[发明专利]一种星地精密时间同步及载波相位周跳探测方法

说明书

本发明提供了一种星地精密时间同步及载波相位周跳探测方法，采用单上行和双下行三条微波链路的组合方式实现地面站和低轨航天器间的载波相位测量和伪距测量；然后进行周跳探测，包括三频组合周跳探测和MW组合周跳探测；将三频组合周跳探测和MW组合周跳探测确定的周跳历元组合整理，确实数据中所有的周跳历元；根据联立三组线性无关的检验量方程，对周跳进行解算，在相位观测值中修复周跳；基于载波相位测量实现双向时间同步，最后求钟差拟合残差的RMS值，以RMS值评估其双向时间同步性能，实现了高精度星地双向时间同步。

技术领域

本发明属于时频技术及空间技术，主要适用于高动态环境下航天器与地面之间实现精密时间同步。

背景技术

常用的远距离时间频率传递方法主要有双向时差测量及时间同步法、单向时间同步法、倒定位法以及激光测距法。这些方法各有特点，其中双向时差测量及时间同步法可以实现较高的时间同步精度。吕宏春等人在“星间链路体制下的星地双向时间同步方法”一文中分析了星间链路体制下的星地双向时间同步精度，其1周、1天和1小时钟差拟合精度分别能够达到3.42ns、0.30ns和0.15ns。而随着空间时间频率基准的精度越来越高，需要传递精度与之匹配的空间时频传递技术及时间同步精度作为其应用支撑，目前基于伪码的时间频率传递和同步方法均无法满足对高精度的时间频率基准的应用，郭燕铭等人在其专利“一种基于三频模式的高精度星地时间比对系统及方法”中提出了一种基于伪码的三频模式高精度星地时间比对系统，但是基于伪码的时间比对仍然不能满足测量精度的要求。

传统的载波相位周跳探测与修复方法都是针对由航天器向地面站发射的下行观测数据，其中主要包括单频下行数据、双频下行数据和三频下行数据，姚一飞等人在其“北斗三频载波观测值的周跳实时探测与修复”一文中提出了利用伪距相位组合和无几何相位组合实现北斗三频载波相位观测值的周跳实时探测与修复，张成军等人在其“对伪距/相位组合量探测与修复周跳算法的改进”一文实现了对伪距相位组合量探测与修复周跳算法的改进。以上传统的周跳探测与修复方法只适用于下行数据，在单上行双下行的三频模式中缺少对上行数据的预处理，传统的周跳探测与修复方法中对于单频的处理精度也相对较低，且对小周跳的探测不敏感，如将三频模式中的单上行和双下行分开处理，无法保证每条链路的周跳都被探测出，且需要多组合探测过程反锁，从而无法得到高精度的载波相位数据。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于载波相位测量的双向精密时间同步及载波相位周跳探测与修复方法，满足测量精度的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)低轨航天器和地面站分别向对方发射不同频率的微波信号，采用单上行和双下行三条微波链路的组合方式实现地面站和低轨航天器间的载波相位测量和伪距测量，获得单上行f_GS的载波相位观测值、伪距观测值以及双下行f_SG1和f_SG2的载波相位观测值、伪距观测值；

2)进行周跳探测，包括三频组合周跳探测和MW组合周跳探测；

三频组合周跳探测时，将双下行码伪距、载波相位伪距与对应上行伪距相减，得到作差后的组合观测方程，将相位减伪距得到只保留电离层误差、整周模糊度和残差的组合观测量，再将所述的组合观测量历元间作差，得到对应的检验量

其中，λ为载波波长，N为整周模糊度，Δ为历元间作差导致的电离层误差残差、整周模糊度，为载波相位观测值，SG1、SG2和GS下标分别表示下行双频及上行单频对应微波链路，t表示历元；

检验量大于设定阈值则认为历元t到历元t+1发生了周跳，反之，则没有发生周跳；

MW组合周跳探测时，建立MW组合观测方程