具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明在低轨航天器上搭建守时平台，整合天基时频的可用资源，提出一种集中式天基时间基准建立方法，构建集中式天基时间基准生成试验系统，最终生成以低轨航天器上高精度时间频率系统搭载的高性能原子钟为中心的天基时间基准。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，以低轨航天器上高精度时频系统连续产生的高精度时间频率信号作为比对基准，依照北斗卫星之间的星间链路工作模式，在低轨航天器上搭载一台Ka星间链路设备，按要求进行建链规划，星间链路管理中心分配合理的时隙给北斗卫星和低轨航天器星间链路设备，根据时隙表要求，在规定时隙内建立低轨航天器与北斗卫星之间的星间比对链路。低轨航天器地面系统也会将星座配置表、时隙表、路由表、时隙/路由切换指令、北斗卫星和低轨航天器轨道长期预报历书和钟差参数等信息都上注给低轨航天器，供低轨航天器与北斗卫星之间建链使用。尽量不增加北斗星间链路管理中心的工作复杂程度和工作流程，采用每小时一张时隙表(20个时隙)，根据入境可视的情况给低轨航天器分配相应的时隙与对应可视的北斗卫星进行建链。低轨航天器轨道较低，在与北斗卫星建立星间链路时，低轨航天器与北斗卫星的可见性会由于轨道情况的影响变差，需依据可视弧段数进行建链，并确定合适的建链时长，以保证试验数据的完整性。对低轨航天器与北斗卫星可见性的进行仿真分析，某一小时内，低轨航天器与5颗不同的北斗卫星具有8次以上的可视弧段数，规划低轨航天器与这5颗北斗卫星轮循建链，每次建链时长平均为10分钟，每条链路每分钟分配一个时隙点。

步骤2，在低轨航天器与北斗卫星之间建立星间测距和通信链路之后，基于相控阵天线体制采用时分、捷变的工作模式，将该链路接入现有的北斗链路网络管理控制系统，最终完成将低轨航天器上的高精度时间频率系统完全纳入北斗卫星系统，并作为整个星间链路和天基时间计算的中心节点。低轨航天器上的高精度时间频率系统纳入北斗卫星系统有两个关键点，一是通过GNSS接收机将两大系统的时间基准进行统一，时间同步至BDT上；二是通过链路将两大系统的星历、测距等信息进行交换，便于快速建链。

步骤3，通过低轨航天器与北斗卫星之间的时间比对链路，获得低轨航天器上高精度时间频率系统搭载的高性能原子钟与北斗星载原子钟之间的钟差数据，并将数据通过数据传输链路传至集中式天基时间计算节点；利用低轨航天器上高精度时间频率系统自身具有的微波双向链路和激光链路，建立低轨航天器与地面站之间的时间比对链路，获得低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟与地面站原子钟之间的钟差数据。两种精密钟差的获取是计算集中式天基时间基准的基础。

步骤4，结合两种钟差数据，通过综合加权原子时算法生成集中式天基时间基准。集中式天基时间基准生成的方法分为两种，分别为天基自主运行模式和天地联合运行模式。在天基自主运行模式下，以低轨航天器上高精度时间频率系统搭载的高性能原子钟作为比对基准，将低轨航天器作为整个星间链路的一个中心节点，建立低轨航天器与北斗卫星之间的星间链路，通过低轨航天器与北斗卫星之间的时间比对链路，获取低轨航天器上高精度时间频率系统搭载的高性能原子钟与北斗星载钟之间的钟差数据，利用综合加权原子时算法计算以低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟为核心的集中式天基时间基准，通过低轨航天器与地面站的双向比对链路向地面时间基准进行比对和溯源，最终完成向UTC(NTSC)的溯源。在天地联合运行模式下，低轨航天器与北斗卫星之间建立双向测量链路，获取低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟与北斗星载钟之间的钟差数据(低-星钟差)，再通过微波双向链路和激光链路实现低轨航天器与地面站之间的高精度时间比对，获取低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟与地面站原子钟之间的钟差比对数据(低-地钟差)，综合低-星和低-地两种钟差数据，通过综合加权原子时算法生成以低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟为核心的集中式天基时间，与地面守时系统形成互补。集中式天基时间生成试验的输入要求为精密钟差数据，通过低轨航天器与北斗卫星之间的星间链路获取的低-星钟差还需通过误差修正才能得到精密钟差数据，而通过低轨航天器与地面站之间的微波或激光链路获取的低-地钟差即就是精密钟差数据，可直接使用。集中式天基时间的具体计算方法为，由于纸面时不可测，即表示为低轨航天器上高精度时间频率系统搭载的高性能原子钟与纸面时之间的钟差形式，进而通过综合加权原子时算法可以表示为：

