一种卫星导航授时系统、方法及其应用与流程

本技术属于空间科学，尤其涉及一种卫星导航授时系统、方法及其应用。

背景技术：

1、中国区域定位系统(china area position system，caps)是中国科学院研发的一种卫星导航系统，是一种区域型卫星导航系统，该系统将原子钟置于地面运控中心，提供守时功能，卫星没有星载原子钟。该系统播发两路卫星通信使用的c频段测距信号，经卫星转发形成两路c频段测距信号，共计四个载波频率，用户接收测量两路信号实现定位、守时。

2、caps系统用户定位授时时，需要将所得的伪距值减去运控中心到卫星的时延部分，才能得到卫星到用户的伪距值部分，再做后续计算。针对运控中心到卫星的时延部分，提出了虚拟原子钟的概念，并给出了相应方法确定这部分时延。caps系统播发两路c频段伪距信号，用户根据两路伪距信号无法计算出测距信号路径上的电离层时延。

3、电离层时延在卫星导航定位中，是一项主要的定位误差项，同时在卫星通信、卫星遥感领域也有着重要的影响。目前获得星地电离层时延的方法主要分为两种：从以igs(international gps service，国际gps服务)为代表的第三方获取；直接双频伪距获得实时电离层时延。

4、caps系统根据自有的两路长伪距测距信号无法计算出运控中心与卫星之间的电离层总电子数，故而caps系统需要借助第三方提供的运控中心与卫星之间的电离层总电子数来解决虚拟原子钟的问题。这种依赖第三方提供电离层总电子数的方法，存在很大的安全隐患。当使用igs等第三方组织提供的电离层数据时，用户需要从igs网站下载相应时间段的电离层时延，存在时间滞后，甚至存在无法获取的风险。

5、上述内容仅用于辅助理解本技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种卫星导航授时系统、方法及其应用，以解决了长伪距测距信号路径的电离层总电子数的问题，从而使得系统不再依赖第三方，使得系统安全、可靠。所提出的新系统既能提供区域卫星授时、定位服务，又能克服上述安全隐患问题。

2、为实现上述目的，本技术提供一种卫星导航系统，包括：卫星、主运控站、用户站、计算设备和定轨系统；所述主运控站和所述用户站均分别与所述卫星和所述计算设备通信连接，所述卫星的数量大于等于4；所述定轨系统用于对所述卫星进行轨道监控，得到卫星轨道参数，并向所述主运控站传送；其中，所述主运控站、所述卫星、所述用户站之间有m路长伪距测距信号，所述主运控站、所述卫星之间有h路主转发测距信号；所述长伪距测距信号由伪距上行信号和伪距下行信号组成，所述主运控站播发所述伪距上行信号，所述卫星转发所述伪距上行信号形成所述伪距下行信号，所述用户站接收所述伪距下行信号；所述主转发测距信号由主上行信号和主下行信号组成，所述主运控站播发所述主上行信号并接收所述主下行信号，所述卫星接收所述主上行信号并转发形成所述主下行信号；所述长伪距测距信号的伪距上行信号和主转发测距信号至少有两个不同的载波频率；m，h均为正整数大于等于1的正整数；当m路长伪距测距信号中没有y型分叉长伪距测距信号时，m路长伪距测距信号的伪距上行信号与h路主转发测距信号的载波频率之间满足第一预设载波频率关系；当m路长伪距测距信号中有a路y型分叉长伪距测距信号时，m-a+1路长伪距测距信号的伪距上行信号与h路主转发测距信号的载波频率之间满足第二预设载波频率关系：所述计算设备用于基于主转发测距值和长伪距测距值、所述卫星轨道参数以及所述第一预设载波频率关系或所述第二预设载波频率关系对所述用户站进行定位定时，其中，所述计算设备与所述主运控站通信获取所述卫星轨道参数；所述y型分叉长伪距测距信号为有一路伪距上行信号与a路载波频率不同的伪距下行信号，a为大于等于2的正整数。

3、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种卫星授时系统，包括：卫星、主运控站、用户站和计算设备，所述主运控站和所述用户站均分别与所述卫星和所述计算设备通信连接；所述主运控站、所述卫星、所述用户站之间有m路长伪距测距信号，所述主运控站、所述卫星之间有h路主转发测距信号，所述用户站与所述卫星之间有r路从转发测距信号；所述长伪距测距信号由伪距上行信号和伪距下行信号组成，所述主运控站播发所述伪距上行信号，所述卫星转发所述伪距上行信号形成所述伪距下行信号，所述用户站接收所述伪距下行信号；所述主转发测距信号由主上行信号和主下行信号组成，所述主运控站播发所述主上行信号并接收所述主下行信号，所述卫星接收所述主上行信号并转发形成所述主下行信号；所述从转发测距信号由从上行信号和从下行信号组成，所述用户站播发所述从上行信号并接收所述从下行信号，所述卫星接收所述从上行信号并转发形成所述从下行信号；所述长伪距测距信号的伪距上行信号和主转发测距信号至少有两个不同的载波频率；所述长伪距测距信号的伪距下行信号和所述从转发测距信号至少有三个不同的载波频率；m，h，r均为正整数，且m+r≥3；当m路长伪距测距信号中没有y型分叉长伪距测距信号时，m路长伪距测距信号的伪距上行信号与h路主转发测距信号的载波频率之间满足第一预设载波频率关系；当m路长伪距测距信号中有a路y型分叉长伪距测距信号时，m-a+1路长伪距测距信号的伪距上行信号与h路主转发测距信号的载波频率之间满足第二预设载波频率关系：所述计算设备用于接收长伪距测距值、主转发测距值和从转发测距值，并基于所述主转发测距值、所述长伪距测距值和所述第一预设载波频率关系进行处理得到卫星与用户站之间测距信号路径上的从电离层总电子数和所述用户站与所述主运控站之间的相对钟差，或者，基于所述主转发测距值、所述长伪距测距值和所述第二预设载波频率关系进行处理得到卫星与用户站之间测距信号路径上的从电离层总电子数和所述用户站与所述主运控站之间的相对钟差；所述y型分叉长伪距测距信号为有一路伪距上行信号与a路载波频率不同的伪距下行信号，a为大于等于2的正整数。

