基于GNSS的通信星座系統(tǒng)的時(shí)間同步研究

黃 琳 馬文杰 李國(guó)軍 霍德聰 蒙 薇 楊 芳

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

1 引言

2 基于GNSS的通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)技術(shù)方案

全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)是衛(wèi)星星座系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。就同步內(nèi)容而言,對(duì)不同時(shí)鐘的秒脈沖相位差進(jìn)行調(diào)整是一個(gè)物理過(guò)程,稱為物理同步;若不進(jìn)行相位差調(diào)整,而只是廣播相位差以使有關(guān)部分進(jìn)行同步則是一個(gè)數(shù)學(xué)過(guò)程,稱為數(shù)學(xué)同步。物理同步和數(shù)學(xué)同步構(gòu)成了時(shí)間同步的兩大基本內(nèi)容[1]。與導(dǎo)航星座系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注星間數(shù)學(xué)同步[2-3]的情況不同,本文更關(guān)注通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)的空間段與地面段的時(shí)間同步問(wèn)題,即,各星上時(shí)鐘與地面系統(tǒng)時(shí)鐘的秒脈沖相位同步。

當(dāng)前,國(guó)外著名的通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)的星地時(shí)間同步處理,基本上都依賴全球布設(shè)的地面站系統(tǒng)來(lái)完成。比如,具有星間鏈路的銥星(Iridium)系統(tǒng)有11個(gè)全球分布的地面站;不具有星間鏈路的全球星(Globalstar)系統(tǒng)需要300 多個(gè)地面站。然而,由于我國(guó)地面站的分布區(qū)域有限,地面站只能在衛(wèi)星過(guò)境的短時(shí)期內(nèi)觀測(cè)到星地時(shí)差,為了實(shí)現(xiàn)高精度同步,必然對(duì)硬件性能(比如,時(shí)鐘)和星地時(shí)差預(yù)報(bào)模型的估計(jì)精度提出過(guò)高要求,從而導(dǎo)致星座系統(tǒng)總成本和工程實(shí)現(xiàn)的困難程度大大上升。顯然,這種以地面站介入控制為主的時(shí)統(tǒng)方法不太適合我國(guó)的星座系統(tǒng)的星地時(shí)間同步處理。

為了提高星座系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)操作的可靠性,且考慮到當(dāng)前絕大多數(shù)衛(wèi)星都裝備某種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)(比如GPS 或GLONASS)接收機(jī),因此,基于GNSS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)星座系統(tǒng)的時(shí)間同步是一個(gè)可能選擇。比如,G PS系統(tǒng)作為一個(gè)高精度、高穩(wěn)定度時(shí)間基準(zhǔn),已成功用于相距數(shù)千千米之遙的地面站間時(shí)鐘同步[4]。本文將引入星上時(shí)間管理單元自主完成星地時(shí)統(tǒng)處理的思想,提出一個(gè)基于GNSS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近地全球通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)全網(wǎng)星地同步的技術(shù)方案,重點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)半實(shí)物仿真方案,并利用數(shù)學(xué)、半物理仿真對(duì)該技術(shù)方案的正確性與可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 方案概述與時(shí)統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

時(shí)統(tǒng)方案主要內(nèi)容包括:地面站和各星座星上的GNSS 接收機(jī)每隔一定周期測(cè)得地面系統(tǒng)時(shí)鐘、各星上時(shí)鐘相對(duì)于GNSS系統(tǒng)時(shí)鐘的相位差。而地面系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量經(jīng)過(guò)星地、星間鏈路,被發(fā)送給任一星上時(shí)間管理單元,并與各星座星上測(cè)得的時(shí)差量一起進(jìn)行折算,得到各星時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量。各星上時(shí)間管理單元中的卡爾曼濾波器(KF),周期性估計(jì)出星地時(shí)差預(yù)報(bào)模型中的幾個(gè)變量(時(shí)差量、頻差和頻漂率)、并周期性利用新估計(jì)結(jié)果替換掉時(shí)差預(yù)報(bào)模型的原有變量估計(jì)。同時(shí),時(shí)間管理單元基于星上時(shí)差預(yù)報(bào)模型進(jìn)行時(shí)差廣播,并進(jìn)行自主調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷,若調(diào)相時(shí)機(jī)到來(lái),則自動(dòng)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)秒脈沖發(fā)生器進(jìn)行相應(yīng)相位差的調(diào)整,從而將各星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的秒脈沖相位差控制在同步指標(biāo)要求的范圍內(nèi)?？梢?該星座時(shí)統(tǒng)技術(shù)方案具有很大程度上的自主性。

