基于GNSS的通信星座系統的時間同步研究

黃 琳 馬文杰 李國軍 霍德聰 蒙 薇 楊 芳

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

1 引言

2 基于GNSS的通信衛星星座系統時統技術方案

全網時間同步技術是衛星星座系統的核心技術之一。就同步內容而言,對不同時鐘的秒脈沖相位差進行調整是一個物理過程,稱為物理同步;若不進行相位差調整,而只是廣播相位差以使有關部分進行同步則是一個數學過程,稱為數學同步。物理同步和數學同步構成了時間同步的兩大基本內容[1]。與導航星座系統重點關注星間數學同步[2-3]的情況不同,本文更關注通信衛星星座系統的空間段與地面段的時間同步問題,即,各星上時鐘與地面系統時鐘的秒脈沖相位同步。

當前,國外著名的通信衛星星座系統的星地時間同步處理,基本上都依賴全球布設的地面站系統來完成。比如,具有星間鏈路的銥星(Iridium)系統有11個全球分布的地面站;不具有星間鏈路的全球星(Globalstar)系統需要300 多個地面站。然而,由于我國地面站的分布區域有限,地面站只能在衛星過境的短時期內觀測到星地時差,為了實現高精度同步,必然對硬件性能(比如,時鐘)和星地時差預報模型的估計精度提出過高要求,從而導致星座系統總成本和工程實現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統方法不太適合我國的星座系統的星地時間同步處理。

為了提高星座系統時統操作的可靠性,且考慮到當前絕大多數衛星都裝備某種全球導航衛星系統(GNSS)(比如GPS 或GLONASS)接收機,因此,基于GNSS系統實現星座系統的時間同步是一個可能選擇。比如,G PS系統作為一個高精度、高穩定度時間基準,已成功用于相距數千千米之遙的地面站間時鐘同步[4]。本文將引入星上時間管理單元自主完成星地時統處理的思想,提出一個基于GNSS系統實現近地全球通信衛星星座系統全網星地同步的技術方案,重點設計一個半實物仿真方案,并利用數學、半物理仿真對該技術方案的正確性與可行性進行了驗證。

2.1 方案概述與時統關鍵技術

時統方案主要內容包括:地面站和各星座星上的GNSS 接收機每隔一定周期測得地面系統時鐘、各星上時鐘相對于GNSS系統時鐘的相位差。而地面系統時鐘相對GNSS系統時鐘的時差觀測量經過星地、星間鏈路,被發送給任一星上時間管理單元,并與各星座星上測得的時差量一起進行折算,得到各星時鐘相對地面系統時鐘的時差觀測量。各星上時間管理單元中的卡爾曼濾波器(KF),周期性估計出星地時差預報模型中的幾個變量(時差量、頻差和頻漂率)、并周期性利用新估計結果替換掉時差預報模型的原有變量估計。同時,時間管理單元基于星上時差預報模型進行時差廣播,并進行自主調相時機的判斷,若調相時機到來,則自動發出指令驅動秒脈沖發生器進行相應相位差的調整,從而將各星上時鐘相對地面系統時鐘的秒脈沖相位差控制在同步指標要求的范圍內。可見,該星座時統技術方案具有很大程度上的自主性。

星上時間管理單元自主時統處理的關鍵,在于時間管理單元具備準確跟蹤真實的星地時差Δαk變化趨勢的能力,星上采用如下二次模型來跟蹤真實星地時差的時變趨勢[5]。

其中,Δα0表示起始預報時刻t0的星地時差量;α1和α2分別表示星上時鐘相對地面系統時鐘的頻差和頻漂率估計值。然而,依據上述模型對星地時差進行跟蹤,其跟蹤誤差將隨預報時間間隔tk-t0的增加而快速增加(tk為k個預報時刻)。為了保證長期準確跟蹤時差,需要利用不時獲得的星地時差觀測量,通過在線估計器,對模型變量進行在線估計,并周期性地替換原有的模型變量估計(需要改變起始預報時刻t0)。

2.2 星地時差觀測

地面站和星座各星上的GNSS 接收機(其內部時鐘被屏蔽,實際采用地面站或星上時鐘信號)各自測得地面系統時鐘、各星上時鐘相對于GNSS系統時鐘的相位差。其原理為GNSS 定位原理[5]

