数字卫星电视授时系统测轨方法

摘要

一种数字卫星电视授时系统卫星测轨方法，由地面站时间精确同步、上行地面南京站A时间戳生成与时间戳插播、上行地面南京站A时间戳生成与时间戳插播步骤组成。本发明采用现有数字电视系统达到卫星测轨的目的，通过标记电视信号中特殊标识位的收发时间，计算信号传播时延，采用一发多收的测轨模式，根据多个时延测量值，列出关于卫星坐标的方程组，计算得到卫星坐标。本发明与GNSS卫星导航授时系统相比，卫星电视信号具有信号强、抗干扰能力强等优点，避免了GNSS信号所面临的恶意干扰和攻击问题。

主权项

一种数字卫星电视授时系统测轨方法，其特征在于它是由下述步骤组成：(1)地面站时间精确同步以上行地面南京站为A、地面接收西安站记为B、地面接收乌鲁木齐站为C、地面接收昆明站为D、地面接收长春站为E、地面接收南京站为F，以每天凌晨00:00为起始时间，采用卫星双向时间频率传递方法，每隔1分钟测A与B、C、D、E、F之间的钟差一次，每天共测100次，每天B、C、D、E、F站分别与A站之间的钟差公式为：${\mathrm{\Delta T}}_{Ai}\left(t\right)=a_i+b_{i}t+\frac{1}{2}{c}_i{t}^2---\left(2\right)$式中t为距00:00时的分钟数，a_i为i站原子钟与A站原子钟的初始相位差，b_i为i站原子钟的频偏，c_i为i站原子钟的漂移率，i依次为B、C、D、E、F地面接收站；(2)上行地面南京站A时间戳生成与时间戳插播在上行地面南京站A电视上行系统中调制器的串行异步接口取出速率为270兆比特每秒的码流信号，对信号完成同步，生成纳秒级时间戳与时间戳插播；上述的对信号完成同步为：1)通过串行数字接收器进行同步时钟恢复，完成位同步；2)将位同步后的原始数据依次放入一个50位的移位寄存器，检测50位数据中是否有连续的两个控制字符K28.5编码为0011111010或1100000101，若有，则以该编码作为接收的数据码字节的边界，即将以后的数据每隔10比特归为一个字节，完成字节同步，进入步骤3)；若无，重复步骤2)；3)每个传输流包为188个字节的固定长度，包头的同步字节是0x47，对应的10比特编码为1110000101或0001110101，寻找一个0x47码字，相隔187字节的码字是0x47，认为后一个0x47码字是传输流包的同步字节，完成信号同步；否则重新寻找0x47码字；上述的纳秒级时间戳生成方法与时间戳插播步骤为：1)将原子钟的10MHz频率信号倍频至200MHz的频率信号，每个时钟周期为5纳秒，计数器计数值N范围为0～199999999，计数器值从零开始，每个周期计数器值加1，累加至199999999，计数器值置零，计数器的计数周期为1秒，分辨率为5纳秒；2)提取出包头同步字节0x47中的第七位到第八位的上升沿，利用该上升沿记录计数器的值N，该传输流包所对应的时刻t_s为N×5纳秒，将该值存入寄存器1中；3)提取包头同步字节0x47后的第5字节到第11字节，存储至寄存器2中；对寄存器2中数据转换为ASCII码，恢复成原传输数据，寄存器2中的第四位数据为节目时钟参考值标志位，若为零，返回步骤2)；若为1，表明该传输流包含有节目时钟参考，将寄存器2中第2字节到第7字节数据与寄存器1中的t_s编码生成纳秒级时间戳，时间戳前6字节为节目时钟参考值，后4字节为t_s；所述的时间戳的插入电视信号步骤为：将电视系统编码器的包标识符设为0x120，对步骤2)生成时间戳进行编码，插入电视上行系统，同节目信息一起上行至卫星转发器；(3)电视信号接收与数据处理地面接收西安站B、地面接收乌鲁木齐站C、地面接收昆明站D、地面接收长春站E、地面接收南京站F接收卫星下行电视信号，将所接收的电视信号经解调通过网络输出到数据处理服务器，数据处理服务器对输入的数据进行数据处理，得到卫星的位置，具体如下：1)地面接收西安站B、地面接收乌鲁木齐站C、地面接收昆明站D、地面接收长春站E、地面接收南京站F通过卫星天线接收来自卫星的下行信号，经解调、输出270兆比特每秒的异步串行码流信号，进行信号同步过程，进行时间戳生成过程与上行地面南京站A发送过程完全相同；将传输流包中同步头的第七位到第八位的上升沿所对应的精确时刻记作t_r，与对应的节目时钟参考值编码生成接收时刻的时间戳，存入先进先出的存储器1中；2)电视系统中的解码器通过包标识符0x120以识别传输流包，解调0x120对应的传输流包数据得到发送时刻生成的时间戳，将发送时刻的时间戳中的节目时钟参考值作为关键字在存储器1中寻找相同的节目时钟参考，进行数据处理；数据处理步骤如下：将对应的时刻值相减，得到大环时延估计值；Δt′_i＝t_r‑t_s   (3)3)由公式(2)计算得到t_r时刻钟差ΔT_Ai(t_r)修正，即可得到精确的大环时延值Δt_i＝Δt′_i+ΔT_Ai(t_r)   (4)4)地面接收西安站B、地面接收乌鲁木齐站C、地面接收昆明站D、地面接收长春站E、地面接收南京站F将各自坐标和所测时延实时汇总至上行站，通过求解方程组(5)得到卫星的坐标：$\left\{\begin{array}{c}2(X_B-X_A)X+2(Y_B-Y_A)Y+2(Z_B-Z_A)Z-2({\rho }_B-{\rho }_A)\lambda =L_B^2-L_A^2-({\rho }_B^2-{\rho }_A^2)\\ 2(X_C-X_A)X+2(Y_C-Y_A)Y+2(Z_C-Z_A)Z-2({\rho }_C-{\rho }_A)\lambda =L_C^2-L_A^2-({\rho }_C^2-{\rho }_A^2)\\ 2(X_D-X_A)X+2(Y_D-Y_A)Y+2(Z_D-Z_A)Z-2({\rho }_D-{\rho }_A)\lambda =L_D^2-L_A^2-({\rho }_D^2-{\rho }_A^2)\\ 2(X_E-X_A)X+2(Y_E-Y_A)Y+2(Z_E-Z_A)Z-2({\rho }_E-{\rho }_A)\lambda =L_E^2-L_A^2-({\rho }_E^2-{\rho }_A^2)\end{array}\right.---\left(5\right)$式中，ρ_i为c(Δt_i‑τ_i′)，λ为cτ_clk，为其中i为A、B、C、D、E,时延修正τ′_i通过电离层和对流层数学模型得到，作为已知参数，i站坐标(X_i,Y_i,Z_i)已知，τ_clk是上行时延，c为光速。