時隙與對應可視的北斗衛星進行建鏈。低軌航天器軌道較低，在與北斗衛星建立星間鏈路時，低軌航天器與北斗衛星的可見性會由于軌道情況的影響變差，需依據可視弧段數進行建鏈，并確定合適的建鏈時長，以保證試驗數據的完整性。對低軌航天器與北斗衛星可見性的進行仿真分析，某一小時內，低軌航天器與5顆不同的北斗衛星具有8次以上的可視弧段數，規劃低軌航天器與這5顆北斗衛星輪循建鏈，每次建鏈時長平均為10分鐘，每條鏈路每分鐘
分配一個時隙點。
[0030]
步驟2，在低軌航天器與北斗衛星之間建立星間測距和通信鏈路之后，基于相控陣天線體制采用時分、捷變的工作模式，將該鏈路接入現有的北斗鏈路網絡管理控制系統，最終完成將低軌航天器上的高精度時間頻率系統完全納入北斗衛星系統，并作為整個星間鏈路和天基時間計算的中心節點。低軌航天器上的高精度時間頻率系統納入北斗衛星系統有兩個關鍵點，一是通過gnss接收機將兩大系統的時間基準進行統一，時間同步至bdt上；二是通過鏈路將兩大系統的星歷、測距等信息進行交換，便于快速建鏈。
[0031]
步驟3，通過低軌航天器與北斗衛星之間的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上高精度時間頻率系統搭載的高性能原子鐘與北斗星載原子鐘之間的鐘差數據，并將數據通過數據傳輸鏈路傳至集中式天基時間計算節點；利用低軌航天器上高精度時間頻率系統自身具有的微波雙向鏈路和激光鏈路，建立低軌航天器與地面站之間的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據。兩種精密鐘差的獲取是計算集中式天基時間基準的基礎。
[0032]
步驟4，結合兩種鐘差數據，通過綜合加權原子時算法生成集中式天基時間基準。集中式天基時間基準生成的方法分為兩種，分別為天基自主運行模式和天地聯合運行模式。在天基自主運行模式下，以低軌航天器上高精度時間頻率系統搭載的高性能原子鐘作為比對基準，將低軌航天器作為整個星間鏈路的一個中心節點，建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間鏈路，通過低軌航天器與北斗衛星之間的時間比對鏈路，獲取低軌航天器上高精度時間頻率系統搭載的高性能原子鐘與北斗星載鐘之間的鐘差數據，利用綜合加權原子時算法計算以低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘為核心的集中式天基時間基準，通過低軌航天器與地面站的雙向比對鏈路向地面時間基準進行比對和溯源，最終完成向utc(ntsc)的溯源。在天地聯合運行模式下，低軌航天器與北斗衛星之間建立雙向測量鏈路，獲取低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與北斗星載鐘之間的鐘差數據(低
?
星鐘差)，再通過微波雙向鏈路和激光鏈路實現低軌航天器與地面站之間的高精度時間比對，獲取低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差比對數據(低
?
地鐘差)，綜合低
?
星和低
?
地兩種鐘差數據，通過綜合加權原子時算法生成以低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘為核心的集中式天基時間，與地面守時系統形成互補。集中式天基時間生成試驗的輸入要求為精密鐘差數據，通過低軌航天器與北斗衛星之間的星間鏈路獲取的低
?
星鐘差還需通過誤差修正才能得到精密鐘差數據，而通過低軌航天器與地面站之間的微波或激光鏈路獲取的低
?
地鐘差即就是精密鐘差數據，可直接使用。集中式天基時間的具體計算方法為，由于紙面時不可測，即表示為低軌航天器上高精度時間頻率系統搭載的高性能原子鐘與紙面時之間的鐘差形式，進而通過綜合加權原子時算法可以表示為：
[0033]
[0034]
其中clock
低
?
h
i
(t)為精密鐘差數據(低
?
星精密鐘差和低
?
