專利名稱：一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種星上時(shí)統(tǒng)方法，尤其涉及一種星上時(shí)鐘與地面系統(tǒng)時(shí)鐘的 自主同步方法，并且與傳統(tǒng)的地面站介入時(shí)統(tǒng)方法兼容，特別適合衛(wèi)星星座系 統(tǒng)的自主時(shí)統(tǒng)處理。
背景技術(shù)：
時(shí)鐘(或頻源)輸出的頻率存在頻率校準(zhǔn)偏差(稱為頻差或準(zhǔn)確度)、老化 現(xiàn)象和隨機(jī)噪聲等主要誤差因素，因而，根據(jù)對(duì)頻源振蕩次數(shù)的累計(jì)合成的各 類脈沖信號(hào)(表示時(shí)間間隔)與相應(yīng)理想值之間總是存在某種程度的相位偏差 (或時(shí)差)，并且隨著時(shí)間的推移，這種相位偏差變得越來越大。為了實(shí)現(xiàn)某些 交互功能，設(shè)置在不同系統(tǒng)中的各個(gè)頻源輸出的脈沖之間的相位必須保持一定 精度的同步，或者，不必調(diào)整真實(shí)的相位差，但需將脈沖相位差廣播給有關(guān)用
戶進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。其中，脈沖相位的調(diào)整是一個(gè)物理過程，稱為物理同步； 不進(jìn)行相位調(diào)整，只是廣播相位差來進(jìn)行同步則是一個(gè)數(shù)學(xué)過程，稱為數(shù)學(xué)同 步。物理同步和數(shù)學(xué)同步構(gòu)成了時(shí)間同步的兩大內(nèi)容。
星上時(shí)鐘與地面系統(tǒng)時(shí)鐘保持高精度同步的關(guān)鍵在于，對(duì)星地時(shí)差的準(zhǔn)確 跟蹤。跟蹤星地時(shí)差的方法主要有1)時(shí)差觀測(cè)，比較典型的三類方法有地 面站與過境星建立測(cè)距鏈路，測(cè)得星地時(shí)差；基于星間鏈路的雙向時(shí)間比對(duì)測(cè) 得星間時(shí)差，輔以星地時(shí)差觀測(cè)，可折合得到各星座星相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí) 差觀測(cè)量；基于GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)的授時(shí)，分別測(cè)得地面系統(tǒng)時(shí)鐘、星上時(shí) 鐘相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘的偏差，折合得到星地時(shí)差觀測(cè)量。2)根據(jù)對(duì)星地時(shí)差變 化規(guī)律的了解，利用時(shí)差預(yù)報(bào)模型來進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)高穩(wěn)晶振(QZ鐘)而言， 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)應(yīng)釆用包括老化率影響的二次時(shí)差預(yù)報(bào)莫型，而對(duì)原子鐘(比如RB 或CS鐘)而言，可不用考慮老化率影響，僅用一次線性時(shí)差預(yù)報(bào)模型即可。
上述兩類跟蹤方法都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)前者受到觀測(cè)區(qū)域和時(shí)間的限制(比 如，地面站的分布局限性；星地測(cè)時(shí)頻率的約束)，時(shí)差觀測(cè)存在觀測(cè)誤差，等 等；后者無法考慮時(shí)鐘的隨機(jī)變化部分(隨機(jī)噪聲)，嚴(yán)重依賴模型變量(起始 預(yù)報(bào)時(shí)差、頻差和老化率)的估計(jì)精度，且長(zhǎng)期時(shí)差預(yù)報(bào)誤差將隨時(shí)快速增長(zhǎng)。
基于地面站介入的時(shí)統(tǒng)方法的主要缺點(diǎn)在于對(duì)星地時(shí)差的準(zhǔn)確跟蹤能力 弱，導(dǎo)致對(duì)硬件性能的過高要求以及嚴(yán)重依賴地面站的介入。由于我國(guó)地面站 的分布區(qū)域有限，衛(wèi)星過境時(shí)間短，而在非可見區(qū)間內(nèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，地面站只 能在衛(wèi)星過境的短時(shí)期內(nèi)觀測(cè)星地時(shí)差，并依此估計(jì)出星上時(shí)差預(yù)才艮^t型的變 量，而在非可見區(qū)間內(nèi)，則只能依靠時(shí)差預(yù)報(bào)模型進(jìn)行長(zhǎng)期的時(shí)差預(yù)報(bào)，因此， 無法避免時(shí)差預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)快速增加的趨勢(shì)。為了達(dá)到高精度的時(shí)間同步指標(biāo) 要求，傳統(tǒng)方法嚴(yán)重依賴高性能的時(shí)鐘產(chǎn)品，并且，地面介入時(shí)統(tǒng)處理都無法 與時(shí)差觀測(cè)在時(shí)間上獨(dú)立開來進(jìn)行，而只能在衛(wèi)星過境時(shí)，由地面站發(fā)出授時(shí)、 集中校時(shí)、均勻校時(shí)或秒脈沖相位調(diào)整等指令來完成相應(yīng)的星地時(shí)間同步處理。
專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810074975.3介紹的"一種衛(wèi)星星座高精度時(shí)間統(tǒng)一方 法"，為三顆星(1主2副)組成的小編隊(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間同步^是供了一種解決 方法，代表了我國(guó)在星座時(shí)統(tǒng)技術(shù)方面的最新應(yīng)用研究成果。這項(xiàng)發(fā)明的主要 目的在于實(shí)現(xiàn)3星間的時(shí)間同步，因此，盡管提出利用境內(nèi)地面站對(duì)三顆衛(wèi)星 進(jìn)行各自的星地時(shí)差觀測(cè)，但目的是為了將各星時(shí)差控制在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。 該方法仍然是一個(gè)主要依賴地面站介入的時(shí)統(tǒng)方法，原因在于，作為星上時(shí)統(tǒng) 處理的關(guān)鍵設(shè)備，該發(fā)明中的星上時(shí)間管理單元(如圖1所示，包括了頻源、 頻率合成分路器、時(shí)差處理器、秒脈沖發(fā)生器和通信控制器)僅起著配合地面 站管理的作用，而不具備星上自主精確守時(shí)能力和自主調(diào)相能力，而只能被動(dòng) 接受由地面站處理后上傳的變量估計(jì)(比如，頻差)，為了修正星上時(shí)差預(yù)報(bào)， 依靠地面站發(fā)出時(shí)差調(diào)整指令進(jìn)行集中校時(shí)或均勻校時(shí)處理，為了調(diào)整星上秒 脈沖相位，依靠地面站發(fā)出的調(diào)相指令。
另外，該項(xiàng)發(fā)明還提出利用主星與副星之間的兩條星間鏈路進(jìn)行星間時(shí)差
觀測(cè)，以及利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)向各星授時(shí)的方法觀測(cè)星間時(shí)差，并利用這些 時(shí)差觀測(cè)量修正星上時(shí)差預(yù)報(bào)(用于廣播)的方法。這兩個(gè)方法具備了一定的 星上自主數(shù)學(xué)同步能力，但主副星之間的幾何距離僅為數(shù)百公里，直接利用星 間時(shí)差觀測(cè)量(而不做任何濾波處理)來修正星間預(yù)報(bào)時(shí)差的方法很可能不滿 足相距數(shù)千公里以上的星座系統(tǒng)的同步需求。而且，這兩個(gè)方法也不具備星上 自主物理同步能力。更重要的是，這兩個(gè)方法無法完成各星時(shí)鐘與地面系統(tǒng)時(shí) 鐘的自主同步處理。
目前，國(guó)外著名的衛(wèi)星星座系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)任務(wù)，都依賴全球布設(shè)的地面站系統(tǒng)來完成。比如，具有星間鏈路的Iridium系統(tǒng)有11個(gè)全球分布的地面站； Globalstar系統(tǒng)由于沒有星間鏈路需要300多個(gè)地面站；全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS 也依靠全球布設(shè)的地面站系統(tǒng)，但是，GPS系統(tǒng)從BlockII R衛(wèi)星開始安裝了 星間鏈路，到2010年后將形成一定的星間自主時(shí)統(tǒng)能力。但是，根據(jù)目前的 資料顯示，該系統(tǒng)同樣不具有自主物理同步的能力，且作為一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，無 星地精確時(shí)統(tǒng)的必要。
基于地面站控制的星上時(shí)統(tǒng)方法，對(duì)具有數(shù)十顆衛(wèi)星的星座系統(tǒng)而言，將 給地面站造成相當(dāng)大的工作負(fù)擔(dān)以及高昂的成本負(fù)擔(dān)。相對(duì)歐美大國(guó)來說，我 國(guó)研制星座系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)有限且地面站布設(shè)受地域限制，因此，星上具備自主時(shí) 統(tǒng)技術(shù)是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種星上自主時(shí)統(tǒng)方 法，本發(fā)明可以自主實(shí)現(xiàn)星上數(shù)學(xué)同步和物理同步，有助于降低對(duì)地面站的依 賴程度，降低了對(duì)星上時(shí)鐘性能的要求，節(jié)省星座系統(tǒng)的投入和維護(hù)成本，同 時(shí)提高了星座系統(tǒng)的可靠性、安全性和可操作性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，包括以下步驟 (A)時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)，若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為"0"， 則進(jìn)入步驟(B)進(jìn)行自主守時(shí)；若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為T',則進(jìn)入地面授時(shí)處理
流程；若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為"2",則進(jìn)入地面介入集中校時(shí)處理流程；
(B) 時(shí)差處理器判斷星上時(shí)差預(yù)報(bào)^t型變量替換標(biāo)識(shí)，若替換標(biāo)識(shí)為'T'， 則利用星上EKF濾波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替換當(dāng)前二次時(shí)差預(yù)才艮模型的相 應(yīng)變量，并以該當(dāng)前時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，并將時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量替換標(biāo)識(shí)重 置為"0"，然后進(jìn)入步驟(C);若替換標(biāo)識(shí)為"0",則直接轉(zhuǎn)入步驟(C);
