CN102566408B - 卫星时钟的校准***及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星时钟的校准，公开了一种卫星时钟的校准***及其校准方法，该校准***包括卫星时钟源、卫星测控***、卫星载荷***、地面测控站、地面应用站、时钟误差拟合服务器。该校准方法包括：1、编制卫星程控作业表上注卫星；2、执行程控作业；3、生成载荷数据；4、下传载荷数据；5、解析载荷数据计算当时UTC时间；6、进行时钟数据拟合，给出星上时间与UTC时间的对应关系。本发明解决了以往一味提高星上时钟源的精度，使星上时钟***、控制***的设计复杂化，而实际工作精度改善效果不大的问题，用大***闭环反馈的方法，经济、可靠的实现了卫星工作精度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及卫星时钟的校准***，本发明还涉及该卫星时钟校准***的校准方法。
背景技术
人造卫星上的时钟，有一个别名叫“定位钟”，也就是，当已知卫星精确轨道的条件下，根据卫星某一瞬间的时间标签，可以确定卫星从地球上采集的图像或数据的精确位置。地球人造卫星的飞行速度大约在每秒8公里左右，当时钟误差1毫秒时，定位精度为8米。由此可知，要提高遥感图像数据定位精度，就需要提高时钟的精度。
目前，卫星上用以提高时钟精度的方法主要通过使用价格昂贵的高精度高稳定度的时钟源，比如用铷钟、铯钟、氢钟代替晶振；这就需要在卫星上设计复杂的校时逻辑和软件，如集中校时、均匀校时、GPS校时等组合校时。集中校时、均匀校时方法需要较多的人工干预，卫星测控站需要经常进行星地时差检测并遥控注数对校时参数进行调整。GPS校时虽较前几种方法简单，但是高轨道卫星，静止轨道卫星无法获取GPS数据，因而不能使用GPS校时方法，且由于GPS由美国控制其星座调整等情况需对卫星GPS接收机进行相应设置，致使目前GPS接收***仍不十分可靠。星上校时操作把星上时间校对接近UTC时间，这种方法导致了星上时间的不连续。致使星上与时间有关的设备对时间信息进行处理时都要进行复杂的判断，防止星上时间向前或向后跳变时出现设备工作时序混乱、指令遗漏执行、指令执行冲突等问题。给星上设备的设计增加了复杂度，降低了卫星的可靠性。
铷钟、铯钟、氢钟这些原子钟的精确度、稳定度固然比晶振提高3、4个数量级，但是其价格也非常昂贵，而且这些原子钟多为正弦波射频接口，较晶振的OC门脉冲信号接口复杂，而且原子钟对卫星的热控方面提出了较高的要求。况且，原子钟只提高了星载时钟的精确度，而没有设法减少卫星控制***根据星上时钟进行载荷作业控制的误差，其卫星的整体作业控制精度仍无法保证。
上述这些提高时钟精度的方法，存在着比较明显的不足。本发明提出的一种全反馈地面拟合时钟的卫星时钟校准方法可以改变这些不足。这种方法是把遥控作业控制信息、作业执行信息分别进行地面时间、星上时间的标识，通过对遥感图像或数据进行地面套图标校，通过地面测控站测得的星地时差地数据，存入时钟误差拟合服务器。由服务器进行计算减去星地传输时延、地面接收设备***时延等时延，对随机误差进行数学拟合，为计划的作业控制时机提供依据，从而提高了卫星作业精度。就好比，家里的时钟每天快了1秒，并不是每天都需要进行拨钟校正，而是在读出时钟数据后，在执行作业时推迟一些时间。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，有效的提供控制载荷工作的时间精度以及用于载荷目标定位的时间精度，而又不增加星上设计的复杂性，本发明的目的的第一方案，在于提供一种卫星时钟的校准***，利用本发明，不但提高时钟校准的精度，而且降低了设计的复杂性和制造成本。
为了解决现有技术的不足，本发明目的的第二方案，还提供上述卫星时钟***的校准方法，通过采集载荷数据中的时间信息进行大***时间反馈闭环的时钟校准方法，从而达到精确校时的目的。
