專利名稱：一種星座定位模式下標定組合零值的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種星座定位模式下標定組合零值的方法，屬于編隊飛行器技術領域。
背景技術：
飛行編隊星座模式是一種新型的空間組網(wǎng)模式，采用星間鏈路來進行衛(wèi)星間的通信，不僅有利于提高星座運作性能、擴大星座探測覆蓋空域范圍，而且還有利于縮小地面支持系統(tǒng)的規(guī)模，大大簡化了地面系統(tǒng)的測控以及數(shù)傳管理。而編隊衛(wèi)星的位置精度和時差精度將是保證星座定位精度的關鍵。星座模式是一種新型模式，在航天領域中如何實現(xiàn)星座模式下的零值標定，在國內(nèi)資料較少，在國外也少見報道?，F(xiàn)有的系統(tǒng)距離零值標定方法均是對傳統(tǒng)的星地測控應 答機以及地面測控站系統(tǒng)進行標定的，此方法不適應于星座模式，星座模式下為了保證時間同步，要求標定距離零值和時差零值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提出了一種星座定位模式下標定組合零值的方法，該方法不局限于一條星間鏈路，多條星間鏈路也能同時標定，對編隊飛行的衛(wèi)星來講，大大降低了工程難度和復雜性，且標定精度很高，達到納秒級。本發(fā)明的技術方案為一種星座定位模式下標定組合零值的方法，依托于第一衛(wèi)星、第二衛(wèi)星和計數(shù)器實現(xiàn)，步驟如下一種星座定位模式下標定組合零值的方法，依托于第一衛(wèi)星、第二衛(wèi)星、矢量網(wǎng)絡分析儀和計數(shù)器實現(xiàn)，步驟如下(I)將第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星設置為星座有線模式，即在地面上將第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星通過電纜連接在一起，第一衛(wèi)星的發(fā)射機與第二衛(wèi)星的接收機之間形成的通路為前向鏈路，第二衛(wèi)星的發(fā)射機和第一衛(wèi)星的接收機之間形成的通路為反向鏈路；(2)第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星均通過電纜連接到計數(shù)器；(3)通過矢量網(wǎng)絡分析儀對所述前向鏈路電纜的時延τ &和反向鏈路電纜的時延τ ba進行標定；(4)通過計數(shù)器測量第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星的時差At ;(5)通過公式 T1 = τ a' + Tba+T；b+At 和 T2 = τ/ + τ ab+τ a-Δ t 分別計算前向偽距T1和反向偽距T2，其中，T1為前向偽距，即第一衛(wèi)星的本地鐘時間信號與接收到的第二衛(wèi)星的時間信號的時差；T2為反向偽距，即第二衛(wèi)星的本地鐘時間信號與接收到的第一衛(wèi)星的時間信號的時差；τ a，τ ' a分別為第一衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的時延；τ b，τ ' b分別為第二衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的時延；(6)通過公式Z1 = T1- Tba-At和Z2 = T2- τ ab+ Δ t分別計算前向零值Z1和反向零值Z2 ；(7)通過公式Λ = [ Τ^+Τ2^Ζι-Ζ2 ]xC和 ’ =分別計算鏈路時延理
論值R和時差理論值AC ；(8)判斷τΛ = R和At = At'是否均成立,若均成立,則組合零值的標定有效；否則返回步驟(3)從新進行。
