导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。     

基于伪码锁相技术的高精度测距修正方法

双向单程体制星间通信测距接收机中,基带负责通信测量的现场可编程门阵列(FPGA)工作时钟通常与外部时频单元送给接收机的10.23MHz时钟是异步关系,这样会导致FPGA内部产生的测距时刻与10.23MHz产生的测距时刻(即秒脉冲上升沿时刻)不完全同步,为了以时频单元输入的测距时刻为基准,需要对FPGA内部产生的测距时刻与时频单元产生的测距时刻进行同步处理。文章提出一种采用伪码锁相跟踪测量的测距修正方法,用FPGA的工作时钟去采样跟踪时频单元10.23MHz时钟,最终输出测距时刻脉冲和相位差,其中测距时刻脉冲用于采样测距信号,而相位差则转换为时间差用于对测距结果进行修正。经理论分析、仿真及FPGA验证,结果表明:此方法可以实现两个异步时钟测距时刻的高精度同步,测量精度高可达皮秒量级,且实现简单,占用FPGA资源较少。     

基于双向测距的伪卫星网络高精度时钟同步方法研究

针对室内高精度定位中伪卫星网络的时钟同步问题,提出利用SCPA系统双向测距技术,基于卡尔曼滤波估计算法,实现伪卫星间时钟高精度同步的方法,并仿真验证了该方法的正确性,同步精度平均可达0.003ns。     

卫星星地时差测量监控方法研究

卫星的正常运行和应用依赖于卫星时钟与地面时钟的精确同步,精确测量星地时差是确保星地时间校正准确性的关键。针对非相干扩频体制,采用基于遥测帧星时与测距时延以及基于测距下行测量帧星时与测距时延两种方法进行星地时差测量监控,能够支持综合测试和在轨运行的星地时差测量工作。     

基于1553B总线的卫星星时同步方法

目前卫星的绝对时间由GPS提供,并通过总线广播的方式将时间信息码发送给各卫星载荷分系统,但各载荷收到时间信息进行相应的处理后都会有一定的延时,所以需要对卫星系统进行时间同步。卫星通常使用的星上时间同步方式为GPS秒脉冲和时间信息广播相结合的方法,但此方法需要占用一定的硬件资源。为了节省硬件资源,并保证卫星星时同步的精度,文章提出基于1553B总线卫星星时同步的方法,使用同步方式字命令和时间信息广播相配合,卫星载荷利用1553B总线控制芯片内部时间标记寄存器计时,计算软件处理延时,降低系统随机误差,进而实现星时同步。经过仿真和测试验证,表明该方法可以将系统时间同步随机误差降低到100?s。该方法采用软件实现,卫星无需提供GPS秒脉冲,节省硬件资源,降低成本,适用于时间同步要求精度高、未对载荷分系统提供GPS秒脉冲的卫星系统。     

基于Proximity-1协议的星间测距与时间同步技术研究

卫星之间信息交互、星间相对测距及时间同步是卫星星座与编队卫星飞行任务的关键技术。文章利用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)Proximity-1协议中给出的时间业务,提出了一种非相干双向测距/时间同步方法,在星间信息传输的同时完成星间高精度测距,并详细给出了算法的计算公式推导和模型误差分析,理论分析和实验仿真结果表明:文章提出的方法具有较高的测距/时间同步精度,且功能集成度高,可为星间链路的建设提供技术支持。     

SpaceWire光纤总线时钟同步方法研究

将SpaceWire ECSS-E-50-12C标准中基于Time-Code时间分发的同步方式应用于SpaceWire光纤总线系统中时,存在计时精度不高且计时长度短、延时误差不可控、频率偏差无法补偿的问题,不能满足纳秒级的时钟同步需求。针对以上问题,提出了使用从节点的本地时钟计数、时间戳计算平均延时、以及根据时钟频率偏差调整动态时钟计数的方法,消除时钟同步过程中时钟延时、抖动和频率漂移的影响,提高时钟同步精度。通过仿真验证,在光纤总线系统主节点和从节点的时钟频率不同,传输延时为80ns,延时抖动为8ns,且同步间隙为100μs的情况下,优化后的时钟同步精度达到了从100μs到24ns的提升。     

