基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，包括地面局域站，所述地面局域站分別和北斗星一、北斗星二、北斗星三通過(guò)無(wú)線信號(hào)連通。所述地面局域戰(zhàn)包括接收機(jī)、高穩(wěn)原子鐘和授時(shí)修正模塊組成；所述高穩(wěn)原子鐘和接收機(jī)無(wú)線連接，所述接收機(jī)和授時(shí)修正模塊連接；與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，能夠有效提高導(dǎo)航的精度，避免導(dǎo)航中衛(wèi)星信號(hào)受到地球潮汐等影響到引力勢(shì)變化的因素對(duì)原子鐘的影響，具有很好的實(shí)用性。
【專利說(shuō)明】
基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及定位導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前北斗星載已成為我國(guó)導(dǎo)航用時(shí)間頻率傳遞的主要手段之一，由于多模導(dǎo)航系統(tǒng)研究的不斷深入，我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)逐漸健全，多種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)結(jié)合成為日后熱點(diǎn)領(lǐng)域。GL0NASS衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機(jī)噪聲碼相同，不同衛(wèi)星發(fā)射的頻率不同，用以區(qū)分不同的衛(wèi)星，即頻分多址。原子鐘(原子時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn))是人類科學(xué)技術(shù)活動(dòng)的基本條件。時(shí)間頻率測(cè)量準(zhǔn)確度和精確度的提高，將從根本上改變一系列重大自然科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的面貌。在基礎(chǔ)科學(xué)研究上，如廣義相對(duì)論的驗(yàn)證、光速各向異性的測(cè)量、引力梯度測(cè)量、原子物理常數(shù)隨時(shí)間變化的測(cè)量等，都需要精密的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)?？臻g實(shí)驗(yàn)室和空間站建設(shè)是我國(guó)載人航天計(jì)劃的重要部分，從載荷體積重量和空間站運(yùn)行軌道來(lái)看，高精度空間冷原子鐘適合作為空間站的一個(gè)有效載荷。作為精確定位技術(shù)的核心技術(shù)和關(guān)鍵內(nèi)容，高精度原子鐘的研究顯得更加重要?；趪?guó)際空間站空間冷原子鐘的研究，除了歐洲航天局ACES(Atomic Clock Ensemble in Space)項(xiàng)目計(jì)劃2013年發(fā)射之外，美國(guó)曾經(jīng)有PARCS(PrimaryAtomic Reference Clock in Space)、RACE(RubidiumAtomic ClockExperiment)等項(xiàng)目，但是由于美國(guó)航天策略變化，這些項(xiàng)目目前被暫停，但還有小量經(jīng)費(fèi)繼續(xù)支持。我國(guó)也正在開(kāi)展空間冷原子鐘項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的實(shí)施，將對(duì)時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究打開(kāi)新的方向，人類的計(jì)時(shí)精度將會(huì)進(jìn)一步提高，高精度原子鐘和時(shí)間頻率傳輸技術(shù)將會(huì)更好地服務(wù)于將來(lái)的第三代定位導(dǎo)航系統(tǒng)。另外，新一代光鐘可能達(dá)到10-17?10-18穩(wěn)定度，對(duì)這樣精度的原子鐘來(lái)說(shuō)，潮汐等影響到引力勢(shì)變化的因素對(duì)原子鐘穩(wěn)定度的影響已經(jīng)變的不可忽視，借助空間微重力環(huán)境原子鐘更加精確測(cè)量原子鐘的引力頻移將會(huì)非常必要。