本發(fā)明涉及時(shí)延校準(zhǔn)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偽衛(wèi)星的衛(wèi)星地面站站間時(shí)延校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

時(shí)延的精確測(cè)量和傳遞是衛(wèi)星導(dǎo)航能夠成功實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度的空間基準(zhǔn)和時(shí)延基準(zhǔn)對(duì)用戶接收機(jī)的定位起到關(guān)鍵性的作用，系統(tǒng)各組成部分的時(shí)延校準(zhǔn)精度直接影響系統(tǒng)的定位和授時(shí)精度，因此，時(shí)延校準(zhǔn)技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)高精度的空間基準(zhǔn)和時(shí)延基準(zhǔn)的建立至關(guān)重要。

由于地面站站間不完全校準(zhǔn)引起的時(shí)延包含在偽碼測(cè)距的測(cè)量值之中，影響了星地距離的測(cè)量結(jié)果，在偽碼測(cè)距值中需要精確扣除地面站間時(shí)延，以便獲得高精度的星地測(cè)量結(jié)果。地面站間時(shí)延的準(zhǔn)確性是提升衛(wèi)星定軌精度的關(guān)鍵，也是提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)精度的關(guān)鍵。如何準(zhǔn)確地標(biāo)定地面站間時(shí)延，標(biāo)定完成后如何驗(yàn)證地面站間時(shí)延標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，都需要深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于偽衛(wèi)星的衛(wèi)星地面站站間時(shí)延校準(zhǔn)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

設(shè)標(biāo)定的衛(wèi)星地面站為n套，每次設(shè)備時(shí)延標(biāo)定時(shí)，選取1套地面站作為基準(zhǔn)站，編號(hào)為a，其它地面站作為待標(biāo)定地面站，分別編號(hào)b，c，d、e……同時(shí)保持n套地面站設(shè)備時(shí)頻同源，即n套地面站設(shè)備使用同一臺(tái)高穩(wěn)定度的原子鐘輸出的時(shí)頻信號(hào)；

第一步，地面站發(fā)射信道時(shí)延標(biāo)定

由偽衛(wèi)星和衛(wèi)星地面站共同組成測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地面站發(fā)射信道時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定，由衛(wèi)星地面站的基帶發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻器變頻，功放功率放大后，由地面站天線發(fā)射，偽衛(wèi)星接收到來(lái)自天線的導(dǎo)航信號(hào)，下變頻后經(jīng)過(guò)穩(wěn)相電纜傳送給衛(wèi)星地面站的基帶接收端，由基帶測(cè)量傳輸時(shí)延值：

即能夠得出地面站a基帶測(cè)量值tic(a)：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp2+tp3+tp5

其中：tta為地面站a發(fā)射信道時(shí)延值，tas為發(fā)射空間鏈路傳輸時(shí)延值，tp1為偽衛(wèi)星接收天線和轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延，tp2為偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器到變頻器線纜時(shí)延，tp3為偽衛(wèi)星變頻器時(shí)延，tp5為偽衛(wèi)星到地面站穩(wěn)相電纜時(shí)延；

tta＝tic(a)-tas-tp1-tp2-tp3-tp5

tas由各個(gè)地面站與偽衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算得出，d為發(fā)射天線與接收天線距離，c為光速，由于偽衛(wèi)星內(nèi)部傳輸時(shí)延已知，所以tp1、tp2、tp3為已知量，tp5穩(wěn)相電纜時(shí)延值通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)定；

同理，其他地面站的發(fā)射設(shè)備時(shí)延為：

ttb＝tic(b)-tbs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttc＝tic(c)-tcs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttd＝tic(d)-tds-tp1-tp2-tp3-tp5

tte＝tic(e)-tes-tp1-tp2-tp3-tp5

……

第二步，地面站接收信道時(shí)延標(biāo)定

由偽衛(wèi)星和衛(wèi)星地面站共同組成測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地面站接收信道時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定，由衛(wèi)星地面站的基帶發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻器變頻，功放功率放大后，由地面站天線發(fā)射，偽衛(wèi)星接收到來(lái)自天線的導(dǎo)航信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后發(fā)射天線發(fā)射，地面站接收經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大、下變頻器變頻后傳送給衛(wèi)星地面站的基帶接收端，由基帶測(cè)量傳輸時(shí)延值；