基于GNSS的通信星座系统的时间同步研究

为近地通信卫星星座系统提出一个将星座各星上时钟同步到地面系统时钟的新技术方案,以GNSS导航系统时钟作为高精度、高稳定的时间基准,利用地面站和星座星上的GNSS接收机基于定位原理测得各自时钟相对于GNSS系统时钟的时差量（秒脉冲相位差）,进一步得出各星时钟相对于地面系统时钟的时差观测量。每个星上时间管理单元利用一个Kalman滤波器估计星地时差模型参数,周期性更新星上时差预报,并据此估计秒脉冲调相时机,以及按照最小调相残差原则估算的调相幅值,并令PPS发生器完成相关调相操作。还设计了上述时统方案在一个典型Walker（24/3/1）星座中的应用研究,并开展了数学仿真和半物理仿真。文章还设计了一个半实物仿真方案,通过数学仿真和半物理仿真,表明该时统方法可将星地秒脉冲相位差自动控制在指定误差范围内,证实其在近地通信卫星星座系统全网时间同步任务中应用的可能性和有效性。     

北斗2导航卫星星间测距与时间同步技术

针对北斗2导航卫星之间通过星间链路进行距离测量和时间同步以实现星座自主导航功能,提出了一种动态环境下基于伪码高精度距离测量和时间同步技术.它根据狭义相对论中光速不变基本原理,扩展了静态环境下双向测距和时间同步(Two-Way Ranging and Time Transmit,TWRTT)技术,使之适用于北斗2导航卫星这样的动态环境之下.理论、仿真以及工程可实现性分析表明:利用该技术,北斗2导航卫星星间测距精度可达厘米级,时间同步精度优于1ns.     

同步与数据缓冲系统的同步定时器

同步定时器是ＣＤＡＳＳ／ＤＢ系统的重要部件。它用高精度数字锁相环，精确地恢复地球同步气象卫星采集的原始云图数据的同步基准信息。数字锁相环由用高速器件组成的相位比较器和用计算机软件实现的滤波器构成，采用标准频率计数方式，完成对模拟太阳（ＳＰ）和数字太阳（ＳＳＤ）的锁相及卫星上时钟频率测量等任务。     

基于码元同步环路的激光测距通信一体化算法优化研究

精密测距与高速通信一体化技术已发展成为星间激光链路的主要研究方向之一。为了探究基于空间激光通信系统的通信解调算法对测距性能的影响机理，根据现有的激光通信系统架构，分析了测距通信一体化系统的工作原理，搭建了基于码元同步的激光测距通信一体化系统模型，分析了基于Gardner同步环路信号跟踪系统的测距精度，并对鉴相算法进行了优化。理论和仿真证明，优化后的码元同步环能够同时实现码元同步判决和距离解算，并得到了4 dB的噪声容忍度提升，其测距方差主要与基带成型滤波参数、环路带宽、载噪比以及鉴相增益等因素有关。该算法简洁，不受载波相位影响，对高阶调制具有良好的兼容性，适用于空间激光链路系统，丰富了测距通信一体化理论，为后续一体化系统设计提供了仿真依据。     

一种短时猝发GMSK扩频多普勒估计算法研究

多普勒估计是猝发传输背景下的GMSK (Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,高斯最小频移键控)扩频通信系统接收端同步过程中的关键一环。针对短时猝发GMSK扩频通信系统信息传输时间极短的特点,搭建了系统接收端同步段结构,并以此为基础设计了适应该短时猝发同步段结构的多普勒估计算法,建立了短时猝发多普勒估计算法模型,推导该算法公式的同时对算法模型进行了理论分析,详细阐述了该算法进行多普勒估计的实现过程,并对该算法进行仿真实验。实验结果表明,该算法在信噪比为1 dB时,多普勒估计准确度可达到97.2%,信噪比≥3 dB时,准确度均能在99%及以上,该结果验证了该算法应用在猝发传输背景下的GMSK扩频通信系统中的有效性、可行性,同时也表明当通信系统处于弱信号的条件下时,该多普勒估计算法性能依然能达到一个较为优异的准确度值。     

