星地時間異步條件下快速建鏈方法

王曉玲，楊再秀，鄭曉冬

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

星地時間異步條件下快速建鏈方法

王曉玲，楊再秀，鄭曉冬

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

針對星地時間異步而導致衛星與地面設備無法正常建鏈的問題，提出了一種星地時間異步條件下星地快速建鏈的方法，闡述并分析了1 pps秒脈沖同步下星地信號收發關系，設計了針對大鐘差衛星信號的盲捕算法，給出了盲捕模式下的星地快速建鏈流程,并采用地面設備對星進行了無線試驗驗證，實現了星地鐘差在1 s范圍內的星地快速建鏈。

輪詢建鏈；盲捕；鐘差；零值；距離輔助信息

0 引言

星地時間同步是指導航衛星(以下簡稱“衛星”)與地面站建立鏈路進行持續時頻傳遞以消除衛星與地面站之間的鐘差，使星地時間基準維持一致[1]。

在衛星發射后至在軌測試初期，衛星星載原子鐘是未經過精密星地時間同步的[2]，即星上時間與地面站的時間異步，這將導致衛星與時分體制通信的地面站無法正常建鏈[3]，而這個階段，往往又存在著星地建鏈的任務需求。為了解決這一問題，本文設計了一種星地時間異步條件下與衛星建鏈的方法，通過該方法能夠解決地面站在星地時間異步的情況下與衛星快速建鏈和通信，并能應急執行部分指定任務。該方法也適用于星載時統設備發生故障導致星地時間異步時的星地應急建鏈任務。

首先描述了星地異步條件下快速建鏈的原理，通過對衛星信號的盲捕進行星地測距，將測得的偽距值與星地理論距離值進行比較，獲得星地鐘差，再根據該鐘差將地面站的發射時刻進行調整，使地面站的收發時刻向星上時間靠齊，從而使衛星能夠正確接收地面站的發射信號，實現星地建鏈。本文通過星地快速建鏈流程與相關公式，從盲捕、測距、鐘差計算和調整等內容，詳細描述了如何實現星地時間異步條件下星地建鏈的步驟，并在某地面站進行了試驗驗證，充分證明了其可行性與適用性。

1 星地異步快速建鏈原理

若要星地時間異步條件下完成星地建鏈，地面設備需要對衛星信號進行盲捕從而得到星地鐘差，并通過發射信號延遲調整技術補償衛星的捕獲時間差。

設衛星S和地面站G的時間分別為TS和TG，衛星將原子鐘TS的秒信號經過發射系統發往地面站，地面站測量本身時鐘的秒信號與接收的秒信號之差，及傳輸時延τ*[4]，若不考慮電離層、對流層的影響[5]，假設根據衛星星歷外推的星地距離為RS-G，可得地面站與衛星之間的偽距為[5]：

RAmbi=RS-G+RTx-0+RRx-0+Δt。

(1)

式中，RTx-0為衛星發射零值；RRx-0為地面接收零值；Δt為星地鐘差。

盲捕情況下，地面設備首先對衛星下行信號進行盲捕，并進行星地偽距測量RAmbi[6]。地面設備盲捕對星地鐘差無任何限制[7]，但是其偽距值范圍為：0≤RAmbi<1 s。

從式(1)便可獲得粗略星地鐘差：

Δt=RAmbi-RS-G-RTx-0-RRx-0。

(2)

獲得星地鐘差后，可控制地面收發設備分別根據鐘差推算的建鏈時序進行信號收發。

下面結合具體實例和附圖對星地時間異步且收發異步條件下星地建鏈的原理進行描述：

考慮到衛星發射零值RTx-0與地面接收零值RRx-0之和在μs量級[8]，因此下面暫時忽略RTx-0與RRx-0的影響(也就是認為RTx-0=0，RRx-0=0)[9]。

星地1PPS秒脈沖嚴格同步條件下，盲捕完成后星地信號收發時序關系如圖1所示。圖1中并沒有對星地周內秒作限制，也就是說星地的1PPS秒脈沖雖然是對齊的，但是可能存在差秒的問題[10]，這實際上應該是星地時間異步最簡單的情況。這種情況下，要實現星地建鏈，地面發射便不能按照自己的時間對發射時段進行限制[11]。假設星地時分體制下通信時收發時段相同，為TS，它由信號有效寬度Tva加上保護時段Tpro組成[12]。衛星在TS時刻進行發射，經過星地傳輸延遲RS-G到達地面接收設備[13]，地面接收設備盲捕到衛星信號后，經計算鐘差約為Δt，這時只需要估計出衛星的發射時段，在該時段的反時段發射地面上行信號即可。

