卫星网络分布式时间同步控制方法及系统

本技术涉及卫星网络时间同步控制，特别是涉及一种卫星网络分布式时间同步控制方法及系统。

背景技术：

1、卫星正在不断向小型化、规模化、集群化方向发展，分布式卫星系统（distributedsatellite system，dss）为蓬勃发展的空间应用提供了低成本、弹性灵活的解决方案。精密时间同步系统已经成为dss的核心基础设施，实现大规模分布式卫星间的精密协作和相干协同，需要低代价高精度的时间同步系统。传统依托g nss系统进行授时，时间同步精度有限，并且g nss信号非常微弱，容易受到各种电磁干扰而导致失效。结构式时间基准传递方法简单，但是时间同步精度随着传递链路的增加而不断恶化，而且不能很好地适应卫星网络拓扑的动态变化。dss需要构建低代价高精度、内生泛在的时间同步控制系统，为dss大规模应用提供灵活弹性的时间服务。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决大规模卫星网络时间的分布式同步控制问题的卫星网络分布式时间同步控制方法及系统。

2、一种卫星网络分布式时间同步控制方法，该方法包括：

3、dss网络时间同步系统利用星间链路进行时差测量与数据传输，整个网络由多条星间链路将各个卫星节点连通，组成测量网络拓扑。

4、基于测量网络拓扑，卫星与邻接卫星建立卫星间测量链路，得到星间真实传输时延的测量值。

5、采用先验的星历信息进行历元归算，将双向测量归算到同一时刻，得到该时刻两个动态卫星节点间的时差信息。

6、计算星间测量的相对论时空效应，并对时差信息进行相对论效应补偿，得到星间时差估计值。

7、每颗卫星根据自身卫星节点的星间时差估计值采用分布式卡尔曼滤波器一致性控制系统，控制卫星时间与邻接卫星时间一致，并输出时间信息。

8、在其中一个实施例中，dss网络时间同步系统利用星间链路进行时差测量与数据传输，整个网络由多条星间链路将各个卫星节点连通，组成测量网络拓扑，包括：

9、考虑卫星网络时空特征、星间数据传输需求、星间时差测量性能与传递方向、星载时钟精度以及星上处理能力，以预设设计目标为依据设计最优策略网络拓扑，支持较优dss网络时间同步性能；预设设计目标为：确保每个卫星节点均能利用星间链路连通，并且卫星建链开销小、网络拓扑代数连通度大。

10、在其中一个实施例中，基于测量网络拓扑，卫星与邻接卫星建立卫星间测量链路，得到星间传输时延的测量值，包括：

11、星间测量链路使用两颗卫星之间的双单向测量。

12、根据获取的四个不同系统参考时间的时间戳观测值，构建动态星间测量模型为：

13、；

14、；

15、其中，是卫星 m到卫星 n的星间真实传输时延的测量值，是卫星 n在系统参考时间的物理时钟偏差，是卫星 m在系统参考时间的物理时钟偏差，是卫星 n到卫星 m的星间真实传输时延的测量值，是卫星 m在系统参考时间的物理时钟偏差，是卫星 n在系统参考时间的物理时钟偏差。

16、在其中一个实施例中，计算星间测量的相对论时空效应，并对时差信息进行相对论效应补偿，得到星间时差估计值，包括：

17、利用星上实时星历获取卫星的实际轨道、位置和速度，基于卫星时钟本征时间读数的星间精密测量模型，完成星间时钟时差信息的相对论效应在轨实时修正，得到星间时差估计值。

18、在其中一个实施例中，每颗卫星根据自身卫星节点的星间时差估计值采用分布式卡尔曼滤波器一致性控制系统，控制卫星时间与邻接卫星时间一致，步骤中分布式卡尔曼滤波器的设计步骤包括：

19、建立每个卫星节点的系统状态向量，每颗卫星都使用与邻接卫星的测量链路来获得卫星间的时间差，建立卫星节点 m的测量向量。

20、根据系统状态向量和测量向量，建立kalman一致性时间同步控制系统的状态模型和测量模型为：

21、；

22、其中，、分别表示当前时刻和前一时刻卫星节点 m的时钟时间状态向量，表示当前时刻卫星节点 m的时差测量向量，,，，表示当前时刻系统状态模型噪声矢量，表示协方差矩阵，表示当前时刻系统观测噪声矢量， m表示第 m个卫星节点。

23、建立系统状态预测方程为：

24、；

25、其中，表示当前时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的预测向量，表示前一时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量。