地精密鐘差)，h
′
i
(t)為預報值，ω
i
(t)原子鐘的權重。
[0035]
本發明的實施例包括以下步驟：
[0036]
步驟1，星間比對鏈路建立
[0037]
按照北斗星間鏈路的工作模式，在低軌航天器上搭載一臺星間鏈路設備，建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間比對鏈路，低軌航天器地面站定期向北斗星間鏈路管控中心提供低軌航天器的軌道預報歷書和鐘差參數等信息，以便北斗星間鏈路管控中心制定包含低軌航天器在內整個星間鏈路的時隙分配表，根據時隙表，在規定時隙內北斗衛星主動呼叫低軌航天器以建立星間比對鏈路。整個過程不改變北斗星間鏈路的工作模式，僅將低軌航天器納入整個星間鏈路時隙分配中即可。
[0038]
星間比對鏈路的具體工作模式為，首先控制低軌航天器星間鏈路相控陣天線指向北斗衛星的星間鏈路載荷，北斗衛星的星間鏈路載荷向低軌航天器方向發出信號，低軌航天器星間鏈路設備接收信號，完成星間的偽距測量及數據解析，同時北斗衛星的星間鏈路載荷接收來自低軌航天器星間鏈路設備發出的信號，完成星間的偽距測量及數據解析，星間鏈路的比對測量過程采用雙向測量模式，是目前最常用和精度最高的方法。
[0039]
步驟2，將低軌航天器上的高精度時間頻率系統納入北斗系統
[0040]
1)利用低軌航天器上的高精度時間頻率系統搭載的l頻段gnss接收機，將低軌航天器星間鏈路設備的時間同步到北斗時上，滿足低軌航天器星間鏈路設備和北斗系統星間鏈路設備之間的時間信息同步和時間基準統一。
[0041]
2)利用低軌航天器上的高精度時間頻率系統搭載的微波鏈路、激光鏈路，下發自身位置遙測信息，該系統地面站綜合利用遙測信息和星地測量結果，計算生成低軌航天器的軌道信息和時間信息等，并打包成北斗系統的星歷格式。
[0042]
3)低軌航天器上高精度時間頻率系統的地面站和北斗運控系統通過地面通信實現信息交換，包括北斗系統的星歷和低軌航天器的星歷。
[0043]
4)北斗衛星的運控系統利用l頻段上行鏈路將星歷信息等上注給在軌導航衛星，低軌航天器上高精度時間頻率系統的地面站利用上行微波或激光鏈路將星歷信息等上注給該系統。
[0044]
5)根據任務安排，規劃建鏈配置，北斗衛星測控系統利用s頻段鏈路將預先生成的建鏈規劃表發送至在軌導航衛星，低軌航天器上高精度時間頻率系統的地面站利用上行微波或激光鏈路將預先生成的建鏈規劃表發送至該系統，并轉發控制星間鏈路設備。
[0045]
6)北斗衛星星間鏈路設備和低軌航天器星間鏈路設備根據任務規劃執行雙向通信，并將測距信息進行交換，完成一次星間比對測量，實現將低軌航天器上的高精度時間頻率系統納入北斗系統。
[0046]
步驟3，精密鐘差獲取
[0047]
1)通過低軌航天器與北斗衛星之間的星間比對鏈路，確定低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘和北斗系統星載鐘之間的鐘差(低
?
星鐘差)，但精密低
?
星鐘差的獲取還需考慮低軌航天器與北斗衛星的運動狀態、比對鏈路的校準等誤差項，誤差項具體修正方式為：
[0048]
a.低軌航天器與北斗衛星位置的精確修正
[0049]
由于低軌航天器與北斗衛星的運行速度不同，且所處的重力勢不同，即兩者之間不可避免的存在相對論效應。相對論效應屬于能精確模型化的誤差，可以完全扣除，因此相對論效應不會對預處理后得到的鐘差數據產生影響。但位置的偏差會對比對測量鐘差帶來一定的影響，這就要求在低
?
星鐘差歸算的過程中必須考慮。由于低軌航天器搭載著多模多頻gnss接收機，可以通過數據傳輸鏈路將接收機的觀測數據傳回地面站，地面站經過事后的數據處理獲得更高精度的位置解算(實現cm級別)和鐘差結果；
[0050]
b.比對鏈路的校準(如圖4所示)
[0051]
低軌航天器與北斗衛星配置相同的星間鏈路設備，因此在低軌航天器和北斗衛星之間進行雙向比對測量時，星間鏈路收發設備時延會以系統誤差的形式存在于測量結果中。因此試驗的重點是如何修正低軌航天器與北斗衛星之間的星間比對鏈路的收發設備時延，實現比對鏈路的校準。
[0052]
圖4為星間鏈路系統誤差校準的原理圖，不考慮北斗衛星和低軌航天器之間雙向比對鏈路中的誤差影響，且假定星間鏈路收發設備時延在比對期間保持不變。a星和b星為北斗衛星的任意兩顆，設t
a收
、t
a發
為a星的收發設備時延，t
b收
、t
b發
為b星的收發設備時延，t
低收
、t
低發
為低軌航天器的收發設備時延，t1、t2、t3、t4時刻為任意不同時刻，t1
a
、t2
a
為a星t1、t2時刻的鐘面時，t3
b
、t4
b
為b星t3、t4時刻的鐘面時，t1
低
?