即能夠得出地面站a基帶測(cè)量值：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp4+tsa+tra

其中：tp4為偽衛(wèi)星發(fā)射天線時(shí)延值，tsa為接收空間鏈路傳輸時(shí)延值，tra為地面站接收信道時(shí)延值，

tra＝tic(a)-tta-tas-tp1-tp4-tsa

由于偽衛(wèi)星發(fā)射天線與接收天線的同一點(diǎn)安裝，所以：

tas＝tsa

tra＝tic(a)-tta-2tas-tp1-tp4

由于偽衛(wèi)星內(nèi)部傳輸時(shí)延已知，所以tp4為已知量，

同理，其他地面站的發(fā)射設(shè)備時(shí)延為：

trb＝tic(b)-ttb-2tbs-tp1-tp4

trc＝tic(c)-ttc-2tcs-tp1-tp4

trd＝tic(d)-ttd-2tds-tp1-tp4

tre＝tic(e)-tte-2tes-tp1-tp4

……

第三步，地面站時(shí)延自校準(zhǔn)

地面站天線標(biāo)校偽衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)后，發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)給標(biāo)校偽衛(wèi)星，接收經(jīng)過(guò)標(biāo)校偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，基帶計(jì)算出環(huán)路時(shí)延值，并推到出上行空間鏈路時(shí)延值。標(biāo)校偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器耦合口輸出經(jīng)電纜給接收機(jī)，接收機(jī)接收導(dǎo)航信號(hào)解調(diào)出1pps秒脈沖信號(hào)給計(jì)數(shù)器sr620，計(jì)數(shù)器sr620比對(duì)與時(shí)頻基準(zhǔn)源輸出的1pps脈沖信號(hào)，推導(dǎo)出接收機(jī)環(huán)路的上行空間鏈路時(shí)延值。兩個(gè)值作差結(jié)果為地面站時(shí)延校準(zhǔn)值。

地面站a基帶測(cè)量值tic(a)：

tic(a)＝tta(a)+tas(a)+tp1+tp4+tsa(a)+tra(a)

其中，tta(a)、tra(a)分別為地面站a發(fā)射、接收射頻信道時(shí)延，tas(a)、tsa(a)分別為基帶解算時(shí)的上下行空間鏈路時(shí)延值，tp1為標(biāo)校偽衛(wèi)星接收天線和轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延，tp4為標(biāo)校偽衛(wèi)星發(fā)射天線時(shí)延值。

由于收發(fā)鏈路對(duì)等，可以認(rèn)為：

tas(a)＝tsa(a)

因此，

用計(jì)數(shù)器sr620測(cè)得的接收機(jī)鏈路時(shí)延值與1pps之差記為ticsr620(a)：

ticsr620(a)＝t1+ttb(a)+tta(a)+tas(a)'+tp1+t2+t3+t4+t5-t6

其中，t1時(shí)頻基準(zhǔn)源到基帶1pps秒脈沖信號(hào)入口的時(shí)延值，ttb(a)為地面站a基帶處理時(shí)延值，tas(a)'接收機(jī)解算時(shí)的上行鏈路時(shí)延值，t2為偽衛(wèi)星下行測(cè)試電纜時(shí)延，t3為接收機(jī)射頻通道時(shí)延值，t4為接收機(jī)基帶處理時(shí)延值，t5為接收機(jī)輸出到計(jì)數(shù)器sr620線纜時(shí)延值，t6為時(shí)頻基準(zhǔn)源到計(jì)數(shù)器sr620端口的時(shí)延值。

