基於綜合孔徑觀測的導航衛星自主時間同步方法
2023-07-18 16:05:31
專利名稱：基於綜合孔徑觀測的導航衛星自主時間同步方法
技術領域：
本發明屬於太空飛行器自主導航技術領域，涉及一種利用脈衝星輻射的X射線信號為導航衛星進行高精度時間同步的方法。
背景技術：
衛星導航系統是一種天基的無線電導航定位與時間傳遞系統，是實時獲取高精度測量信息的空間基礎設施，能夠為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天候、全天時、高精度的位置、速度和時間等導航信息服務。完整的衛星導航系統包括三大組成部分，即空間星座部分(導航星座)、地面控制部分和用戶終端部分。其中，地面控制部分由分布在全球的多個監測站和注入站，以及I個主控制中心站組成，負責對導航衛星進行跟蹤觀測，精密確定衛星軌道和星載鍾參數，編制導航電文和控制指令，並經由上行數據鏈路注入到導航衛星。導航衛星提取上行注入信息，將導航電文播發至用戶終端接收機使用。也就是說，目前導航星座的運行、管理和維持都是由地面控制系統負責完成的，每日需要做一次上行信息注入(如GPS系統)。若導航衛星能夠實現較長時間的自主導航和運行管理，將有效地減少地面測控站的布設數量，減輕地面控制系統工作負擔，降低導航星座運行管理和長期維持費用；能夠實時監測導航信息完好性，大大縮短故障報警時間，提高導航信息的連續性和可用性性能；減少地面站至衛星的上行信息注入次數，降低導航星座對地面測控系統的依賴程度，增強衛星導航系統在特殊時期的自主生存能力。可見，導航星座自主導航具有極其重要的實際工程應用價值。為此美國對其GPS系統進行了現代化改造，在GPS Block II R/II R_M、Block IIF等系列衛星上增加了星間通信/測距鏈路，通過星間雙向測距、數據交換以及星載計算機濾波處理，不斷修正衛星長期預報星曆和時鐘參數並自主生成導航電文和控制指令，維持星座基本構形的穩定，以滿足用戶連續高精度導航定位應用需求。然而，這種基於星間鏈路測距信息的導航星座自主導航方式，缺乏外部時空基準數據，難以解決兩類不可觀測性誤差隨時間積累問題。一類是星座整體旋轉誤差，這種誤差會造成星座整體相對於慣性坐標系漂移；另一類是地球非均勻自轉誤差，造成地心固聯坐標系相對於慣性坐標系漂移。尤其是星座整體旋轉誤差積累，將導致衛星星曆和時鐘參數誤差逐漸增大，用戶導航定位精度嚴重下降。目前，解決上述問題有兩種基本途徑⑴通過建立星座整體旋轉和地球自轉的長期預報模型，抑制誤差積累(如GPS衛星自主導航方式)。但是這種方法從實際應用效果來看，並未徹底解決這一技術難題，不能滿足星座長時間自主導航技術指標要求；⑵採用導航星座「拋錨」技術，通過地面站定期向星座衛星發射測距信號和調製地球自轉參數信息，星上進行信息處理，抑制星座不可觀測性誤差隨時間積累。但是這種通過建立星地鏈路的解決方式，違背了導航衛星長時間自主運行的原則。近年來，隨著國內、外對基於X射線毫秒脈衝星計時觀測的太空飛行器自主導航技術的廣泛研究，為導航衛星自主導航提供了一種新的思路和可行途徑，尤其是為導航星座提供一種獨立的外部絕對時空基準，能夠解決星座長時間自主運行問題。基於X射線毫秒脈衝星計時觀測的太空飛行器自主導航是實現真正意義上的太空飛行器高精度自主導航的有效模式。將脈衝星自主導航技術應用於全球導航衛星系統(Global Navigation SatelliteSystem, GNSS),能夠實現導航衛星的自主時間同步和衛星星曆的自主測量與更新。這種自主導航是以脈衝星慣性時空參考架為參考的，脈衝星時空參考架相對於慣性參考架不存在旋轉和時間漂移，因而能夠抑制或消除星座自身旋轉誤差和導航衛星時間基準的長期漂移誤差。應用脈衝星導航技術也能夠精確測量GNSS自主導航存在的星座平均時間誤差和星座整體旋轉誤差。在導航應用時，利用導航衛星上裝備的X射線計時觀測設備，對一組事先選定的毫秒脈衝星進行脈衝到達時間測量，測得每顆脈衝星的脈衝到達導航衛星的時刻，同時利用脈衝星鐘模型可以預報出同一個脈衝到達太陽系質心的時刻，通過同一個脈衝到達導航衛星與太陽系質心時刻的比較，再結合這一組脈衝星的空間位置參數，就能解算出觀測時刻導航衛星相對於太陽系質心的位置矢量(三維坐標)和星載鐘相對於標準時間(太陽系質心坐標時，TCB)的鐘差。其基本原理如
