綜合干擾下導航衛(wèi)星授時的時間誤差分析及仿真應用

文/劉淼

在航空航天工業(yè)中導航衛(wèi)星的控制是個重要的研究課題，考慮到衛(wèi)星測量和控制領域的特殊性，這往往需要多個設備和系統(tǒng)的綜合性支持。在這一過程中，即使能夠從空間站進行執(zhí)行測量和控制任務，仍舊需要系統(tǒng)保持一致的時間。此外，由于航天器和火箭運動的速度非常高，因此其運行時的測量任務和控制任務所需的時間精度也會較高，所以沒有單一系統(tǒng)則無法完成衛(wèi)星的測量工作和控制控制。

1 GPS系統(tǒng)授時原理簡析

1.1 GPS時間系統(tǒng)

由于GPS地面控制系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星的原子鐘的配置不夠合理，從而導致了使用過程中的冗余配置，而這些冗余配置影響了衛(wèi)星軌道計算和時鐘精確校準的可靠性，使得導航衛(wèi)星授時高定位和時間精度受到了負面影響。GPS衛(wèi)星軌道和時鐘的精確校準多是由地面GPS系統(tǒng)精確計算得到，傳輸?shù)叫l(wèi)星后通過空間GPS來實現(xiàn)預期目標。

衛(wèi)星向用戶發(fā)送具有精確星歷和時鐘校正的相應數(shù)據(jù)具有高度的復雜性，因此能夠適用于GPS時間系統(tǒng)。在這一過程中每顆GPS衛(wèi)星都配備了基于衛(wèi)星的原子鐘，因此許多監(jiān)測站和主控制站還配備了高性能原子鐘并使用US-NO-MC來進行實時校準。

1.2 GPS校準系統(tǒng)

自校準控制工作能夠確保系統(tǒng)衛(wèi)星的衛(wèi)星時鐘始終與GPS主時鐘保持完全同步。在其工作過程中每個衛(wèi)星上的星形時鐘和GPS主時鐘之間的偏差被控制在一定程度內，從而確保所監(jiān)視的頻率差或外推數(shù)據(jù)用于校正和維持衛(wèi)星時間信號能夠保持精確同步。此外，監(jiān)測站可以接收來自該站原子基站衛(wèi)星的信號，進而觀察衛(wèi)星實際位置與預期位置之間的偏差，有效地測量時間差并估計延遲誤差，確保衛(wèi)星位置和傳播延遲得到控制。另外，主控制站通過網(wǎng)絡來接收監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)和估計結果，然后參考GPS主時鐘分析和處理來自每個參考站的數(shù)據(jù)和結果，并得出新的合理數(shù)據(jù)并完成特定的GPS衛(wèi)星定位。

1.3 GPS時間傳遞過程

當技術人員使用衛(wèi)星導航進行時間同步時，由于星形時鐘與衛(wèi)星標準時間之間存在有差異，從而會產(chǎn)生偏差，使得傳輸時間的同步信號也偏離相應的標準時間。此外，考慮到時間同步信號是通過room的方式來傳遞給用戶的接收天線，而由于電離層和對流層的存在，在空中引起空間傳輸偏差，并最終導致用戶接收器的時鐘和處理實驗生成的時鐘存在偏差，這些偏差可以基于技術人員的經(jīng)驗來進行修改和校對，但是技術人員在通過在遞送過程期間分析時間同步信號時，校正本身也會導致誤差，反而使得其更加難以準確地捕獲準確的同步時間。

2 衛(wèi)星授時的時間誤差分析的必要性

2.1 明確時間基準結構

明確時間基準結構具有很高的重要性。由于綜合干擾環(huán)境中的時間同步有很長的距離，在這一段距離中傳輸?shù)哪繕撕芏嗲揖纫蠛芨撸@對于電纜連接的實際性能來說是不實際的，并且時間基準可以通過諸如衛(wèi)星接收器的無線裝置來達到統(tǒng)一。此外，考慮到GPS用戶接收器是一種高帶寬、高時間精度的系統(tǒng)，因此為了確保GPS用戶接收器的時間均勻性。舉例來說，UTC時間參考和GPS時間參考由專門機構管理，并且導航消息發(fā)送兩者之間的相應時間和時間差異，以便進一步的調查存在的錯誤和誤差。

2.2 合理選擇同步模式

在GPS地面控制系統(tǒng)發(fā)送導航信號之后，技術人員將其發(fā)送到衛(wèi)星然后發(fā)送到接收終端。考慮到該過程中的誤差對終端發(fā)送的時間信號有較大影響，因此導航信號需要來自于地面控制系統(tǒng)，而從傳輸?shù)綍r間終端的信號產(chǎn)生時間則是技術人員進行時基研究的一個重要組成部分。

技術人員在合理選擇同步模式時，考慮到不同理論研究人員對時間同步方法的研究非常激烈，因此需要根據(jù)技術實踐需要來選擇合適的同步方法。一般而言同步方法大致可以分為兩類：第一類是是基于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)級別的時間同步，即通過時間同步來進行同步數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)交換，此級別的同步多基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡通信鏈路，因此也不需要硬件投資，但是其實現(xiàn)邏輯較為復雜且需要占用大量通信鏈路帶寬，并且同步精度相對較低，所以主要用于智能命令和信息傳遞。與之相對的，第二種類型是基于時間信號的時間同步，即GPS終端使用時頻信號的同步模式，通過使用接收機系統(tǒng)來輸出時間信號，需要相應的硬件設施支出，但是整體同步精度較高。

