卫星系统的定位定时技术

定位定时技术是远距离时间同步的一个有效途径，尤其对卫星星座系统更是如此。GPS系统的时间同步、星历测量、用户定位和用户授时主要依赖的就是此技术。文章对卫星系统的定位定时远距离时间同步技术的基本原理作了简单介绍，探讨了此项技术实现的关键及其应用价值。可为我国卫星星座系统的建立提供借鉴。     

定时用户的时间获取技术

随着现代军事技术和民用通信技术的发展，有越来越多的用户需要得到高精度的时间信息。卫星系统为这些用户提供了便捷的途径，特别是卫星导航定位系统在对用户的高精度授时和定时方面发挥了重要的作用。本文系统叙述授时时频系统的基本概况和定时用户获取时间的基本技术，并又探讨了提高时间精度的主要方法。文章力争能为定时用户选择时间获取途径提供一些参考思路。     

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。     

星地双向时间比对技术中伪距及其时刻的处理方法

导航卫星的星地时间同步技术是导航卫星的核心技术之一。文章在论述GPS时间同步的基础上,讨论了星地同步的各种方法;重点论述建立在星地双向比对基础上的时间同步技术,对其重点进行论述;并根据实际需要建立了比较理想的星地测距模型,并给出各种模型下卫星和地面伪距值及其时刻的获取方法;讨论了不同模型之间的差异,并给出不同模型的使用建议及结论。     

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。     

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。     

应用网络时间协议的卫星综合测试时间同步系统

针对广域网环境下卫星综合测试系统存在的测试设备之间时间不同步问题,提出应用网络时间协议(NTP)构建卫星综合测试时间同步系统。该系统以NTP作为时间同步协议,以GPS或"北斗"导航设备终端作为高精度时间源,以用户数据包协议(UDP)组播形式实现同网段内各测试设备之间的时间同步,以uDP客户机/服务器形式实现跨网段测试设备之间的时间同步。文章提出的时间同步系统,可解决广域网卫星综合测试系统时间不同步问题,也能满足综合测试系统对时间精度的要求。     

基于自适应动态平差的导航星座自主时间同步方法

基于近代平差理论系统地讨论导航星座的自主时间同步问题,建立了自主时间同步的空间自由网平差模型,提出基于星间双向测距链路和原子钟模型的自适应动态平差算法。该算法对污染测量值采用抗差M估计,而对各卫星钟差模型采用不同的自适应因子调节。给出了简要的理论分析和关键的仿真技术。结果表明,该算法能有效地控制观测误差和模型误差的影响,实现星间高精度自主时间同步。     

星座时频测量技术研究

在卫星导航定位、天基无源定位等航天器系统构建中,需要星座具有统一的时间频率 系统,即卫星间实现时间与频率同步。在分析系统对星间时间与频率同步需求的基础上 ,提出了在星间建立双向单程测距链路,利用伪码测量获取的星间伪距、载波测相获取的星 间伪距变化率联合处理出时差、频差的算法,克服了一般双向比对方法中需要不断调整星间 时差的不足,工程实现星间时差测量标准不确定度可优于1 ns,星间基准频差测量标准不确 定度可优于1×10 -11 。
     

航天测量船高精度岸船对时技术

随着航天技术的飞速发展以及新型号航天发射任务对测控系统提出的新要求,采用新技术新方法提高航天测量船的岸船对时精度非常必要。重点介绍卫星双向时间比对技术的基本原理,分析岸船卫星双向时间比对中影响岸船对时精度的主要误差源及其精度,提出实现高精度岸船对时需注意的问题。     

Sagnac效应对星间时间同步的影响

文章介绍了星间双向时间比对原理,分析了Sagnac效应对双向时间同步的影响,推出了地球非旋转坐标系同轨和异轨卫星星间时间同步的Sagnac效应公式,并以静止同步轨道为例,进行了分析计算。结果表明,对于同轨卫星,星间时间同步的Sagnac影响与轨道半径的平方根以及卫星与地心夹角的正弦成正比。     