圖1所示。在圖1中，導航衛星利用搭載的X射線脈衝星自主導航系統測量出導航衛星相對於太陽系質心的位置以及星載鐘相對於標準時間的鐘差，實現自主定位與定時。X射線脈衝星自主導航系統主要包括以下幾部分4個X射線探測器，用於探測來自脈衝星的X射線脈衝信號，並在一定的積分時間內獲得具有滿意信噪比的積分脈衝輪廓；星載原子鐘，為TOA的測量提供參考時間；X射線脈衝星和太陽系天體歷表資料庫，提供脈衝星時空參考架和導航算法需要的基礎數據；T0A測量和處理模塊，採用合適算法，利用積分脈衝輪廓，獲得觀測得到的脈衝到達時間；導航衛星位置、速度和時間算法模塊，利用觀測得到的TOA建立脈衝星導航觀測方程，採用合適算法實現太空飛行器狀態參數(位置、速度、時間)的測量和預報。X射線脈衝星計時觀測是脈衝星自主導航技術的基礎。X射線計時觀測系統的基本結構如圖2所示，太空飛行器將所搭載的X射線探測器對準目標源，觀測並記錄下來自目標源及其背景天區的X射線光子的到達時間(Time of Arrival, TOA),到達時間的測量是以星載原子鐘提供的時間信號為參考的，然後由數據記錄系統記錄下原始的觀測數據。由於太空飛行器的高速運動會導致觀測信號產生明顯的都卜勒效應；由於狹義相對論效應的影響，星載原子鐘的實際振動頻率相對於其標稱頻率也會發生變化；而且目前已發現的適用於太空飛行器自主導航的毫秒脈衝星多處於雙星系統，導致所觀測脈衝星繞雙星系統質心的公轉運動也會對觀測信號產生額外的影響；除此之外，還需考慮Shapiro延遲等多項誤差源的影響。因此原始的觀測數據要經過觀測數據預處理系統的進一步處理，以消除各種誤差源對觀測數據的影響。在完成各項誤差源的改正之後，按照所觀測脈衝星的自轉周期對觀測序列進行疊加處理，以獲得具有滿意信噪比的積分脈衝輪廓。將積分脈衝輪廓與資料庫中記錄的標準脈衝輪廓進行比較後再加上本次觀測的起始時刻，就得到本次觀測的T0A。大量的觀測數據表明對於X射線波段輻射最強的Crab (J0534 + 2200)脈衝星，用一個有效面積為Im2的X射線探測器，每秒可接收約7800個來自脈衝星的X射線光子(信號)和約78000個來自所在星雲的光子(噪聲)，即一個脈衝周期的信號光子數是260個左右，噪聲光子數是2600個左右。而其他X射線脈衝星的X射線流量強度僅僅是Crab脈衝星的千分之一甚至更低，也就是說每Im2的探測器每秒只能探測到10個左右的信號光子甚至更少，而本底光子數目在100個左右。若要獲得一個清晰的脈衝輪廓，至少需要十幾個小時的連線觀測時間。 信噪比如此之低的觀測信號，成為了限制脈衝星自主導航技術實際應用的主要原因之一。若要將其用於導航衛星的自主導航，就必須採取措施以提高信噪比，目前有兩種解決方案一種是延長觀測時間；另一種是使用大面積的探測器。但兩種方案均具有其局限性，對於第一種方案，觀測時間的延長會降低導航解的實時性，無法實現對導航信息完整性的準實時監測，並延長故障報警時間；對於第二種方案，由於導航衛星的有效載荷有限，因此大面積的X射線探測器是難以搭載上去的。對於導航衛星位置坐標的自主測量，目前有一種較為可行的技術方案，即利用兩顆導航衛星上裝備X射線探測器同時觀測同一顆X射線變源，這兩顆衛星之間的連線構成動態星間測量基線，同一信號到達兩顆衛星的時間之差即反映了星間基線相對於脈衝星的方向，通過對多顆X射線變源信號的同步觀測便可以測定星間基線在慣性時空參考架中的方向。同時測量多條星間基線在慣性時空參考架中的方向，並結合星間測距/通信鏈路的測量結果與軌道動力學方程，便可實現導航衛星位置坐標的自主測定。X射線變源的流量比X射線毫秒脈衝星的流量通常高5 6個量級，因此不需要使用大面積的探測器也不需要很長的觀測時間，便可獲得較高的測量精度。但利用X射線變源無法實現導航衛星自主時間同步，只有利用X射線毫秒脈衝星才可以實現導航衛星自主時間同步。綜上所述，若要將X射線脈衝星自主導航技術應用於導航衛星以實現導航星座的自主時間同步，就必須解決觀測信號信噪比過低的問題。現有的提高觀測信號信噪比的方法主要有兩種增大探測器的有效面積或延長觀測時間，兩種方法分別存在以下問題對於導航衛星而言，其上要搭載原子鐘組、時頻信號產生與保持系統、天線、太陽能電池等大量用於導航信號產生、保持與發射的設備。可分配給X射線探測器系統的有效載荷是很有限的，而大面積的X射線探測器體積大、質量大、功耗高，必定會佔用較多的衛星有效載荷，難以實施。