2.3 有助于技術實際應用

考慮到綜合干擾的客觀存在，技術人員在選擇時頻信號同步的類型時，應當合理選擇技術研究對象。舉例來說，1PPS信號多用作時間同步參考模型中，該模型包括兩個方面的應用：首先是相對固定的網(wǎng)絡環(huán)境，包括指揮系統(tǒng)、船舶衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星等，其中大量信息設備和統(tǒng)一時間服務器組合形成LAN系統(tǒng)。通過同步1PPS信號實現(xiàn)了比通過純網(wǎng)絡同步更好的同步效果。與之相對的，領一種則是分布式獨立定時設備，包括類GPS定時等種類，其定時主要為1PPS模式，而在該同步模式中技術人員通過結合綜合干擾的實際特征，就能夠考慮到綜合干擾中的參考誤差。此外，技術人員還需要考慮到時基誤差的度量，由于時間是一個連續(xù)變量，所以時間誤差取決于應用時間偏差。因此技術人員在測量時基誤差時，首先需要確定客戶端時間的調度并用調度時間的偏差來測量它，從而在不失一般性的情況下，使用步驟點的錯誤序列描述時基錯誤，才能夠有助于技術的實際應用。

3 導航衛(wèi)星授時的時間誤差仿真應用

3.1 做好時間同步精度考察

技術人員對于時間同步精度進行分析時，通常需要考慮到時間同步誤差、頻率精度誤差和頻率偏差。雖然通常來說有測量頻率穩(wěn)定性等指標的限制，但是技術人員在實際測量過程中，通常只能獲得同步對象和測試設備相對同步誤差，很難統(tǒng)一系統(tǒng)和標準時間（如GPS，UTC）。因此，技術人員有必要采用合理的方法來觀察時間均勻結果與標準時間的偏差，而仿真技術就可以很好地達到這個目的。

仿真技術基于數(shù)學理論、類似原理、信息技術、系統(tǒng)工程和計算機應用等技術。技術人員在使用仿真技術時需要使用計算機和專用設備作為媒介工具，使用系統(tǒng)模型來進行動態(tài)實驗研究，并使用模擬技術的時間檢查同步系統(tǒng)，從而可以更詳細地理解時間同步的機制和同步錯誤傳輸?shù)倪^程以及時間同步效應，反過來又可以對時間同步的研究方法進行改進和理論驗證。

3.2 分析誤差傳輸機理

導航衛(wèi)星定時誤差分析的內容包括有誤差源識別、強度識別、誤差傳播機制確認和誤差分離補償?shù)鹊龋捎谄錂C理覆蓋面廣從而使得理論研究困難，但是上述各個領域正在迅速發(fā)展。因此在模擬系統(tǒng)中，技術人員可以選擇用于錯誤傳輸機制等的典型方法專注于建模方法研究。例如如果技術人員需要研究不同的錯誤分析方法，則只需要通過仿真恢復仿真模型。因此，GPS接收終端用作定時終端并且可以檢查綜合干擾環(huán)境中的原理，然后將現(xiàn)代計算機作為主要信息載體，將綜合干擾條件下的時間同步抽象為分布式計算機，因此是現(xiàn)代信息技術研究的熱點。

3.3 優(yōu)化時間同步領域應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的推廣，基于網(wǎng)絡消息的時間同步技術也得到了廣泛使用。通常來說網(wǎng)絡時間協(xié)議由一系列稱為RFC（Request For Comments）的文件定義。網(wǎng)絡協(xié)議通過網(wǎng)絡向每個客戶端發(fā)送時間服務器時間戳，以實現(xiàn)時間同步。因為導航衛(wèi)星可以很容易地擴展到任何單位，因此衛(wèi)星系統(tǒng)提供的時間同步逐漸成為分布式時間同步最重要的技術方法。從上世紀80年代自從在美國引入全球定位系統(tǒng)以來，衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)生了重大變化：所有主要國家和集團都將導航衛(wèi)星系統(tǒng)作為國家一級重要信息基礎設施和武器系統(tǒng)的重要組成部分。在國外系統(tǒng)中，美國GPS系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS被廣泛使用，這一體系在20世紀80年代末達到頂峰，并對后續(xù)的衛(wèi)星導航體系產(chǎn)生了深遠的影響。

4 結束語

在時間相干系統(tǒng)中，定時通常與儀器的頻率密切相關，但與頻率脈沖信號密切相關如果每個脈沖上升沿被建模為模擬時間的單位，則輸出通常更密集成本是不可想象的，因此必須引入更頻繁的離散事件模擬方法來實現(xiàn)這一點結合文本的時序方法，深入研究集成干擾對頻率的影響，形成一個完美的時機和更常見的仿真系統(tǒng)為綜合干擾的時空一致性研究提供了一種更有效的分析方法。