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专利名称：一种星座定位模式下标定组合零值的方法
技术领域：
本发明涉及一种星座定位模式下标定组合零值的方法，属于编队飞行器技术领域。
背景技术：
飞行编队星座模式是一种新型的空间组网模式，采用星间链路来进行卫星间的通信，不仅有利于提高星座运作性能、扩大星座探测覆盖空域范围，而且还有利于缩小地面支持系统的规模，大大简化了地面系统的测控以及数传管理。而编队卫星的位置精度和时差精度将是保证星座定位精度的关键。星座模式是一种新型模式，在航天领域中如何实现星座模式下的零值标定，在国内资料较少，在国外也少见报道。现有的系统距离零值标定方法均是对传统的星地测控应 答机以及地面测控站系统进行标定的，此方法不适应于星座模式，星座模式下为了保证时间同步，要求标定距离零值和时差零值。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提出了一种星座定位模式下标定组合零值的方法，该方法不局限于一条星间链路，多条星间链路也能同时标定，对编队飞行的卫星来讲，大大降低了工程难度和复杂性，且标定精度很高，达到纳秒级。本发明的技术方案为一种星座定位模式下标定组合零值的方法，依托于第一卫星、第二卫星和计数器实现，步骤如下一种星座定位模式下标定组合零值的方法，依托于第一卫星、第二卫星、矢量网络分析仪和计数器实现，步骤如下(I)将第一卫星和第二卫星设置为星座有线模式，即在地面上将第一卫星和第二卫星通过电缆连接在一起，第一卫星的发射机与第二卫星的接收机之间形成的通路为前向链路，第二卫星的发射机和第一卫星的接收机之间形成的通路为反向链路；(2)第一卫星和第二卫星均通过电缆连接到计数器；(3)通过矢量网络分析仪对所述前向链路电缆的时延τ &和反向链路电缆的时延τ ba进行标定；(4)通过计数器测量第一卫星和第二卫星的时差At ;(5)通过公式 T1 = τ a' + Tba+T；b+At 和 T2 = τ/ + τ ab+τ a-Δ t 分别计算前向伪距T1和反向伪距T2，其中，T1为前向伪距，即第一卫星的本地钟时间信号与接收到的第二卫星的时间信号的时差；T2为反向伪距，即第二卫星的本地钟时间信号与接收到的第一卫星的时间信号的时差；τ a，τ ' a分别为第一卫星发射机和接收机的时延；τ b，τ ' b分别为第二卫星发射机和接收机的时延；(6)通过公式Z1 = T1- Tba-At和Z2 = T2- τ ab+ Δ t分别计算前向零值Z1和反向零值Z2 ；(7)通过公式Λ = [ Τ^+Τ2^Ζι-Ζ2 ]xC和 ’ =分别计算链路时延理
论值R和时差理论值AC ；(8)判断τΛ = R和At = At'是否均成立,若均成立,则组合零值的标定有效；否则返回步骤(3)从新进行。
所述步骤⑴中前向链路的电缆长度和反向链路的电缆长度相同，步骤(2)中第一卫星连接到计数器的电缆长度和第二卫星连接到计数器的电缆长度相同。发明与现有技术相比的优点在于(I)星座模式不同于星地模式，一旦星座确定以后，将有星间链路组合零值唯一的特性，而本发明避免了对单颗卫星的组合零值进行标定，实现了将星间链路的组合零值进行一次性标定。(2)通过测量前向零值与反向零值，一次性计算出组合零值，无需对星间的距离零值与时差零值进行单独标定，这使得星座模式，尤其是对卫星较多的星座模式，大大的简化了零值标定的复杂性，降低了标定的难度。(3)对组合零值进行上注后，只需将计数器与星间测量出时差的进行直接比较即可得出标定的准确性，同样，将星间电缆的距离与星间测量的距离进行比较即可得距离零值的准确性，不需要进行别的任何复杂运算，这样也将系统误差的降到最低。(4)可以在有线模式下标定，也可以在无线模式下标定，无线模式为最终的状态，可以将有线模式标定作为基础，然后将空间以及天线等进行时延测试后，拟合到有线里面去，与无线直接测试进行比较，消除了测试的误差，提高准确度。


图I星间距离和时差得测量原理示意图；图2两颗卫星组成的星座模式的有线设备连接框图；图3两颗卫星组成的星座模式下的有线设备零值标定连接框图；图4为本发明流程图。
具体实施例方式我们先来介绍一下星间距离与时差的测量原理，如图2、图3所示，参加编队的卫星均有铷钟与时间管理单元，时间管理单元输出秒脉冲(Ipps)，时间管理单元的输出IOMHz为系统各设备的基准频率，第一卫星(A星)与第二卫星(B星)的时差定义为两星的卫星时间管理单元输出秒脉冲前沿之间的时差。星间信号采用双向伪码测距技术，利用测控扩频码作为测距码，利用双向法解算星间距离与钟差。伪码测距不仅具有很高的测距精度，由于其连续性，可确保测距的实时性和实时对测距原始观测量进行平滑处理计算。双向法的基本原理为参加比对的A星和B星分别利用各自的设备发送定时信号，并接收来自对方的定时信号。如图4所示，本发明提供了一种星座定位模式下标定组合零值的方法，依托于第一卫星、第二卫星和计数器实现，步骤如下
