CN109283556B - 一种不中断导航服务的低轨导航卫星时钟调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种不中断导航服务的低轨卫星时钟调整方法，包括下列步骤：低轨卫星根据星载高精度导航接收机钟差监测结果，在钟差超限前生成第一时钟调整指令，其中所述第一时钟调整指令包括调整卫星时钟的时刻t1和需要调整的频率量；以及在所述时刻t1调整卫星时钟的所述频率项，以改变卫星钟差漂移方向；以及用户接收机使用星钟参数、调频时刻、调频参数计算卫星钟差。通过该方法，可以减少甚至避免卫星因进行时间调整而停止服务的时间，同时提供足够精确的卫星时间，从而更有效地为用户提供导航服务，提高服务质量和用户体验。

Description

一种不中断导航服务的低轨导航卫星时钟调整方法
技术领域
本发明总体而言涉及导航卫星时间调整技术，具体而言涉及一种不中断导航服务的低轨导航卫星时钟调整方法。
背景技术
全球导航卫星***(GNSS)搭载高精度的星载原子钟来维持导航卫星频率基准，并由时频***产生卫星时间。导航卫星基于由时频***生成的时间频率来生成导航信号，以实现定位授时服务。导航卫星星载的原子钟及时频***是导航***提供高精度定位授时服务的关键。
传统的GNSS***属于国家时频体系基础设施，其导航卫星平台大，因此对原子钟及时频***的功耗、体积、成本的要求相对较低，其一般搭载铷原子钟、氢原子钟等高精度原子钟，其频率稳定度在10-15至10-14s/d量级，使得导航卫星时间基准漂移速度较慢，在很长一段时间内无须对时间基准进行调整。例如GPS***，其星载原子钟约半年才需调整一次，每次造成卫星导航服务中断时间约为一天。此外，GNSS***卫星数量一般只有几十颗，***卫星需要进行时间调整的概率较小，且存在备份卫星，而且即使单颗卫星短时间内不可用，对导航***服务性能的影响也有限。
在当前GNSS***卫星钟差超限时，地面首先上注指令以将卫星置为不可用，并上注调频调相指令，以对卫星钟相位、频率进行调整；然后，地面运控站对卫星钟差进行重新标定，并拟合星钟钟差、钟速、钟漂等参数并将其上注卫星；卫星服务性能恢复后，地面上注指令以将卫星置为可用，以便继续为用户提供导航服务。
2014年来，随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，国内外很多企业单位纷纷提出全球低轨卫星导航增强***发展计划，该类计划拟发射数百颗甚至数千颗低轨卫星以在全球范围内形成多重覆盖，并发播导航信号，以提供导航增强服务。为满足低轨卫星小型化、低功耗、低成本、大容量应用需求，低轨卫星一般搭载低成本的小型原子钟或者芯片原子钟，其频率稳定度在10-12至10-13s/d量级，较导航卫星星载原子钟低两个数量级，从而导致低轨导航卫星时间基准漂移速度相对较快，使得低轨卫星时间基准调整频度增加。若按照GNSS***时频调整策略，芯片原子钟约在1-2天就需要调整一次，势必造成卫星导航服务频繁中断问题。此外，低轨导航增强星座规模一般较大，在几百到几千颗卫星量级，也使得导航增强***卫星时钟调整的概率大大增加。因此，传统的时间基准调整方式将导致低轨导航星座***频繁进行时间调整和卫星导航服务中断，不适用于低轨卫星导航***。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是提供一种不中断导航服务的低轨卫星时钟调整方法，通过该方法，可以减少甚至避免低轨卫星因频繁时间调整而导致的服务中断，提供足够精确的卫星钟差预报信息，从而更有效地为用户提供导航服务，提高服务质量和用户体验。
根据本发明，该任务通过一种不中断导航服务的低轨卫星时钟调整方法来解决，该方法包括低轨导航卫星星钟调整策略和用户接收机解算卫星钟差参数策略两部分，具体步骤如下：
(1)低轨导航卫星星钟调整策略步骤如下：
1)低轨卫星根据星载高精度导航接收机钟差监测结果，在钟差超限前生成第一时钟调整指令，其中所述第一时钟调整指令包括卫星时钟调整时刻t1以及在时刻t1的时钟频率调整量Δf。
2)在调频时刻t1以前，卫星将调频时刻t1、频率调整Δf引起的钟速改正量Δa1联合调频时刻t1前的卫星钟差a0、钟速a1、钟漂a2和该参数对应的参考时刻toc1一起广播给用户接收机。