卫星双向时间频率传递中的Sagnac效应

 结合卫星双向时间频率传递技术,提出了在卫星运动情况下Sagnac效应解决方案。卫星双向时间频率传递技术是基于地球同步卫星进行的。地球同步卫星在各种摄动力的影响下,相对于地面上的某点不是绝对静止的,而是作小幅度日周期性运动。 Sagnac 效应与卫星和地面观测站的位置密切相关,卫星的运动直接导致了 Sagnac 效应也具有日周期变化的特征。使用高精度实测卫星轨道数据对 Sagnac 效应进行计算分析,结果表明：由卫星运动引起的Sagnac效应值具有与卫星运动一致的周日变化规律特征,大小达到几百皮秒的量级,与传统的将同步卫星作为静止点处理相比,提高了Sagnac效应误差的修正精度。该方案对于各种高精度卫星时间比对技术和卫星导航等领域具有重要的应用价值。     

导航星座的自主定位与守时研究

星座自主导航技术能有效地提高导航星座的自主导航能力和星历精度,增强系统的生存能力。分析了基于星间测距信息的星座自主导航方法,推导了星间测距信息的位置与时间的解耦模型与条件,提出首先进行位置更新,然后进行时间更新的解算流程。根据状态方程与量测方程的特点,推导了适合导航星座自主导航解算的分布式卡尔曼滤波算法。并给出了关键的仿真技术。仿真表明：通过双向测距信息,能有效地实现导航星座的自主定位,保持星间高精度的时间同步。
     

卫星双向时间传递中的卫星运动误差研究

对转发卫星运动引入误差进行了研究。推导了卫星双向时间传递中的卫星运动误差模型,用两行轨道根数（TLE）对目前在轨的多颗地球同步轨道卫星（GEO）的运动进行计算。仿真结果显示：GEO卫星的受摄运动导致的卫星运动误差迭数百皮秒,卫星运动规律呈现周日特性,导致1d中不同时刻进行的卫星双向时间传递操作产生不同大小的卫星运动误差。     

利用非GEO卫星进行地面站时间同步研究

根据地球静止轨道（GEO）卫星转发同步信号的双向时间比对法实现站间时间同步的基本原理,提出了利用拟合非GEO卫星转发信号的伪距实现时间同步的新方法。拟合伪距法消除了传播路径延迟和只能使用GEO卫星作为信号转发器的限制,扩大了双向时间比对的应用范围。仿真结果表明：该法有较高的精度,满足工程要求。     

GPS的时频系统

GPS时已经成为目前重要的标准时间，应用于各种各样的系统中，GPS系统优越的定位精度也主要依赖于其完善的时频系统。双星定位通信系统的定位性能受定位体制的限制无法满足需求，建立三维卫星定位系统极为迫切。为了为我国的下一代卫星定位系统提供可借鉴的思路，本文详细叙述了作者对GPS的时频系统的研究结果。     

一种卫星导航时间同步完好性监测算法研究

为更好地对卫星导航系统时间同步进行监测,基于Shewhart算法和CUSUM算法的特点,提出了一种Shewhart-CUSUM组合算法。改变状态转移概率,获得小于CUSUM算法的平均运行长度（ARL）。三种算法的关键性能指标ARL比较和实测数据的验证结果表明：在选择合适的参数后,组合算法能有效检测时间同步数据异常。     

分布式守时架构下的高精度时间比对技术研究

为了实现分布式联合守时系统建立需求,设计了远程时间比对系统,包含卫星共视、卫星双向和光纤双向三种时间比对手段,系统内使用的国产化设备比对精度与进口设备相当,实现了实验室间多手段、高精度钟差测量。使用移动校准站完成了时间比对设备相对零值校准,在相距50 km的实验室间开展长达20天的时间比对,试验结果表明,三种比对手段测量得到两地钟差均值相差小于1 ns,变化趋势相同,变化幅度相近,均可以准确测量得到两地钟差。     

火星全球导航卫星系统

讨论了建立类地行星全球导航定位系统的意义,并对火星全球导航卫星系统星座的布构型进行了初步分析设计.对不同导航星座的覆盖特性与导航定位性能进行了评估,给出了最佳星座设计,它可以作为将来建立火星导航卫星系统的星座设计参考.