星上時(shí)間管理單元自主時(shí)統(tǒng)處理的關(guān)鍵,在于時(shí)間管理單元具備準(zhǔn)確跟蹤真實(shí)的星地時(shí)差Δαk變化趨勢(shì)的能力,星上采用如下二次模型來(lái)跟蹤真實(shí)星地時(shí)差的時(shí)變趨勢(shì)[5]。

其中,Δα0表示起始預(yù)報(bào)時(shí)刻t0的星地時(shí)差量;α1和α2分別表示星上時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的頻差和頻漂率估計(jì)值。然而,依據(jù)上述模型對(duì)星地時(shí)差進(jìn)行跟蹤,其跟蹤誤差將隨預(yù)報(bào)時(shí)間間隔tk-t0的增加而快速增加(tk為k個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻)。為了保證長(zhǎng)期準(zhǔn)確跟蹤時(shí)差,需要利用不時(shí)獲得的星地時(shí)差觀測(cè)量,通過(guò)在線估計(jì)器,對(duì)模型變量進(jìn)行在線估計(jì),并周期性地替換原有的模型變量估計(jì)(需要改變起始預(yù)報(bào)時(shí)刻t0)。

2.2 星地時(shí)差觀測(cè)

地面站和星座各星上的GNSS 接收機(jī)(其內(nèi)部時(shí)鐘被屏蔽,實(shí)際采用地面站或星上時(shí)鐘信號(hào))各自測(cè)得地面系統(tǒng)時(shí)鐘、各星上時(shí)鐘相對(duì)于GNSS系統(tǒng)時(shí)鐘的相位差。其原理為GNSS 定位原理[5]

在得到Δαjsys觀測(cè)量之后,記地面系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差為Δα0sys,星座星的時(shí)鐘相對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差為Δαjsys(j =1,2,…,n),則每顆星座星時(shí)鐘相對(duì)地面系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量為

2.3 時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量估計(jì)

時(shí)差模型變量估計(jì)是一個(gè)狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題,其狀態(tài)量為

離散的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為

其中

Δτ表示離散周期;wk表示時(shí)鐘的隨機(jī)過(guò)程噪聲;vk表示隨機(jī)時(shí)差觀測(cè)噪聲;xk表示k時(shí)刻的狀態(tài)量;zk表示k時(shí)刻的觀測(cè)量。

上述狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題通?？捎梦墨I(xiàn)[6]給出的KF 來(lái)解決。

2.4 自主調(diào)相處理

當(dāng)星地秒脈沖相位差滿足如下條件時(shí)

星上時(shí)間管理單元判斷調(diào)相時(shí)機(jī)已到。其中,Δαlim和Δαgate分別稱為調(diào)相指標(biāo)和調(diào)相閾值(其值大小反映調(diào)相的敏感度)。由于當(dāng)前真實(shí)時(shí)差量未知,所以需要利用時(shí)差預(yù)報(bào)量(或估計(jì)量)。

采用名義調(diào)相殘差最小策略,需要調(diào)整的相位差為

其中,f0為時(shí)鐘基頻;round(·)表示按照四舍五入原則取整操作;相應(yīng)的名義調(diào)相殘差為

3 半實(shí)物仿真方案設(shè)計(jì)

3.1 任務(wù)場(chǎng)景設(shè)想

一個(gè)近地通信衛(wèi)星星座,是典型的Walker(24/3/1)星座,衛(wèi)星軌道高度1 000km,并考慮一個(gè)地面站,以10°最低觀測(cè)仰角計(jì)算,該系統(tǒng)可以保障任何時(shí)候都至少有1顆衛(wèi)星在地面站的服務(wù)范圍內(nèi),同軌面內(nèi)的相鄰星間時(shí)刻存在穩(wěn)定持續(xù)的鏈路,而任意兩個(gè)異軌道面之間也有適宜的星間鏈路,因此,該星座系統(tǒng)可以保證星座任意衛(wèi)星與地面站之間處于時(shí)時(shí)刻刻的連通狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)星座系統(tǒng)任務(wù),要求星座各衛(wèi)星與地面站的秒脈沖相位差保持在一定范圍內(nèi)。假設(shè)兩者同步精度要求為100ns。

3.2 半實(shí)物仿真方案設(shè)想

考慮到該時(shí)統(tǒng)方案下星間鏈路不參與星間時(shí)差觀測(cè),而只是將地面GPS時(shí)差觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇匦亲餍l(wèi)星,可以說(shuō),各近地衛(wèi)星的星地時(shí)統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的,因此,對(duì)一顆近地衛(wèi)星的星地時(shí)統(tǒng)進(jìn)行考察,可以在很大程度上反映出整個(gè)近地星座系統(tǒng)的星地時(shí)統(tǒng)能力。考慮到所需硬件成本和數(shù)量的要求很高,本文僅提出一個(gè)半實(shí)物仿真原理方案,如圖1所示。