3)卫星根据本星钟面时，在t1时刻本星频率进行精密调整，频率调整量为Δf。
4)调频时刻t1之后，星载高精度导航接收机对频率调整之后的星钟钟差进行实时监测标定，并拟合生成新的参考时刻toc2时的卫星钟差a0、钟速a1、钟漂a2。
5)星钟参数重新标定之后的t2时刻，卫星将调频时刻、钟速改正量两个参数取为0，联合重新标定的参考时刻toc2时的卫星钟差a0、钟速a1、钟漂a2一起广播给用户接收机。
(2)用户接收机解算卫星钟差参数策略
1)用户接收机接收低轨卫星广播的传统的卫星钟差a0、钟速a1、钟漂a2及上述参数对应的参考时刻toc，同时接收星钟调频时刻t1和对应的钟速调整量Δa1。
2)用户接收机接收导航信号，解析获得卫星发射信号钟面时tt。
3)用户接收机使用卫星钟差参数参考时刻toc、钟差a0、钟速a1、钟漂a2、星钟调频时刻t1、钟速调整量Δa1计算tt时刻导航卫星钟差，引入调频时刻、钟速调整量保证用户在卫星调整频率前后均可高精度计算卫星钟差，进而完成自身定位授时解算。
本发明至少具有下列有益效果：本发明通过适时地在预定时刻对卫星时钟的频率进行调整，使得钟差朝相反方向漂移，从而使卫星钟差总是不至于超过阈值；同时，在频率调整期间通过增加使用频率调整时刻与调整参数，使得频率调整期间仍可以高精度计算卫星钟差；从而，保证了卫星星钟调整期间，无需停止导航服务；这样一来，将降低甚至避免停止服务的时间，同时提供足够精确的卫星时间，从而更有效地为用户提供导航服务，提高服务质量和用户体验。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的实施例的卫星时频基准频率调整时序；以及
图2示出了根据本发明的实施例的卫星时频基准频率调整与重新标定的时序。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，所述方法步骤可以以不同顺序执行。
受功耗、成本、体积等因素约束，低轨导航卫星一般搭载低成本小型原子钟或者芯片原子钟，其频率稳定度相对较低，卫星钟差漂移较快。可通过快速播发导航电文，缩短钟差预报时间，降低钟差的预报误差，提高导航服务性能。此外，卫星时频调整后，星钟参数发生变化，可根据星钟调整量计算调整后的星钟参数。然后，卫星自主完成快速标定，为降低计算星钟参数误差的影响，需要将重新标定的高精度星钟参数快速广播给地面用户。
为了解决上述问题，本发明的基本思想是，由星载高精度导航接收机实时地监测卫星的时频基准状态，卫星在钟差超限之前生成调频指令以改变星钟钟差漂移方向，使钟差向相反方向漂移。为不影响卫星服务性能，时频基准频率调整指令(或时钟调整指令)提前(即在卫星时钟的误差超过误差阈值以前)上注，卫星在指令中预定的时刻对频率进行调整；同时，卫星将星钟频率调整时刻与调整量在卫星频率调整之前发送给地面用户，以方便用户使用卫星广播星钟钟差、钟速、钟漂以及调频参数，计算相应时刻卫星钟差，完成自身位置钟差解算。
下面根据具体实施例和附图进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的实施例的时频基准频率调整时序。
如图1所示，卫星根据星载高精度导航接收机钟差监测结果，在钟差超限之前，于时刻t0生成时钟调整指令，该指令中包括卫星钟面时调频时刻
Figure BDA0001798909920000041
以及需要时频***调整的频率项。卫星接收到调频指令之后，在调频时刻
Figure BDA0001798909920000042
之前将卫星将要调频的时刻以及调频项发送给地面用户。然后，卫星在本地钟面时(即卫星钟面时)时刻
Figure BDA0001798909920000043
对时频***频率进行调整，完成时钟频率调整，以改变钟差的漂移方向，例如如果卫星钟差为正且不断增大，则将时钟频率调低，以使卫星单位时间变长，从而使钟差不断减小；反之如果卫星钟差为负且不断减小，则将时钟频率调高，以使卫星单位时间变短，从而使钟差不断增大。为保证
Figure BDA0001798909920000051