(C) 時(shí)差處理器判斷地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)，若調(diào)相標(biāo)識(shí)為T',則將表征當(dāng) 前時(shí)刻進(jìn)行調(diào)相處理的當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T'，并將地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)重置為 "0"，然后轉(zhuǎn)入步驟(E);若調(diào)相標(biāo)識(shí)為"0",則轉(zhuǎn)入步驟(D);
(D) 時(shí)差處理器判斷星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)，若星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)為"O",則 將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為"O",然后轉(zhuǎn)入步驟(G);若星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)為'T', 則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T'，并將自主調(diào)相標(biāo)識(shí)重置為"O"，然后轉(zhuǎn)入步驟(E);
(E) 依據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)時(shí)差，計(jì)算調(diào)相量和名義調(diào)相殘差，然后轉(zhuǎn)入步驟(F);
(F) 時(shí)差處理器發(fā)出秒脈沖調(diào)相指令，驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算的調(diào) 相量進(jìn)行相應(yīng)的相位調(diào)整，并且無條件地以名義調(diào)相殘差取代二次時(shí)差預(yù)報(bào)才莫 型中的初始時(shí)差量，并以當(dāng)前調(diào)相時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，然后轉(zhuǎn)入步驟(G);
(G) 基于星上二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型，根據(jù)星上所需時(shí)刻預(yù)報(bào)星地時(shí)差，預(yù) 報(bào)時(shí)差一方面廣播給用戶，另一方面用于自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷步驟(H);
(H) 時(shí)差處理器判斷下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)才艮是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)，若"是"， 則將自主調(diào)相時(shí)機(jī)標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T'，然后轉(zhuǎn)入步驟(I),否則，直接轉(zhuǎn)入步驟(I);
(I) 時(shí)差處理器利用EKF濾波器對(duì)二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的時(shí)差量、頻差和 老化率進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新，然后轉(zhuǎn)入步驟(J);
(J)時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波器的 狀態(tài)更新和時(shí)間更新結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的變量估計(jì)，若當(dāng)前時(shí)刻 為替換時(shí)刻，則將替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T',否則將該替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為"O",然后轉(zhuǎn)入 步驟(A)。
所述步驟(A)中授時(shí)的處理流程為當(dāng)進(jìn)行授時(shí)操作時(shí)，時(shí)差處理器無條
件地將授時(shí)數(shù)據(jù)中的星時(shí)信息接受為本星星時(shí)，并將授時(shí)數(shù)據(jù)中的時(shí)差量接受 為當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)報(bào)時(shí)差。
所述步驟(A)中集中校時(shí)的處理流程為當(dāng)進(jìn)行集中校時(shí)操作時(shí)，時(shí)差 處理器一次性按集中校時(shí)數(shù)據(jù)中的星時(shí)調(diào)整量調(diào)整本星星時(shí)，并按集中校時(shí)數(shù) 據(jù)中的時(shí)差調(diào)整量一次性調(diào)整當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算得到的預(yù)^t艮時(shí)差。
所述步驟(B)中時(shí)差處理器利用星上EKF濾波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替 換當(dāng)前二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的相應(yīng)變量的實(shí)現(xiàn)過程為時(shí)差處理器依據(jù)從通信控 制器傳來的本星星時(shí)相對(duì)參考時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量序列，采用EKF濾波算法實(shí)時(shí) 給出二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量的最新估計(jì)值，時(shí)差處理器根據(jù)模型變量的替換周 期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否為替換時(shí)刻，若為變量替換時(shí)刻，則利用最新估計(jì)值替換 星上原先存儲(chǔ)的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量估計(jì)值；否則，下次時(shí)差預(yù)報(bào)仍采用星 上原先存儲(chǔ)的二次時(shí)差預(yù)纟艮才莫型變量估計(jì)值，所述的二次時(shí)差預(yù)^艮才莫型為
Aort = Aor。 + a,— 0 + (4 — f0)'
其中Ac^為所需時(shí)刻^的預(yù)報(bào)時(shí)差量，A"。為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻f。的時(shí)差量估 計(jì)，A為星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的頻差估計(jì)，《2為星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng) 時(shí)鐘的老化率估計(jì)。
所述步驟(E)中調(diào)相量和名義調(diào)相殘差的計(jì)算方法為秒脈沖的調(diào)相量 為A^拜。ve = -round(A^/(1//。))，相應(yīng)的名義調(diào)相殘差為A"一 咖_ ;
其中，round(.)表示按照四舍五入原則取整操作，/。為基頻。
所述步驟(H)中下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)才艮是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)的判斷方法為 設(shè)調(diào)相指標(biāo)為A^，調(diào)相閾值為A一，若下個(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)時(shí)差A(yù)^v滿足如下條件
則i/v為該時(shí)刻為自主調(diào)相時(shí)刻。
所述步驟(I)中時(shí)差處理器利用EKF濾波器對(duì)二次時(shí)差預(yù)才艮模型的時(shí)差 量、頻差和老化率進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新的過程為
(1) EKF濾波器讀取當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)，若當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)為"0",則進(jìn)入步 驟(3);若當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)為'T，，則進(jìn)入步驟(2);
(2) EKF濾波器利用名義調(diào)相殘差取代EKF濾波器前一時(shí)刻給出的時(shí)差 量的先驗(yàn)估計(jì)，然后進(jìn)入步驟(3);
(3) 時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻有無從通信控制器傳來的本星星時(shí)相對(duì)參考 時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量序列，如果有時(shí)差觀測(cè)量序列則進(jìn)入步驟(4),如果沒有時(shí) 差觀測(cè)量序列則直接進(jìn)入步驟(5);
(4) 利用星地時(shí)差觀測(cè)給出的星地時(shí)差觀測(cè)量，改善當(dāng)前時(shí)差量、頻差和 老化率的先驗(yàn)估計(jì)，然后進(jìn)入步驟(5);
(5) 利用時(shí)差量、頻差和老化率變量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)這些變量的后驗(yàn) 估計(jì)值進(jìn)行預(yù)報(bào)，給出下一時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)；