而且，現有的脈衝星自主導航技術通常要求在衛星上搭載4個X射線探測器，這就使得在導航衛星上搭載大面積X射線探測器的方案變的更不可行。在探測器尺寸受限的情況下，還可以採用延長觀測時間的辦法來提高信噪比。但除了 Crab脈衝星外，通常用於導航的毫秒脈衝星X射線輻射流量都非常低，即使對於有效面積為Im2的大面積X射線探測器而言，在I秒鐘的時間間隔內所能接收到的光子信號也僅為10個左右甚至更少，若要獲得一個清晰的脈衝輪廓，至少需要十幾個小時的連續觀測時間。在如此長的觀測時間內，導航衛星已沿軌道飛行了很長的一個弧段甚至是一周，而脈衝星自主導航系統給出的還是觀測開始時衛星的運動狀態參數與鐘差參數。因此觀測時間的延長會大大降低導航解的實時性，無法實現對星載鍾狀態的準實時監測，並會延長故障報警時間。發明專利200710005043. 9提出了一種基於X射線脈衝星的導航衛星自主軌道確定、時間同步和姿態測量的系統與方法。該專利仍然是利用傳統的X射線脈衝星自主導航方法來實現導航衛星的自主時間同步，無法徹底解決X射線脈衝星導航中所存在的弱信號觀測問題。
發明內容
為了克服現有脈衝星自主導航技術中存在的觀測信號信噪比過低而且難以辨識的不足，本發明提出了一種X射線波段的綜合孔徑觀測方案，在不增大探測器面積、不延長觀測時間的情況下，很好的解決了基於脈衝星的導航星座自主時間同步中所存在的弱信號檢測問題，測量精度高且易於實施。本發明解決其技術問題所採用的技術方案包括以下步驟步驟一，根據各顆導航衛星的星曆和毫秒脈衝星的位置參數，選定一組可同時觀測到同一顆毫秒脈衝星的導航衛星，並從中任選一顆作為基準衛星，其餘的導航衛星作為協同觀測衛星，協同觀測衛星的觀測數據要歸算至基準衛星處；步驟二，所有的協同觀測衛星與基準衛星同時對同一顆毫秒脈衝星開展計時觀測，並將各自的原始觀測數據進行保存；同時協同觀測衛星與基準衛星根據各自的的位置與速度參數完成原始觀測信號的都卜勒效應、狹義相對論效應與Shapiix)延遲改正；步驟三，在每次計時觀測完成後，各協同觀測衛星將各自的觀測數據傳送至基準
衛星；步驟四，基準衛星利用不同時刻星間相對位置測量數據，來完成各協同觀測衛星至基準衛星處的時延改正，具體方法為在t時刻，第i顆協同觀測衛星在慣性空間中相對於基準衛星的位置矢量為所
觀測毫秒脈衝星的方向矢量為^則t時刻協同觀測衛星至基準衛星的TOA測量數據時延
改正值為
權利要求
1.一種基於綜合孔徑觀測的導航衛星自主時間同步方法，其特徵在於包括下述步驟步驟一，根據各顆導航衛星的星曆和毫秒脈衝星的位置參數，選定一組可同時觀測到同一顆毫秒脈衝星的導航衛星，並從中任選一顆作為基準衛星，其餘的導航衛星作為協同觀測衛星，協同觀測衛星的觀測數據要歸算至基準衛星處；步驟二，所有的協同觀測衛星與基準衛星同時對同一顆毫秒脈衝星開展計時觀測，並將各自的原始觀測數據進行保存；同時協同觀測衛星與基準衛星根據各自的的位置與速度參數完成原始觀測信號的都卜勒效應、狹義相對論效應與ShapiIO延遲改正；步驟三，在每次計時觀測完成後，各協同觀測衛星將各自的觀測數據傳送至基準衛星；步驟四，基準衛星利用不同時刻星間相對位置測量數據，來完成各協同觀測衛星至基準衛星處的時延改正，具體方法為在t時刻，第i顆協同觀測衛星在慣性空間中相對於基準衛星的位置矢量為I所觀測毫秒脈衝星的方向矢量力^則t時刻協同觀測衛星至基準衛星的TOA測量數據時延改正值為
全文摘要
本發明提供了一種基於綜合孔徑觀測的導航衛星自主時間同步方法，所有的協同觀測衛星與基準衛星同時對同一顆毫秒脈衝星開展計時觀測，基準衛星利用不同時刻星間相對位置測量數據，來完成各協同觀測衛星至基準衛星處的時延改正，對完成時延改正的各組觀測數據進行疊加處理以得到綜合孔徑計時觀測系統的觀測波形；對基準衛星星載鐘的鐘差進行測量，計算導航星座各衛星與標準時間TCB的鐘差並在每顆衛星各自的廣播星曆中將鐘差改正值播發出去，即完成了導航衛星的自主時間同步。本發明達到了減小導航衛星的X射線探測器載荷、縮短觀測時間、提高導航衛星自主時間同步精度與實時性的技術效果。
文檔編號G01C21/24GK103033188SQ20121056690
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者尹東山 申請人:中國科學院國家授時中心