其中clock_低-h_i(t)为精密钟差数据(低-星精密钟差和低-地精密钟差)，h′_i(t)为预报值，ω_i(t)原子钟的权重。

本发明的实施例包括以下步骤：

步骤1，星间比对链路建立

按照北斗星间链路的工作模式，在低轨航天器上搭载一台星间链路设备，建立低轨航天器与北斗卫星之间的星间比对链路，低轨航天器地面站定期向北斗星间链路管控中心提供低轨航天器的轨道预报历书和钟差参数等信息，以便北斗星间链路管控中心制定包含低轨航天器在内整个星间链路的时隙分配表，根据时隙表，在规定时隙内北斗卫星主动呼叫低轨航天器以建立星间比对链路。整个过程不改变北斗星间链路的工作模式，仅将低轨航天器纳入整个星间链路时隙分配中即可。

星间比对链路的具体工作模式为，首先控制低轨航天器星间链路相控阵天线指向北斗卫星的星间链路载荷，北斗卫星的星间链路载荷向低轨航天器方向发出信号，低轨航天器星间链路设备接收信号，完成星间的伪距测量及数据解析，同时北斗卫星的星间链路载荷接收来自低轨航天器星间链路设备发出的信号，完成星间的伪距测量及数据解析，星间链路的比对测量过程采用双向测量模式，是目前最常用和精度最高的方法。

步骤2，将低轨航天器上的高精度时间频率系统纳入北斗系统

1)利用低轨航天器上的高精度时间频率系统搭载的L频段GNSS接收机，将低轨航天器星间链路设备的时间同步到北斗时上，满足低轨航天器星间链路设备和北斗系统星间链路设备之间的时间信息同步和时间基准统一。

2)利用低轨航天器上的高精度时间频率系统搭载的微波链路、激光链路，下发自身位置遥测信息，该系统地面站综合利用遥测信息和星地测量结果，计算生成低轨航天器的轨道信息和时间信息等，并打包成北斗系统的星历格式。

3)低轨航天器上高精度时间频率系统的地面站和北斗运控系统通过地面通信实现信息交换，包括北斗系统的星历和低轨航天器的星历。

4)北斗卫星的运控系统利用L频段上行链路将星历信息等上注给在轨导航卫星，低轨航天器上高精度时间频率系统的地面站利用上行微波或激光链路将星历信息等上注给该系统。

5)根据任务安排，规划建链配置，北斗卫星测控系统利用S频段链路将预先生成的建链规划表发送至在轨导航卫星，低轨航天器上高精度时间频率系统的地面站利用上行微波或激光链路将预先生成的建链规划表发送至该系统，并转发控制星间链路设备。

6)北斗卫星星间链路设备和低轨航天器星间链路设备根据任务规划执行双向通信，并将测距信息进行交换，完成一次星间比对测量，实现将低轨航天器上的高精度时间频率系统纳入北斗系统。

步骤3，精密钟差获取

1)通过低轨航天器与北斗卫星之间的星间比对链路，确定低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟和北斗系统星载钟之间的钟差(低-星钟差)，但精密低-星钟差的获取还需考虑低轨航天器与北斗卫星的运动状态、比对链路的校准等误差项，误差项具体修正方式为：

a.低轨航天器与北斗卫星位置的精确修正

由于低轨航天器与北斗卫星的运行速度不同，且所处的重力势不同，即两者之间不可避免的存在相对论效应。相对论效应属于能精确模型化的误差，可以完全扣除，因此相对论效应不会对预处理后得到的钟差数据产生影响。但位置的偏差会对比对测量钟差带来一定的影响，这就要求在低-星钟差归算的过程中必须考虑。由于低轨航天器搭载着多模多频GNSS接收机，可以通过数据传输链路将接收机的观测数据传回地面站，地面站经过事后的数据处理获得更高精度的位置解算(实现cm级别)和钟差结果；

b.比对链路的校准(如图4所示)