为了达到上述发明目的，本发明的第一方案，为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种卫星时钟的校准***，该***包括：
卫星时钟源：与卫星测控***、卫星载荷***连接，提供稳定的时钟微 秒计数；
卫星测控***：接收遥控作业注数并根据时钟信息控制卫星载荷***工作；
卫星载荷***：根据测控***的控制信息进行工作，并把卫星载荷***采集的数据附加上时钟信息标签反馈下传至地面应用站；
地面测控站：生成遥控指令和时钟信息并上传至卫星测控***；
地面应用站：接收卫星下传的载荷工作数据，生成控制误差信息传送时钟误差拟合服务器；
时钟误差拟合服务器：比对指令控制时间、星上时钟、实际执行时间三者关系，拟合出时钟误差曲线，生成时钟信息发送地面测控站。
本发明的第二方案，为解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种卫星时钟校准***的校准方法，包括如下步骤：
(一)编制卫星程控作业表上注卫星；根据地面测控站测量卫星轨道，计算卫星飞过标校靶时的星上时间；根据此时间编排卫星的程控作业表；程控作业表中包括载荷控制指令、指令执行的时间、控制参数；通过地面测控站把程控作业表上注给卫星；
(二)执行程控作业表；卫星测控***接收到地面注数后，进行解码，在星上时间与指令开始时间一致时控制卫星载荷***工作；
(三)生成载荷数据，打时间戳并存储；卫星载荷***根据指令开机，接收已知遥感图像；把接收时刻的星上时间、卫星的姿态信息附在图像数据帧上，存入星上大容量存储器；
(四)下传载荷数据；卫星飞经地面应用站时，下传带时间信息、卫星姿态信息的遥感图像数据；
(五)解析载荷数据计算当时UTC时间；地面应用站接收到数据后解帧、处理；根据标校靶在图像上的位置、卫星的姿态、卫星的轨道可计算卫星获取此幅遥感图像的UTC时间；把此UTC时间与遥感图像数据帧中的星上时间一起发送给时钟误差拟合服务器；
(六)进行时钟数据拟合，给出星上时间与UTC时间的对应关系；时钟
误差拟合服务器接收到某一时刻的星上时间与UTC时间，把它们存入数据库；根据收集数据的不同特性可以进行不同方法的处理，给出星上时间与UTC时间的对应关系。
本发明卫星时钟的校准***及其校准方法由于采取上述技术方案，用时钟误差拟合服务器比对星上时钟与UTC时间的关系，拟合出星上时钟与UTC时钟对应曲线；比对控制开始执行时间与实际载荷工作效果，拟合控制执行时间与实际执行时间对应曲线，因此，本发明解决了以往为提高卫星工作精度一味的提高星上时钟源的精度，使星上时钟***、控制***的设计复杂化，而实际工作精度改善效果不大的问题。此外，本发明用大***闭环反馈的方法，经济、可靠的实现了卫星工作精度的提高。
附图说明
图1是本发明卫星时钟的校准***框图；
图2是本发明的时钟误差拟合图；
图3是本发明的时钟误差拟合图的局部细节。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明第一方案卫星时钟的校准***的优选实施例。
图1是本发明的时钟校准***框图；如图1的实施例所示，该校准***包括：
卫星时钟源1：与测控***2、载荷***3连接，提供稳定的时钟微秒计数；时钟源为恒温晶振，其提供n位(例如：64位)连续的微秒计数，卫星发射前对时钟源加电并赋初值为全零，星上不对这n位进行校时操作；能够把当前的星上实时64位时钟信息附加在载荷采集的数据上；
卫星测控***2：接收遥控作业注数并根据时钟信息控制卫星载荷***3工作；
卫星载荷***3：根据卫星测控***2的控制信息进行工作，并把载荷采集的数据附加上时钟信息标签反馈下传至地面应用站5；
地面测控站4：生成遥控指令和时钟信息并上传至卫星测控***2；
