技术摘要：
本发明公开了一种提高低轨卫星时钟性能的装置及方法。该装置设置在低轨卫星上，包括：GNSS接收机、时钟驯服模块、星上时钟、钟差拟合模块和导航增强信号生成载荷；GNSS接收机分别连接时钟驯服模块和钟差拟合模块，用于生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号；时钟驯服模块连  全部
背景技术：
全球导航卫星系统(Global  Navigation  Satellite  System，GNSS)是指能够在地 球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无 线电导航定位系统，全球导航卫星系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代 化大国地位和国家综合国力的重要标志。现有的全球导航卫星系统主要包括全球定位系统 (Global  Positioning  System，GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou  Navigation  Satellite  System，BDS)、格洛纳斯(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(Galileo  Satellite  Navigation  System，GALILEO)，上述系统的基本组成部分包括空间部分(卫星等)，地面控 制部分(主控站、注入站和监测站等)和用户部分(接收机和导航仪等)；目前卫星导航定位 技术已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大 地测量与导航定位领域的全新发展。 但由于GNSS具有信号弱易受电磁干扰等固有缺点，在实际应用中GNSS仍存在较为 严重的安全隐患。具体地，由于发射功率较低，且卫星到地球表面的距离较为遥远，卫星信 号到达地球表面时已十分微弱，通常约为-160dBW，而各种有意无意干扰则处于地表附近， 距离地面导航接收机较近，很容易造成地面导航接收机无法正常锁定卫星信号。在实际应 用过程中，各种甚高频通信设备的寄生辐射和谐波、卫星通信设备的带外辐射和寄生辐射、 移动和固定的甚高频通信台站、使用GNSS频带进行的点对点无线电链接、电视台谐波、雷达 系统、移动卫星通信系统、以及军用通信系统等均可对地面导航接收机造成干扰，使其性能 下降或在一段时间内处于完全不可用状态。 为了提高GNSS系统的导航定位精度和地面导航接收机的抗干扰性能，目前通过将 低轨卫星与GNSS系统结合，利用低轨卫星播发导航增强信号的方法来提高接收机的定位精 度。与GNSS卫星相同，低轨卫星投入实际运用的前提是低轨卫星能够产生高稳定度时频基 准；然而，由于体积、重量和成本的限制，与GNSS卫星采用具有高稳定度和高精度的原子钟 不同，现有的低轨卫星星上时钟采用稳定度和精度较差的晶振。 因此，开发一种能够提高低轨卫星时钟性能的装置及方法，以提高低轨卫星时钟 的稳定度和精度，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种提高低轨卫星时钟性能 的装置及方法。 为此，本发明公开了一种提高低轨卫星时钟性能的装置，所述装置设置在低轨卫 星上，包括：GNSS接收机、时钟驯服模块、星上时钟、钟差拟合模块和导航增强信号生成载 4 CN 111596327 A 说　明　书 2/7 页 荷； 所述GNSS接收机分别连接所述时钟驯服模块和所述钟差拟合模块，所述GNSS接收 机用于接收GNSS卫星信号以生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号，并将所述秒脉冲信号送至 所述时钟驯服模块和所述钟差拟合模块； 所述时钟驯服模块连接所述星上时钟，用于对所述星上时钟进行驯服校准； 所述星上时钟分别连接所述时钟驯服模块、所述钟差拟合模块和所述导航增强信 号生成载荷，所述星上时钟能够生成10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号； 所述钟差拟合模块连接所述导航增强信号生成载荷，所述钟差拟合模块接收所述 秒脉冲信号和所述本地秒脉冲信号，并根据所述秒脉冲信号和所述本地秒脉冲信号对所述 星上时钟的钟差进行拟合，以生成钟差参数； 所述导航增强信号生成载荷用于根据所述10.23MHz本地信号、所述本地秒脉冲信 号和所述钟差参数生成所述低轨卫星播发的导航增强信号。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的装置中，所述时钟驯服模块包括数字 鉴相器和调节器； 所述数字鉴相器分别连接所述GNSS接收机、所述调节器和所述星上时钟，所述数 字鉴相器用于对所述GNSS接收机输出的所述秒脉冲信号和所述星上时钟分频输出的所述 本地秒脉冲信号进行数字鉴相，并将鉴相结果送至所述调节器； 所述调节器连接所述星上时钟，用于根据所述鉴相结果对所述星上时钟进行频率 和相位调整。