低轨航天器与北斗卫星配置相同的星间链路设备，因此在低轨航天器和北斗卫星之间进行双向比对测量时，星间链路收发设备时延会以系统误差的形式存在于测量结果中。因此试验的重点是如何修正低轨航天器与北斗卫星之间的星间比对链路的收发设备时延，实现比对链路的校准。

图4为星间链路系统误差校准的原理图，不考虑北斗卫星和低轨航天器之间双向比对链路中的误差影响，且假定星间链路收发设备时延在比对期间保持不变。A星和B星为北斗卫星的任意两颗，设T_A收、T_A发为A星的收发设备时延，T_B收、T_B发为B星的收发设备时延，T_低收、T_低发为低轨航天器的收发设备时延，t1、t2、t3、t4时刻为任意不同时刻，T1_A、T2_A为A星t1、t2时刻的钟面时，T3_B、T4_B为B星t3、t4时刻的钟面时，T1_低-T4_低分别为低轨航天器在t1-t4时刻的钟面时，A星测得t1时刻卫星A与低轨航天器的时差为T1_A低，低轨航天器测得t2时刻低轨航天器与卫星A的时差为T2_低A，B星测得t3时刻卫星B与低轨航天器的时差为T3_B低，低轨航天器测得t4时刻低轨航天器与卫星B的时差为T4_低B，则有：

T1_A低＝T1_A-T1_低+DT1_A低+T_A收+T_低发 (2)

T2_低A＝T2_低-T2_A+DT2_低A+T_A发+T_低收 (3)

低轨航天器根据历史时刻及t2时刻的测量值可以高精度内插计算得到t1时刻低轨航天器与A星的测量值T1_低A。

T1_低A＝T1_低-T1_A+DT1_低A+T_A发+T_低收 (4)

利用(2)式减去(4)式有：

T1_A低-T1_低A＝2(T1_A-T1_低)+[(T_A收-T_A发)-(T_低收-T_低发)] (5)

同理可以计算B星与低轨航天器的时差数据：

T3_B低-T3_低B＝2(T3_B-T3_低)+[(T_B收-T_B发)-(T_低收-T_低发)] (6)

(5)、(6)式的左边为已知量，等式右边第一项为卫星与低轨航天器的钟差，第二项为卫星与低轨航天器星间链路收发设备时延差，右边两项为待求量。

两项均为固定偏差，因此无法分离，考虑使用卫星轨道确定试验提供的卫星和低轨航天器的钟差。但该数据包含了低轨航天器接收机的内部时延和随机误差，用τ来表示这部分误差项，因此使用前需进行处理，假设该试验提供的t1时刻A星与低轨航天器的时差为MT1_A低，t3时刻B星与低轨航天器的时差为MT3_B低，则有：

MT1_A低＝(T1_A-T1_低)+τ (7)

MT3_B低＝(T3_B-T3_低)+τ (8)

(7)式减去(8)式有：

MT1_A低-MT3_B低＝(T1_A-T1_低)-(T3_B-T3_低) (9)

(5)式减去(6)式有：

(T1_A低-T1_低A)-(T3_B低-T3_低B)

＝2[(T1_A-T1_低)-(T3_B-T3_低)]+[(T_A收-T_A发)-(T_B收-T_B发)] (10)

将(9)式代入(10)式可以得到：

(T_A收-T_A发)-(T_B收-T_B发)

＝(T1_A低-T1_低A)-(T3_B低-T3_低B)-2MT1_A低-2MT3_B低 (11)

(11)式等式右边都是已知量，这样就得到了北斗A星和北斗B星之间星间链路的设备时延差，同理可得低轨航天器与北斗A星、低轨航天器与北斗B星之间星间链路的设备时延差，最终实现对比对链路的校准。经过上述修正处理，可得到精密低-星钟差。

2)通过低轨航天器和地面站之间的微波或激光比对链路，可确定低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟和地面站原子钟之间的精密钟差(低-地钟差)，综合上述两种精密钟差数据，为集中式天基时间生成试验提供输入。

步骤4，集中式天基时间基准生成方法

采用综合加权原子时算法计算集中式天基时间基准，根据各原子钟之间的钟差比对数据计算得到集中式天基时间的纸面时。若有N台原子钟读数为h_i(t)，i＝1,2…,N，TA(t)为时间尺度一般形式可写为下式：