在得到Δαjsys觀測量之后,記地面系統時鐘相對GNSS系統時鐘的時差為Δα0sys,星座星的時鐘相對GNSS系統時鐘的時差為Δαjsys(j =1,2,…,n),則每顆星座星時鐘相對地面系統時鐘的時差觀測量為

2.3 時差預報模型變量估計

時差模型變量估計是一個狀態估計問題,其狀態量為

離散的狀態方程和觀測方程為

其中

Δτ表示離散周期;wk表示時鐘的隨機過程噪聲;vk表示隨機時差觀測噪聲;xk表示k時刻的狀態量;zk表示k時刻的觀測量。

上述狀態估計問題通常可用文獻[6]給出的KF 來解決。

2.4 自主調相處理

當星地秒脈沖相位差滿足如下條件時

星上時間管理單元判斷調相時機已到。其中,Δαlim和Δαgate分別稱為調相指標和調相閾值(其值大小反映調相的敏感度)。由于當前真實時差量未知,所以需要利用時差預報量(或估計量)。

采用名義調相殘差最小策略,需要調整的相位差為

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

3 半實物仿真方案設計

3.1 任務場景設想

一個近地通信衛星星座,是典型的Walker(24/3/1)星座,衛星軌道高度1 000km,并考慮一個地面站,以10°最低觀測仰角計算,該系統可以保障任何時候都至少有1顆衛星在地面站的服務范圍內,同軌面內的相鄰星間時刻存在穩定持續的鏈路,而任意兩個異軌道面之間也有適宜的星間鏈路,因此,該星座系統可以保證星座任意衛星與地面站之間處于時時刻刻的連通狀態。為了實現星座系統任務,要求星座各衛星與地面站的秒脈沖相位差保持在一定范圍內。假設兩者同步精度要求為100ns。

3.2 半實物仿真方案設想

考慮到該時統方案下星間鏈路不參與星間時差觀測,而只是將地面GPS時差觀測數據傳輸到近地星座各衛星,可以說,各近地衛星的星地時統是相對獨立的,因此,對一顆近地衛星的星地時統進行考察,可以在很大程度上反映出整個近地星座系統的星地時統能力。考慮到所需硬件成本和數量的要求很高,本文僅提出一個半實物仿真原理方案,如圖1所示。

上述仿真平臺架構方案共包括三部分內容。

1)星上(單星)相關時統部分:1臺GPS 接收機和1臺時間管理單元(外接1臺時鐘)。為了彌補現有時間管理單元數據處理能力的不足,利用1臺工控機完成時間管理單元中的時差數據在線處理工作。

2)地上(單地面站)相關時統部分:1臺GPS 接收機和1臺時間管理單元(外接1臺時鐘)。同樣,利用1臺工控機完成時間管理單元中的時差數據在線處理工作。

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

3)輔助部分:1臺GPS系統仿真器和1 套仿真平臺供電設備以及1臺真實時差觀測設備。此外,地面工控機還承擔仿真管控的作用,也是輔助仿真的設備之一。

考慮到現有條件,星上和地上所用的GPS 接收機、時間管理單元和工控機都采用了同類型產品,不同之處在于星上時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。有關設備的配置情況見表1。

根據原理圖1,將表1所示設備連接起來的半實物仿真平臺如圖2所示。

表1 仿真設備Table1 Chosen equipments for the hardwarein-the-loop simulation

圖2 時間同步半實物仿真設備連接圖Fig.2 Hardware-in-the-loop simulation of GPS-based time synchronization

4 半物理仿真結果與分析

4.1 仿真設置

半物理仿真按照圖3所示進行參數設置。其中,星地秒脈沖同步(調相)指標和調相閾值分別為

周期設置:系統仿真周期、時差觀測周期、時差預報模型變量替換周期和時差預報周期皆設置為4s。

圖3 仿真參數設置Fig.3 Parameters set ting of simulation

至于數學仿真,還需要仿真出地面站時鐘相對GPS系統時鐘的時差觀測量,以及星上時鐘相對GPS系統時鐘的時差觀測量。由于真實參數和模型未知,根據星地時鐘產品的名義性能參數和GPS系統時鐘的大致性能了解,并依據式(1)所示的簡單模型仿真出這些時差觀測量信息。隨機觀測噪聲選擇白噪聲,均方差假設為50ns。