所述步驟⑴中前向鏈路的電纜長度和反向鏈路的電纜長度相同，步驟(2)中第一衛(wèi)星連接到計數(shù)器的電纜長度和第二衛(wèi)星連接到計數(shù)器的電纜長度相同。發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(I)星座模式不同于星地模式，一旦星座確定以后，將有星間鏈路組合零值唯一的特性，而本發(fā)明避免了對單顆衛(wèi)星的組合零值進行標定，實現(xiàn)了將星間鏈路的組合零值進行一次性標定。(2)通過測量前向零值與反向零值，一次性計算出組合零值，無需對星間的距離零值與時差零值進行單獨標定，這使得星座模式，尤其是對衛(wèi)星較多的星座模式，大大的簡化了零值標定的復雜性，降低了標定的難度。(3)對組合零值進行上注后，只需將計數(shù)器與星間測量出時差的進行直接比較即可得出標定的準確性，同樣，將星間電纜的距離與星間測量的距離進行比較即可得距離零值的準確性，不需要進行別的任何復雜運算，這樣也將系統(tǒng)誤差的降到最低。(4)可以在有線模式下標定，也可以在無線模式下標定，無線模式為最終的狀態(tài)，可以將有線模式標定作為基礎，然后將空間以及天線等進行時延測試后，擬合到有線里面去，與無線直接測試進行比較，消除了測試的誤差，提高準確度。


圖I星間距離和時差得測量原理示意圖；圖2兩顆衛(wèi)星組成的星座模式的有線設備連接框圖；圖3兩顆衛(wèi)星組成的星座模式下的有線設備零值標定連接框圖；圖4為本發(fā)明流程圖。
具體實施例方式我們先來介紹一下星間距離與時差的測量原理，如圖2、圖3所示，參加編隊的衛(wèi)星均有銣鐘與時間管理單元，時間管理單元輸出秒脈沖(Ipps)，時間管理單元的輸出IOMHz為系統(tǒng)各設備的基準頻率，第一衛(wèi)星(A星)與第二衛(wèi)星(B星)的時差定義為兩星的衛(wèi)星時間管理單元輸出秒脈沖前沿之間的時差。星間信號采用雙向偽碼測距技術，利用測控擴頻碼作為測距碼，利用雙向法解算星間距離與鐘差。偽碼測距不僅具有很高的測距精度，由于其連續(xù)性，可確保測距的實時性和實時對測距原始觀測量進行平滑處理計算。雙向法的基本原理為參加比對的A星和B星分別利用各自的設備發(fā)送定時信號，并接收來自對方的定時信號。如圖4所示，本發(fā)明提供了一種星座定位模式下標定組合零值的方法，依托于第一衛(wèi)星、第二衛(wèi)星和計數(shù)器實現(xiàn)，步驟如下
(I)將第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星設置為星座有線模式，即在地面上將第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星通過電纜連接在一起，第一衛(wèi)星的發(fā)射機與第二衛(wèi)星的接收機之間形成的通路為前向鏈路，第二衛(wèi)星的發(fā)射機和第一衛(wèi)星的接收機之間形成的通路為反向鏈路；前向鏈路的電纜長度和反向鏈路的電纜長度相同，(2)第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星均通過電纜連接到計數(shù)器；第一衛(wèi)星連接到計數(shù)器的電纜長度和第二衛(wèi)星連接到計數(shù)器的電纜長度相同；如圖I所示，設A星測量的本地鐘定時信號和接收的B星定時信號的時差為T1, B星測量的本地鐘定時信號和接收的A星定時信號的時差為T2，T1和T2分別為前向偽距和反向偽距，A星和B星兩地鐘的時差(鐘差)為At，可以得出T1 = τ a' + τ ba+ τ b+ Δ t (I)T2 = τ/ + τ ab+ τ a- Δ t (2) 式中，τ a，τ ' a——分別為A星發(fā)射設備(發(fā)射機)和接收設備(接收機)的時延；τ,, τ ^ b——分別為B星發(fā)射設備(發(fā)射機)和接收設備(接收機)的時延；τ ab——有線連接時表示由A星發(fā)射設備與到B星接收設備的有線連接的時延，無線連接時表示由A星發(fā)射天線到B星接收天線的傳播時延；τ ba——有線連接時表示由B星發(fā)射設備與到A星接收設備的有線連接的時延，無線連接時表示由B星發(fā)射天線到A星接收天線的傳播時延；T1——A星測量的本地鐘時間信號與接收到B星時間信號的時差；T2——B星測量的本地鐘時間信號與接收到A星時間信號的時差。由公式