t4
低
分別為低軌航天器在t1
?
t4時刻的鐘面時，a星測得t1時刻衛星a與低軌航天器的時差為t1
a低
，低軌航天器測得t2時刻低軌航天器與衛星a的時差為t2
低a
，b星測得t3時刻衛星b與低軌航天器的時差為t3
b低
，低軌航天器測得t4時刻低軌航天器與衛星b的時差為t4
低b
，則有：
[0053]
t1
a低
＝t1
a
?
t1
低
+dt1
a低
+t
a收
+t
低發
?????????????????????
(2)
[0054]
t2
低a
＝t2
低
?
t2
a
+dt2
低a
+t
a發
+t
低收
?????????????????????
(3)
[0055]
低軌航天器根據歷史時刻及t2時刻的測量值可以高精度內插計算得到t1時刻低軌航天器與a星的測量值t1
低a
。
[0056]
t1
低a
＝t1
低
?
t1
a
+dt1
低a
+t
a發
+t
低收
?????????
(4)
[0057]
利用(2)式減去(4)式有：
[0058]
t1
a低
?
t1
低a
＝2(t1
a
?
t1
低
)+[(t
a收
?
t
a發
)
?
(t
低收
?
t
低發
)]
???????
(5)
[0059]
同理可以計算b星與低軌航天器的時差數據：
[0060]
t3
b低
?
t3
低b
＝2(t3
b
?
t3
低
)+[(t
b收
?
t
b發
)
?
(t
低收
?
t
低發
)]
?????????
(6)
[0061]
(5)、(6)式的左邊為已知量，等式右邊第一項為衛星與低軌航天器的鐘差，第二項為衛星與低軌航天器星間鏈路收發設備時延差，右邊兩項為待求量。
[0062]
兩項均為固定偏差，因此無法分離，考慮使用衛星軌道確定試驗提供的衛星和低軌航天器的鐘差。但該數據包含了低軌航天器接收機的內部時延和隨機誤差，用τ來表示這部分誤差項，因此使用前需進行處理，假設該試驗提供的t1時刻a星與低軌航天器的時差為mt1
a低
，t3時刻b星與低軌航天器的時差為mt3
b低
，則有：
[0063]
mt1
a低
＝(t1
a
?
t1
低
)+τ
??????????????????????????
(7)
[0064]
mt3
b低
＝(t3
b
?
t3
低
)+τ
??????????????????????????
(8)
[0065]
(7)式減去(8)式有：
[0066]
mt1
a低
?
mt3
b低
＝(t1
a
?
t1
低
)
?
(t3
b
?
t3
低
)
???????
(9)
[0067]
(5)式減去(6)式有：
[0068]
(t1
a低
?
t1
低a
)
?
(t3
b低
?
t3
低b
)
[0069]
＝2[(t1
a
?
t1
低
)
?
(t3
b
?
t3
低
)]+[(t
a收
?
t
a發
)
?
(t
b收
?
t
b發
)]
???????
(10)
[0070]
將(9)式代入(10)式可以得到：
[0071]
(t
a收
?
t
a發
)
?
(t
b收
?
t
b發
)
[0072]
＝(t1
a低
?
t1
低a
)
?
(t3
b低
?
t3
低b
)
?
2mt1
a低
?
2mt3
b低
????????
(11)
[0073]
(11)式等式右邊都是已知量，這樣就得到了北斗a星和北斗b星之間星間鏈路的設備時延差，同理可得低軌航天器與北斗a星、低軌航天器與北斗b星之間星間鏈路的設備時延差，最終實現對比對鏈路的校準。經過上述修正處理，可得到精密低
?
星鐘差。
[0074]
2)通過低軌航天器和地面站之間的微波或激光比對鏈路，可確定低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘和地面站原子鐘之間的精密鐘差(低
?