时刻之后，钟差的可预报性，要求时频***具备高精度调频功能，即可以按照调频指令进行精密频率调整。
地面用户接收机根据卫星广播的钟差参数以及调频参数进行钟差计算。低轨导航卫星电文除了包括传统的卫星钟差a0、钟速a1、钟漂a2及上述参数对应的参考时刻toc1之外，还将广播调频时刻
Figure BDA0001798909920000052
以及调频量引起的钟速改正量Δa1。接收机解析获得卫星发射信号钟面时刻
Figure BDA0001798909920000053
后，基于如下公式计算卫星发射信号时刻钟差：
Figure BDA0001798909920000054
Figure BDA0001798909920000055
Figure BDA0001798909920000056
上式中，Δt为卫星发射信号时刻相对于星钟参数参考时刻的时间间隔；Δt1为信号发射时刻相对于调频时刻的时间间隔；
Figure BDA0001798909920000057
为信号发射时刻卫星钟差，当Δt1＜0时，计算方法与传统接收机计算方法相同，Δt1＞0时，增加调频项引入的额外钟差项Δa1Δt1。
图2示出了根据本发明的实施例的时频基准频率调整与重新标定的时序。
如图2所示，卫星在
Figure BDA0001798909920000058
时刻完成频率调整之后，卫星使用星载导航接收机测量伪距值(或融合星间链路双向测量值)快速完成钟差标定，并拟合生成新的参考时刻toc2时的钟差、钟速、钟漂参数。此后，卫星广播新的星钟参数，并将时频调整时刻和频率调整项数据域全部清零。用户接收机仍按照式(3)计算卫星信号发射时刻钟差。卫星时频频率调整之后，星钟参数未经高精度标定，钟差误差发散较快，因此星载导航接收机需要快速完成钟差重新标定，并缩短钟差更新周期，完成标定钟差快速播发。至此，在不中断导航服务的条件下，完成了卫星时频基准的调整。
本发明至少具有下列有益效果：本发明通过适时地在预定时刻对卫星时钟的频率进行调整，使得钟差朝相反方向漂移，从而使卫星钟差总是不至于超过阈值；同时，在频率调整期间通过增加使用频率调整时刻与调整参数，使得频率调整期间仍可以高精度计算卫星钟差；从而，保证了卫星星钟调整期间，无需停止导航服务；这样一来，将降低甚至避免停止服务的时间，同时提供足够精确的卫星时间，从而更有效地为用户提供导航服务，提高服务质量和用户体验。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (6)

1.一种不中断导航服务的低轨卫星时钟调整的方法，包括下列步骤：
低轨卫星根据星载高精度导航接收机钟差监测结果，在钟差超限前生成第一时钟调整指令，其中所述第一时钟调整指令包括卫星时钟调整时刻t1以及在时刻t1的时钟频率调整量Δf；以及
卫星根据本星钟面时，在所述时刻t1调整卫星时钟的频率，频率调整量为Δf，以改变钟差的漂移方向，其中如果钟差为正且不断增大，则将时钟的频率调低，以使卫星单位时间变长，从而使钟差不断减小，如果钟差为负且不断减小，则将时钟的频率调高，以使卫星单位时间变短，从而使钟差不断增大。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
在时刻t1以前，将星钟参数、时刻t1和所述频率调整量广播给用户。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
在卫星时钟频率调整以后，星载高精度导航接收机重新对钟差参数进行拟合标定，并生成新参考时刻toc2的星钟参数；以及
将取零之后的调频时刻、调频参数和所述重新生成的星钟参数快速广播给用户。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
用户联合使用星钟参数参考时刻、钟差、钟速、钟漂、频率调整时刻、频率调整引起的钟速调整量计算信号发射时刻卫星钟差。
5.根据权利要求1所述的方法，其中广播参数包括星钟参数和调频时刻、调频量参数，其中所述星钟参数包括参数参考时刻、钟差、钟速、以及钟漂。
6.根据权利要求1所述的方法，其中时刻t1是卫星钟面时。
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