一种双频时间同步系统、时间同步方法及其导航应用与流程

本技术涉及空间，尤其涉及一种双频时间同步系统、时间同步方法及其导航应用。

背景技术：

1、目前面向未来的6g通信正在如火如荼的研发当中，相较于以往的移动通信技术，6g通信最大的特点是加入了卫星通信部分，将卫星通信和地面移动通信有机融合，形成全域覆盖的泛在通信网络。而其中的卫星通信部分，部分使用了地面移动通信技术领域的技术，使得卫星通信具有地面移动通信相同的技术特征，如需要高精度的时间同步功能，时间同步要求在数纳秒水平。面向6g的卫星通信的典型特点是低轨卫星为主导，如国内的互联网通信星座，国外的星链卫星星座等。这些低轨卫星通信星座需要数量庞大的卫星支持，如何低成本、高性能的满足时间同步要求就是一项迫切的需求。在其他如导航卫星、通信卫星、遥感卫星等航天系统也需要高精度的星地时间同步要求。

2、目前实现高精度星地时间同步的典型方法是双向伪距测量方法、激光测量法等。应用双向伪距测量方面是解决6g系统中星地时间同步的有力技术手段。双向伪距测量方法，以其时间同步精度高而在卫星导航系统中得到了广泛应用。双向伪距测量方法的工作原理是卫星和地球站均在本地钟控制下以各自独立的钟面时发射伪距测距信号，卫星和地球站各自的接收机收到对方发射的测距信号后，双方互相测量得到各自的伪距测距值，然后通过通信手段进行伪距测距值的交换，通过比较这两个伪码测距值，可以得到卫星与地球站之间的钟差，所得钟差包含电离层时延残差。如果需要进一步克服电离层时延误差的影响，需要使用电离层模式校正或使用第三方提供电离层总电子数进行校正。

3、双向伪距测量方法之所以时间同步精度高，是基于星地之间信号传播路径相同，具有相同的星地空间距离和对流层时延，但电离层时延不同，从而卫星与地球站之间钟差即为所测量的伪距之差除以光速或为卫星与地球站各自检测相应时标的时刻之差。

4、双向伪距测距测量方法中，地面站和卫星各自使用一个载波频率，共计两个载波频率的射频信号，该方法首先需要卫星和地面站之间满足粗略的时间同步要求，否则会带来空间距离不相等带来的误差；同时要求卫星或地面站有相应的伪距测距设备。传统的双向伪距测量方法都是在l，s频段使用，而l，s频段已经集中了大量卫星通信、卫星导航业务，如果再使用l、s频段的无线电信号，会带来互相干扰等问题。目前行业专家都在积极开发高频段的双向伪距时间比对方法，而适应高频段的星地时间同步方法仍在研究中；

5、为了实现星地时间同步，还可以使用激光方法实现，激光可以看作是频率非常高的无线电信号，激光信号穿越电离层时，所受到的时延非常小，可以忽略不计。卫星和地面站均使用激光器件，而非无线电发射机或接收机，使用成本高，且应用受限的缺点。使用激光时，存在受气象影响大的缺点，在雨天、雪天、阴天等气象条件下，无法使用激光方法，只有在晴朗天气下可以使用。因此，激光法虽然可以取得很优的时间同步性能，但成本高、受天气影响大等缺点制约，难以普及性使用。

6、上述各种方法，需要卫星或地面接收机接收信号并进行测量，而信号在星地两端传输时，对于接收方而言，涉及远端的大气的电离层、对流层影响，近端的多径效应、电磁环境影响。远端、近端统称为环境段影响。其中大气影响是全面的、基础的，是一项世界性的难题。除了环境段影响之外，上述方法存在观测设备数量多、时间同步误差大、初始时间同步精度、卫星定轨精度、用户坐标精度影响，导致双向伪距测量方法获得的时间同步精度较差。

7、上述内容仅用于辅助理解本技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种双频时间同步系统、时间同步方法及其导航应用，旨在解决现有双向伪距测距方法中钟差精度低、实时性差、成本高等问题，为6g系统的卫星通信提供低成本、高性能的时间同步解决方法。

2、为实现上述目的，本技术提供一种双频时间同步系统，包括通信连接的第一设备和第二设备；所述第一设备与所述第二设备之间有1路伪距测距信号和1路转发测距信号；其中，所述伪距测距信号由所述第一设备播发且由所述第二设备接收，或者由所述第二设备播发且由所述第一设备接收；所述转发测距信号由上行信号和下行信号构成，所述第二设备播发所述上行信号并接收所述下行信号，第一设备接收所述上行信号且转发形成所述下行信号；所述上行信号的载波频率、所述下行信号的载波频率和所述伪距测距信号的载波频率之间满足预设载波频率关系。

