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卫星导航系统的时间统一体制

 

 

 

       

 

 

        卫星导航系统通常分为空间段、控制段和应用段。空间段主要指卫星星座,卫星通常包括有效载荷和飞行控制系统;控制段主要指地面控制和监测网,包括主控站和多个监测站,确保卫星保持在正确轨道上,并监测卫星系统的健康状况;应用段由用户接收设备组成,用户接收设备处理卫星发射的信号,确定用户位置、速度和时间。

众所周知,卫星导航系统的定位是基于距离的量测解多元方程实现的,而距离的量测是基于时间间隔的测量实现,因此统一的时间频率是卫星导航系统正常运行和保证其精度的基础。

为了实现用户段的高精度应用,必须确保地面段和空间段的时间同步。各卫星发送信号时间误差越小,用户机越有可能获得较高的定位精度。转发式导航系统由于无星载原子钟,确保高精度的关键之一在于稳定的设备时延和精确的时延测量手段。北斗一号导航卫星在设计阶段即保证了稳定的设备时延,CAPS系统由于租用了商用转发卫星,设备时延存在较大的不稳定性,采用虚拟原子钟技术实现设备时延的校正。

卫星导航系统的时间统一体系如图2.1所示,主控站具有原子钟组,根据与各地面站比对情况产生系统时间;各地的监测站也有原子钟,产生监测站的本地时间。卫星具有星载原子钟和时频子系统,产生卫星本地时间;多个监测站接收同一颗卫星信号,对卫星轨道和钟差进行测定,主控站产生具有钟差修正值的上行电文,通过主控站或上行站实现电文注入。卫星与卫星之间也可对发无线电测距信号,实现星间链路的时间同步。

 

        常采用两种方法实现空间段的时间同步,一种为倒定位法,其原理与用户定位原理类似。多个地面观测站(大于4颗)接收同一颗导航卫星信号,测出伪距,实现卫星的精确定位;在地面站位置精确已知和时间精确同步下,可以求得卫星的精确位置和时间差。另一种方法为星间链路方法。两颗卫星双向发射信号,互相测得伪距,利用伪距计算可获得两颗卫星的钟差。有文献提出基于星载原子钟的Allan方差,建立系统状态方程,采用星间链路的观测量,设计适当的Kalman滤波算法,可在地面观测站不介入的情况下,有效提高星间时间同步精度。

除空间段时间同步外,地面监控站之间也需要高精度时间同步。常用的地面监控站之间的时间同步方法有采用双向卫星时间频率传递方法(Two Way Satellite Time and Frequency Tranfer, TWSTF )和导航卫星共视法。当采用TWSTFT方式时,地面监控站同时对同一颗卫星发射测距信号,分别测量对方信号到达本地时刻与本地时刻差,计算出钟差。根据钟差即可对时钟进行调整。当采用导航卫星共视法时,地面监控站同时观测同一颗导航卫星,通过观测数据对比计算出时间差。

 

当采用多个卫星导航系统进行定位定时用户,必须考虑不同卫星导航系统时间的一致性问题。除了整秒差以外,各系统之间还存在几纳秒至几十纳秒级的波动。保持系统时间一致或者监测各系统之间的时间偏差是实现多种卫星导航系统实现兼容和互操作的基础。

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