(6) 最后時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波 器的狀態(tài)更新和時(shí)間更新結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)才艮it型中的變量估計(jì)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明繼承了現(xiàn)有成熟時(shí)間管理單元 的硬件設(shè)備和主要功能劃分，僅需要對(duì)時(shí)差處理器的軟件處理功能和通信控制 器的數(shù)據(jù)進(jìn)出進(jìn)行適當(dāng)修改，即可實(shí)現(xiàn)自主數(shù)學(xué)同步和物理同步操作，可以大 大降低地面站的工作負(fù)擔(dān)，并保證系統(tǒng)在地面站故障或被毀情況下一定時(shí)期內(nèi) 正常工作的能力，特別適合星座系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)任務(wù)。該自主時(shí)統(tǒng)方法賦予時(shí)間管 理單元長(zhǎng)期、高精度守時(shí)能力和自主調(diào)相能力，為了保證星上長(zhǎng)期時(shí)差預(yù)報(bào)的 準(zhǔn)確性，時(shí)差處理器盡可能地利用星上時(shí)鐘與參考時(shí)鐘之間的時(shí)差觀測(cè)量，以 一個(gè)EKF濾波器實(shí)時(shí)估計(jì)時(shí)差量、頻差和老化率這些時(shí)差預(yù)凈艮4莫型變量的最新 濾波結(jié)果周期性地替換掉原先存儲(chǔ)的變量估計(jì)值，從而保證了星上時(shí)差預(yù)才艮長(zhǎng) 期、準(zhǔn)確跟蹤真實(shí)時(shí)差的能力。時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)才艮時(shí)差，當(dāng)該時(shí) 差進(jìn)入調(diào)相區(qū)間內(nèi)，即認(rèn)為當(dāng)前時(shí)刻自主調(diào)相時(shí)刻，"t姿照調(diào)相殘差最小原則， 計(jì)算調(diào)相量和名義調(diào)相殘差，驅(qū)使秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相量進(jìn)行相應(yīng)相位 調(diào)整，并以名義調(diào)相殘差取代星上時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的起始預(yù)報(bào)時(shí)差量和EKF濾
波器給出的時(shí)差分量先驗(yàn)均值估計(jì)。本發(fā)明在24星Walker星座的星地時(shí)間同 步任務(wù)中進(jìn)行了應(yīng)用研究與數(shù)學(xué)仿真?？偣部紤]了兩種不同的星地時(shí)差觀測(cè)方 案 一種是利用地面站和星間鏈路；另外一種是利用GPS系統(tǒng)向地面站和各 星授時(shí)。仿真結(jié)果在這兩種不同情況下都表明，即便星上時(shí)鐘采用典型高溫晶 振，自主時(shí)統(tǒng)方法都能夠?qū)⑿堑孛朊}沖偏差嚴(yán)格控制在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，充分 說明了這一自主時(shí)統(tǒng)方法的可行性、有效性與優(yōu)越性。本發(fā)明還將自主時(shí)統(tǒng)方 法與傳統(tǒng)的地面站介入時(shí)統(tǒng)方法兼容，使得本發(fā)明給出的這套時(shí)統(tǒng)方法具有很 好的可靠性、安全性和可"J喿縱性。


圖1是本發(fā)明采用的現(xiàn)有星上時(shí)間管理單元的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明利用星上時(shí)間管理單元進(jìn)^f亍時(shí)統(tǒng)處理的主流程圖3是本發(fā)明利用星上時(shí)間管理單元進(jìn)行EKF濾波的流程圖4是實(shí)施例1中的某代表星上的星地時(shí)差量估計(jì)誤差結(jié)果；
圖5是實(shí)施例1中的某代表星上的時(shí)差預(yù)凈艮誤差結(jié)果；
圖6是實(shí)施例1中的某代表星上的星地真實(shí)秒脈沖相位偏差圖6A表示
不采取調(diào)相操作時(shí)的相位偏差隨時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)；圖6B表示采取自主調(diào)相操
作時(shí)的相位偏差隨時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)；
圖7是實(shí)施例2中的地上EKF濾波器給出的地面系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)
鐘的時(shí)差估計(jì)誤差結(jié)果；
圖8是實(shí)施例2中的某代表星上的EKF濾波器給出的星地時(shí)差量估計(jì)誤差
結(jié)果；
圖9是實(shí)施例2中的某代表星上的時(shí)差預(yù)報(bào)誤差結(jié)果；
圖1Q是實(shí)施例2中的某代表星的真實(shí)星地秒脈沖相位偏差；圖10A表示 不采取調(diào)相操作時(shí)的相位偏差隨時(shí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；圖10B表示采取調(diào)相操作時(shí)的 相位偏差隨時(shí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述
如圖1所示，本發(fā)明采用的現(xiàn)有時(shí)間管理單元由高精度的頻率源、頻率合 成分路器、時(shí)差處理器、秒脈沖發(fā)生器和通信控制器5個(gè)功能模塊組成。
高精度頻率源高精度頻率源產(chǎn)生頻率的穩(wěn)定度會(huì)影響星座中各個(gè)衛(wèi)星的 時(shí)間統(tǒng)一，進(jìn)而也會(huì)影響整個(gè)星座的性能。因此，高精度頻率源必須能夠提供 精度高、穩(wěn)定性好的頻率，作為整星的基準(zhǔn)頻率。
頻率合成分路器頻率合成分路器接收高精度頻率源輸出的基準(zhǔn)頻率，按 需要分解成多路基準(zhǔn)頻率提供到星上高精度時(shí)差鐘的用戶，并提供1路基準(zhǔn)頻 率給秒脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生多路1PPS基準(zhǔn)秒脈沖，頻率合成分路器應(yīng)保證分 解出的多路基準(zhǔn)頻率之間的相位一致性和每一路基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定性。
秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器接收來自頻率合成分路器分路產(chǎn)生的 一路基 準(zhǔn)頻率，負(fù)責(zé)將其變頻為多路1PPS基準(zhǔn)秒脈沖，并輸出至星上高精度時(shí)差鐘 的用戶使用。秒脈沖發(fā)生器可接收時(shí)差處理器發(fā)出的秒脈沖相位調(diào)整指令，并 依該指令對(duì)輸出的多路基準(zhǔn)秒脈沖的相位進(jìn)行調(diào)整。秒脈沖發(fā)生器應(yīng)保證輸出 的基準(zhǔn)秒脈沖與輸入的基準(zhǔn)頻率的相位保持一致性。
時(shí)差處理器時(shí)差處理器是時(shí)間管理單元的核心模塊，負(fù)責(zé)解算和管理本 星星時(shí)與基準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差，時(shí)差處理器在時(shí)間管理單元工作初始產(chǎn)生高精度時(shí) 間通過通信控制器傳送至?xí)r差鐘接收設(shè)備和時(shí)差鐘用戶作為本星星時(shí)，該高精 度時(shí)間由時(shí)差處理器內(nèi)部的晶振產(chǎn)生。時(shí)差處理器通過通信控制器接收來自時(shí) 差采集發(fā)送設(shè)備傳送包含有本星星時(shí)與基準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差信息，并對(duì)接收到的時(shí) 差信息進(jìn)行有效性的判斷，剔除無效信息后對(duì)連續(xù)的5個(gè)有效信息做中值運(yùn)算， 其初始時(shí)差量A。則根據(jù)上傳的5個(gè)時(shí)差觀測(cè)量進(jìn)行排序后取中間值得到，時(shí)差
處理器可按如下公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差
△=A0+i:(r-r0)
式中T為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差A(yù)時(shí)刻的本星星時(shí)，K為頻差。 時(shí)差處理器將當(dāng)前時(shí)刻本星星時(shí)加上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差△打包組成高精度時(shí)間信
息，通過通信控制器向外發(fā)送至?xí)r差鐘接收設(shè)備和時(shí)差鐘用戶。時(shí)差處理器通 過通信控制器接收地面上注的時(shí)差鐘調(diào)整指令對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差進(jìn)行調(diào)整使本星星時(shí) 調(diào)整至基準(zhǔn)時(shí)間。
通信控制器通信控制器為時(shí)間管理單元與星上總線的接口模塊，負(fù)責(zé)接
收來自星上總線傳送的時(shí)差和地面發(fā)出的時(shí)差鐘調(diào)整指令，并且負(fù)責(zé)向星上總 線廣播時(shí)差處理器計(jì)算得到的本星星時(shí)與基準(zhǔn)時(shí)間之間的秒脈沖偏差。
時(shí)間管理單元的工作過程為時(shí)差處理器在時(shí)間管理單元工作初始產(chǎn)生高 精度時(shí)間通過通信控制器傳送至?xí)r差鐘接收設(shè)備和時(shí)差鐘用戶作為本星星時(shí)， 該高精度時(shí)間由時(shí)差處理器內(nèi)部的晶振產(chǎn)生，高精度頻率源產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率傳送 至頻率合成分路器，由頻率合成分^^器將基準(zhǔn)頻率分解成n + 1路基準(zhǔn)頻率， ral,其中一路基準(zhǔn)頻率傳送至秒脈沖發(fā)生器生成n路基準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，時(shí)差 處理器通過通信控制器接收時(shí)差采集發(fā)送設(shè)備傳送的時(shí)差信息，時(shí)差處理器對(duì) 時(shí)差信息進(jìn)行計(jì)算處理后產(chǎn)生本星星時(shí)與基準(zhǔn)時(shí)間之間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差，時(shí)差處理 器通過通信控制器接收地面上注的時(shí)差鐘調(diào)整指令對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差進(jìn)行調(diào)整，其它 n路基準(zhǔn)頻率、調(diào)整后的n路基準(zhǔn)秒脈沖、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差與高精度時(shí)間構(gòu)成的高精 度時(shí)間信息共同組成時(shí)差鐘通過通信控制器傳送至?xí)r差鐘接收設(shè)備和時(shí)差鐘用 戶，從而將本星星時(shí)調(diào)整至基準(zhǔn)時(shí)間。
本項(xiàng)發(fā)明釆用與之相同的硬件配置和主要功能劃分頻源采用高穩(wěn)晶振或 原子時(shí)鐘提供高頻(通常為10M Hz)的基準(zhǔn)頻率信號(hào)，作為星上任務(wù)執(zhí)行的 的時(shí)間基準(zhǔn)；頻率合成分路器，按需要將基頻信號(hào)分成多路給有關(guān)用戶使用； 秒脈沖發(fā)生器接收來自頻率合成分路器的一路基準(zhǔn)頻率，負(fù)責(zé)將其變頻為多路 秒脈沖信號(hào)，輸出給星上高精度時(shí)間用戶使用。秒脈沖發(fā)生器接到調(diào)相指令后， 依據(jù)相位調(diào)整量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；通信控制器為時(shí)間管理單元與星上總線的接 口模塊，負(fù)責(zé)接收來自星上總線傳送來的各項(xiàng)指令(地面或其它星發(fā)出)及時(shí) 差信息，并且負(fù)責(zé)向星上總線廣播時(shí)差處理器計(jì)算的本星星時(shí)和時(shí)差信息；時(shí) 差處理器是時(shí)間管理單元的核心，本項(xiàng)發(fā)明對(duì)其主要功能和軟件內(nèi)容作了進(jìn)一