此時(shí)的的上行鏈路時(shí)延值tas(a)'為：

tas(a)'＝ticsr620(a)+t6-t1-ttb(a)-tta(a)-tp1-t2-t3-t4-t5

基帶測(cè)量得到的上行空間鏈路時(shí)延值與計(jì)數(shù)器測(cè)量的上行空間鏈路時(shí)延值之差，如下式：

整理得：

同理可得其他各站的時(shí)差值：

……

第四步，地面站間時(shí)延校準(zhǔn)：

首先a號(hào)站向偽衛(wèi)星發(fā)射，b號(hào)站、c號(hào)站、d號(hào)站、e號(hào)站……同時(shí)接收由偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，分別解算出發(fā)射時(shí)延與接收時(shí)延的差值，再由b號(hào)站、c號(hào)站、d號(hào)站、e號(hào)站……同時(shí)向偽衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)，a號(hào)站接收由偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，分別解算發(fā)射時(shí)延與接收時(shí)延的差值；

以a號(hào)站作為參考基準(zhǔn)，和b號(hào)進(jìn)行雙向比對(duì)，可以得到如下公式：

tic(a)＝tta(b)+tas(b)+tp1+tp4+tsa(a)+tra(a)

tic(b)＝tta(a)+tas(a)+tp1+tp4+tsa(b)+tra(b)

上兩式作差再移項(xiàng)，可得：

tic(a)-tic(b)＝tta(b)-tta(a)+tra(a)-tra(b)

+tas(b)-tsa(b)+tsa(a)-tas(a)

又因?yàn)閷?duì)同一地面站，上下行鏈路對(duì)等，可知：

tas(b)＝tsa(b)

tas(a)＝tsa(a)

因此

tic(a)-tic(b)＝tta(b)-tta(a)+tra(a)-tra(b)

同理，通過(guò)以上的計(jì)算方法我們可以得到地面站c站與a站之間的時(shí)差值：

tic(a)-tic(c)＝tta(c)-tta(a)+tra(a)-tra(c)

同理，通過(guò)以上的計(jì)算方法我們可以得到地面站d站與a站之間的時(shí)差值：

tic(a)-tic(d)＝tta(d)-tta(a)+tra(a)-tra(d)

同理，通過(guò)以上的計(jì)算方法我們可以得到地面站e站與a站之間的時(shí)差值：

tic(a)-tic(e)＝tta(e)-tta(a)+tra(a)-tra(e)

……

至此，得到了b、c、d、e……站與a站的時(shí)延值，作為修正量在導(dǎo)航電文中進(jìn)行修正，從而提高定位精度。

本發(fā)明使用偽衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器代替衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，通過(guò)衛(wèi)星地面站自身基帶的測(cè)量功能，采用多發(fā)多收時(shí)延比對(duì)模式分別進(jìn)行地面站間時(shí)延標(biāo)定，從而校準(zhǔn)了各地面站間的時(shí)延。該方法的精度夠達(dá)到了亞納秒量級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果可作為預(yù)偏量在導(dǎo)航電文中直接扣除，對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度有著比較重要的意義。通過(guò)偽衛(wèi)星完成衛(wèi)星地面站間時(shí)延校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法切實(shí)可行，是一種方便、有效的地面站站間時(shí)延校準(zhǔn)方法。

附圖說(shuō)明

圖1地面站發(fā)射設(shè)備時(shí)延標(biāo)定設(shè)備連接圖；

圖2地面站接收設(shè)備時(shí)延標(biāo)定設(shè)備連接圖；

圖3地面站自發(fā)自收校準(zhǔn)原理圖；

圖4地面站站間時(shí)延校準(zhǔn)原理圖；

圖5地面站a與地面站b時(shí)延差值統(tǒng)計(jì)圖；

圖6地面站a與地面站c時(shí)延差值統(tǒng)計(jì)圖；

圖7地面站a與地面站d時(shí)延差值統(tǒng)計(jì)圖；

圖8地面站a與地面站e時(shí)延差值統(tǒng)計(jì)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

假設(shè)標(biāo)定的衛(wèi)星地面站有5套，每次設(shè)備時(shí)延標(biāo)定時(shí)，選取1套地面站作為基準(zhǔn)站，編號(hào)為a，其它4套地面站作為待標(biāo)定地面站，分別編號(hào)b，c，d、e。同時(shí)保持5套地面站設(shè)備時(shí)頻同源，即5套地面站設(shè)備使用同一臺(tái)高穩(wěn)定度的原子鐘輸出的時(shí)頻信號(hào)。