(1)-(2)得T1-T2 = 2 Δ t+( τ b-τ a) + ( τ : -τ/ ) + ( τ ba- τ ab)(3)At = [(T「T2) + ( τ a-Tb) + ( τ/ - τ J ) + ( τ ab_ τ J ]/2(4)完成步驟(2)之后，接下來步驟為(3)通過矢量網(wǎng)絡分析儀對所述前向鏈路電纜的時延Tab和反向鏈路電纜的時延Tba進行標定；由于前向鏈路電纜的長度和反向鏈路電纜的長度相同，因此，τΛ幾乎與Tba相等，誤差可以忽略不計；(4)通過計數(shù)器測量第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星的時差Λ t ；(5)通過公式 T1 = τ a' + τ ba+τ b+Λ T 和 T2 = τ b' + τ ab+τ a-Δ t 分別計算前向偽距T1和反向偽距T2，其中，&為前向偽距，即第一衛(wèi)星的本地鐘時間信號與接收到的第二衛(wèi)星的時間信號的時差；t2為反向偽距，即第二衛(wèi)星的本地鐘時間信號與接收到的第一衛(wèi)星的時間信號的時差；τ a，τ ' a分別為第一衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的時延；τ b，τ ' b分別為第二衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的時延；當A星和B星在同一時刻發(fā)射定時信號，由于經(jīng)過相同的有線距離長度或相同的空間傳播路徑，因為傳播時間接近、信號頻率接近，其差值很小，可以近似相等，即Tab =Tba，則有At' = [ (T1-T2)+ ( τ a- τ b) + ( τ / - τ J )]/2(5)At'為時差理論值，事實上當衛(wèi)星之間具有相對徑向運動時，Tab Tba0當兩個衛(wèi)星上的時標信號能夠調(diào)整到比較接近同時的程度時，誤差可忽略。在星間的雙向鏈路建立以后，進行首次時間比對，用所得的鐘差測量值進行時標調(diào)整作為初始預同步，預同步后進行的鐘差測量精度可滿足精度要求。鏈路時延理論值R(星間距離)可得出R = Tab= Vba = [ ψΛ^Ι ψ^Ι ]C(6)由上面可知，整個星間鏈路要標定的距離和時差零值就是要把星上設備的時延組合即(τ a-τ b) + ( τ ' b- τ ' a)、( τ a+τ b+τ : + τ / )能夠有效且精確測定，即可以得出星間距離與時差的精確值，但星間鏈路設備進行各設備分段標定容易混入各種誤差，且有些無法直接測量，因此本文給出了一種組合零值標定方法，即通過運算直接標出星間距離零值與時差零值的組合零值，我們稱組合零值為前向零值與反向零值，不分別對距離零值與時差零值進行單獨標校。分析上面的結(jié)果可以看出，我們將A星到B星的組合零值叫前向零值Z1, B星到A星的組合零值叫反向零值Z2，從上面的公式我們可以推導出Z1= Tb+ τ ^ = T1-Tba-At (7) Z2 = τ a+ τ / = T2- τ ab+ Δ t (8)式中，Z1-----A星到B星的組合零值叫前向零值；Z2-----B星到A星的組合零值叫反向零值；τ ab-----由A星到B星的傳播時延，與τ ba相等，已知；τ ba-----由B星到A星的傳播時延，與τ ab相等；已知Δ t——為星間實時時差，儀器可直接測得，已知；T1-----與前面定義相同，這里為已知參數(shù)；T2-----與前面定義相同，這里為已知參數(shù)。由上面結(jié)果可以看出，前向組合零值Zl和反向組合零值Z2可通過兩顆星測量的偽距T1和T2，由遙測或地面處理儀器進行計算獲得；星間距離Tab，Tba可提前通道矢量網(wǎng)絡分析儀進行標定傳輸時延，且兩者相等；高精度技術器可以直接測量出的A、B之間的實時鐘差At，然后利用公式(7)、(8)直接求出其組合零值，不用分別對時差零值和距離零值進行分別標定，大大簡化的標校的復雜性，這種標定方法為零值標定的一種新方法。下面是總結(jié)出的步驟(5)計算出偽距之后的步驟(6)根據(jù)前面步驟計算出的偽距、時差和電纜時延通過公式Z1 = τ b+ τ : = Τ「τ ba_ Δ t 和 Z2 = τ + τ h' = T2- τ ab+ Δ t 分別計算前向零值Z1和反向零值Z2 ；(7)在式中 T1 = τ J + τ ba+τ b+Δ t 和 R2 = τ / + τ ab+τ a-Δ t 中減去組合零值Z1和Z2，這樣前向和反向組合零值得到了抵消，得到T1' =T1-Z1= Tba+At和T2' = T2-Z2=τ ab_At，這樣經(jīng)過上面兩個式子相加和相減可以推導出及=U=r4a]C和 At' =[(T/ -T2' )]/2, R 為鏈路時延理論值，At'為時差理論值；因此，該步驟即為通過公式= []XC和^ = S_Zl ;K土忑分別計