步擴(kuò)充，不僅管理高精度時(shí)間信息(本星星時(shí)與預(yù)報(bào)時(shí)差組合)的產(chǎn)生與廣播， 且還具有相當(dāng)?shù)闹噶钆袛嗯c決策能力，可以完成星上自主守時(shí)和自主調(diào)相決策 能力，此外，還具有相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理能力，可以完成時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量的估計(jì) 任務(wù)。
本發(fā)明的自主時(shí)統(tǒng)方法如圖2所示，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1) 時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)，若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為"O"， 則進(jìn)入自主守時(shí)步驟(2);若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為T',則進(jìn)入傳統(tǒng)的地 面授時(shí)處理流程；若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為"2"，則進(jìn)入傳統(tǒng)的地面介入集 中校時(shí)處理流程；
(2) 時(shí)差處理器判斷星上時(shí)差預(yù)報(bào)^t型變量替換標(biāo)識(shí)，若變量替換標(biāo)識(shí) 為T'，則利用星上EKF濾波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替換當(dāng)前二次時(shí) 差預(yù)報(bào)模型的相應(yīng)變量，并以該時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，還需將變量 替換標(biāo)識(shí)重置為"0",然后進(jìn)入步驟(3);若變量替換標(biāo)識(shí)為"O",則 直接轉(zhuǎn)入步驟(3);
(3) 時(shí)差處理器判斷地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)，若地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)為'T'，則 將表征當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)行調(diào)相處理的當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T，并將地面 介入調(diào)相標(biāo)識(shí)重置為"O",然后轉(zhuǎn)入步驟(5);若地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí) 為"0"，則轉(zhuǎn)入步驟(4);
(4) 時(shí)差處理器判斷星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)，若星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)為"0",則 將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為"0",然后轉(zhuǎn)入步驟(7);若星上自主調(diào)相標(biāo) 識(shí)為'T，則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為T'，并將自主調(diào)相標(biāo)識(shí)置"0",然 后轉(zhuǎn)入步驟(5);
(5) 按照調(diào)相后的殘差最小原則，依據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)時(shí)差，計(jì)算調(diào)相量和名 義調(diào)相殘差，然后轉(zhuǎn)入步驟(6);
(6) 時(shí)差處理器發(fā)出秒脈沖調(diào)相指令，驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相 量進(jìn)行相應(yīng)的相位調(diào)整，并且無條件地以名義調(diào)相殘差取代時(shí)差預(yù)
報(bào)模型中的初始時(shí)差量，并以當(dāng)前調(diào)相時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，然后
轉(zhuǎn)入步驟(7);
(7) 基于星上二次時(shí)差預(yù)報(bào);^莫型，根據(jù)星上所需時(shí)刻預(yù)報(bào)星地時(shí)差。預(yù) 報(bào)時(shí)差一方面用于廣播，另 一方面還用于自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷步驟
(8);
(8) 時(shí)差處理器判斷下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)凈艮是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)，若"是"， 則將自主調(diào)相時(shí)機(jī)標(biāo)識(shí)設(shè)置為T',然后轉(zhuǎn)入步驟(9),否則，直接 轉(zhuǎn)入步驟(9);
(9) 時(shí)差處理器利用一個(gè)EKF濾波器，對(duì)星地時(shí)差預(yù)纟艮;f莫型的時(shí)差量、 頻差和老化率這些變量估計(jì)進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新處理，然后轉(zhuǎn) 入步驟(10);
(10) 時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波 器的結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)才艮模型中的有關(guān)變量估計(jì)，若當(dāng)前時(shí)刻 為替換時(shí)刻，則將替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T，否則將該替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為"0", 然后轉(zhuǎn)入步驟(1 )。
其中步驟(1)中的時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)，是存儲(chǔ)于星上的一個(gè)參數(shù)，時(shí)差調(diào)整標(biāo) 識(shí)由地面發(fā)出的時(shí)差調(diào)整指令來修改。本項(xiàng)發(fā)明中的時(shí)差調(diào)整內(nèi)容相對(duì)專利申 請(qǐng)?zhí)枮?00810074975.3的相應(yīng)內(nèi)^所調(diào)整本發(fā)明的時(shí)差處理器引入了自 主守時(shí)方式，并將地面介入調(diào)相這一方式從這些數(shù)學(xué)同步處理內(nèi)容中剔出，還 舍棄了均勻校時(shí)方式。本項(xiàng)發(fā)明定義時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)缺省值為"O"，表示星上采用 自主守時(shí)方式；當(dāng)?shù)孛鏇Q定以授時(shí)或集中校時(shí)方式靈活地介入星上時(shí)差預(yù)報(bào)校 正時(shí)，發(fā)出指令將時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)修改為'T'或"2"即可，當(dāng)?shù)孛娼槿虢Y(jié)束后，該標(biāo) 識(shí)應(yīng)當(dāng)重新被設(shè)置成"0"。
步驟(1 )中的授時(shí)或集中校時(shí)都是改變星上時(shí)差預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)同步方法。當(dāng) 進(jìn)行授時(shí)操作時(shí)，時(shí)差處理器無條件地將授時(shí)數(shù)據(jù)中的星時(shí)信息接受為本星星 時(shí)，并將授時(shí)數(shù)據(jù)中的時(shí)差量接受為當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)報(bào)時(shí)差。該操作對(duì)時(shí)差預(yù)報(bào)
的影響，實(shí)際上是改變時(shí)差預(yù)才艮才莫型中的初始時(shí)差量。授時(shí)之后的星上時(shí)差預(yù) 報(bào)，以授時(shí)時(shí)刻的時(shí)差量為初始時(shí)差量，原先的頻差和老化率估計(jì)組成的時(shí)差 預(yù)報(bào)模型來完成。時(shí)差處理器將授時(shí)星時(shí)與預(yù)報(bào)時(shí)差組合，通過通信控制器廣 播給有關(guān)用戶。當(dāng)進(jìn)行集中校時(shí)操作時(shí)，時(shí)差處理器一次性按集中校時(shí)數(shù)據(jù)中 的星時(shí)調(diào)整量調(diào)整本星星時(shí)，并按集中校時(shí)數(shù)據(jù)中的時(shí)差調(diào)整量一次性調(diào)整當(dāng) 前時(shí)刻計(jì)算得到的預(yù)報(bào)時(shí)差。集中校時(shí)后的時(shí)差預(yù)"^艮，以校時(shí)時(shí)刻的時(shí)差量為 初始時(shí)差量，原先的頻差和老化率估計(jì)組成的時(shí)差預(yù)報(bào)模型來完成。時(shí)差處理 器將集中校時(shí)后的本星星時(shí)和預(yù)報(bào)時(shí)差通過通信控制器廣播給有關(guān)用戶。
步驟(2 )中的星上時(shí)差預(yù)才艮模型變量替換標(biāo)識(shí)，是存儲(chǔ)于星上的一個(gè)參數(shù)，
該標(biāo)識(shí)由時(shí)差處理器發(fā)出的替換指令來修改。若該標(biāo)識(shí)為"o"，則表示不必用星
上EKF濾波器的實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果來替換星上二次時(shí)差預(yù)凈艮才莫型的原有變量估計(jì)； 若該標(biāo)識(shí)為T'，則進(jìn)行替換操作。
利用星上EKF濾波器的實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果來替換星上二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的原 有變量估計(jì)的過程為時(shí)差處理器依據(jù)從通信控制器傳來的本星星時(shí)相對(duì)參考 時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量序列，釆用EKF濾波算法實(shí)時(shí)給出二次時(shí)差預(yù)凈艮模型變量的 最新估計(jì)值，時(shí)差處理器根據(jù)^t型變量的替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否為替換時(shí) 刻，若為變量替換時(shí)刻，則利用最新估計(jì)值替換星上原先存儲(chǔ)的二次時(shí)差預(yù)才艮 模型變量估計(jì)值；否則，下次時(shí)差預(yù)報(bào)仍釆用星上原先存儲(chǔ)的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模 型變量估計(jì)值。二次時(shí)差預(yù)才Mt型為
