本發(fā)明涉及衛(wèi)星授時(shí)，尤其涉及一種基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著對(duì)于外太空的探索活動(dòng)不斷增多，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用并得到不斷發(fā)展，對(duì)于高精度時(shí)間同步的需求日益增加。在諸如金融交易、電力系統(tǒng)同步、地球物理測(cè)量等領(lǐng)域，精確的時(shí)間同步對(duì)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要?，F(xiàn)有為終端用戶提供授時(shí)服務(wù)的空地時(shí)頻同步系統(tǒng)主要包括無線電波導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(gps/北斗/glonass/galileo)、衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)等。然而，無線電波導(dǎo)航系統(tǒng)受限于較低的工作頻段、電磁環(huán)境、易受干擾等因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)微秒以內(nèi)的授時(shí)精度。gps/北斗導(dǎo)航系統(tǒng)盡管能夠?qū)崿F(xiàn)10ns量級(jí)的授時(shí)精度，但需要經(jīng)過長(zhǎng)期測(cè)量平均才能達(dá)到。隨著各國(guó)陸續(xù)將時(shí)間安全上升為國(guó)家法律，更高授時(shí)精度的重要性愈發(fā)體現(xiàn)，如何實(shí)現(xiàn)更高精度、靈活以及穩(wěn)定的授時(shí)系統(tǒng)成為當(dāng)下熱點(diǎn)問題。

2、在這一背景下，激光時(shí)間傳遞技術(shù)油然而生。目前所有方案都是基于經(jīng)典的往返時(shí)間測(cè)量和雙向時(shí)間比對(duì)法，這得益于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向傳輸激光大氣鏈路的對(duì)稱互易性較高。但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中絕大多數(shù)情況下，地面觀測(cè)站的位置都不是固定不變的，此時(shí)雙向時(shí)間比對(duì)法難以應(yīng)用。因此我們提出了一種潛在的高精度時(shí)間同步手段——基于衛(wèi)星地激光單向授時(shí)技術(shù)。與傳統(tǒng)的傳輸方式相比，單向激光授時(shí)技術(shù)充分發(fā)揮激光波長(zhǎng)短、方向性好，信道容量大、受電離層影響小，器件體積功耗重量小等優(yōu)勢(shì)?？朔穗p向傳輸延遲不對(duì)稱的問題、減少了大氣對(duì)光信號(hào)的衰減。這種技術(shù)利用多條(≥4)衛(wèi)星發(fā)射激光信號(hào)，地面接收器接收并解析信號(hào)，做到“只收不發(fā)”的高隱蔽性。在需要的時(shí)間和區(qū)域動(dòng)態(tài)構(gòu)建“精細(xì)時(shí)空”，在多激光波束交匯的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

3、然而，近地面區(qū)域的非均勻大氣層的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化引起大氣折射率隨機(jī)起伏變化，形成大氣湍流。這種湍流效應(yīng)會(huì)引起光束光場(chǎng)的隨機(jī)變化，宏觀上表現(xiàn)為光場(chǎng)空間相干性退化、光束漂移起伏、到達(dá)角起伏和光強(qiáng)閃爍，導(dǎo)致接收端信號(hào)光的光束質(zhì)量變差。因此，如何實(shí)現(xiàn)基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：提出一種基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。

2、本發(fā)明提出的一種基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

3、構(gòu)建大氣湍流模型和相位屏模型；

4、獲得觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值與預(yù)定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)觀測(cè)到的若干衛(wèi)星坐標(biāo)值，從中選出天頂角符合預(yù)設(shè)條件的四顆衛(wèi)星；

5、將選出的四顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的天頂角導(dǎo)入所述大氣湍流模型和相位屏模型，重構(gòu)出被湍流擾動(dòng)的光脈沖信號(hào)并計(jì)算得到該光脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)；

6、基于四顆衛(wèi)星的坐標(biāo)值與每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的所述光脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)，計(jì)算得到衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差與觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算值；

7、利用滑動(dòng)平均濾波對(duì)所述衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差進(jìn)行處理，得到補(bǔ)償優(yōu)化后的衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差。

8、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所有坐標(biāo)值均基于地心地固坐標(biāo)系。

9、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述大氣湍流模型的構(gòu)建方式如下：

10、選取hufnagel-valley模型計(jì)算折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨高度的變化，表達(dá)式如下：

11、

12、式中，v為5～20km高度處平均風(fēng)速；為地面湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)；

13、當(dāng)v＝21m/s、時(shí)，此hufnagel-valley模型即為大氣湍流模型。

14、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，相位屏模型的構(gòu)建方式如下：將傳輸距離為l的大氣信道劃分為多個(gè)小份，每δl距離上大氣湍流對(duì)光束的影響近似等效為一個(gè)無限薄的相位屏，采用功率譜反演法進(jìn)行大氣相位屏數(shù)值仿真。，并采用了kolmogorov譜。由于星地路徑上的折射率起伏強(qiáng)度不均勻，若設(shè)置等間距的相位屏，則強(qiáng)起伏區(qū)不能被充分采樣，而弱起伏區(qū)將會(huì)被過度采樣，導(dǎo)致計(jì)算誤差。采取等rytov指數(shù)間隔相位屏，設(shè)置相位屏間rytov指數(shù)間隔均為常數(shù)cr，通過計(jì)算進(jìn)而得到相位屏的位置。并且由于傅里葉變化采樣頻率的問題，相位屏并不包含低頻部分，利用次諧波補(bǔ)償法對(duì)相位屏進(jìn)行低頻補(bǔ)償。以此構(gòu)建整個(gè)相位屏模型。