地鐘差)，綜合上述兩種精密鐘差數據，為集中式天基時間生成試驗提供輸入。
[0075]
步驟4，集中式天基時間基準生成方法
[0076]
采用綜合加權原子時算法計算集中式天基時間基準，根據各原子鐘之間的鐘差比對數據計算得到集中式天基時間的紙面時。若有n臺原子鐘讀數為h
i
(t)，i＝1,2
…
,n，ta(t)為時間尺度一般形式可寫為下式：
[0077][0078]
其中，ω
i
(t)表示原子鐘的權重因子，ta(t)即是原子時算法得到的紙面時間。當每臺原子鐘相互獨立時，加權平均值(具有最佳權重)給出的時間尺度比單獨的任何守時鐘都穩定。
[0079]
式(12)的初衷是減少波動，在此前提下，提取每臺原子鐘的相位波動并單獨求平均值，式(12)可以寫為：
[0080][0081]
由于紙面時不可測，將式(13)改為鐘差形式：
[0082][0083]
其中，clock
低
?
h
i
(t)指低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與鐘i的比對數據，h
′
i
(t)指鐘i的預報值，ω
i
(t)指鐘i的權重。就本發明而言，低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘clock
低
可看作原子時算法的參考信號，h
i
(t)可以看作北斗星載原子鐘或地面站原子鐘的讀數，ω
i
(t)指參與計算的北斗星載原子鐘或地面站原子鐘的權重。權重ω
i
(t)和預報值h
′
i
(t)的計算可以采用不同的計算方式實現。
[0084]
權重ω
i
(t)可用下式進行計算：
[0085][0086]
式(15)中為鐘i的阿倫方差。
[0087]
基于時間頻率的動態模型可求h
′
i
(t)，時間是隨著時間尺度進行疊加擴展開來，即時間是頻率隨時間的累積量，頻率是頻率二次漂移隨時間的累積量。某鐘的時間迭代可
用以下公式表示：
[0088]
h
′
i
(t)＝t0+fre
·
δt+0.5fre_old
·
(δt)2?????????
(16)
[0089]
其中t0是0時相對應基準時間的初始時間差，fre是在時間間隔[0,t]相對于基準時間的頻率差，fre_old是在時間間隔[0,t]相對于基準時間的頻率二次漂移系數，δt是0時刻至t時刻經歷的時間差。式(16)還可寫為：
[0090]
δt
k
＝fre
·
δt+0.5fre_old
·
(δt)2??????????
(17)
[0091]
δt
k
為從0時刻到t時刻的時間變化率，繼續簡化可得到：
[0092]
δt
k+1
＝fre
k+1
·
δt
k+1
???????????????????????????????????
(18)
[0093]
fre
k+1
＝fre+0.5fre_old
·
δt
k+1
???????????????????????????
(19)
[0094]
目前能獲取的直接測量值僅為時間間隔的測量值，即時間的變化量，表示為
[0095]
t
′
k+1
＝t
k+1
+ω
????????????
(20)
[0096]
式中t
′
k+1
為測量時間，t
k+1
為真實時間，ω為測量誤差。
[0097]
卡爾曼濾波不要求信號和噪聲都是平穩過程，對于每個時刻的系統擾動和觀測誤差(即噪聲)，只要對它們的統計性質作某些適當的假定，通過對含有噪聲的觀測信號進行處理，就能在平均的意義上，求得誤差為最小的真實信號的估計值，從時間動態模型和測量模型可以分析得出，時間尺度的計算是以時間測量為基礎的頻率和頻率二次漂移估計的線性估計問題，可進一步使用卡爾曼濾波進行求解。基于上述模型，以某時刻相對于基準時間的時間差、頻率差和二次頻漂系數為卡爾曼的狀態向量，即
[0098][0099]
其狀態轉移矩陣可知：
[0100][0101]
將式(21)、(22)代入卡爾曼濾波器中進行迭代可估計最優解。將求得的權重ω
i
(t)、預報值h
′
i
(t)以及精密鐘差數據代入式(14)可得到clock
低
?
ta(t)。
[0102]
通過該方法仿真計算得到集中式天基時間基準各項指標為：天基自主運行模式下集中式天基時間的頻率穩定度約為4e
?
15/天；天地聯合運行模式下集中式天基時間的頻率穩定度約為8e
?
16/天，與bdt相比較，至少提升一個量級。
[0103]
本發明以低軌航天器上的高精度時間頻率系統為依托，一方面基于北斗星間鏈路的成熟技術，建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間雙向比對鏈路，獲取低
?