4、本技术还提供一种站间时间同步系统，包括：如本技术任意实施例所述的卫星授时系统；当所述用户站为多个时，多个所述用户站通过数据交换实现各所述用户站之间的时间同步。

5、本技术还提供一种卫星定位系统，包括：如本技术任意实施例所述的卫星授时系统，且卫星的数量大于等于2；定轨系统，用于对所述卫星进行轨道监控，得到卫星轨道参数，所述卫星轨道参数用于对用户站进行定位定时；其中，用户站用于基于与各所述卫星的数据传输结果获取对应所述卫星的卫星轨道参数，并基于各所述卫星的卫星轨道参数以及自身与所述卫星之间的从星地空间距离确定自身的坐标信息。

6、本技术还提供一种卫星授时方法，应用于本技术任意实施例所述的卫星授时系统，所述方法由计算设备执行，所述方法包括：基于与所述主运控站的通信结果获取所述主运控站测量得到的h个主转发测距值；基于与所述用户站的通信结果获取所述用户站测量得到的m个长伪距测距值和r个从转发测距值；其中，m+r≥3，m，r，h均为大于等于1的正整数；分别使用转发测距表达式表征各所述主转发测距值、使用转发测距表达式表征各所述从转发测距值、以及使用长伪距测距表达式表征各所述长伪距测距值；基于各表达式表征的所述长伪距测距值、所述主转发测距值、所述从转发测距值以及第一预设载波频率关系确定卫星与用户站之间测距信号路径上的从电离层总电子数和所述用户站与所述主运控站之间的相对钟差；或者，基于各表达式表征的所述长伪距测距值、所述主转发测距值、所述从转发测距值以及第二预设载波频率关系确定卫星与用户站之间测距信号路径上的从电离层总电子数和所述用户站与所述主运控站之间的相对钟差。

7、本技术还提供一种站间时间同步方法，应用于本技术任意实施例所述的站间时间同步系统，所述方法由用户站执行，所述方法包括：与目标用户站直接通信以进行数据交互获得与目标用户站之间的钟差；或者，基于通信链路与所述主运控站进行数据交互以获取与目标用户站之间的钟差，其中，所述主运控站基于数据交互结果获取到目标用户站与主运控站之间的相对钟差。

8、本技术还提供一种星地空间距离确定方法，应用于本技术任意实施例所述的卫星授时系统，所述卫星授时系统具有从转发测距信号；所述方法由计算设备执行，所述方法包括：基于对流层时延模型确定出从转发测距信号和/或伪距下行信号路径上的对流层时延；基于从电离层总电子数确定从转发测距信号和/或伪距下行信号路径上的电离层时延；基于从转发测距信号路径上的对流层时延和电离层时延、任意一个从转发测距值确定所述用户站与所述卫星间的星地空间距离；或者，基于所述伪距下行信号路径上的对流层时延、任意一个单一综合伪距下行测距值及其对应伪距下行信号路径上的电离层时延或任意一个y型综合伪距下行测距值及其对应伪距下行信号路径上的电离层时延、用户站与主运控站之间的相对钟差确定所述用户站与所述卫星间的星地空间距离；其中，所述单一综合伪距下行测距值、所述y型综合伪距下行测距值根据本技术任意实施例所述的卫星授时方法进行确定。

9、本技术还提供一种卫星定位方法，应用于本技术任意实施例所述的卫星定位系统，所述方法由用户站执行，所述方法包括：获取各卫星的轨道参数，其中，所述卫星的轨道参数由所述卫星定轨系统进行确定；基于所述轨道参数确定对应卫星的坐标信息；与所述计算设备进行通信以获取自身与各卫星之间的星地空间距离，其中，所述星地空间距离根据本技术任意实施例所述的星地空间距离确定方法进行确定；基于各所述卫星的轨道参数以及自身与各所述卫星之间的星地空间距离，确定自身的坐标信息。

10、本技术的卫星授时系统，通过伪距上行信号和主转发测距信号载波频率的关系，并利用长伪距测距信号、主转发测距信号以及从转发测距信号将电离层时延误差克服，相比caps导航系统，可以显著改善导航精度。