△at = Aa。 + %- 0+)"2 (" - )2
其中A^為所需時(shí)刻^的預(yù)報(bào)時(shí)差量，Acr。為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻f。的時(shí)差量估 計(jì)，^和A分別表示星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的頻差和老化率估計(jì)值。
步驟(3)中的地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)，是存儲(chǔ)于星上的一個(gè)參數(shù)，該標(biāo)識(shí)由地 面控制單元發(fā)出的地面介入調(diào)相指令來修改。地面介入調(diào)相，是從原先的時(shí)差 調(diào)整內(nèi)容中分離出來的物理同步才喿作，本項(xiàng)發(fā)明定義地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)缺省值 為"0"，表示星上自主調(diào)相處理方案，當(dāng)?shù)孛鏇Q定介入星上調(diào)相作業(yè)時(shí)、發(fā)出指
令將地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)修改為T'即可，當(dāng)?shù)孛娼槿虢Y(jié)束后，該標(biāo)識(shí)重新^皮恢復(fù)
成缺省"o"值。
步驟(4)中的星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)和當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)，是存儲(chǔ)于星上的兩個(gè)參 數(shù)，這兩者都表示當(dāng)前時(shí)刻是調(diào)相時(shí)刻，只是前者表示當(dāng)前時(shí)刻是自主調(diào)相時(shí) 刻，而后者還可能表示當(dāng)前時(shí)刻是地面介入調(diào)相時(shí)刻。自主調(diào)相標(biāo)識(shí)和當(dāng)前調(diào) 相標(biāo)識(shí)的缺省值均為"0",表示當(dāng)前時(shí)刻是非調(diào)相時(shí)刻，T'則表示調(diào)相時(shí)刻，當(dāng) 有關(guān)處理完成之后，這兩類標(biāo)識(shí)應(yīng)當(dāng)重新被恢復(fù)成缺省"0"值。
步驟(5)中的調(diào)相量和名義調(diào)相殘差的計(jì)算。調(diào)相策略是使名義調(diào)相殘差 盡量小，由于調(diào)相量只能為1//。 (/。指基頻)的整數(shù)倍，則調(diào)相量應(yīng)當(dāng)為
△A,, = — V/。 round(A^/(l//0)) 其中，round(.)表示按照四舍五入原則取整操作。相應(yīng)的名義調(diào)相殘差為
步驟(7)中為了保證長(zhǎng)期準(zhǔn)確預(yù)報(bào)時(shí)差，時(shí)差處理器需要周期性利用EKF 濾波器的最新估計(jì)值來替換。另外，地面授時(shí)、集中4交時(shí)或調(diào)相處理都會(huì)改變 采取這些措施之后的時(shí)差預(yù)報(bào)，時(shí)差處理器還需要自動(dòng)改變某些模型變量和起 始預(yù)報(bào)時(shí)刻，有關(guān)替換方法已在上文中提及。
步驟(8)中的下一時(shí)刻自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷。在當(dāng)前時(shí)刻，時(shí)差處理器判 斷下一個(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)時(shí)差是否已經(jīng)進(jìn)入調(diào)相區(qū)間，若已經(jīng)進(jìn)入該區(qū)間，則將自 主調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置成'T'。調(diào)相區(qū)間由調(diào)相指標(biāo)A^和調(diào)相閾值A(chǔ)一來共同確定。一 個(gè)自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷條件描述如下
Aim—Agate
若滿足上述條件，則認(rèn)為自主調(diào)相時(shí)機(jī)到了。其中，A^為系統(tǒng)時(shí)間同步指 標(biāo)，初始調(diào)相閾值A(chǔ)一應(yīng)當(dāng)根據(jù)時(shí)差估計(jì)精度來選擇，但為了避免判斷失誤，
應(yīng)當(dāng)利用仿真加以最終確定。
步驟(9)中的時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量EKF濾波流程如圖3所示，與其它通用 EKF濾波流程比較，增加了步驟(A)，該步驟是為了消除調(diào)相處理對(duì)EKF濾
波器估計(jì)影響的適應(yīng)性對(duì)策。由于調(diào)相使得真實(shí)時(shí)差瞬間發(fā)生了^f艮大的改變，
而通用時(shí)差EKF濾波器給出的時(shí)差分量估計(jì)并不能預(yù)見到這種大變化，因此， EKF濾波器可能由于估計(jì)誤差過大，導(dǎo)致濾波器進(jìn)入較長(zhǎng)的擾動(dòng)狀態(tài)，甚至可 能導(dǎo)致濾波器發(fā)散(表現(xiàn)為非一致性估計(jì))。由于名義調(diào)相殘差是已知的，利用 該已知量取代EKF濾波器前一時(shí)刻給出的時(shí)差分量先驗(yàn)均值估計(jì)，可以保證濾 波器的平穩(wěn)工作性能。之后，進(jìn)入通用EKF濾波流程。包括一個(gè)觀測(cè)更新步驟 利用可能的星地時(shí)差觀測(cè)機(jī)會(huì)(比如，基于地面站的星地時(shí)差觀測(cè)、基于地面 站和星間鏈路的星地時(shí)差觀測(cè)、基于導(dǎo)航系統(tǒng)的星地時(shí)差觀測(cè))給出的星地時(shí) 差觀測(cè)量，來改善當(dāng)前時(shí)差量、頻差和老化率的先驗(yàn)估計(jì)，以及一個(gè)時(shí)間更新 步驟利用時(shí)差量、頻差和老化率變量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)這些變量的后驗(yàn)估 計(jì)值進(jìn)行預(yù)報(bào)，給出下一時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)。具體的數(shù)學(xué)描述如下 狀態(tài)量定義為
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中，第一個(gè)分量表示當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差量；后兩個(gè)分量分別表示頻差和老 化率。通用EKF濾波器需要一個(gè)濾波器初始化步驟，即，需要給定初始先驗(yàn)狀 態(tài)均值估計(jì)jf^和協(xié)方差估計(jì)Pw,以及系統(tǒng)噪聲方差込和觀測(cè)噪聲方差A(yù),然
后才能啟動(dòng)如下遞推估計(jì)過程
*狀態(tài)估計(jì)觀測(cè)更新(有觀測(cè)量時(shí))
<formula>formula see original document page 18</formula>其中，新息及其方差陣為
<formula>formula see original document page 18</formula>
協(xié)方差陣為
<formula>formula see original document page 18</formula>
增益矩陣為
狀態(tài)估計(jì)時(shí)間更新
<formula>formula see original document page 19</formula>
<formula>formula see original document page 19</formula> 關(guān)于上述通用時(shí)差EKF濾波<formula>formula see original document page 19</formula>式中的幾個(gè)參<formula>formula see original document page 19</formula>的具體描述如下: 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
<formula>formula see original document page 19</formula>
<formula>formula see original document page 19</formula>表示離散周期；
離散系統(tǒng)噪聲<formula>formula see original document page 19</formula>是由時(shí)鐘產(chǎn)品自身的性能決定的，過程噪聲 方差矩陣a是與Ar相關(guān)的量
込=
其各分量表示如下:
<formula>formula see original document page 19</formula> 上述式中的A。表示噪聲指數(shù)為"的能量i普噪聲強(qiáng)度系數(shù); 系統(tǒng)噪聲分布矩陣為200810225175.7
<formula>formula see original document page 20</formula>
觀測(cè)矩陣為
<formula>formula see original document page 20</formula>
觀測(cè)噪聲、的方差矩陣為& 。
步驟(10)中的模型變量替換周期的選擇。當(dāng)變量替換周期等于EKF濾波 器的觀測(cè)更新周期時(shí)(即每個(gè)觀測(cè)更新時(shí)刻的狀態(tài)后驗(yàn)估計(jì)都用于二次時(shí)差預(yù) 報(bào)模型相應(yīng)變量的替換)，二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)精度等于EKF濾波器的時(shí) 差分量的先驗(yàn)估計(jì)精度。變量替換周期大于觀測(cè)更新周期，將導(dǎo)致二次時(shí)差預(yù) 報(bào)模型精度的下降?？紤]工程實(shí)現(xiàn)的難易程度，這兩個(gè)周期可以不同，當(dāng)然， 應(yīng)當(dāng)根據(jù)仿真進(jìn)行恰當(dāng)選擇。
實(shí)施例1