3、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种时间同步方法，应用于本技术任意实施例所述的双频时间同步系统，所述方法由计算设备执行，所述方法包括：当所述伪距测距信号由第二设备播发且由第一设备接收时，与所述第一设备通信获取所述第一设备测量得到的1个伪距测距值，并与所述第二设备通信获取所述第二设备测量得到的1个转发测距值；当所述伪距测距信号由第一设备播发且由第二设备接收时，与所述第二设备通信获取所述第二设备测量得到的1个伪距测距值和1个转发测距值；其中，所述1个转发测距值对应的载波频率和所述1个伪距测距值对应的载波频率之间满足预设载波频率关系；分别使用伪距测距表达式表征所述伪距测距值以及使用转发测距表达式表征所述转发测距值；基于所述伪距测距表达式表征的伪距测距值、所述转发测距表达式表征的转发测距值和所述预设载波频率关系确定相对钟差，其中，所述相对钟差为所述第一设备与所述第二设备之间的钟差。

4、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种星地空间距离确定方法，应用于本技术任意实施例所述的双频时间同步系统，所述方法由计算设备执行，所述方法包括：基于预设对流层模型确定出第一设备与第二设备间测距信号路径上的对流层时延；基于电离层模型或第三方提供的电离层总电子数量确定出第一设备与第二设备间测距信号路径上的电离层时延；基于确定出的所述对流层时延、所述电离层时延、所述相对钟差以及修正伪距测距值，利用如下公式(3')确定出如下公式(10)所示的相对空间距离，其中，所述相对空间距离为所述第一设备与所述第二设备之间的星地空间距离：

5、

6、

7、或者，基于确定出的对流层时延、电离层时延以及修正转发测距值，利用如下公式(4')确定出如下公式(11)所示的相对空间距离：

8、

9、rtrue,z1u(n)＝lz1,m(n)-tduiliu,z1u(n)-(iz1u(n)+iz1d(n))/2(11)；

10、或者，对所述公式(10)和所述公式(11)进行加权平均，得到加权平均后的相对空间距离，其中，加权系数之和等于1；

11、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种卫星导航系统，包括：本技术任意实施例所述的双频时间同步系统，其中，所述第一设备为卫星，所述第二设备为地球站，且所述卫星的数量大于等于2；多个第三设备，均与所述卫星通信连接；其中，所述地球站基于与各卫星的数据传输结果获取对应卫星的轨道参数，并基于各卫星的轨道参数以及所述地球站与所述卫星之间的相对空间距离确定自身的坐标信息；部分所述第三设备构成卫星定轨系统，用于对所述卫星进行轨道监控和处理，得到卫星轨道参数；部分所述第三设备构成星地时间同步系统，用于对各所述卫星进行时间监控。

12、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种站间时间同步系统，包括：本技术任意实施例所述的卫星导航系统；其中，当所述地球站为至少两个时，至少两个所述地球站通过通信交换数据实现彼此间的时间同步。

13、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种站间时间同步系统，包括：本技术任意实施例所述的双频时间同步系统；其中，当所述第一设备或第二设备为至少两个时，至少两个所述第一设备或第二设备通过通信交换数据实现彼此间的时间同步。

14、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种卫星定位方法，应用于本技术任意实施例所述的卫星导航系统，所述方法由地球站执行，所述方法包括：获取各卫星的轨道参数，其中，所述卫星的轨道参数由定轨系统确定；基于所述轨道参数确定对应卫星的坐标信息；获取自身与各卫星之间的相对空间距离；基于各所述卫星的轨道参数以及与各所述卫星之间的相对空间距离，确定自身的坐标信息。

15、本技术提供的双频时间同步系统，第一设备向第二设备播发伪距测距信号，第二设备向第一设备发送上行信号，第一设备在获取到上行信号后对上行信号进行变频、功率放大处理得到下行信号并向第二设备转发该下行信号，上行信号、下行信号和伪距测距信号的载波频率之间具有预设载波频率关系，如此，第二设备通过三个信号的载波频率之间的预设载波频率关系进行数学运算而在无需知晓确切的因为大气层影响而造成的时延误差的情况下即可确定出第一设备与所述第二设备之间的钟差。当该双频时间同步系统应用于卫星导航领域时，相比于现有技术，本技术双频时间同步系统对流层时延的误差影响，能够提高所确定的钟差精度，提高导航精度且具有实时性强的优点。