[发明专利]基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法。

背景技术

卫星星间链路的研究工作在国外开展得比较早，目前在国际上已经得到了较为广泛的应用，主要应用于GPS卫星导航系统、跟踪与数据中继卫星系统、通信系统、中低轨道通信卫星网络系统、海洋和地面观测卫星系统等。同时，随着小卫星的发展，为了保持卫星编队飞行的构型，卫星之间需要进行距离测量、时间同步和控制指令传输等，因此建立可靠的星间链路是非常必要的。利用卫星星间链路实现星间通信，完成故障检测及处理、运行管理、高速数传和载荷协同任务等，使卫星系统具有较好的机动性和可重构性。另外，卫星导航系统的发展，为了使得导航卫星在缺少地面支持的情况下依然能正常工作和自主运行，在导航卫星星座之间增加星间链路也是十分必要的。

导航星间链路广泛适用于卫星精密定轨与时间同步,并且覆盖了星座内的中高轨卫星, 因此可作为一种理想的星间高精度测量手段.现有的导航星间链路时间同步测量方法依赖于导航卫星具备星历信息,并不适用于位置精度较低且空间信息缺乏完整性的任意空间飞行器。近年来随着卫星应用需求的日益发展，编队飞行实现空间虚拟探测逐渐成为航天技术及应用中最活跃、最具潜力的前沿技术。其中，星间链路测量就是卫星编队与卫星星座系统研究中亟需解决的一项关键技术。空间卫星的相对距离和钟面时差的准确测量，是完成特定任务的重要基础。双星无源时差频差联合定轨精度能主要由卫星的位置和运动速度，星间的基线距离，辐射信号载波的频率等参数所决定。因此，对星间的测距、测速和基线测量的精度就直接关系到系统定位性能。在多星自主运行的模式下，卫星之间通过星间链路进行测距，获得双向测距信息，同时利用星载计算机对测距信息进行处理，处理结果得到高精度的轨道信息和星钟同步信息，这就可以生成提供给用户的导航信息。

目前，星间相对测量通常采用光学链路和微波链路，其中光学链路的特点是传输速率高，相对距离测量精度高，但存在捕获跟踪时间长，技术难度大、不成熟的问题，同时并不适合星间组网节点数目较多时的通信。与光学链路相比，微波链路的传输数据率低，但其测量精度也可达到厘米级，支持多条链路同时通信，因此星间测量多采用微波链路。采用微波链路测量时，主要的测量体制包括了单向测距体制、相干模式测距体制、双程转发测距体制以及双向单程测距体制。卫星之间的时间同步包括时间同步的建立和保持两方面内容。时间同步的建立是将各卫星时钟与某一标准时钟或某颗卫星(主星)对准，时间同步的保持则是依靠高精度的星载原子钟和星间时间比对控制本地时钟，使之与标准时钟的误差维持在一定范围之内。小卫星之间相对测距和时间同步对于星间相对状态信息获取、星间协同控制和任务来说都是必须的

通过星间链路完成卫星间的协同控制，提高卫星自主生存和自主管理能力，一个重要的前提是实现星间相对测距和时间同步。双向时间同比对是现行GPS导航星座实现时间同步的主要方法。参加编队的A星与B星分别配置卫星时频单元,A星与B星之间的时差定义为两星的卫星时频单元输出秒脉冲前沿间的时差。参加比对的A星和B星收发信号频率不同，分别利用各自的设备发送定时信号，并接收来自对方的定时信号,采用伪码测距技术进行星间测量。虽然双向比对法对消了传播路径的影响，使其测量的精度得到了提高，但是基于星间链路的星间双向时间同步比对是利用链路同一时刻的双向伪距的测量值计算该时刻的钟差值，在实际工程中绝对同时测量很难实现,间隔期内由于星间高速相对运动会引起二者距离变化,最终会使计算得到的钟差值产生误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种测量精度高，易于实现两颗星之间的高精度相对测距与时间同步--基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法。