利用地面站與星間鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星座(24星Walker星座)各星上時(shí)鐘與 地面系統(tǒng)時(shí)鐘的自主同步處理(比如，目標(biāo)是將各星上時(shí)鐘與地面系統(tǒng)時(shí)鐘的 秒脈沖同步誤差一直控制在1us范圍內(nèi)。)星上時(shí)鐘采用典型高穩(wěn)晶振QZ鐘， 地面采用CS鐘。在每個(gè)時(shí)統(tǒng)周期內(nèi)(,支設(shè)5s)，地面站測(cè)得過境衛(wèi)星時(shí)鐘與 地面系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差量(假設(shè)精度為30ns)，相鄰星間通過星間鏈路測(cè)得星間 時(shí)差(假設(shè)精度為10ns)?；谏蟼鞯倪^境衛(wèi)星的星地時(shí)差觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合星 間測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)，以過境星為起始星，按照最短星地路徑原則折算出各星相對(duì)地面 站的星地時(shí)差觀測(cè)量，星上時(shí)差處理器利用星上EKF濾波器估計(jì)出星地時(shí)差預(yù) 報(bào)模型變量。若當(dāng)前時(shí)刻已到替換二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量的時(shí)刻(假設(shè)替換周 期為10s)，時(shí)差處理器即發(fā)出模型變量替換指令，將濾波器給出的最新估計(jì)結(jié) 果替換掉原有變量估計(jì)，時(shí)間管理單元基于新的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型進(jìn)行時(shí)差預(yù) 報(bào)，并將預(yù)報(bào)時(shí)差用于廣播和自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷，當(dāng)需要進(jìn)行自主調(diào)相時(shí)， 計(jì)算調(diào)相量和名義調(diào)相殘差，并發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。上述星上自主時(shí)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程的具體描述如下
(1 )時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)為"0",則進(jìn)入自主 守時(shí)步驟(2);
(2) 判斷星上時(shí)差預(yù)才艮模型變量替換標(biāo)識(shí)，若為'T',則利用星上EKF濾 波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替換當(dāng)前二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的相應(yīng)變量， 并以該時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，還將變量替換標(biāo)識(shí)重置為"0",然后進(jìn) 入步驟(3);若該標(biāo)識(shí)為"0",則直接轉(zhuǎn)入步驟(3);
(3) 時(shí)差處理器判斷地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)為"0",直接轉(zhuǎn)入步驟(4);
(4) 時(shí)差處理器判斷星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)，若為"0",則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè) 置為"0",然后轉(zhuǎn)入步驟(7);若為'T'，則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T, 并將自主調(diào)相標(biāo)識(shí)置"0"，然后轉(zhuǎn)入步驟(5);
(5) 按照調(diào)相后的殘差最小原則，依據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)時(shí)差，計(jì)算調(diào)相量和名 義調(diào)相殘差，然后轉(zhuǎn)入步驟(6);
(6) 時(shí)差處理器發(fā)出秒脈沖調(diào)相指令，驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相 量進(jìn)行相應(yīng)的相位調(diào)整，并且無條件地以名義調(diào)相殘差取代時(shí)差預(yù) 報(bào)模型中的初始時(shí)差量，并以當(dāng)前調(diào)相時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，然后 轉(zhuǎn)入步驟(7);
(7) 基于星上二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型，根據(jù)星上所需預(yù)報(bào)星地時(shí)差。預(yù)報(bào)時(shí) 差一方面用于廣播，另一方面還用于自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷步驟(8);
(8) 時(shí)差處理器判斷下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)報(bào)是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)，若"是"， 則將自主調(diào)相時(shí)機(jī)標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T',然后轉(zhuǎn)入步驟(9),否則，直接 轉(zhuǎn)入步驟(9);
(9) 時(shí)差處理器利用EKF濾波器對(duì)二次時(shí)差預(yù)凈艮模型的時(shí)差、頻差和老 化率這些變量的估計(jì)進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新處理。若當(dāng)前調(diào)相標(biāo) 識(shí)為T',則需要首先進(jìn)行額外的重要操作，即，利用計(jì)算出來的名 義調(diào)相殘差來替換掉先驗(yàn)的時(shí)差分量均值估計(jì)。然后進(jìn)入通常的
EKF濾波進(jìn)程。若當(dāng)前時(shí)刻存在星地時(shí)差觀測(cè)數(shù)據(jù)(折合后)，則利 用該觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)先驗(yàn)的狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行更新，給出后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。 不論有無時(shí)差觀測(cè)數(shù)據(jù)，都進(jìn)行慣例的時(shí)間更新處理，給出下一個(gè) 時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)。最后轉(zhuǎn)入步驟(10); (10) 時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波 器的結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的有關(guān)變量。若當(dāng)前時(shí)刻為替 換時(shí)刻，則將替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T'，否則將該替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為"O",然 后轉(zhuǎn)入步驟(1 );
任選一顆星為代表星，采用上述時(shí)統(tǒng)處理后的一組數(shù)學(xué)仿真結(jié)果如圖4、 5、 6所示。圖4是實(shí)施例1中的某代表星上的EKF濾波器給出的星地時(shí)差量估計(jì) 誤差結(jié)果，結(jié)果顯示EKF濾波器估計(jì)是一致性估計(jì)，且調(diào)相處理對(duì)星上EKF 濾波器的擾動(dòng)影響也得到很好抑制，時(shí)差量穩(wěn)態(tài)估計(jì)精度優(yōu)于10ns;圖5是實(shí) 施例1中的某代表星上的二次時(shí)差預(yù)報(bào)才莫型的時(shí)差預(yù)才艮誤差結(jié)果，結(jié)果顯示間 隔一個(gè)時(shí)統(tǒng)周期利用星上EKF濾波器的估計(jì)結(jié)果替換原有模型變量估計(jì)后，預(yù) 報(bào)時(shí)差大體上跟蹤了星上EKF濾波器的時(shí)差估計(jì)結(jié)果；圖6是實(shí)施例1中的某 代表星上的星地真實(shí)秒脈沖相位偏差圖6A表示不采取調(diào)相操作時(shí)的相位偏 差隨時(shí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，很快就超出了 1us的指標(biāo)要求；圖6B表示采用自主時(shí)統(tǒng) 后的相位偏差一直被控制在lus的范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的同步指標(biāo)要求。
實(shí)施例2
利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星座(24星Walker星座)各星上時(shí)鐘與地面 系統(tǒng)時(shí)鐘的自主同步處理(比如，將各星上時(shí)鐘與地面系統(tǒng)時(shí)鐘的秒脈沖同步 誤差一直控制在1us范圍內(nèi)。)星上時(shí)鐘采用典型QZ鐘，地面采用CS鐘。在 每個(gè)時(shí)統(tǒng)周期內(nèi)(假設(shè)5s)，地面站通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)，測(cè)得地面系統(tǒng)時(shí) 鐘相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘的系統(tǒng)時(shí)差觀測(cè)序列(假設(shè)授時(shí)精度為100ns，但實(shí)際精 度高于此！)， 一個(gè)類似星上EKF濾波器的地上EKF濾波器，依據(jù)這類觀測(cè)數(shù) 據(jù)，給出系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差量、頻差和老化率的后驗(yàn)估計(jì)，并每隔一定時(shí)間(假
設(shè)1000s)通過星地鏈路和星間鏈路傳給每個(gè)星上時(shí)間管理單元，除此之外， 地面不介入星上時(shí)統(tǒng)處理。星上通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)授時(shí)，測(cè)得星上時(shí)鐘相對(duì) 導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)序列(假設(shè)授時(shí)精度為100ns),并利用周期上傳存儲(chǔ) 于星上的地面系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量預(yù)報(bào)出當(dāng)前時(shí)刻 的系統(tǒng)時(shí)差，這兩類時(shí)差數(shù)據(jù)折合出當(dāng)前時(shí)刻的星地時(shí)差觀測(cè)量，星上EKF濾 波器據(jù)此估計(jì)出星地時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量。若當(dāng)前時(shí)刻已到替換星上二次時(shí)差預(yù) 報(bào)模型變量估計(jì)的時(shí)刻(假設(shè)替換周期為10s),時(shí)差處理器發(fā)出模型變量替換 指令，將星上EKF濾波器給出的最新估計(jì)結(jié)果替換掉原有變量估計(jì)，時(shí)間管理 單元?jiǎng)t基于新的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)時(shí)差，并用于廣播和自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判 斷，當(dāng)需要進(jìn)行自主調(diào)相時(shí)，計(jì)算調(diào)相量和名義調(diào)相殘差，并發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)秒 脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。上述星上自主時(shí)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程的具體 描述如下