(I)将第一卫星和第二卫星设置为星座有线模式，即在地面上将第一卫星和第二卫星通过电缆连接在一起，第一卫星的发射机与第二卫星的接收机之间形成的通路为前向链路，第二卫星的发射机和第一卫星的接收机之间形成的通路为反向链路；前向链路的电缆长度和反向链路的电缆长度相同，(2)第一卫星和第二卫星均通过电缆连接到计数器；第一卫星连接到计数器的电缆长度和第二卫星连接到计数器的电缆长度相同；如图I所示，设A星测量的本地钟定时信号和接收的B星定时信号的时差为T1, B星测量的本地钟定时信号和接收的A星定时信号的时差为T2，T1和T2分别为前向伪距和反向伪距，A星和B星两地钟的时差(钟差)为At，可以得出T1 = τ a' + τ ba+ τ b+ Δ t (I)T2 = τ/ + τ ab+ τ a- Δ t (2) 式中，τ a，τ ' a——分别为A星发射设备(发射机)和接收设备(接收机)的时延；τ,, τ ^ b——分别为B星发射设备(发射机)和接收设备(接收机)的时延；τ ab——有线连接时表示由A星发射设备与到B星接收设备的有线连接的时延，无线连接时表示由A星发射天线到B星接收天线的传播时延；τ ba——有线连接时表示由B星发射设备与到A星接收设备的有线连接的时延，无线连接时表示由B星发射天线到A星接收天线的传播时延；T1——A星测量的本地钟时间信号与接收到B星时间信号的时差；T2——B星测量的本地钟时间信号与接收到A星时间信号的时差。由公式
(1)-(2)得T1-T2 = 2 Δ t+( τ b-τ a) + ( τ : -τ/ ) + ( τ ba- τ ab)(3)At = [(T「T2) + ( τ a-Tb) + ( τ/ - τ J ) + ( τ ab_ τ J ]/2(4)完成步骤(2)之后，接下来步骤为(3)通过矢量网络分析仪对所述前向链路电缆的时延Tab和反向链路电缆的时延Tba进行标定；由于前向链路电缆的长度和反向链路电缆的长度相同，因此，τΛ几乎与Tba相等，误差可以忽略不计；(4)通过计数器测量第一卫星和第二卫星的时差Λ t ；(5)通过公式 T1 = τ a' + τ ba+τ b+Λ T 和 T2 = τ b' + τ ab+τ a-Δ t 分别计算前向伪距T1和反向伪距T2，其中，&为前向伪距，即第一卫星的本地钟时间信号与接收到的第二卫星的时间信号的时差；t2为反向伪距，即第二卫星的本地钟时间信号与接收到的第一卫星的时间信号的时差；τ a，τ ' a分别为第一卫星发射机和接收机的时延；τ b，τ ' b分别为第二卫星发射机和接收机的时延；当A星和B星在同一时刻发射定时信号，由于经过相同的有线距离长度或相同的空间传播路径，因为传播时间接近、信号频率接近，其差值很小，可以近似相等，即Tab =Tba，则有At' = [ (T1-T2)+ ( τ a- τ b) + ( τ / - τ J )]/2(5)At'为时差理论值，事实上当卫星之间具有相对径向运动时，Tab Tba0当两个卫星上的时标信号能够调整到比较接近同时的程度时，误差可忽略。在星间的双向链路建立以后，进行首次时间比对，用所得的钟差测量值进行时标调整作为初始预同步，预同步后进行的钟差测量精度可满足精度要求。链路时延理论值R(星间距离)可得出R = Tab= Vba = [ ψΛ^Ι ψ^Ι ]C(6)由上面可知，整个星间链路要标定的距离和时差零值就是要把星上设备的时延组合即(τ a-τ b) + ( τ ' b- τ ' a)、( τ a+τ b+τ : + τ / )能够有效且精确测定，即可以得出星间距离与时差的精确值，但星间链路设备进行各设备分段标定容易混入各种误差，且有些无法直接测量，因此本文给出了一种组合零值标定方法，即通过运算直接标出星间距离零值与时差零值的组合零值，我们称组合零值为前向零值与反向零值，不分别对距离零值与时差零值进行单独标校。分析上面的结果可以看出，我们将A星到B星的组合零值叫前向零值Z1, B星到A星的组合零值叫反向零值Z2，从上面的公式我们可以推导出Z1= Tb+ τ ^ = T1-Tba-At (7) Z2 = τ a+ τ / = T2- τ ab+ Δ t (8)式中，Z1-----A星到B星的组合零值叫前向零值；Z2-----B星到A星的组合零值叫反向零值；τ ab-----由A星到B星的传播时延，与τ ba相等，已知；τ ba-----由B星到A星的传播时延，与τ ab相等；已知Δ t——为星间实时时差，仪器可直接测得，已知；T1-----与前面定义相同，这里为已知参数；T2-----与前面定义相同，这里为已知参数。