高动态跳频信号时钟同步设计与实现

由于跳频信号各跳之间的符号速率和符号数量不一致,特别是低速跳只含少量符号,导致时钟误差提取困难。针对高动态下的跳频信号时钟同步难题,提出基于频偏估计的钟偏反馈调整方法。该方法通过同步序列进行频率估计和钟偏估计,并结合反馈方法调整钟偏和时钟跟踪,实现了高精度时钟同步。仿真结果表明：该方法适应飞行速度7.9 km/s、加速度0.2 km/s²的超高动态,定时同步性能优越,定时精度满足高速跳频信号解调要求,且解调损失小于0.1 dB。     

星地动态双向时间同步与测距算法

针对卫星运动对星地距离和钟差测量的不利影响,提出一种基于最小二乘拟合的星地动态双向时间同步与测距算法。在建立星地可视模型基础上,仿真了MEO运动卫星与地面时间同步站之间星地距离的变化规律,分析了卫星运动对星地双向时间同步与测距的主要不利影响。该算法首先利用星地双向时间同步数据分别生成星地距离和钟差拟合多项式,然后联合求解出运动卫星误差最小的星地距离与钟差。实验结果表明了该算法的合理性和科学性,在包含仿真误差的条件下,其时间同步精度优于3ns,测距精度优于3m。将其应用到各种空天应用系统的星地时间同步与测距中,可以消除卫星运动对双向时间同步与测距的不利影响,提高时间同步与测距精度。     

无人船数据链SC-FDE突发信号载波同步方法

设计了一种适用于无人船组网数据链的SC-FDE突发通信时隙的帧结构,通过计算前导序列和独特字(UW)序列的自相关函数,调整差分相关长度,提出一种适用于多模式帧结构的载波同步方法。最后,通过仿真评估了所提出算法在不同条件下的有效频偏估计范围、频偏估计精度等性能,为算法工程实现的主要设计参数提供参考。     

一种基于脉冲前导的数字相控阵距离校零方法

数字相控阵设备使用了高速AD、FPGA等大量数字器件，每次设备上电重启后，数字器件频率参考时钟的初始相位存在随机性，由此带来的时延抖动导致设备距离零值发生变化。在工程应用中，一般会在每次设备上电重启后实施一次系统校零，以确保测距零值的正确性，但这一处理无疑增加了系统工作的复杂性。提出了一种通过添加前导脉冲控制实现固定传输时延的方法，采用该方法后无需每次上电重复实施系统校零，简化了设备使用模式。仿真测试结果和工程实践验证了方法的有效性。     

星钟和星历误差分离的广域差分新方法

针对WAAS等传统的广域差分方法存在DOP值太大和要求基准站时 间严格同步等问题,提出了星钟和星历误差相对分离的广域差分新方法。提出的相对分离理 论包括以所有卫星的广播星历为基准的星钟误差的相对分离,以各卫星星钟误差相对分离结 果为基准的相对星历误差分离和固定偏差的星钟二次修正三部分,其可简单归纳为星钟-星 历-星钟的修正思路。这种方法除无需基准站同步外,用户定位比WAAS准。理论论证和算例 仿真证明这种理论是科学的,对建设各种卫星导航系统的差分增强系统均是适用的。     

利用GPS非差观测值的GRACE卫星精密定轨

参照GPS精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）模型设计了一种新的卫星定轨方法一组合星载加速度计测量数据和IGS提供的GPS精密星历及精密钟差数据进行低轨卫星的精密定轨。利用星载加速度计提高卫星受力模型准确性，使动力法定轨精度和可靠性都得到提升。同时，采用多种改正技术提高GPS非差观测值测量精度，保证最终高精度卫星定轨。本文建立了卫星定轨的轨道滤波模型，得出了有益的结论，即采用星载加速度计测量卫星非保守力可提高卫星定轨精度，在ITRF2000参考系下三轴精度优于18cm。这种方法不需要在全球建市基准观测站．定轨设备简单．费用低廉．