4.2 仿真結果與分析

數學仿真結果如圖4～圖6所示。其中,圖4(上)給出了基于GPS系統的星地時差觀測量,受到如圖4(下)所示的100ns 量級的隨機觀測噪聲的干擾影響。圖5(上)給出了在線時差濾波器的星地秒脈沖相位偏差估計的誤差,結果顯然是一致性收斂的,圖5(下)給出了星上時差預報模型的誤差。不難看出,這兩圖趨勢幾乎一致,原因在于,時差預報模型變量替換周期等于觀測更新周期,即,每個更新時刻的濾波估計值都用于替換預報模型的上一個參數估計。圖6給出了不采用(上)/采用(下)自主調相措施下的星地秒脈沖相位差。不難看出,若無自主調相措施,星地秒脈沖不可能控制在指標要求的范圍內。

半實物仿真給出的星地秒脈沖相位差估計和觀測量結果如圖7所示,可以看出:

1)同數學仿真一樣,星地秒脈沖相位差的絕對值一直被控制在100ns 以內,這說明星上自主時統處理成功實現了對調相時機的判斷、調相量的計算以及調相指令的發送,而時間管理單元的秒脈沖發生器也成功地進行了相應的調整。

2)星地秒脈沖相位差的觀測量隨機分布在線性增長的真實相位差附近有限區域內,分布區域大小顯示隨機觀測誤差高于100ns(尚不包括無數據輸出的異常情況)。不難理解,單純的星地時差觀測無法準確跟蹤星地秒脈沖相位差,也無法據此達到相位同步指標要求。上述結果反過來說明,濾波器很好地估計出真實相位差及其變化趨勢,故而時間管理單元才能準確判斷出自主調相時機,計算調相量并發出調相指令。

3)星上自主時統處理流程成功實現了單星的時統目標。由于這種時統方案下各星同步相對獨立,只要星間鏈路能夠發揮數據傳輸的功能,本文所提的時統方法可望實現整個星座系統的星地時統目 標。

圖4 星地時差觀測量(上)與隨機觀測誤差(下)Fig.4 Observations(upper)and random errors(lower)

圖5 時差估計(上)與時差預報誤差(下)Fig.5 Estimation errors(upper)and prediction errors(lower)

需要指出的是:

1)半實物仿真中采用的G PS 仿真器的時鐘性能相當于高穩晶振產品,遠低于地面銫鐘和星上銣鐘的性能,這導致星地相位差的隨機觀測誤差大大增大(將近200ns),而實際的GPS導航系統時鐘相對仿真中所用的銫鐘和銣鐘來說更準確、更穩定,故而相位差的觀測精度將有所提高。換句話說,半實物仿真的硬件配置條件相比真實情況來說更惡劣,但是,這個自主時統方案仍然達到了星地同步指標要求。

2)半物理仿真結果與數學仿真結果存在一些微小差別,主因在于數學仿真對星/地時鐘、GPS系統時間等參數的設置與半實物仿真中的情況有差別,由于真實參數/模型不可精確得知,數學仿真采用名義上的參數和簡單模型必然存在較大差別。但這兩類仿真結果都很好地說明這套時統方案的可行性與有效性。

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

圖7 半實物仿真結果采樣Fig.7 Phase errors of one satellite PPS relative to the ground PPS

5 結論

本文為近地衛星星座系統提出一個利用全球導航衛星系統(GNSS)實現全網星地秒脈沖相位同步的時統方法,并提出一個半實物仿真方案對此加以驗證。數學仿真與半實物仿真的結果都表明,近地衛星星座系統基于GPS 類GNSS系統可以實現高精度的星地時間同步,證實了星上時間管理單元自主時統處理流程的正確性。

隨著我國自主研發的GNSS系統的建立,本文所提出的星座系統時統方法可以避免系統安全性方面的隱患,也有望大大降低此類星座系統的維護成本。

References)

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