參見(jiàn)圖1，標(biāo)定地面站發(fā)射信道時(shí)延

地面站a基帶測(cè)量值tic(a)：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp2+tp3+tp5

其中：tta為地面站a發(fā)射信道時(shí)延值，tas為發(fā)射空間鏈路傳輸時(shí)延值，tp1為偽衛(wèi)星接收天線和轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延，tp2為偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器到變頻器線纜時(shí)延，tp3為偽衛(wèi)星變頻器時(shí)延，tp5為偽衛(wèi)星到地面站穩(wěn)相電纜時(shí)延；

tta＝tic(a)-tas-tp1-tp2-tp3-tp5

tas由各個(gè)地面站與偽衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算得出，d為發(fā)射天線與接收天線距離，c為光速，由于偽衛(wèi)星內(nèi)部傳輸時(shí)延已知，所以tp1、tp2、tp3為已知量，tp5穩(wěn)相電纜時(shí)延值通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀標(biāo)定；

同理，其他地面站的發(fā)射設(shè)備時(shí)延為：

ttb＝tic(b)-tbs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttc＝tic(c)-tcs-tp1-tp2-tp3-tp5

ttd＝tic(d)-tds-tp1-tp2-tp3-tp5

tte＝tic(e)-tes-tp1-tp2-tp3-tp5

……

參見(jiàn)圖2，標(biāo)定地面站接收信道時(shí)延

地面站a基帶測(cè)量值tic(a)：

tic(a)＝tta+tas+tp1+tp4+tsa+tra

其中：tp4為偽衛(wèi)星發(fā)射天線時(shí)延值，tsa為接收空間鏈路傳輸時(shí)延值，tra為地面站接收信道時(shí)延值，

tra＝tic(a)-tta-tas-tp1-tp4-tsa

由于偽衛(wèi)星發(fā)射天線與接收天線的同一點(diǎn)安裝，所以：

tas＝tsa

tra＝tic(a)-tta-2tas-tp1-tp4

由于偽衛(wèi)星內(nèi)部傳輸時(shí)延已知，所以tp4為已知量，

同理，其他地面站的發(fā)射設(shè)備時(shí)延為：

trb＝tic(b)-ttb-2tbs-tp1-tp4

trc＝tic(c)-ttc-2tcs-tp1-tp4

trd＝tic(d)-ttd-2tds-tp1-tp4

tre＝tic(e)-tte-2tes-tp1-tp4

……

參見(jiàn)圖3，地面站時(shí)延自校準(zhǔn)

地面站a基帶測(cè)量值tic(a)：

tic(a)＝tta(a)+tas(a)+tp1+tp4+tsa(a)+tra(a)

其中，tta(a)、tra(a)分別為地面站a發(fā)射、接收射頻信道時(shí)延，tas(a)、tsa(a)分別為基帶解算時(shí)的上下行空間鏈路時(shí)延值，tp1為標(biāo)校偽衛(wèi)星接收天線和轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延，tp4為標(biāo)校偽衛(wèi)星發(fā)射天線時(shí)延值。

由于收發(fā)鏈路對(duì)等，可以認(rèn)為：

tas(a)＝tsa(a)

因此，

用計(jì)數(shù)器sr620測(cè)得的接收機(jī)鏈路時(shí)延值與1pps之差記為ticsr620(a)：

ticsr620(a)＝t1+ttb(a)+tta(a)+tas(a)'+tp1+t2+t3+t4+t5-t6

其中，t1時(shí)頻基準(zhǔn)源到基帶1pps秒脈沖信號(hào)入口的時(shí)延值，ttb(a)為地面站a基帶處理時(shí)延值，tas(a)'接收機(jī)解算時(shí)的上行鏈路時(shí)延值，t2為偽衛(wèi)星下行測(cè)試電纜時(shí)延，t3為接收機(jī)射頻通道時(shí)延值，t4為接收機(jī)基帶處理時(shí)延值，t5為接收機(jī)輸出到計(jì)數(shù)器sr620線纜時(shí)延值，t6為時(shí)頻基準(zhǔn)源到計(jì)數(shù)器sr620端口的時(shí)延值。