(1 )時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)為"0",則進(jìn)入自主 守時(shí)步驟(2);
(2) 判斷星上時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量替換標(biāo)識(shí)，若為'T',則利用星上EKF濾 波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替換當(dāng)前二次時(shí)差預(yù)凈艮模型的相應(yīng)變量， 并以該時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，還需將變量替換標(biāo)識(shí)重置為"O",然后 進(jìn)入步驟(3);若該標(biāo)識(shí)為"0",則直接轉(zhuǎn)入步驟(3);
(3) 時(shí)差處理器判斷地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)為"0"，轉(zhuǎn)入步驟(4);
(4) 時(shí)差處理器判斷星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)，若為"O"，則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè) 置為"0"，然后轉(zhuǎn)入步驟(7);若為'T，則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為T, 并將自主調(diào)相標(biāo)識(shí)置"O",然后轉(zhuǎn)入步驟(5);
(5) 按照調(diào)相后的殘差最小原則，依據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)時(shí)差，計(jì)算調(diào)相量和名 義調(diào)相殘差,然后轉(zhuǎn)入步驟(6);
(6) 時(shí)差處理器發(fā)出秒脈沖調(diào)相指令，驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相 量進(jìn)行相應(yīng)的相位調(diào)整，并且無條件地以名義調(diào)相殘差取代時(shí)差預(yù)
報(bào)模型中的初始時(shí)差量，并以當(dāng)前調(diào)相時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，然后
轉(zhuǎn)入步驟(7);
(7) 基于星上二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型，根據(jù)星上所需預(yù)報(bào)星地時(shí)差。預(yù)報(bào)時(shí) 差一方面用于廣播，另一方面還用于自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷步驟(8);
(8) 時(shí)差處理器判斷下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)報(bào)是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)，若"是"， 則將自主調(diào)相時(shí)機(jī)標(biāo)識(shí)設(shè)置為T',然后轉(zhuǎn)入步驟(9),否則，直接 轉(zhuǎn)入步驟(9);
(9) 時(shí)差處理器利用EKF濾波器對(duì)二次時(shí)差預(yù)凈艮才莫型的時(shí)差、頻差和老 化率這些變量的估計(jì)進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新處理。若當(dāng)前調(diào)相標(biāo) 識(shí)為'T，則需要首先進(jìn)行額外的重要操作，即，利用計(jì)算出來的名 義調(diào)相殘差來替換掉先驗(yàn)的時(shí)差分量均值估計(jì)。然后進(jìn)入通常的 EKF濾波進(jìn)程。若當(dāng)前時(shí)刻存在星地時(shí)差觀測(cè)數(shù)據(jù)(折合后)，則利 用該觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)先驗(yàn)的狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行更新，給出后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。 不論有無時(shí)差觀測(cè)數(shù)據(jù)，都進(jìn)行慣例的時(shí)間更新處理，給出下一個(gè) 時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)。最后轉(zhuǎn)入步驟(10);
(10) 時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波 器的結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的有關(guān)變量。若當(dāng)前時(shí)刻為替 換時(shí)刻，則將替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為'T'，否則將該替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為"O",然 后轉(zhuǎn)入步驟(1 );
任選一顆星為代表星，采用上述時(shí)統(tǒng)處理后的一組數(shù)學(xué)仿真結(jié)果如圖7、 8、 9、 10所示圖7是實(shí)施例2中的地上EKF濾波器給出的地面系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)導(dǎo) 航系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差估計(jì)誤差結(jié)果，結(jié)果顯示該EKF濾波器估計(jì)是一致性估計(jì)， 其穩(wěn)態(tài)估計(jì)精度達(dá)到1ns;圖8是實(shí)施例2中的某代表星上的EKF濾波器給出 的星地時(shí)差量估計(jì)誤差結(jié)果，結(jié)果顯示該EKF濾波器估計(jì)是一致性估計(jì)，且調(diào) 相處理對(duì)星上EKF濾波器的擾動(dòng)影響也得到很好抑制，其穩(wěn)態(tài)估計(jì)精度在10ns 左右；圖9是實(shí)施例2中的某代表星上的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的時(shí)差預(yù)才艮誤差結(jié)
果，結(jié)果顯示間隔一個(gè)時(shí)統(tǒng)周期利用星上EKF濾波器的估計(jì)結(jié)果替換原有才莫型 變量，預(yù)報(bào)時(shí)差大體上跟蹤了星上EKF濾波器的時(shí)差估計(jì)結(jié)果；圖10是實(shí)施 例2中的某代表星的真實(shí)星地秒脈沖相位偏差圖10A表示不采取調(diào)相才喿作時(shí) 的相位偏差隨時(shí)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，很快就超出了 1us的指標(biāo)要求；圖10B表示采用 自主時(shí)統(tǒng)后的相位偏差被一直控制在1 us的范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的同步指標(biāo)要 求。
不難看出，實(shí)施例1和實(shí)施例2的自主時(shí)統(tǒng)內(nèi)容幾乎是相同的。這說明本 發(fā)明具有4艮好的通用性和適應(yīng)性。實(shí)施例1和實(shí)施例2的仿真結(jié)果說明，在星 上釆用QZ鐘的情況下，該自主時(shí)統(tǒng)方法仍將星地秒脈沖相位差嚴(yán)格控制在指 標(biāo)要求的范圍內(nèi)(絕對(duì)值不超過1us),而這是傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的，充分說明 該方法的可行性、有效性與優(yōu)越性。
本發(fā)明未詳細(xì)描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于包括以下步驟:(A)時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)，若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為“0”，則進(jìn)入步驟(B)進(jìn)行自主守時(shí)；若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為“1”，則進(jìn)入地面授時(shí)處理流程；若時(shí)差調(diào)整標(biāo)識(shí)為“2”，則進(jìn)入地面介入集中校時(shí)處理流程；(B)時(shí)差處理器判斷星上時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量替換標(biāo)識(shí)，若替換標(biāo)識(shí)為“1”，則利用星上EKF濾波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替換當(dāng)前二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的相應(yīng)變量，并以該當(dāng)前時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，并將時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量替換標(biāo)識(shí)重置為“0”，然后進(jìn)入步驟(C)；若替換標(biāo)識(shí)為“0”，則直接轉(zhuǎn)入步驟(C)；(C)時(shí)差處理器判斷地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)，若調(diào)相標(biāo)識(shí)為“1”，則將表征當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)行調(diào)相處理的當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為“1”，并將地面介入調(diào)相標(biāo)識(shí)重置為“0”，然后轉(zhuǎn)入步驟(E)；若調(diào)相標(biāo)識(shí)為“0”，則轉(zhuǎn)入步驟(D)；(D)時(shí)差處理器判斷星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)，若星