一種基于星間雙向測(cè)距的時(shí)間同步方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于星間雙向測(cè)距的時(shí)間同步方法，具體步驟為采用二次多項(xiàng)式對(duì)時(shí)鐘鐘差進(jìn)行建模；考慮頻率漂移變化的影響，星載原子鐘模型采用3個(gè)狀態(tài)分量，建立濾波的狀態(tài)方程；針對(duì)星座中建立星間鏈路的兩顆衛(wèi)星，采用星間雙向測(cè)距方法進(jìn)行偽距測(cè)量，建立觀測(cè)方程；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，進(jìn)行Kalman濾波；利用集中式卡爾曼濾波或分散式卡爾曼濾波對(duì)時(shí)間同步進(jìn)行濾波；分析星間鏈路數(shù)對(duì)時(shí)間同步精度的影響，通過(guò)不同星間鏈路數(shù)下仿真結(jié)果的對(duì)比選擇出性?xún)r(jià)比最高的方案，通過(guò)本發(fā)明中的集中濾波和分散濾波的對(duì)比，以及不同星間鏈路數(shù)目下的濾波精度的對(duì)比從而給出參考實(shí)驗(yàn)方案并提高了測(cè)量同步測(cè)度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于星間雙向測(cè)距的時(shí)間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于星間時(shí)間同步領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，是一種基于卡爾曼濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地球同步軌道衛(wèi)星GEO的精密定軌一直是精密定軌領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。其靜地特性使得地面觀測(cè)幾何構(gòu)型幾乎不變，衛(wèi)星相對(duì)于地面的動(dòng)力學(xué)約束信息很弱，因此在基于偽距觀測(cè)的GEO衛(wèi)星定軌中，無(wú)法對(duì)星地組合鐘差進(jìn)行有效估計(jì)，需要星地時(shí)間同步和站間時(shí)間同步的支持。
[0003]所謂時(shí)間同步，是指時(shí)間同步網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差應(yīng)盡量一致。時(shí)間同步是導(dǎo)航星座運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，聞性能的原子鐘和有效時(shí)間同步方法是提聞時(shí)間同步的有效手段。時(shí)間同步是導(dǎo)航星座運(yùn)行的基礎(chǔ)，導(dǎo)航系統(tǒng)中精確距離測(cè)量實(shí)際上是精確時(shí)間的測(cè)量。時(shí)間同步的精度與原子鐘的性能和采用的時(shí)間同步技術(shù)相關(guān)。
[0004]卡爾曼濾波算法是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的信息融合技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波算法建立在系統(tǒng)噪聲方差陣已知情況下的最優(yōu)估計(jì)，但在實(shí)際情況下，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量噪聲方差陣已知，如何有效估計(jì)出系統(tǒng)測(cè)量噪聲方差陣對(duì)提高濾波精度具有重要意義。
[0005]現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般都采用高性能的銣原子鐘或銫原子鐘，采用卡爾曼濾波算法對(duì)鐘差進(jìn)行濾波，具體的濾波方法有集中濾波和分散濾波，星間鏈路數(shù)目的不同也會(huì)達(dá)到不同的濾波精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)具體驗(yàn)證了集中濾波和分散濾波對(duì)濾波精度的影響，并分析了星間鏈路數(shù)對(duì)濾波精度的影響，綜合考慮從而得出最佳星間鏈路數(shù)。
[0007]本發(fā)明是一種基于卡爾曼濾波技術(shù)的星間時(shí)間同步方法，具體步驟為:
[0008]步驟一:高精度的原子時(shí)鐘一般都存在鐘差。在某一瞬時(shí)，時(shí)鐘給出的時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻之間的差值稱(chēng)為鐘差X(t)，一般采用二次多項(xiàng)式對(duì)時(shí)鐘鐘差進(jìn)行建模:
[0009]Λ'(/) ^ + “I ) + 玉(O - ?(!) + ?.(OCl-1)
[0010]式中前三項(xiàng)表示時(shí)鐘的時(shí)間系統(tǒng)誤差參數(shù)，a0為時(shí)鐘初始相位偏差，B1為原子鐘的初始頻率偏差，a2為原子鐘的線性頻率漂移率，εχα)為時(shí)鐘受噪聲影響引起的時(shí)鐘偏差的隨機(jī)變化分量。h為原子鐘的起始時(shí)刻，t原子鐘的讀數(shù)。對(duì)原子頻標(biāo)的研究表明，原子鐘的隨機(jī)變化部分可以看作多種獨(dú)立的能量譜噪聲的線性疊加。由原子鐘的瞬時(shí)相對(duì)頻率偏差 y(t) =dx(t)/dt,得:
[0011]y (t) = a!+a2t+ ε y (t)(1.2)
[0012]式中，apa2意義上面相同，ε y(t)為原子鐘時(shí)鐘頻率偏差的隨機(jī)變化分量。對(duì)原子頻標(biāo)的研究表明，原子鐘的隨機(jī)變化部分可以看作多種獨(dú)立的能量噪聲的疊加，可以表示為:
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種基于星間雙向測(cè)距時(shí)間同步方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 步驟一:在某一瞬時(shí)，時(shí)鐘給出的時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻之間的差值稱(chēng)為鐘差X(t)，采用二次多項(xiàng)式對(duì)時(shí)鐘鐘差進(jìn)行建模； 步驟二:考慮頻率漂移變化的影響，星載原子鐘模型采用3個(gè)狀態(tài)分量，建立濾波的狀態(tài)方程； 步驟三:針對(duì)星座中建 立星間鏈路的兩顆衛(wèi)星，采用星間雙向測(cè)距方法進(jìn)行偽距測(cè)量，建立觀測(cè)方程； 步驟四:根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，進(jìn)行Kalman濾波； 步驟五:利用集中式卡爾曼濾波或分散式卡爾曼濾波對(duì)時(shí)間同步進(jìn)行濾波: 其中，分散式卡爾曼濾波方法:以各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)作為狀態(tài)變量，利用N個(gè)濾波器分別對(duì)鐘差進(jìn)行估計(jì)，其中N為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，具體步驟如下: 1)采用雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞方法TWSTFT進(jìn)行地面系統(tǒng)時(shí)間同步，將某一配備有高精度原子鐘的地面站作為系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)站，其他地面站與之同步； 2)采用星間雙向測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間同步，將某一衛(wèi)星作為系統(tǒng)時(shí)鐘的基準(zhǔn)站，其他衛(wèi)星與之同步； 3)分別完成地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)間的時(shí)間同步，采用無(wú)線電雙向測(cè)距法進(jìn)行地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)間的時(shí)間同步，其中，只要對(duì)于地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)中的基準(zhǔn)站進(jìn)行時(shí)間同步即可； 集中式卡爾曼濾波方法:由于系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)絕對(duì)鐘差的不可估計(jì)性，選取衛(wèi)星I為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，狀態(tài)變量取為各節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)之差，維數(shù)為(N-1) X3，N為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行卡爾曼濾波，估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)鐘差，其中時(shí)間同步方法的選取與分散濾波方法一致； 步驟六:分析星間鏈路數(shù)對(duì)時(shí)間同步精度的影響，通過(guò)不同星間鏈路數(shù)下仿真結(jié)果的對(duì)比選擇出性?xún)r(jià)比最高的方案。 其中上述步驟一中，在某一瞬時(shí)，時(shí)鐘給出的時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻之間的差值稱(chēng)為鐘差χ (t)，采用二次多項(xiàng)式對(duì)時(shí)鐘鐘差進(jìn)行建模的具體步驟為:


I
4?) = ?% + O,(1-4) +-%)2+￡,(!)

L 式中前三項(xiàng)表示時(shí)鐘的時(shí)間系統(tǒng)誤差參數(shù)，％為時(shí)鐘初始相位偏差，為原子鐘的初始頻率偏差，％為原子鐘的線性頻率漂移率，εχα)為時(shí)鐘受噪聲影響引起的時(shí)鐘偏差的隨機(jī)變化分量，t0為原子鐘的起始時(shí)刻，t原子鐘的讀數(shù)； 其中上述步驟二中，考慮頻率漂移變化的影響，星載原子鐘模型采用3個(gè)狀態(tài)分量，建立濾波的狀態(tài)方程具體步驟為:
Xk = Φ^Ι, A-1+Wk-! 其中:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星間雙向測(cè)距時(shí)間同步方法，其中分析星間鏈路數(shù)對(duì)時(shí)間同步精度的影響，通過(guò)不同星間鏈路數(shù)下仿真結(jié)果的對(duì)比選擇出性?xún)r(jià)比最高的方案具體步驟為: 以四星星座分析星間鏈路數(shù)對(duì)時(shí)間同步精度的影響，采用集中濾波的方法，以衛(wèi)星I的鐘差作為標(biāo)準(zhǔn)，
三條雙向鏈路:{P 12P 21} {P 13P 31} {P 14P 41} 可得對(duì)應(yīng)的觀測(cè)矩陣為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星間雙向測(cè)距時(shí)間同步方法，其中分析星間鏈路數(shù)對(duì)時(shí)間同步精度的影響，通過(guò)不同星間鏈路數(shù)下仿真結(jié)果的對(duì)比選擇出性?xún)r(jià)比最高的方案具體步驟為: 以四星星座分析星間鏈路數(shù)對(duì)時(shí)間同步精度的影響，在星間測(cè)距誤差的均值為0m，標(biāo)準(zhǔn)差為2m時(shí)，采用集中濾波或分散濾波的方法進(jìn)行仿真，仿真時(shí)長(zhǎng)為86400s，集中濾波所得的時(shí)間同步的誤差的均值為-0.12ns，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5ns,而分散濾波所得的時(shí)間同步的誤差的均值為-0.09ns,標(biāo)準(zhǔn)差為-0.39ns ； 當(dāng)星間鏈路數(shù)為三條時(shí)，所得時(shí)間同步的誤差的均值-0.12ns,標(biāo)準(zhǔn)差為0.34ns ； 當(dāng)星間鏈路數(shù)為四條是，所得時(shí)間同步的誤差的均值-0.12ns,標(biāo)準(zhǔn)差為0.31ns ； 當(dāng)星間鏈路數(shù)為五條是，所得時(shí)間同步的誤差的均值-0.1lns,標(biāo)準(zhǔn)差為0.28ns ； 當(dāng)星間鏈路數(shù)為六條是，所得時(shí)間同步的誤差的均值-0.1Ons,標(biāo)準(zhǔn)差為0.26ns。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于星間雙向測(cè)距時(shí)間同步方法，其中星間鏈路數(shù)僅選擇為二條 。
【文檔編號(hào)】H04L7/00GK103957095SQ201410205482
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】王艷東, 陳惠勇, 趙歡, 王虎妹, 石俊, 王世濤 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 中國(guó)空間技術(shù)研究院