[發明專利]基于星間鏈路的高精度相對測距與時間同步方法

在審

• 申請號: 201710610020.4
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107395309A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 劉明凱
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06;H04B7/185
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心51121
• 代理人: 郭純武

技術領域

本發明涉及一種基于星間鏈路的高精度相對測距與時間同步方法。

背景技術

衛星星間鏈路的研究工作在國外開展得比較早，目前在國際上已經得到了較為廣泛的應用，主要應用于GPS衛星導航系統、跟蹤與數據中繼衛星系統、通信系統、中低軌道通信衛星網絡系統、海洋和地面觀測衛星系統等。同時，隨著小衛星的發展，為了保持衛星編隊飛行的構型，衛星之間需要進行距離測量、時間同步和控制指令傳輸等，因此建立可靠的星間鏈路是非常必要的。利用衛星星間鏈路實現星間通信，完成故障檢測及處理、運行管理、高速數傳和載荷協同任務等，使衛星系統具有較好的機動性和可重構性。另外，衛星導航系統的發展，為了使得導航衛星在缺少地面支持的情況下依然能正常工作和自主運行，在導航衛星星座之間增加星間鏈路也是十分必要的。

導航星間鏈路廣泛適用于衛星精密定軌與時間同步,并且覆蓋了星座內的中高軌衛星, 因此可作為一種理想的星間高精度測量手段.現有的導航星間鏈路時間同步測量方法依賴于導航衛星具備星歷信息,并不適用于位置精度較低且空間信息缺乏完整性的任意空間飛行器。近年來隨著衛星應用需求的日益發展，編隊飛行實現空間虛擬探測逐漸成為航天技術及應用中最活躍、最具潛力的前沿技術。其中，星間鏈路測量就是衛星編隊與衛星星座系統研究中亟需解決的一項關鍵技術。空間衛星的相對距離和鐘面時差的準確測量，是完成特定任務的重要基礎。雙星無源時差頻差聯合定軌精度能主要由衛星的位置和運動速度，星間的基線距離，輻射信號載波的頻率等參數所決定。因此，對星間的測距、測速和基線測量的精度就直接關系到系統定位性能。在多星自主運行的模式下，衛星之間通過星間鏈路進行測距，獲得雙向測距信息，同時利用星載計算機對測距信息進行處理，處理結果得到高精度的軌道信息和星鐘同步信息，這就可以生成提供給用戶的導航信息。

目前，星間相對測量通常采用光學鏈路和微波鏈路，其中光學鏈路的特點是傳輸速率高，相對距離測量精度高，但存在捕獲跟蹤時間長，技術難度大、不成熟的問題，同時并不適合星間組網節點數目較多時的通信。與光學鏈路相比，微波鏈路的傳輸數據率低，但其測量精度也可達到厘米級，支持多條鏈路同時通信，因此星間測量多采用微波鏈路。采用微波鏈路測量時，主要的測量體制包括了單向測距體制、相干模式測距體制、雙程轉發測距體制以及雙向單程測距體制。衛星之間的時間同步包括時間同步的建立和保持兩方面內容。時間同步的建立是將各衛星時鐘與某一標準時鐘或某顆衛星(主星)對準，時間同步的保持則是依靠高精度的星載原子鐘和星間時間比對控制本地時鐘，使之與標準時鐘的誤差維持在一定范圍之內。小衛星之間相對測距和時間同步對于星間相對狀態信息獲取、星間協同控制和任務來說都是必須的

通過星間鏈路完成衛星間的協同控制，提高衛星自主生存和自主管理能力，一個重要的前提是實現星間相對測距和時間同步。雙向時間同比對是現行GPS導航星座實現時間同步的主要方法。參加編隊的A星與B星分別配置衛星時頻單元,A星與B星之間的時差定義為兩星的衛星時頻單元輸出秒脈沖前沿間的時差。參加比對的A星和B星收發信號頻率不同，分別利用各自的設備發送定時信號，并接收來自對方的定時信號,采用偽碼測距技術進行星間測量。雖然雙向比對法對消了傳播路徑的影響，使其測量的精度得到了提高，但是基于星間鏈路的星間雙向時間同步比對是利用鏈路同一時刻的雙向偽距的測量值計算該時刻的鐘差值，在實際工程中絕對同時測量很難實現,間隔期內由于星間高速相對運動會引起二者距離變化,最終會使計算得到的鐘差值產生誤差。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種測量精度高，易于實現兩顆星之間的高精度相對測距與時間同步--基于星間鏈路的高精度相對測距與時間同步方法。