15、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，選出天頂角符合預(yù)設(shè)條件的四顆衛(wèi)星的過程具體包括：通過選星算法首先對(duì)一整天的精密星歷篩選天頂角范圍符合大氣湍流及相位屏模型，即與觀測(cè)點(diǎn)的天頂角小于70°的衛(wèi)星坐標(biāo)，再通過遍歷同一時(shí)刻下觀測(cè)到的天頂角小于90°的衛(wèi)星坐標(biāo)在四星定位系統(tǒng)中的gdop值，選取gdop值較小的四顆衛(wèi)星的組合，在這里選取了一天內(nèi)gdop值最小的一組的四顆衛(wèi)星坐標(biāo)值與其對(duì)應(yīng)天頂角進(jìn)行后續(xù)的授時(shí)誤差計(jì)算與補(bǔ)償，其gdop值為2.6425。

16、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，重構(gòu)出被湍流擾動(dòng)的光脈沖信號(hào)并計(jì)算得到該光脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)的過程具體包括：

17、將每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的天頂角帶入構(gòu)建的大氣湍流與相位屏模型中，由于大氣湍流影響造成的光強(qiáng)閃爍，可以得到脈沖光信號(hào)經(jīng)過湍流擾動(dòng)后的到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)。脈沖光信號(hào)總是具有一定的光譜寬度，對(duì)于光波段來說，大氣湍流介質(zhì)的相干帶寬非常寬，當(dāng)脈沖光信號(hào)的頻帶寬度遠(yuǎn)小于載頻時(shí)，大氣湍流導(dǎo)致的脈沖時(shí)間波形變化非常細(xì)微。因此將此光強(qiáng)值設(shè)定為經(jīng)過湍流擾動(dòng)后高斯脈沖的峰值點(diǎn)，給定高斯脈沖半峰全寬tp和脈沖到達(dá)時(shí)刻均值其中l(wèi)為傳輸距離，從而重構(gòu)出被湍流擾動(dòng)的高斯脈沖。

18、設(shè)定判決門限ith，得出脈沖到達(dá)時(shí)刻ξ，整個(gè)求解過程可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表述為：

19、

20、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差t′與觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算值(x0,y0,z0)的計(jì)算過程如下：

21、將一組四顆衛(wèi)星坐標(biāo)值與每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)帶入四星定位計(jì)算公式，由于公式未考慮光強(qiáng)閃爍以外的誤差因素，故此處鐘差t′就是4星對(duì)地單向授時(shí)機(jī)制和接收站解算模式下，光強(qiáng)閃爍引入的單向授時(shí)誤差。因此計(jì)算可得到衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差t′與觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算值(x0,y0,z0)。

22、

23、式中，表示第i顆衛(wèi)星到接收站的時(shí)間抖動(dòng)，tu表示地面接收機(jī)時(shí)間，ts表示衛(wèi)星時(shí)間，ζ表示由光強(qiáng)閃爍引起的延時(shí)；(xi,yi,zi)表示當(dāng)前時(shí)刻第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)。

24、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，滑動(dòng)平均濾波的方法是通過對(duì)一定數(shù)量(即窗口大小)的連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均值來平滑數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲或波動(dòng)。這種方法能夠有效地減小數(shù)據(jù)的局部波動(dòng)，同時(shí)保留數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)。對(duì)衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差利用滑動(dòng)平均濾波進(jìn)行處理，可以得到補(bǔ)償優(yōu)化后的衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差。

25、本發(fā)明還公開一種電子設(shè)備，該電子設(shè)備包括處理器以及存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序指令的存儲(chǔ)器；所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序指令時(shí)實(shí)現(xiàn)如第一方面所述的基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法。

26、本發(fā)明還公開一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有至少一個(gè)可執(zhí)行指令，所述可執(zhí)行指令在電子設(shè)備上運(yùn)行時(shí)，使得電子設(shè)備執(zhí)行如第一方面所述的基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法。

27、有益效果：本發(fā)明提出的一種基于大氣湍流影響下的四星對(duì)地激光單向授時(shí)的誤差解算和補(bǔ)償方法，通過選星算法得到的一組天頂角符合模型要求的gdop值為2.6425的四顆衛(wèi)星，通過將各自的天頂角帶入大氣湍流與相位屏模型計(jì)算大氣湍流影響造成的光強(qiáng)閃爍，可以得到脈沖光信號(hào)經(jīng)過湍流擾動(dòng)后的到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)，將一組四顆衛(wèi)星坐標(biāo)值與每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的到達(dá)時(shí)刻抖動(dòng)帶入四星定位計(jì)算公式之中，得到衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差與觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算值。分析可得，衛(wèi)星對(duì)地激光單向授時(shí)誤差的rms殘差為0.32195ns，通過滑動(dòng)平均濾波補(bǔ)償優(yōu)化后rms殘差為0.14092ns，穩(wěn)定度得到了顯著的提升。