由上面结果可以看出，前向组合零值Zl和反向组合零值Z2可通过两颗星测量的伪距T1和T2，由遥测或地面处理仪器进行计算获得；星间距离Tab，Tba可提前通道矢量网络分析仪进行标定传输时延，且两者相等；高精度技术器可以直接测量出的A、B之间的实时钟差At，然后利用公式(7)、(8)直接求出其组合零值，不用分别对时差零值和距离零值进行分别标定，大大简化的标校的复杂性，这种标定方法为零值标定的一种新方法。下面是总结出的步骤(5)计算出伪距之后的步骤(6)根据前面步骤计算出的伪距、时差和电缆时延通过公式Z1 = τ b+ τ : = Τ「τ ba_ Δ t 和 Z2 = τ + τ h' = T2- τ ab+ Δ t 分别计算前向零值Z1和反向零值Z2 ；(7)在式中 T1 = τ J + τ ba+τ b+Δ t 和 R2 = τ / + τ ab+τ a-Δ t 中减去组合零值Z1和Z2，这样前向和反向组合零值得到了抵消，得到T1' =T1-Z1= Tba+At和T2' = T2-Z2=τ ab_At，这样经过上面两个式子相加和相减可以推导出及=U=r4a]C和 At' =[(T/ -T2' )]/2, R 为链路时延理论值，At'为时差理论值；因此，该步骤即为通过公式= []XC和^ = S_Zl ;K土忑分别计
算链路时延理论值R和时差理论值At'；(8)将标定后的星间链路系统零值Z1和Z2进行上注后，判断比较矢量网络分析仪标定的Tab(步骤(3)中得到的)是否与链路时延理论值R相等，同时判断计数器测量的At(步骤(4)中得到的)是否与时差理论值At'相等，若均相等，则组合零值的标定有效；否则返回步骤(3)从新进行。 用本发明方法可对其他星间链路状态进行标定，标定的方法同上；对于多颗卫星星间链路，也可以利用上面的方式进行标定。因此上述方法实际是一种通用的零值组合标定法，能有效验证星间链路的零值有效性。本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1.ー种星座定位模式下标定组合零值的方法，依托于第一卫星、第二卫星、矢量网络分析仪和计数器实现，其特征在于步骤如下 (1)将第一卫星和第二卫星设置为星座有线模式，即在地面上将第一卫星和第二卫星通过电缆连接在一起，第一卫星的发射机与第二卫星的接收机之间形成的通路为前向链路，第二卫星的发射机和第一卫星的接收机之间形成的通路为反向链路； (2)第一卫星和第二卫星均通过电缆连接到计数器； (3)通过矢量网络分析仪对所述前向链路电缆的时延τΛ和反向链路电缆的时延Tba进行标定； (4)通过计数器測量第一卫星和第二卫星的时差At; (5)通过公式T1= τ ノ + Tba+T；b+At和T2 = τ/ + τ ab+τ a-Δ t分别计算前向伪距T1和反向伪距T2，其中，T1为前向伪距，即第一卫星的本地钟时间信号与接收到的第二卫星的时间信号的时差；T2为反向伪距，即第二卫星的本地钟时间信号与接收到的第一卫星的时间信号的时差；τ a，τ ' a分别为第一卫星发射机和接收机的时延；τ b，τ ' b分别为第ニ卫星发射机和接收机的时延； (6)通过公式Z1= T1-Tba-At和Z2 = T2-Tab+At分别计算前向零值Z1和反向零值Z2 ； (7)通过公式
2.根据权利要求I所述的ー种星座定位模式下标定组合零值的方法，其特征在于所述步骤(I)中前向链路的电缆长度和反向链路的电缆长度相同。
3.根据权利要求I所述的ー种星座定位模式下标定组合零值的方法，其特征在于步骤(2)中第一卫星连接到计数器的电缆长度和第二卫星连接到计数器的电缆长度相同。
全文摘要
一种星座定位模式下标定组合零值的方法，在传统的距离零值和时差零值进行分别标定的基础上，提出了一种新的标定方法，即组合零值的标定方法，此方法不用任何复杂的地面辅助设备，且有线状态和无线状态均能使用，利用此方法可一次性标定距离和时差零值，并且利于检查标定的准确性，标定的精度很高，这种简单的标定方法大大降低了的复杂性，提高了效率，且不仅适用于两颗卫星的零值标定，对于多颗卫星的零值标定也同样简单可行，且能同时标定，因此是一种实用且有效的标定方法。
文档编号G01S19/03GK102854515SQ201210095989
公开日2013年1月2日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者张美婷, 贾涛, 陶成华, 李红宝, 严林, 钟兴旺, 习清伶, 刘勇 申请人:航天东方红卫星有限公司