星鐘差比對數據，通過綜合加權時間尺度算法生成以低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘為參考的自主運行模式下的集中式天基時間基準；另一方面通過低軌航天器自身具備的微波或激光鏈路，建立低軌航天器與地面站之間的高精度雙向時間比對鏈路，結合地面站原子鐘數據生成天地聯合運行模式下的集中式天基時間基準，實現天地聯合守時，滿足未來航空航天系統對高精度時間基準的需求。本發明將地面守時理論與方法運用到集中式天基時間的建立，通過對集中式天基時間基準建立與維持方法的研究，強化天基時頻體系自主化建立的方法理論，為未來建立天地互備、天地協同的高精度集中式天基時間基準奠定基礎。
技術特征：
1.一種集中式天基時間基準建立方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，在低軌航天器與北斗衛星之間建立星間測距和通信鏈路；步驟2，基于相控陣天線體制采用時分、捷變的工作模式，將該鏈路接入北斗鏈路網絡管理控制系統，將低軌航天器上的高精度時間頻率系統完全納入北斗衛星系統，并作為整個星間鏈路和天基時間計算的中心節點；步驟3，通過低軌航天器與北斗衛星之間的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上時間頻率系統搭載的原子鐘與北斗星載原子鐘之間的鐘差數據，并將數據通過數據傳輸鏈路傳至集中式天基時間計算節點；步驟4，通過綜合加權原子時算法生成集中式天基時間基準，其中，clock
低
表示低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘，ta(t)即是原子時算法得到的紙面時間，clock
低
?
h
i
(t)指低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘與鐘i的比對數據，h
′
i
(t)指鐘i的預報值，ω
i
(t)指鐘i的權重，(t)指鐘i的權重，為鐘i的阿倫方差，i＝1,2
…
,n，n表示北斗星載原子鐘數量。2.根據權利要求1所述的集中式天基時間基準建立方法，其特征在于，所述的步驟1以低軌航天器上時頻系統連續產生的時間頻率信號作為比對基準，依照北斗衛星之間的星間鏈路工作模式，在低軌航天器上搭載一臺ka星間鏈路設備，進行建鏈規劃，星間鏈路管理中心分配時隙給北斗衛星和低軌航天器星間鏈路設備，根據時隙表要求，在規定時隙內建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間比對鏈路；此外，低軌航天器地面系統將星座配置表、時隙表、路由表、時隙/路由切換指令、北斗衛星和低軌航天器軌道長期預報歷書和鐘差參數上注給低軌航天器，供低軌航天器與北斗衛星之間建鏈使用。3.根據權利要求1所述的集中式天基時間基準建立方法，其特征在于，所述的步驟1采用每小時一張時隙表，包含20個時隙，根據入境可視的情況給低軌航天器分配相應的時隙與對應可視的北斗衛星進行建鏈。4.根據權利要求1所述的集中式天基時間基準建立方法，其特征在于，所述的步驟2通過gnss接收機將低軌航天器與北斗衛星兩大系統的時間基準進行統一，時間同步至bdt上，通過鏈路將兩大系統的星歷、測距信息進行交換。5.根據權利要求1所述的集中式天基時間基準建立方法，其特征在于，所述的步驟3還利用低軌航天器上時間頻率系統自身具有的微波雙向鏈路和激光鏈路，建立低軌航天器與地面站之間的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據；所述的步驟4在低軌航天器與北斗衛星之間建立雙向測量鏈路，獲取低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與北斗星載鐘之間的鐘差數據，再通過微波雙
向鏈路和激光鏈路實現低軌航天器與地面站之間的高精度時間比對，獲取低軌航天器上高精度時頻系統搭載的高性能原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據，綜合低上述兩種鐘差數據，通過綜合加權原子時算法生成以低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘為核心的集中式天基時間。6.根據權利要求5所述的集中式天基時間基準建立方法，其特征在于，所述的n表示北斗星載原子鐘和地面站原子鐘的數量之和。
技術總結
本發明提供了一種集中式天基時間基準建立方法，建立低軌航天器與北斗衛星之間的星間鏈路，一方面通過低軌航天器與北斗衛星之間的時間比對鏈路，獲取低軌航天器上時間頻率系統搭載的原子鐘與北斗星載鐘之間的鐘差數據；另一方面通過低軌航天器上時間頻率系統自身具有的微波雙向鏈路和激光鏈路，建立低軌航天器與地面站的時間比對鏈路，獲得低軌航天器上時頻系統搭載的原子鐘與地面站原子鐘之間的鐘差數據，利用兩種鐘差數據，通過綜合時間尺度算法計算自主運行模式下和地面運控模式下的集中式天基時間基準。該時間基準具備長期守時的能力。的能力。的能力。