其中，ω_i(t)表示原子钟的权重因子，TA(t)即是原子时算法得到的纸面时间。当每台原子钟相互独立时，加权平均值(具有最佳权重)给出的时间尺度比单独的任何守时钟都稳定。

式(12)的初衷是减少波动，在此前提下，提取每台原子钟的相位波动并单独求平均值，式(12)可以写为：

由于纸面时不可测，将式(13)改为钟差形式：

其中，clock_低-h_i(t)指低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟与钟i的比对数据，h′_i(t)指钟i的预报值，ω_i(t)指钟i的权重。就本发明而言，低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟clock_低可看作原子时算法的参考信号，h_i(t)可以看作北斗星载原子钟或地面站原子钟的读数，ω_i(t)指参与计算的北斗星载原子钟或地面站原子钟的权重。权重ω_i(t)和预报值h′_i(t)的计算可以采用不同的计算方式实现。

权重ω_i(t)可用下式进行计算：

式(15)中为钟i的阿伦方差。

基于时间频率的动态模型可求h′_i(t)，时间是随着时间尺度进行叠加扩展开来，即时间是频率随时间的累积量，频率是频率二次漂移随时间的累积量。某钟的时间迭代可用以下公式表示：

h′_i(t)＝T₀+Fre·Δt+0.5Fre_old·(Δt)² (16)

其中T₀是0时相对应基准时间的初始时间差，Fre是在时间间隔[0,t]相对于基准时间的频率差，Fre_old是在时间间隔[0,t]相对于基准时间的频率二次漂移系数，Δt是0时刻至t时刻经历的时间差。式(16)还可写为：

ΔT_k＝Fre·Δt+0.5Fre_old·(Δt)² (17)

ΔT_k为从0时刻到t时刻的时间变化率，继续简化可得到：

ΔT_k+1＝Fre_k+1·Δt_k+1 (18)

Fre_k+1＝Fre+0.5Fre_old·Δt_k+1 (19)

目前能获取的直接测量值仅为时间间隔的测量值，即时间的变化量，表示为

T′_k+1＝T_k+1+ω (20)

式中T′_k+1为测量时间，T_k+1为真实时间，ω为测量误差。

卡尔曼滤波不要求信号和噪声都是平稳过程，对于每个时刻的系统扰动和观测误差(即噪声)，只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得误差为最小的真实信号的估计值，从时间动态模型和测量模型可以分析得出，时间尺度的计算是以时间测量为基础的频率和频率二次漂移估计的线性估计问题，可进一步使用卡尔曼滤波进行求解。基于上述模型，以某时刻相对于基准时间的时间差、频率差和二次频漂系数为卡尔曼的状态向量，即

其状态转移矩阵可知：

将式(21)、(22)代入卡尔曼滤波器中进行迭代可估计最优解。将求得的权重ω_i(t)、预报值h′_i(t)以及精密钟差数据代入式(14)可得到clock_低-TA(t)。

通过该方法仿真计算得到集中式天基时间基准各项指标为：天基自主运行模式下集中式天基时间的频率稳定度约为4E-15/天；天地联合运行模式下集中式天基时间的频率稳定度约为8E-16/天，与BDT相比较，至少提升一个量级。

本发明以低轨航天器上的高精度时间频率系统为依托，一方面基于北斗星间链路的成熟技术，建立低轨航天器与北斗卫星之间的星间双向比对链路，获取低-星钟差比对数据，通过综合加权时间尺度算法生成以低轨航天器上高精度时频系统搭载的高性能原子钟为参考的自主运行模式下的集中式天基时间基准；另一方面通过低轨航天器自身具备的微波或激光链路，建立低轨航天器与地面站之间的高精度双向时间比对链路，结合地面站原子钟数据生成天地联合运行模式下的集中式天基时间基准，实现天地联合守时，满足未来航空航天系统对高精度时间基准的需求。本发明将地面守时理论与方法运用到集中式天基时间的建立，通过对集中式天基时间基准建立与维持方法的研究，强化天基时频体系自主化建立的方法理论，为未来建立天地互备、天地协同的高精度集中式天基时间基准奠定基础。