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的装置中，所述调节器为PI调节器。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的装置中，所述钟差拟合模块采用多项 式模型对所述星上时钟的钟差进行拟合。 此外，本发明还公开了一种利用上述的提高低轨卫星时钟性能的装置实施的提高 低轨卫星时钟性能的方法，所述方法包括如下步骤： 1)对星上时钟进行加电，使时钟驯服模块和钟差拟合模块开始计时； 2)钟差驯服模块判断是否达到设定的驯服周期，若是，进行步骤3；若否，进行步骤 4； 3)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟 驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10 .23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将 10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地 秒脉冲信号送至钟差拟合模块，时钟驯服模块基于接收到的秒脉冲信号、10.23MHz本地信 号和本地秒脉冲信号对星上时钟进行驯服校准以调节星上时钟的频率和相位，待完成星上 时钟校准后，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号对星上时钟的钟差 进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成载荷； 4)钟差拟合模块判断是否达到设定的钟差计算周期，若是，进行步骤5；若否，返回 步骤2； 5)GNSS接收机接收GNSS卫星信号生成与GNSS卫星同步的秒脉冲信号并送至时钟 驯服模块和钟差拟合模块，星上时钟生成10 .23MHz本地信号和本地秒脉冲信号，并将 10.23MHz本地信号和本地秒脉冲信号送至时钟驯服模块和导航增强信号生成载荷，将本地 5 CN 111596327 A 说　明　书 3/7 页 秒脉冲信号送至钟差拟合模块，钟差拟合模块基于接收到的秒脉冲信号和本地秒脉冲信号 对星上时钟的钟差进行拟合以生成钟差参数，并将生成的钟差参数送至导航增强信号生成 载荷，返回步骤4。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，时钟驯服模块采用比例积分 控制方式对星上时钟进行驯服校准。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，钟差拟合模块采用多项式模 型对星上时钟的钟差进行拟合。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，钟差拟合模块采用多项式模 型对星上时钟的钟差进行拟合时，低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差利用式1确 定； Δt＝a0 a1(t-toc) a2(t-toc)2   (1) Δt表示t时刻时星上时钟与标准GPS时间的误差，toc表示参考时刻，a0表示toc时刻 时的星上时钟钟差，a1表示toc时刻时的星上时钟的钟速，a2表示toc时刻时的星上时钟的加 速度的一半，a0、a1和a2为钟差参数。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，采用最小二乘估计法对t时刻 时的钟差参数进行拟合计算。 进一步地，在上述提高低轨卫星时钟性能的方法中，采用最小二乘估计法对t时刻 时的钟差参数进行拟合计算，包括如下步骤： a1)选取N组低轨卫星的星上时钟与标准GPS时间的误差对应的历史数据； a2)设定待估算钟差参数向量初值，基于选取的N组历史数据进行多次迭代直至钟 差参数向量收敛，输出最终迭代得到的钟差参数向量。 本发明技术方案的主要优点如下： 本发明的提高低轨卫星时钟性能的装置及方法通过结合时钟驯服和钟差拟合预 报对低轨卫星的星上时钟进行处理，能够提高星上时钟的长期稳定度和短期稳定度，无需 对星上时钟的相位和频率进行频繁调整，保证低轨卫星能够输出连续稳定的导航增强信 号，结构简单，使用成本低。 附图说明 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部 分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附 图中： 图1为本发明一实施例的提高低轨卫星时钟性能的装置的结构原理图； 图2为本发明一实施例的提高提高低轨卫星时钟性能的方法的流程图； 图3为本发明一实施例的时钟驯服模块的结构原理图。