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，包括地面局域站，所述地面局域站分別和北斗星一、北斗星二、北斗星三通過(guò)無(wú)線信號(hào)連通。所述地面局域戰(zhàn)包括接收機(jī)、高穩(wěn)原子鐘和授時(shí)修正模塊組成;所述高穩(wěn)原子鐘和接收機(jī)無(wú)線連接，所述接收機(jī)和授時(shí)修正模塊連接；所述高穩(wěn)原子鐘將本地信號(hào)同步局域殘差數(shù)據(jù)傳遞給授時(shí)修正模塊;所述接收機(jī)接受北斗星系統(tǒng)參考時(shí)間及時(shí)間頻率比對(duì)數(shù)據(jù)的上傳;所述高穩(wěn)原子鐘為接收機(jī)提供精確的同步時(shí)間信號(hào);所述接收機(jī)和高穩(wěn)原子鐘位于同一地理位置。
[0006]進(jìn)一步地，所述時(shí)間頻率傳遞雙方都將各自接收機(jī)同步到本地的外部參考源(SP高穩(wěn)原子鐘)上，雙方記錄同一時(shí)刻的衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算分別得到本地時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)與衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間差，即是兩地時(shí)間頻率傳遞結(jié)果。設(shè)接收機(jī)在外部參考源的同步下，獲得的本地參考時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)分別為T(mén)0，殘差分別為L(zhǎng)，殘差反映了接收機(jī)與外部參考源的同步效果，其值L越小越好，此時(shí)若接收機(jī)完全同步到外部參考源，則有LO。
[0007]針對(duì)于圖1中的空間各衛(wèi)星基站的時(shí)基參考信號(hào)T1、T2、T3，根據(jù)圖2我們可以獲得進(jìn)入到授時(shí)修正模塊中的三路修正信號(hào)Fl、F2、F3分別為:
Fl=(TO-L)-Tl
F2=(T0-L)-T2
F3=(T0-L)-T3
注意到圖1我們發(fā)現(xiàn)有兩點(diǎn)需要注意:其一、各自通訊是基于地面站與空間站;其二、各自北斗空間衛(wèi)星位于空間不同坐標(biāo)處。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中的原子鐘具有高精度，潮汐等影響到引力勢(shì)變化的因素對(duì)原子鐘穩(wěn)定度的影響已經(jīng)變的不可忽視，我們必須扣除由于引力勢(shì)變化導(dǎo)致的北半衛(wèi)星系統(tǒng)原子鐘頻率的變化。根據(jù)愛(ài)因斯坦的等效原理，處在兩個(gè)不同的引力勢(shì)Ul和U2中的輻射源相對(duì)于觀測(cè)者的輻射頻率會(huì)有一定的輻射頻移，頻移量:
Δ f/f=-Δ U/C2(I)
其中Δυ = υ?-υ2代表兩個(gè)引力勢(shì)的差、C為光速。
[0008]那么具體到我們的系統(tǒng)，兩個(gè)不同的引力勢(shì)即指我們圖1中所說(shuō)的各個(gè)空間北斗基站相對(duì)于地面基站的引力勢(shì);輻射源就相當(dāng)于我們圖1中的地面局域站。具體的測(cè)量要依賴于加載在空間北斗基站衛(wèi)星上的引力勢(shì)測(cè)量?jī)x，其測(cè)量原理如下:
當(dāng)衛(wèi)星分別運(yùn)動(dòng)到地表面處1(2)的外切線L1(L2)的垂線D1(D2)的處延長(zhǎng)線I區(qū)(2區(qū))范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)星載的引力勢(shì)測(cè)量?jī)x測(cè)量相應(yīng)的引力場(chǎng)大小U1(U2)，利用式(I)可以算出I區(qū)和2區(qū)的引力頻移量Af/f。應(yīng)用到我們的系統(tǒng)中，可以獲得圖1中的北斗星1、北斗星2、北斗星3處的引力頻移量，我們記為Wl、W2、W3。再代入上述獲得的圖2授時(shí)修正模塊的三路修正信號(hào)中，可得:
Fl=(TO-L)-(Tl-Wl)
F2=(T0-L)-(T2-W2)
F3=(T0-L)- (T3-W3)