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)為“0”，則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為“0”，然后轉(zhuǎn)入步驟(G)；若星上自主調(diào)相標(biāo)識(shí)為“1”，則將當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)設(shè)置為“1”，并將自主調(diào)相標(biāo)識(shí)重置為“0”，然后轉(zhuǎn)入步驟(E)；(E)依據(jù)當(dāng)前預(yù)報(bào)時(shí)差，計(jì)算調(diào)相量和名義調(diào)相殘差，然后轉(zhuǎn)入步驟(F)；(F)時(shí)差處理器發(fā)出秒脈沖調(diào)相指令，驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算的調(diào)相量進(jìn)行相應(yīng)的相位調(diào)整，并且無條件地以名義調(diào)相殘差取代二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的初始時(shí)差量，并以當(dāng)前調(diào)相時(shí)刻為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻，然后轉(zhuǎn)入步驟(G)；(G)基于星上二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型，根據(jù)星上所需時(shí)刻預(yù)報(bào)星地時(shí)差，預(yù)報(bào)時(shí)差一方面廣播給用戶，另一方面用于自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷步驟(H)；(H)時(shí)差處理器判斷下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)報(bào)是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)，若“是”，則將自主調(diào)相時(shí)機(jī)標(biāo)識(shí)設(shè)置為“1”，然后轉(zhuǎn)入步驟(I)，否則，直接轉(zhuǎn)入步驟(I)；(I)時(shí)差處理器利用EKF濾波器對(duì)二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型的時(shí)差量、頻差和老化率進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新，然后轉(zhuǎn)入步驟(J)；(J)時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波器的狀態(tài)更新和時(shí)間更新結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的變量估計(jì)，若當(dāng)前時(shí)刻為替換時(shí)刻，則將替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為“1”，否則將該替換標(biāo)識(shí)設(shè)置為“0”，然后轉(zhuǎn)入步驟(A)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于所述步 驟(A)中授時(shí)的處理流程為當(dāng)進(jìn)行^:時(shí)操作時(shí)，時(shí)差處理器無條件地將授 時(shí)數(shù)據(jù)中的星時(shí)信息接受為本星星時(shí)，并將授時(shí)數(shù)據(jù)中的時(shí)差量接受為當(dāng)前時(shí) 刻的預(yù)報(bào)時(shí)差。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于所述步 驟(A)中集中校時(shí)的處理流程為當(dāng)進(jìn)行集中校時(shí)操作時(shí)，時(shí)差處理器一次 性按集中校時(shí)數(shù)據(jù)中的星時(shí)調(diào)整量調(diào)整本星星時(shí)，并按集中校時(shí)數(shù)據(jù)中的時(shí)差 調(diào)整量一次性調(diào)整當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算得到的預(yù)"l艮時(shí)差。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于所述步 驟(B)中時(shí)差處理器利用星上EKF濾波器的最新實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果替換當(dāng)前二次 時(shí)差預(yù)報(bào)模型的相應(yīng)變量的實(shí)現(xiàn)過程為時(shí)差處理器依據(jù)從通信控制器傳來的 本星星時(shí)相對(duì)參考時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量序列，采用EKF濾波算法實(shí)時(shí)給出二次時(shí) 差預(yù)報(bào)模型變量的最新估計(jì)值，時(shí)差處理器根據(jù)it型變量的替換周期判斷當(dāng)前 時(shí)刻是否為替換時(shí)刻，若為變量替換時(shí)刻，則利用最新估計(jì)值替換星上原先存 儲(chǔ)的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量估計(jì)值；否則，下次時(shí)差預(yù)報(bào)仍釆用星上原先存儲(chǔ) 的二次時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量估計(jì)值，所述的二次時(shí)差預(yù)^艮模型為<formula>formula see original document page 3</formula>其中A^為所需時(shí)刻^的預(yù)報(bào)時(shí)差量，Aa。為起始預(yù)報(bào)時(shí)刻^。的時(shí)差量估 計(jì)，^為星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的頻差估計(jì)，^為星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng) 時(shí)鐘的老化率估計(jì)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于所述步 驟(E)中調(diào)相量和名義調(diào)相殘差的計(jì)算方法為秒脈沖的調(diào)相量為 △"M^^-lMrounc^AA/G/y^,相應(yīng)的名義調(diào)相殘差為A^，res=A fc+A"A,rem。ve ;其中，round(.)表示按照四舍五入原則取整操作，/。為基頻。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于所述步 驟(H)中下一時(shí)刻的時(shí)差預(yù)報(bào)是否處于調(diào)相區(qū)間內(nèi)的判斷方法為設(shè)調(diào)相指 標(biāo)為A^，調(diào)相閾值為A^，若下個(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)時(shí)差A(yù)^滿足如下條件<formula>formula see original document page 4</formula> 則i人為該時(shí)刻為自主調(diào)相時(shí)刻。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，其特征在于所述步 驟(I)中時(shí)差處理器利用EKF濾波器對(duì)二次時(shí)差預(yù)才艮沖莫型的時(shí)差量、頻差和 老化率進(jìn)行狀態(tài)更新和時(shí)間更新的過程為(1) EKF濾波器讀取當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)，若當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)為"0",則進(jìn)入步 驟(3);若當(dāng)前調(diào)相標(biāo)識(shí)為"1",則進(jìn)入步驟(2);(2) EKF濾波器利用名義調(diào)相殘差取代EKF濾波器前一時(shí)刻給出的時(shí)差 量的先-險(xiǎn)估計(jì)，然后進(jìn)入步驟(3);(3) 時(shí)差處理器判斷當(dāng)前時(shí)刻有無從通信控制器傳來的本星星時(shí)相對(duì)參考 時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量序列，如果有時(shí)差觀測(cè)量序列則進(jìn)入步驟(4),如果沒有時(shí) 差觀測(cè)量序列則直接進(jìn)入步驟(5);(4) 利用星地時(shí)差觀測(cè)給出的星地時(shí)差觀測(cè)量，改善當(dāng)前時(shí)差量、頻差和 老化率的先驗(yàn)估計(jì)，然后進(jìn)入步驟(5);(5) 利用時(shí)差量、頻差和老化率變量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)這些變量的后驗(yàn) 估計(jì)值進(jìn)行預(yù)報(bào)，給出下一時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)；(6) 最后時(shí)差處理器根據(jù)替換周期判斷當(dāng)前時(shí)刻是否需要利用EKF濾波 器的狀態(tài)更新和時(shí)間更新結(jié)果來替換二次時(shí)差預(yù)才艮模型中的變量估計(jì)。
全文摘要
一種星上自主時(shí)統(tǒng)方法，賦予現(xiàn)有時(shí)間管理單元長(zhǎng)期、高精度守時(shí)能力和自主調(diào)相能力，時(shí)差處理器利用時(shí)差觀測(cè)量，以一個(gè)時(shí)差EKF濾波器實(shí)時(shí)估計(jì)的最新濾波結(jié)果周期性地替換掉原先存儲(chǔ)的變量估計(jì)值；時(shí)差處理器一方面將預(yù)報(bào)時(shí)差廣播給用戶，同時(shí)判斷當(dāng)前時(shí)刻的預(yù)報(bào)時(shí)差是否進(jìn)入調(diào)相區(qū)間內(nèi)，如果進(jìn)入調(diào)相區(qū)間則通過計(jì)算調(diào)相量和名義調(diào)相殘差，驅(qū)使秒脈沖發(fā)生器按照計(jì)算調(diào)相量進(jìn)行相應(yīng)相位調(diào)整，并以名義調(diào)相殘差取代星上時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的起始預(yù)報(bào)時(shí)差量和時(shí)差量先驗(yàn)估計(jì)值，從而實(shí)現(xiàn)了星上自主時(shí)間統(tǒng)一。本發(fā)明可以降低對(duì)地面站的依賴程度，有助于降低對(duì)星上時(shí)鐘性能的要求，節(jié)省星座系統(tǒng)的投入和維護(hù)成本，并提高了星座系統(tǒng)的可靠性與安全性。
文檔編號(hào)H04B7/185GK101383653SQ20081022517
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者馬文杰, 琳 黃 申請(qǐng)人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司