此時(shí)的的上行鏈路時(shí)延值tas(a)'為：

tas(a)'＝ticsr620(a)+t6-t1-ttb(a)-tta(a)-tp1-t2-t3-t4-t5

基帶測(cè)量得到的上行空間鏈路時(shí)延值與計(jì)數(shù)器測(cè)量的上行空間鏈路時(shí)延值之差，如下式：

整理得：

同理可得其他各站的時(shí)差值：

……

參見(jiàn)圖4，地面站間時(shí)延校準(zhǔn)。

以a號(hào)站作為參考基準(zhǔn)，和b號(hào)進(jìn)行雙向比對(duì)，假設(shè)1pps信號(hào)到達(dá)各站的時(shí)延完全相同的，由于偽衛(wèi)星在地面安裝，所以不用考慮對(duì)流層、電離層和sagnac效應(yīng)引起的時(shí)延，根據(jù)偽碼測(cè)距原理可以得到如下公式：

tic(a)＝dtb+dbs+dsba+dsa+dra

tic(b)＝dta+das+dsab+dsb+drb

上兩式作差再移項(xiàng)，可得：

tic(a)-tic(b)＝dtb-dta+dra-drb

+(dbs-dsb)+(dsa-das)

+dsba-dsab

式中，das、dbs分別為地面站a、地面站b發(fā)射空間鏈路傳輸時(shí)延值，dsa、dsb分別為地面站a、地面站b接收空間鏈路傳輸時(shí)延值，dsab、dsba為偽衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延。

由于上下行鏈路完全對(duì)稱，所以：

das＝dsa

dbs＝dsb

偽衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器只有一個(gè)，所以同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延相同，即sab鏈路和sba鏈路中衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延相同，于是可得：

dsab＝dsba

代入tic(a)-tic(b)＝dtb-dta+dra-drb+(dbs-dsb)+(dsa-das)+dsba-dsab后整理可得：

tic(a)-tic(b)＝dtb-dta+dra-drb

同理，通過(guò)以上的計(jì)算方法我們可以得到地面站c站與a站之間的時(shí)延相對(duì)值：

tic(a)-tic(c)＝dtc-dta+dra-drc

同理，通過(guò)以上的計(jì)算方法我們可以得到地面站d站與a站之間的時(shí)延相對(duì)值：

tic(a)-tic(d)＝dtd-dta+dra-drd

同理，通過(guò)以上的計(jì)算方法我們可以得到地面站e站與a站之間的時(shí)延相對(duì)值：

tic(a)-tic(e)＝dte-dta+dra-dre

至此，得到了b、c、d、e站與a站的時(shí)延值，作為修正量在導(dǎo)航電文中進(jìn)行修正，從而提高定位精度。

圖5-圖8給出了使用偽衛(wèi)星分別對(duì)五個(gè)地面站進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖。地面站天線同時(shí)對(duì)偽衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，地面站的基帶軟件每秒記錄一組數(shù)據(jù)。每一次測(cè)量分別取相同時(shí)段的約24個(gè)小時(shí)的觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

地面站a與地面站b的時(shí)延差最大值為13.44納秒，最小值為11.21納秒，均值為12.38納秒，均方差為0.37納秒；地面站a與地面站c的時(shí)延差最大值為19.83納秒，最小值為17.98納秒，均值為18.91納秒，均方差為0.31納秒；地面站a與地面站d的時(shí)延差最大值為26.50納秒，最小值為23.79納秒，均值為25.16納秒，均方差為0.43納秒；地面站a與地面站e的時(shí)延差最大值為26.68納秒，最小值為22.83納秒，均值為24.76納秒，均方差為0.49納秒。由于b、c、d、e站與a站的距離依次變遠(yuǎn)，所以，均方差值依次增大。此次時(shí)延標(biāo)定的精度夠達(dá)到了亞納秒量級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果可作為預(yù)偏量在導(dǎo)航電文中直接扣除，對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度有著比較重要的意義。通過(guò)偽衛(wèi)星完成衛(wèi)星地面站間時(shí)延校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法切實(shí)可行，是一種方便、有效的站間時(shí)延校準(zhǔn)方法。