上述仿真平臺(tái)架構(gòu)方案共包括三部分內(nèi)容。

1)星上(單星)相關(guān)時(shí)統(tǒng)部分:1臺(tái)GPS 接收機(jī)和1臺(tái)時(shí)間管理單元(外接1臺(tái)時(shí)鐘)。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有時(shí)間管理單元數(shù)據(jù)處理能力的不足,利用1臺(tái)工控機(jī)完成時(shí)間管理單元中的時(shí)差數(shù)據(jù)在線處理工作。

2)地上(單地面站)相關(guān)時(shí)統(tǒng)部分:1臺(tái)GPS 接收機(jī)和1臺(tái)時(shí)間管理單元(外接1臺(tái)時(shí)鐘)。同樣,利用1臺(tái)工控機(jī)完成時(shí)間管理單元中的時(shí)差數(shù)據(jù)在線處理工作。

圖1 時(shí)間同步半實(shí)物仿真原理圖Fig.1 Plan of GPS-based time synchronization hardware-in-the-loop simulation

3)輔助部分:1臺(tái)GPS系統(tǒng)仿真器和1 套仿真平臺(tái)供電設(shè)備以及1臺(tái)真實(shí)時(shí)差觀測(cè)設(shè)備。此外,地面工控機(jī)還承擔(dān)仿真管控的作用,也是輔助仿真的設(shè)備之一。

考慮到現(xiàn)有條件,星上和地上所用的GPS 接收機(jī)、時(shí)間管理單元和工控機(jī)都采用了同類型產(chǎn)品,不同之處在于星上時(shí)間管理單元采用外接銣鐘,而地上則外接了更高性能的銫鐘。有關(guān)設(shè)備的配置情況見表1。

根據(jù)原理圖1,將表1所示設(shè)備連接起來(lái)的半實(shí)物仿真平臺(tái)如圖2所示。

表1 仿真設(shè)備Table1 Chosen equipments for the hardwarein-the-loop simulation

圖2 時(shí)間同步半實(shí)物仿真設(shè)備連接圖Fig.2 Hardware-in-the-loop simulation of GPS-based time synchronization

4 半物理仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真設(shè)置

半物理仿真按照?qǐng)D3所示進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。其中,星地秒脈沖同步(調(diào)相)指標(biāo)和調(diào)相閾值分別為

周期設(shè)置:系統(tǒng)仿真周期、時(shí)差觀測(cè)周期、時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量替換周期和時(shí)差預(yù)報(bào)周期皆設(shè)置為4s。

圖3 仿真參數(shù)設(shè)置Fig.3 Parameters set ting of simulation

至于數(shù)學(xué)仿真,還需要仿真出地面站時(shí)鐘相對(duì)GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量,以及星上時(shí)鐘相對(duì)GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差觀測(cè)量。由于真實(shí)參數(shù)和模型未知,根據(jù)星地時(shí)鐘產(chǎn)品的名義性能參數(shù)和GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的大致性能了解,并依據(jù)式(1)所示的簡(jiǎn)單模型仿真出這些時(shí)差觀測(cè)量信息。隨機(jī)觀測(cè)噪聲選擇白噪聲,均方差假設(shè)為50ns。

4.2 仿真結(jié)果與分析

數(shù)學(xué)仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。其中,圖4(上)給出了基于GPS系統(tǒng)的星地時(shí)差觀測(cè)量,受到如圖4(下)所示的100ns 量級(jí)的隨機(jī)觀測(cè)噪聲的干擾影響。圖5(上)給出了在線時(shí)差濾波器的星地秒脈沖相位偏差估計(jì)的誤差,結(jié)果顯然是一致性收斂的,圖5(下)給出了星上時(shí)差預(yù)報(bào)模型的誤差。不難看出,這兩圖趨勢(shì)幾乎一致,原因在于,時(shí)差預(yù)報(bào)模型變量替換周期等于觀測(cè)更新周期,即,每個(gè)更新時(shí)刻的濾波估計(jì)值都用于替換預(yù)報(bào)模型的上一個(gè)參數(shù)估計(jì)。圖6給出了不采用(上)/采用(下)自主調(diào)相措施下的星地秒脈沖相位差。不難看出,若無(wú)自主調(diào)相措施,星地秒脈沖不可能控制在指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。

半實(shí)物仿真給出的星地秒脈沖相位差估計(jì)和觀測(cè)量結(jié)果如圖7所示,可以看出:

1)同數(shù)學(xué)仿真一樣,星地秒脈沖相位差的絕對(duì)值一直被控制在100ns 以內(nèi),這說(shuō)明星上自主時(shí)統(tǒng)處理成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)相時(shí)機(jī)的判斷、調(diào)相量的計(jì)算以及調(diào)相指令的發(fā)送,而時(shí)間管理單元的秒脈沖發(fā)生器也成功地進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

2)星地秒脈沖相位差的觀測(cè)量隨機(jī)分布在線性增長(zhǎng)的真實(shí)相位差附近有限區(qū)域內(nèi),分布區(qū)域大小顯示隨機(jī)觀測(cè)誤差高于100ns(尚不包括無(wú)數(shù)據(jù)輸出的異常情況)。不難理解,單純的星地時(shí)差觀測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤星地秒脈沖相位差,也無(wú)法據(jù)此達(dá)到相位同步指標(biāo)要求。上述結(jié)果反過(guò)來(lái)說(shuō)明,濾波器很好地估計(jì)出真實(shí)相位差及其變化趨勢(shì),故而時(shí)間管理單元才能準(zhǔn)確判斷出自主調(diào)相時(shí)機(jī),計(jì)算調(diào)相量并發(fā)出調(diào)相指令。

3)星上自主時(shí)統(tǒng)處理流程成功實(shí)現(xiàn)了單星的時(shí)統(tǒng)目標(biāo)。由于這種時(shí)統(tǒng)方案下各星同步相對(duì)獨(dú)立,只要星間鏈路能夠發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?本文所提的時(shí)統(tǒng)方法可望實(shí)現(xiàn)整個(gè)星座系統(tǒng)的星地時(shí)統(tǒng)目 標(biāo)。

圖4 星地時(shí)差觀測(cè)量(上)與隨機(jī)觀測(cè)誤差(下)Fig.4 Observations(upper)and random errors(lower)

圖5 時(shí)差估計(jì)(上)與時(shí)差預(yù)報(bào)誤差(下)Fig.5 Estimation errors(upper)and prediction errors(lower)

需要指出的是:

1)半實(shí)物仿真中采用的G PS 仿真器的時(shí)鐘性能相當(dāng)于高穩(wěn)晶振產(chǎn)品,遠(yuǎn)低于地面銫鐘和星上銣鐘的性能,這導(dǎo)致星地相位差的隨機(jī)觀測(cè)誤差大大增大(將近200ns),而實(shí)際的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘相對(duì)仿真中所用的銫鐘和銣鐘來(lái)說(shuō)更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定,故而相位差的觀測(cè)精度將有所提高。換句話說(shuō),半實(shí)物仿真的硬件配置條件相比真實(shí)情況來(lái)說(shuō)更惡劣,但是,這個(gè)自主時(shí)統(tǒng)方案仍然達(dá)到了星地同步指標(biāo)要求。

2)半物理仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)仿真結(jié)果存在一些微小差別,主因在于數(shù)學(xué)仿真對(duì)星/地時(shí)鐘、GPS系統(tǒng)時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置與半實(shí)物仿真中的情況有差別,由于真實(shí)參數(shù)/模型不可精確得知,數(shù)學(xué)仿真采用名義上的參數(shù)和簡(jiǎn)單模型必然存在較大差別。但這兩類仿真結(jié)果都很好地說(shuō)明這套時(shí)統(tǒng)方案的可行性與有效性。

圖6 未校準(zhǔn)的星地秒脈沖偏差(上)與時(shí)統(tǒng)后的偏差(下)Fig.6 Phase errors of PPS before(upper)/after(low er)calibration

圖7 半實(shí)物仿真結(jié)果采樣Fig.7 Phase errors of one satellite PPS relative to the ground PPS

5 結(jié)論

本文為近地衛(wèi)星星座系統(tǒng)提出一個(gè)利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)星地秒脈沖相位同步的時(shí)統(tǒng)方法,并提出一個(gè)半實(shí)物仿真方案對(duì)此加以驗(yàn)證。數(shù)學(xué)仿真與半實(shí)物仿真的結(jié)果都表明,近地衛(wèi)星星座系統(tǒng)基于GPS 類GNSS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的星地時(shí)間同步,證實(shí)了星上時(shí)間管理單元自主時(shí)統(tǒng)處理流程的正確性。

隨著我國(guó)自主研發(fā)的GNSS系統(tǒng)的建立,本文所提出的星座系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)方法可以避免系統(tǒng)安全性方面的隱患,也有望大大降低此類星座系統(tǒng)的維護(hù)成本。

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