地面应用站5：接收卫星下传的载荷工作数据，生成控制误差信息传送时钟误差拟合服务器6；接收到卫星下传的载荷数据，根据载荷标校目标给出的数据对应的UTC时间，并把此UTC时间同附加在载荷数据上的64位星上时间进行关联。把两个时间一同发送给时钟误差拟合服务器。
时钟误差拟合服务器6：比对指令控制时间、星上时钟、实际执行时间三者关系，拟合出时钟误差曲线，生成时钟信息发送地面测控站4。接收地面测控站4的关于X卫星此次作业的执行起始星上时间T1，接收地面应用站5的关于X卫星此次作业中星上时间T2对应的UTC时间U2……此次作业中星上时间Tn对应的UTC时间Un。对数据对(T2，U2)，(T3，U3)……(Tn，Un)进行分析可以给出星上时钟与UTC时间对应关系；通过分析T1与T2的延时信息，可以为地面注数设置作业表提供参考。
下面对本发明的第二方案卫星时钟的校准方法进行描述。
以遥感卫星为例说明校准过程。在校准时一般在中国境内地面上设置标校靶，已知校准靶的精确经纬度。对于境外校准时，可以把一些已知的明显目标作为标校靶。通过某些渠道或推算得出靶标的精确经纬度。这两种情况下遥感目标都统称为标校靶。
本发明的第二方案，卫星时钟的校准方法包括如下步骤：
(一)编制卫星程控作业表上注卫星。根据地面测控***测量卫星轨道，计算卫星飞过标校靶时的星上时间。根据此时间编排卫星的程控作业。程控作业表中包括载荷控制指令、指令执行的时间、控制参数等信息。通过地面测控站把程控作业表上注给卫星。
(二)执行程控作业。卫星测控***接收到地面注数后，进行解码，在 星上时间与指令开始时间一致时控制载荷***工作。此例中载荷***为星载遥感***。
(三)生成载荷数据，打时间戳并存储。载荷遥感***根据指令开机，接收已知遥感图像。把接收时刻的星上时间、卫星的姿态信息附在图像数据帧上，存入星上大容量存储器。
(四)下传载荷数据。卫星飞经地面应用站时，下传带时间信息、卫星姿态信息的遥感图像数据。
(五)解析载荷数据计算当时UTC时间(通用协调时间)。地面应用站接收到数据后解帧、处理。根据标校靶在图像上的位置、卫星的姿态、卫星的轨道可计算卫星获取此幅遥感图像的UTC时间。把此UTC时间与遥感图像数据帧中的星上时间一起发送给时钟误差拟合服务器。
(六)进行时钟数据拟合，给出星上时间与UTC时间的对应关系。时钟误差拟合服务器接收到某一时刻的星上时间与UTC时间，把它们存入数据库。根据收集数据的不同特性可以进行不同方法的处理，给出星上时间与UTC时间的对应关系。
根据以上六个步骤就可以得出星上时间与UTC时间的对应关系。在以后的某次卫星程控作业中，地面应用站在接收卫星遥感图像数据后，就可以根据此对应关系由星上时间戳得出获取此遥感图像的UTC时间。在根据UTC时间，当时卫星的轨道、卫星姿态就可以计算出图像中目标的位置。
图2是本发明的时钟误差拟合图，如图2所示，横坐标为根据遥感图像计算出的UTC时间，纵坐标为遥感图像数据帧中的星上时间。图中黑点为某次雷达成像时的UTC时间、星上时间对应点。根据插值法生成拟合曲线。
图3是本发明的时钟误差拟合图的局部放大图，放大位置在UTC时间“2010-1-20 1:23:23 370’135″处。“2010-1-20 1:23:23 370’135″表示2010年1月20日1时23分23秒又370毫秒135微秒。而此刻对应的图像数据帧中的星上时间为1733003363424。从仿真拟合的结果来看，拟合的曲线 基本为直线。从图中浅黑点(“2010-1-201:23:23370’135″，1733003370135)经过。可见星上时钟的秒长与UTC时间秒长并不完全同步，星上时钟源较慢。根据计算结果，以UTC时间“2010-1-63:24:6239’134″的星上时钟为基准，在UTC时间“2010-1-201:23:23370’135″时星上时钟已经比UTC时间慢了6711微秒。