26、计算系统状态预测误差的协方差矩阵为：

27、；

28、其中，表示系统状态预测误差的协方差矩阵，表示系统状态估计误差协方差矩阵。

29、根据当前时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的预测向量和卫星节点 m的测量向量，建立系统状态估计方程为：

30、；

31、其中，表示卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量，表示kalman一致性增益矩阵，。

32、计算系统状态估计误差的协方差矩阵为：

33、。

34、对系统状态估计误差的协方差矩阵求解最优kalman一致性增益矩阵，得到最优kalman一致性增益矩阵为：

35、；

36、其中，表示最优kalman一致性增益矩阵。

37、在其中一个实施例中，每个卫星节点的系统状态向量为：

38、；

39、其中， m表示第 m个卫星节点，表示第 k次测量的卫星物理时钟读数，表示卫星节点 m邻接卫星节点的集合，， m表示卫星 m的星间链路条数。

40、在其中一个实施例中，卫星节点 m的测量向量为：

41、；

42、其中，表示当前时刻卫星 m到卫星 n的星间时差观测值，表示卫星节点 m邻接卫星节点的集合，表示当前时刻卫星 m的时钟时间偏差，分别表示当前时刻卫星 n的时钟时间偏差。

43、在其中一个实施例中，每颗卫星根据自身卫星节点的星间时差估计值采用分布式卡尔曼滤波器一致性控制系统，控制卫星时间与邻接卫星时间一致，包括：

44、对系统状态预测误差的协方差矩阵和前一时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量进行初始化。

45、根据前一时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量采用系统状态预测方程，确定当前时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的预测向量。

46、根据系统状态预测误差的协方差矩阵采用状态预测协方差方程，确定系统状态预测误差的协方差。

47、根据系统状态预测误差的协方差对kalman一致性增益矩阵进行调整。

48、根据当前时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的预测向量、卫星节点 m的测量向量以及调整后的kalman一致性增益矩阵采用系统状态估计方程，确定当前时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量。

49、根据系统状态预测误差的协方差和调整后的kalman一致性增益矩阵，计算当前时刻系统状态估计误差的协方差矩阵。

50、将系统状态预测误差的协方差矩阵更新为当前时刻系统状态估计误差的协方差矩阵，将前一时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量更新为当前时刻卫星 m及其邻接卫星时间状态的估计向量，继续进行迭代，直到达到预设停止条件为止，实现分布式卫星系统的分布式一致性时间同步控制。

51、一种卫星网络分布式时间同步控制系统，该系统包括，星间测量与时差估计单元、dss网络时间同步控制单元和测量网络拓扑规划单元。

52、星间测量与时差估计单元包括若干个星间测量与时差估计子单元，分布式卫星系统中每个卫星设置一个星间测量与时差估计子单元。

53、dss网络时间同步控制单元包括若干个分布式kalman滤波器，分布式卫星系统中每个卫星设置一个分布式kalman滤波器。

54、测量网络拓扑规划单元，用于利用星间链路进行时差测量与数据传输，整个网络由多条星间链路将各个卫星节点连通，组成测量网络拓扑。

55、星间测量与时差估计子单元，用于基于测量网络拓扑，卫星与邻接卫星建立卫星间测量链路，得到星间真实传输时延的测量值；采用先验的星历信息进行历元归算，将双向测量归算到同一时刻，得到该时刻两个动态卫星节点间的时差信息；计算星间测量的相对论时空效应，并对时差信息进行相对论效应补偿，得到星间时差估计值。

56、dss网络时间同步控制单元，用于每颗卫星根据自身卫星节点的星间时差估计值采用分布式卡尔曼滤波器一致性控制系统，控制卫星时间与邻接卫星时间一致。

57、上述卫星网络分布式时间同步控制方法及系统，方法包括：卫星与邻接卫星建立卫星间测量链路，实现双向卫星间动态测距；为了消除双向传输路径及其不对称的影响，使用先验的卫星实时星历将双向测量进行历元归算，得到测量信号发射时刻的时间偏差；然后，计算了星间测量的相对论时空效应，以补偿时间偏移；最后，通过一个分布式kalman滤波器，每颗卫星利用自身卫星节点获取的星间时间偏移估计，控制卫星时间与邻接卫星时间一致。基于卫星网络分布式kalman一致性协议，每个卫星节点的计算量很小，可以在轨实时计算，dss网络可以实现分布式时间同步，并输出时间信息。