综合干扰下导航卫星授时的时间误差分析及仿真应用

文/刘淼

在航空航天工业中导航卫星的控制是个重要的研究课题，考虑到卫星测量和控制领域的特殊性，这往往需要多个设备和系统的综合性支持。在这一过程中，即使能够从空间站进行执行测量和控制任务，仍旧需要系统保持一致的时间。此外，由于航天器和火箭运动的速度非常高，因此其运行时的测量任务和控制任务所需的时间精度也会较高，所以没有单一系统则无法完成卫星的测量工作和控制控制。

1 GPS系统授时原理简析

1.1 GPS时间系统

由于GPS地面控制系统和GPS卫星的原子钟的配置不够合理，从而导致了使用过程中的冗余配置，而这些冗余配置影响了卫星轨道计算和时钟精确校准的可靠性，使得导航卫星授时高定位和时间精度受到了负面影响。GPS卫星轨道和时钟的精确校准多是由地面GPS系统精确计算得到，传输到卫星后通过空间GPS来实现预期目标。

卫星向用户发送具有精确星历和时钟校正的相应数据具有高度的复杂性，因此能够适用于GPS时间系统。在这一过程中每颗GPS卫星都配备了基于卫星的原子钟，因此许多监测站和主控制站还配备了高性能原子钟并使用US-NO-MC来进行实时校准。

1.2 GPS校准系统

自校准控制工作能够确保系统卫星的卫星时钟始终与GPS主时钟保持完全同步。在其工作过程中每个卫星上的星形时钟和GPS主时钟之间的偏差被控制在一定程度内，从而确保所监视的频率差或外推数据用于校正和维持卫星时间信号能够保持精确同步。此外，监测站可以接收来自该站原子基站卫星的信号，进而观察卫星实际位置与预期位置之间的偏差，有效地测量时间差并估计延迟误差，确保卫星位置和传播延迟得到控制。另外，主控制站通过网络来接收监测站的监测数据和估计结果，然后参考GPS主时钟分析和处理来自每个参考站的数据和结果，并得出新的合理数据并完成特定的GPS卫星定位。

1.3 GPS时间传递过程

当技术人员使用卫星导航进行时间同步时，由于星形时钟与卫星标准时间之间存在有差异，从而会产生偏差，使得传输时间的同步信号也偏离相应的标准时间。此外，考虑到时间同步信号是通过room的方式来传递给用户的接收天线，而由于电离层和对流层的存在，在空中引起空间传输偏差，并最终导致用户接收器的时钟和处理实验生成的时钟存在偏差，这些偏差可以基于技术人员的经验来进行修改和校对，但是技术人员在通过在递送过程期间分析时间同步信号时，校正本身也会导致误差，反而使得其更加难以准确地捕获准确的同步时间。

2 卫星授时的时间误差分析的必要性

2.1 明确时间基准结构

明确时间基准结构具有很高的重要性。由于综合干扰环境中的时间同步有很长的距离，在这一段距离中传输的目标很多且精度要求很高，这对于电缆连接的实际性能来说是不实际的，并且时间基准可以通过诸如卫星接收器的无线装置来达到统一。此外，考虑到GPS用户接收器是一种高带宽、高时间精度的系统，因此为了确保GPS用户接收器的时间均匀性。举例来说，UTC时间参考和GPS时间参考由专门机构管理，并且导航消息发送两者之间的相应时间和时间差异，以便进一步的调查存在的错误和误差。

2.2 合理选择同步模式

在GPS地面控制系统发送导航信号之后，技术人员将其发送到卫星然后发送到接收终端。考虑到该过程中的误差对终端发送的时间信号有较大影响，因此导航信号需要来自于地面控制系统，而从传输到时间终端的信号产生时间则是技术人员进行时基研究的一个重要组成部分。

技术人员在合理选择同步模式时，考虑到不同理论研究人员对时间同步方法的研究非常激烈，因此需要根据技术实践需要来选择合适的同步方法。一般而言同步方法大致可以分为两类：第一类是是基于网络数据级别的时间同步，即通过时间同步来进行同步数据包的数据交换，此级别的同步多基于现有的网络通信链路，因此也不需要硬件投资，但是其实现逻辑较为复杂且需要占用大量通信链路带宽，并且同步精度相对较低，所以主要用于智能命令和信息传递。与之相对的，第二种类型是基于时间信号的时间同步，即GPS终端使用时频信号的同步模式，通过使用接收机系统来输出时间信号，需要相应的硬件设施支出，但是整体同步精度较高。