由于时钟源的实现不同，载荷数据打星上时间戳的时机设计不同，星上时间在卫星内传播的方式不同，星上设备受辐照累计影响不同，卫星的轨道不同而导致其相对论效应的结果不同等这些种种因素在分析星上时钟数据与UTC时间数据时，进行拟合建模需根据实际情况采用不同的方法和参数设置。但是这种闭环校时方法在对地遥感卫星中的却是通用的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的校时方法进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。例如对高速数传信道进行时钟编码，地面应用站不用解析载荷数据帧就可以直接获得星上时间与UTC时间的对应序列。倘若这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (6)
1.一种卫星时钟的校准***，其特征在于，该***包括：
卫星时钟源：与卫星测控***、卫星载荷***连接，提供稳定的时钟微秒计数；
卫星测控***：接收遥控作业注数并根据时钟信息控制卫星载荷***工作；
卫星载荷***：根据卫星测控***的控制信息进行工作，并把卫星载荷***采集的数据附加上时钟信息标签反馈下传至地面应用站；
地面测控站：生成遥控数据指令和时钟信息并上传至卫星测控***；
地面应用站：接收卫星下传的载荷工作数据，生成控制误差信息传送时钟误差拟合服务器；
时钟误差拟合服务器：比对指令控制时间、星上时钟、实际执行时间三者关系，拟合出时钟误差曲线，生成时钟信息发送地面测控站。
2.如权利要求1所述的卫星时钟的校准***，其特征在于：所述的卫星时钟源为恒温晶振，提供64位连续的微秒计数，卫星发射前对时钟源加电并赋初值为全零，星上不对这64位进行校时操作。
3.如权利要求1或2所述的卫星时钟的校准***，其特征在于：所述的卫星时钟源把当前的星上实时64位时钟信息附加在载荷数据上。
4.如权利要求1所述的卫星时钟的校准***，其特征在于：所述的地面应用站接收到卫星下传的载荷数据，根据载荷标校目标给出的数据对应的UTC通用协调时间，并把此UTC时间同附加在载荷数据上的64位星上时间进行关联；然后把两个时间一同发送给时钟误差拟合服务器。
5.如权利要求1所述的卫星时钟的校准***，其特征在于：所述的时钟误差拟合服务器接收地面测控站的关于X卫星此次作业的执行起始星上时间T1，接收地面应用站的关于X卫星此次作业中星上时间T2对应的UTC时间U2……此次作业中星上时间Tn对应的UTC时间Un；对数据对(T2，U2)，(T3，U3)……(Tn，Un)进行分析给出星上时钟与UTC时间对应关系；通过分析T1与T2的延时信息，为地面注数设置作业表提供参考。
6.一种如权利要求1所述的卫星时钟校准***的校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(一)编制卫星程控作业表上注卫星；根据地面测控站测量卫星轨道，计算卫星飞过标校靶时的星上时间；根据此时间编排卫星的程控作业表；程控作业表中包括载荷控制指令、指令执行的时间、控制参数；通过地面测控站把程控作业表上注给卫星；
(二)执行程控作业表；卫星测控***接收到地面注数后，进行解码，在星上时间与指令开始时间一致时控制卫星载荷***工作；
(三)生成载荷数据，打时间戳并存储；载荷遥感***根据指令开机，接收已知遥感图像；把接收时刻的星上时间、卫星的姿态信息附在图像数据帧上，存入星上大容量存储器；
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| PB01 | Publication | ||
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Granted publication date: 20131127 |