算鏈路時延理論值R和時差理論值At'；(8)將標定后的星間鏈路系統(tǒng)零值Z1和Z2進行上注后，判斷比較矢量網(wǎng)絡分析儀標定的Tab(步驟(3)中得到的)是否與鏈路時延理論值R相等，同時判斷計數(shù)器測量的At(步驟(4)中得到的)是否與時差理論值At'相等，若均相等，則組合零值的標定有效；否則返回步驟(3)從新進行。 用本發(fā)明方法可對其他星間鏈路狀態(tài)進行標定，標定的方法同上；對于多顆衛(wèi)星星間鏈路，也可以利用上面的方式進行標定。因此上述方法實際是一種通用的零值組合標定法，能有效驗證星間鏈路的零值有效性。本發(fā)明說明書中其他未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域?qū)I(yè)技術人員的公知技術。
權利要求
1.ー種星座定位模式下標定組合零值的方法，依托于第一衛(wèi)星、第二衛(wèi)星、矢量網(wǎng)絡分析儀和計數(shù)器實現(xiàn)，其特征在于步驟如下 (1)將第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星設置為星座有線模式，即在地面上將第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星通過電纜連接在一起，第一衛(wèi)星的發(fā)射機與第二衛(wèi)星的接收機之間形成的通路為前向鏈路，第二衛(wèi)星的發(fā)射機和第一衛(wèi)星的接收機之間形成的通路為反向鏈路； (2)第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星均通過電纜連接到計數(shù)器； (3)通過矢量網(wǎng)絡分析儀對所述前向鏈路電纜的時延τΛ和反向鏈路電纜的時延Tba進行標定； (4)通過計數(shù)器測量第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星的時差At; (5)通過公式T1= τ ノ + Tba+T；b+At和T2 = τ/ + τ ab+τ a-Δ t分別計算前向偽距T1和反向偽距T2，其中，T1為前向偽距，即第一衛(wèi)星的本地鐘時間信號與接收到的第二衛(wèi)星的時間信號的時差；T2為反向偽距，即第二衛(wèi)星的本地鐘時間信號與接收到的第一衛(wèi)星的時間信號的時差；τ a，τ ' a分別為第一衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的時延；τ b，τ ' b分別為第ニ衛(wèi)星發(fā)射機和接收機的時延； (6)通過公式Z1= T1-Tba-At和Z2 = T2-Tab+At分別計算前向零值Z1和反向零值Z2 ； (7)通過公式
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種星座定位模式下標定組合零值的方法，其特征在于所述步驟(I)中前向鏈路的電纜長度和反向鏈路的電纜長度相同。
3.根據(jù)權利要求I所述的ー種星座定位模式下標定組合零值的方法，其特征在于步驟(2)中第一衛(wèi)星連接到計數(shù)器的電纜長度和第二衛(wèi)星連接到計數(shù)器的電纜長度相同。
全文摘要
一種星座定位模式下標定組合零值的方法，在傳統(tǒng)的距離零值和時差零值進行分別標定的基礎上，提出了一種新的標定方法，即組合零值的標定方法，此方法不用任何復雜的地面輔助設備，且有線狀態(tài)和無線狀態(tài)均能使用，利用此方法可一次性標定距離和時差零值，并且利于檢查標定的準確性，標定的精度很高，這種簡單的標定方法大大降低了的復雜性，提高了效率，且不僅適用于兩顆衛(wèi)星的零值標定，對于多顆衛(wèi)星的零值標定也同樣簡單可行，且能同時標定，因此是一種實用且有效的標定方法。
文檔編號G01S19/03GK102854515SQ201210095989
公開日2013年1月2日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權日2012年3月31日
發(fā)明者張美婷, 賈濤, 陶成華, 李紅寶, 嚴林, 鐘興旺, 習清伶, 劉勇 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司