星地时间异步条件下快速建链方法

王晓玲，杨再秀，郑晓冬

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

星地时间异步条件下快速建链方法

王晓玲，杨再秀，郑晓冬

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

针对星地时间异步而导致卫星与地面设备无法正常建链的问题，提出了一种星地时间异步条件下星地快速建链的方法，阐述并分析了1 pps秒脉冲同步下星地信号收发关系，设计了针对大钟差卫星信号的盲捕算法，给出了盲捕模式下的星地快速建链流程,并采用地面设备对星进行了无线试验验证，实现了星地钟差在1 s范围内的星地快速建链。

轮询建链；盲捕；钟差；零值；距离辅助信息

0 引言

星地时间同步是指导航卫星(以下简称“卫星”)与地面站建立链路进行持续时频传递以消除卫星与地面站之间的钟差，使星地时间基准维持一致[1]。

在卫星发射后至在轨测试初期，卫星星载原子钟是未经过精密星地时间同步的[2]，即星上时间与地面站的时间异步，这将导致卫星与时分体制通信的地面站无法正常建链[3]，而这个阶段，往往又存在着星地建链的任务需求。为了解决这一问题，本文设计了一种星地时间异步条件下与卫星建链的方法，通过该方法能够解决地面站在星地时间异步的情况下与卫星快速建链和通信，并能应急执行部分指定任务。该方法也适用于星载时统设备发生故障导致星地时间异步时的星地应急建链任务。

首先描述了星地异步条件下快速建链的原理，通过对卫星信号的盲捕进行星地测距，将测得的伪距值与星地理论距离值进行比较，获得星地钟差，再根据该钟差将地面站的发射时刻进行调整，使地面站的收发时刻向星上时间靠齐，从而使卫星能够正确接收地面站的发射信号，实现星地建链。本文通过星地快速建链流程与相关公式，从盲捕、测距、钟差计算和调整等内容，详细描述了如何实现星地时间异步条件下星地建链的步骤，并在某地面站进行了试验验证，充分证明了其可行性与适用性。

1 星地异步快速建链原理

若要星地时间异步条件下完成星地建链，地面设备需要对卫星信号进行盲捕从而得到星地钟差，并通过发射信号延迟调整技术补偿卫星的捕获时间差。

设卫星S和地面站G的时间分别为TS和TG，卫星将原子钟TS的秒信号经过发射系统发往地面站，地面站测量本身时钟的秒信号与接收的秒信号之差，及传输时延τ*[4]，若不考虑电离层、对流层的影响[5]，假设根据卫星星历外推的星地距离为RS-G，可得地面站与卫星之间的伪距为[5]：

RAmbi=RS-G+RTx-0+RRx-0+Δt。

(1)

式中，RTx-0为卫星发射零值；RRx-0为地面接收零值；Δt为星地钟差。

盲捕情况下，地面设备首先对卫星下行信号进行盲捕，并进行星地伪距测量RAmbi[6]。地面设备盲捕对星地钟差无任何限制[7]，但是其伪距值范围为：0≤RAmbi<1 s。

从式(1)便可获得粗略星地钟差：

Δt=RAmbi-RS-G-RTx-0-RRx-0。

(2)

获得星地钟差后，可控制地面收发设备分别根据钟差推算的建链时序进行信号收发。

下面结合具体实例和附图对星地时间异步且收发异步条件下星地建链的原理进行描述：

考虑到卫星发射零值RTx-0与地面接收零值RRx-0之和在μs量级[8]，因此下面暂时忽略RTx-0与RRx-0的影响(也就是认为RTx-0=0，RRx-0=0)[9]。

星地1PPS秒脉冲严格同步条件下，盲捕完成后星地信号收发时序关系如图1所示。图1中并没有对星地周内秒作限制，也就是说星地的1PPS秒脉冲虽然是对齐的，但是可能存在差秒的问题[10]，这实际上应该是星地时间异步最简单的情况。这种情况下，要实现星地建链，地面发射便不能按照自己的时间对发射时段进行限制[11]。假设星地时分体制下通信时收发时段相同，为TS，它由信号有效宽度Tva加上保护时段Tpro组成[12]。卫星在TS时刻进行发射，经过星地传输延迟RS-G到达地面接收设备[13]，地面接收设备盲捕到卫星信号后，经计算钟差约为Δt，这时只需要估计出卫星的发射时段，在该时段的反时段发射地面上行信号即可。

图1 1 PPS秒脉冲同步下星地信号收发关系

2 星地异步快速建链实现方法

星地异步快速建链流程如图2所示。首先根据地面站对星的伪距测量结果以及对应时间的星地距离外推值和收发零值，计算出星地钟差Δt(如式(2)所示)。为保证钟差估计的有效性，需要将计算结果与预设值进行比较，若小于预设值便认为估计有效；反之，利用新的伪距测量结果重新进行钟差估计。依据中高轨卫星的星地距离估计，此处将预设值设置为2 000ns。

图2 星地异步快速建链流程

(3)

式中，t′为收发时段大于1s的部分，由式(3)可知：0≤δt

通过钟差与星地距离，可反推设备发射信号的起始时刻[15]，计算公式为：

(4)

(5)

对于地面接收的处理会稍微复杂一点，由于接收设备不仅要考虑钟差δt，还要考虑星地距离RS-G[17]，因此地面接收的工作时段可表示为：

(6)

根据式(5)，具体应考虑如下情况：

3 测试结果

在某地面站，使用该方法在星地异步的情况下进行了对星建链测试。分别将地面时间拉偏至落后星上时间800ms、450ms和200ms，超前星上时间200ms、450ms和800ms，测试数据如表1所示。

表1 地面站星地快速建链测试数据

通过表1测试结果可分析出，在星地异步条件下，如果使用本方法，地面站均可在8 s内完成与卫星的双向建链，建链成功后，地面站成功执行了电文上注、数据回传和星地测距等任务，基本具备了地面站的全部任务功能[18]。在不使用本方法的条件下也进行了多次测试，测试结果为地面站偶尔能捕获到卫星的下行信号，而卫星始终无法捕获到地面站发送的上行信号，不能实现双向有效建链，从而无法执行指定任务。

该方法设计了盲捕接收、钟差测量和发射调整等流程的时序逻辑，提出了盲捕钟差调整算法，在星地时间存在大钟差的情况下，成功实现了地面站与卫星的快速建链和通信，使地面站具备应急执行任务的状态。

4 结束语

提出了一种星地时间异步条件下，星地快速建链的方法，包括盲捕流程、钟差算法和钟差调整步骤等，满足了地面站在星地时间不同步的条件下也能完成相关任务的需求。在卫星发射初期及星载时统故障导致星地异步时，可作为星地快速建链的有效手段。该方法也可推广应用于其他与星地时间同步相关的星地建链任务中，作为一种应急备份手段。

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王晓玲 女，(1978—),硕士，高级工程师。主要研究方向：卫星导航系统设计。

杨再秀 男，(1981—)，博士，高级工程师。主要研究方向：卫星导航系统设计。

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

王晓玲,杨再秀,郑晓冬.星地时间异步条件下快速建链方法[J].无线电工程,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

国家自然科学基金资助项目(91638203)。

TN961

A

1003-3106(2017)05-0044-03