圖1 1 PPS秒脈沖同步下星地信號收發關系

2 星地異步快速建鏈實現方法

星地異步快速建鏈流程如圖2所示。首先根據地面站對星的偽距測量結果以及對應時間的星地距離外推值和收發零值，計算出星地鐘差Δt(如式(2)所示)。為保證鐘差估計的有效性，需要將計算結果與預設值進行比較，若小于預設值便認為估計有效；反之，利用新的偽距測量結果重新進行鐘差估計。依據中高軌衛星的星地距離估計，此處將預設值設置為2 000ns。

圖2 星地異步快速建鏈流程

(3)

式中，t′為收發時段大于1s的部分，由式(3)可知：0≤δt

通過鐘差與星地距離，可反推設備發射信號的起始時刻[15]，計算公式為：

(4)

(5)

對于地面接收的處理會稍微復雜一點，由于接收設備不僅要考慮鐘差δt，還要考慮星地距離RS-G[17]，因此地面接收的工作時段可表示為：

(6)

根據式(5)，具體應考慮如下情況：

3 測試結果

在某地面站，使用該方法在星地異步的情況下進行了對星建鏈測試。分別將地面時間拉偏至落后星上時間800ms、450ms和200ms，超前星上時間200ms、450ms和800ms，測試數據如表1所示。

表1 地面站星地快速建鏈測試數據

通過表1測試結果可分析出，在星地異步條件下，如果使用本方法，地面站均可在8 s內完成與衛星的雙向建鏈，建鏈成功后，地面站成功執行了電文上注、數據回傳和星地測距等任務，基本具備了地面站的全部任務功能[18]。在不使用本方法的條件下也進行了多次測試，測試結果為地面站偶爾能捕獲到衛星的下行信號，而衛星始終無法捕獲到地面站發送的上行信號，不能實現雙向有效建鏈，從而無法執行指定任務。

該方法設計了盲捕接收、鐘差測量和發射調整等流程的時序邏輯，提出了盲捕鐘差調整算法，在星地時間存在大鐘差的情況下，成功實現了地面站與衛星的快速建鏈和通信，使地面站具備應急執行任務的狀態。

4 結束語

提出了一種星地時間異步條件下，星地快速建鏈的方法，包括盲捕流程、鐘差算法和鐘差調整步驟等，滿足了地面站在星地時間不同步的條件下也能完成相關任務的需求。在衛星發射初期及星載時統故障導致星地異步時，可作為星地快速建鏈的有效手段。該方法也可推廣應用于其他與星地時間同步相關的星地建鏈任務中，作為一種應急備份手段。

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王曉玲 女，(1978—),碩士，高級工程師。主要研究方向：衛星導航系統設計。

楊再秀 男，(1981—)，博士，高級工程師。主要研究方向：衛星導航系統設計。

A Fast Satellite-ground Link Establishment Method in Time Asynchronization Environment

WANG Xiao-ling,YANG Zai-xiu,ZHENG Xiao-dong

(StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

The communication between satellites and ground equipment can’t be implemented in time asynchronization environment.In view of this problem,this paper puts forward a satellite-ground link establishment method,which can solve the blind acquisition of satellite signals under the condition of time asynchronization between satellites and ground station.It analyzes the receiving and transmitting relation of satellite-ground signals under the condition of 1 pulse per second synchronization,designs an acquisition algorithm for satellite signals with large clock offset,and describes the flow of satellite-ground link establishment.The experiment is made on a ground station,and the fast satellite-ground link establishment is implemented within 1 s of satellite-ground clock offset.

polling chain-built;blind acquisition;clock offset;zero value;distance-assistant message

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.11

王曉玲,楊再秀,鄭曉冬.星地時間異步條件下快速建鏈方法[J].無線電工程,2017,47(5):44-46,61.[WANG Xiaoling,YANG Zaixiu,ZHENG Xiaodong.A Fast Satellite-ground Link Establishment Method in Time Asynchronization Environment[J].Radio Engineering,2017,47(5):44-46,61.]

2017-02-28

國家自然科學基金資助項目(91638203)。

TN961

A

1003-3106(2017)05-0044-03