上式中F1、F2、F3是指針對(duì)于不同的空間北斗星1、2、3而言，傳統(tǒng)定義上的圖2中的精密授時(shí)輸出，在這里為了使這個(gè)精密授時(shí)輸出中的“精密”二字更符合字面定義，我們又計(jì)以下模型來(lái)進(jìn)一步提高精密，其核心在圖2中的授時(shí)修正模塊的算法中，并依賴于上述獲得的修正信號(hào)Fl、F2、F3。具體如下:
由于上述理論基于某一地面局域站與空間中有固定位置關(guān)系的三個(gè)空間北斗星，我們有意選擇地球自西向東旋轉(zhuǎn)方向上的三顆衛(wèi)星，所以理論上講上述修正信號(hào)Fl、F2、F3存在著一定的關(guān)系。為了更好地量化和判斷三個(gè)修正值變化的關(guān)系，我們引進(jìn)一個(gè)變量Y=(F2-Fl V(F3-F2)的比值。根據(jù)修正值實(shí)際值算出的比值稱之為實(shí)際比值Yl，根據(jù)理論算出的比值稱為理論比值YO (在實(shí)際的系統(tǒng)中這個(gè)比值定為0.47)。
[0009]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，能夠有效提高導(dǎo)航的精度，避免導(dǎo)航中衛(wèi)星信號(hào)受到地球潮汐等影響到引力勢(shì)變化的因素對(duì)原子鐘的影響，具有很好的實(shí)用性。
[0010]
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中地面局域戰(zhàn)結(jié)構(gòu)圖；
圖3為本發(fā)明中測(cè)量數(shù)據(jù)用衛(wèi)星繞地球軌跡圖；
圖4為本發(fā)明中理論-實(shí)際測(cè)量效果比對(duì)圖；
圖5為本發(fā)明中第一種策略系統(tǒng)Q值效果圖；
圖6為本發(fā)明中第二種策略系統(tǒng)Q值效果圖。
[0012]
【具體實(shí)施方式】
[0013]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0014]請(qǐng)參閱圖1-6，圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中地面局域戰(zhàn)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中測(cè)量數(shù)據(jù)用衛(wèi)星繞地球軌跡圖；圖4為本發(fā)明中理論-實(shí)際測(cè)量效果比對(duì)圖；圖5為本發(fā)明中實(shí)施例的策略系統(tǒng)Q值效果圖；圖6為本發(fā)明中另一實(shí)施例的策略系統(tǒng)Q值效果圖。
[0015]基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，包括地面局域站，所述地面局域站分別和北斗星一、北斗星二、北斗星三通過(guò)無(wú)線信號(hào)連通。所述地面局域戰(zhàn)包括接收機(jī)、高穩(wěn)原子鐘和授時(shí)修正模塊組成;所述高穩(wěn)原子鐘和接收機(jī)無(wú)線連接，所述接收機(jī)和授時(shí)修正模塊連接;所述高穩(wěn)原子鐘將本地信號(hào)同步局域殘差數(shù)據(jù)傳遞給授時(shí)修正模塊;所述接收機(jī)接受北斗星系統(tǒng)參考時(shí)間及時(shí)間頻率比對(duì)數(shù)據(jù)的上傳;所述高穩(wěn)原子鐘為接收機(jī)提供精確的同步時(shí)間信號(hào);所述接收機(jī)和高穩(wěn)原子鐘位于同一地理位置。
[0016]作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，實(shí)際的仿真采樣系統(tǒng)中我們使用間隔時(shí)間t=l秒進(jìn)行了25天的采樣，得到如圖4所示的采樣效果:從圖4可以看出，實(shí)際比值圍繞著理論比值上下波動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)圖2的系統(tǒng)精密的授時(shí)輸出，必須要對(duì)F1、F2、F3進(jìn)行修正，然而在實(shí)際的北斗衛(wèi)星中，我們不可能知道在具體的某一時(shí)刻是哪一顆衛(wèi)星作為主星輸出，即前述獲得的Fl、F2、F3三個(gè)值哪一個(gè)更準(zhǔn)確，我們只能夠盡可能地使本專利系統(tǒng)符合傳統(tǒng)意義上的任何理論，包括前述在選擇F1、F2、F3北半衛(wèi)星的順序上我們采用的是自西向東的標(biāo)準(zhǔn)，并采用以下的修正策略:
第一種策略:實(shí)際比值大于理論比值(0.47)，則預(yù)測(cè)實(shí)際比值將變小，S卩(F2-F1)的差值變化將要小于(F3-F2)的差值變化，則采取增加Fl、減小F2、增加F3的修正策略，修正后為Fl=Fl+DX、F2=F2-DX、F3=F3+DX；
第二種策略:實(shí)際比值小于理論比值(0.47)，則預(yù)測(cè)實(shí)際比值將變大，S卩(F2-F1)的差值變化將要大于(F3-F2)的差值變化，則采取減小Fl、增加F2、減小F3的修正策略，修正后為Fl=Fl-DX、F2=F2+DX、F3=F3_DX；
這個(gè)修正量DX過(guò)大會(huì)造成授時(shí)精度變差;過(guò)小也起不到修正的效果，需要根據(jù)地面基站實(shí)際的應(yīng)用而定的，在模擬仿真中我們對(duì)Cul605系統(tǒng)選擇DX=30;對(duì)AL1605系統(tǒng)選擇DX=15;對(duì)Rbl609系統(tǒng)選擇DX=3進(jìn)行修正測(cè)試。圖5和圖6給出了 Rbl609系統(tǒng)選擇DX=3的兩種策略下精密授時(shí)Q值效果圖(Q值大小反映了系統(tǒng)授時(shí)的精密度，越大越好)，而具體的Q值是通過(guò)現(xiàn)有授時(shí)技術(shù)中，比相儀或頻穩(wěn)分析儀對(duì)地面基站授時(shí)頻率信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲得的穩(wěn)定度來(lái)反映。
[0017]圖5和圖6中，三條波動(dòng)較大的曲線分別為三個(gè)修正信號(hào)Fl、F2、F3的采樣時(shí)間間隔t=l秒的數(shù)據(jù)，而呈階梯分布的曲線為系統(tǒng)精密授時(shí)Q值。
[0018]從兩個(gè)仿真測(cè)試圖可以看出，無(wú)論是第一種策略還是第二種策略，都會(huì)使系統(tǒng)的Q值有明顯的增加。由于兩種策略修正的機(jī)會(huì)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，修正過(guò)程不會(huì)同時(shí)進(jìn)行，因而總的Q值應(yīng)該是兩種策略的疊加。但從兩圖還可以看到一點(diǎn)，即在仿真測(cè)試的初期，由于系統(tǒng)未預(yù)熱，進(jìn)入平穩(wěn)測(cè)試期間需要一定時(shí)期(一般為1-2天)，測(cè)試的結(jié)果也許與實(shí)際的效果存在較大的偏差，故應(yīng)用打開(kāi)系統(tǒng)策略需要等待至第3天后進(jìn)行。
[0019]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，包括地面局域站，其特征在于:所述地面局域站分別和北斗星一、北斗星二、北斗星三通過(guò)無(wú)線信號(hào)連通;所述地面局域戰(zhàn)包括接收機(jī)、高穩(wěn)原子鐘和授時(shí)修正模塊組成;所述高穩(wěn)原子鐘和接收機(jī)無(wú)線連接，所述接收機(jī)和授時(shí)修正模塊連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于:所述高穩(wěn)原子鐘將本地信號(hào)同步局域殘差數(shù)據(jù)傳遞給授時(shí)修正模塊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于:所述接收機(jī)接受北斗星系統(tǒng)參考時(shí)間及時(shí)間頻率比對(duì)數(shù)據(jù)的上傳。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于:所述高穩(wěn)原子鐘為接收機(jī)提供精確的同步時(shí)間信號(hào)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗多星的地面局域站授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于:所述接收機(jī)和高穩(wěn)原子鐘位于同一地理位置。
【文檔編號(hào)】G01S19/25GK105911568SQ201610229882
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】雷海東
【申請(qǐng)人】江漢大學(xué)