2.3 有助于技术实际应用

考虑到综合干扰的客观存在，技术人员在选择时频信号同步的类型时，应当合理选择技术研究对象。举例来说，1PPS信号多用作时间同步参考模型中，该模型包括两个方面的应用：首先是相对固定的网络环境，包括指挥系统、船舶卫星、雷达卫星等，其中大量信息设备和统一时间服务器组合形成LAN系统。通过同步1PPS信号实现了比通过纯网络同步更好的同步效果。与之相对的，领一种则是分布式独立定时设备，包括类GPS定时等种类，其定时主要为1PPS模式，而在该同步模式中技术人员通过结合综合干扰的实际特征，就能够考虑到综合干扰中的参考误差。此外，技术人员还需要考虑到时基误差的度量，由于时间是一个连续变量，所以时间误差取决于应用时间偏差。因此技术人员在测量时基误差时，首先需要确定客户端时间的调度并用调度时间的偏差来测量它，从而在不失一般性的情况下，使用步骤点的错误序列描述时基错误，才能够有助于技术的实际应用。

3 导航卫星授时的时间误差仿真应用

3.1 做好时间同步精度考察

技术人员对于时间同步精度进行分析时，通常需要考虑到时间同步误差、频率精度误差和频率偏差。虽然通常来说有测量频率稳定性等指标的限制，但是技术人员在实际测量过程中，通常只能获得同步对象和测试设备相对同步误差，很难统一系统和标准时间（如GPS，UTC）。因此，技术人员有必要采用合理的方法来观察时间均匀结果与标准时间的偏差，而仿真技术就可以很好地达到这个目的。

仿真技术基于数学理论、类似原理、信息技术、系统工程和计算机应用等技术。技术人员在使用仿真技术时需要使用计算机和专用设备作为媒介工具，使用系统模型来进行动态实验研究，并使用模拟技术的时间检查同步系统，从而可以更详细地理解时间同步的机制和同步错误传输的过程以及时间同步效应，反过来又可以对时间同步的研究方法进行改进和理论验证。

3.2 分析误差传输机理

导航卫星定时误差分析的内容包括有误差源识别、强度识别、误差传播机制确认和误差分离补偿等等，由于其机理覆盖面广从而使得理论研究困难，但是上述各个领域正在迅速发展。因此在模拟系统中，技术人员可以选择用于错误传输机制等的典型方法专注于建模方法研究。例如如果技术人员需要研究不同的错误分析方法，则只需要通过仿真恢复仿真模型。因此，GPS接收终端用作定时终端并且可以检查综合干扰环境中的原理，然后将现代计算机作为主要信息载体，将综合干扰条件下的时间同步抽象为分布式计算机，因此是现代信息技术研究的热点。

3.3 优化时间同步领域应用

随着互联网应用的推广，基于网络消息的时间同步技术也得到了广泛使用。通常来说网络时间协议由一系列称为RFC（Request For Comments）的文件定义。网络协议通过网络向每个客户端发送时间服务器时间戳，以实现时间同步。因为导航卫星可以很容易地扩展到任何单位，因此卫星系统提供的时间同步逐渐成为分布式时间同步最重要的技术方法。从上世纪80年代自从在美国引入全球定位系统以来，卫星导航系统发生了重大变化：所有主要国家和集团都将导航卫星系统作为国家一级重要信息基础设施和武器系统的重要组成部分。在国外系统中，美国GPS系统和俄罗斯GLONASS被广泛使用，这一体系在20世纪80年代末达到顶峰，并对后续的卫星导航体系产生了深远的影响。

4 结束语

在时间相干系统中，定时通常与仪器的频率密切相关，但与频率脉冲信号密切相关如果每个脉冲上升沿被建模为模拟时间的单位，则输出通常更密集成本是不可想象的，因此必须引入更频繁的离散事件模拟方法来实现这一点结合文本的时序方法，深入研究集成干扰对频率的影响，形成一个完美的时机和更常见的仿真系统为综合干扰的时空一致性研究提供了一种更有效的分析方法。