陳銳志，蔚保國(guó),王甫紅，龔學(xué)文，鮑亞川，王 磊，劉萬(wàn)科，付文舉

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079; 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079; 3. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081

空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與地面通信技術(shù)相結(jié)合，能夠解決通信覆蓋的問(wèn)題，可提供更加泛在的、更加可靠的全球移動(dòng)通信服務(wù)。近年來(lái)，全球低軌通信互聯(lián)網(wǎng)星座開始興起并蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外商業(yè)公司相繼推出由成百上千顆低軌衛(wèi)星(LEO)構(gòu)成的星座計(jì)劃。低軌通信衛(wèi)星在提升衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)性能方面具有巨大的潛力，對(duì)高精度時(shí)空基準(zhǔn)維持可發(fā)揮重要作用。一方面，在低軌衛(wèi)星上搭載導(dǎo)航信號(hào)載荷，向地面播發(fā)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，憑借幾何構(gòu)型變化快的特點(diǎn)，可加速精密單點(diǎn)定位的收斂過(guò)程[1-5]。另一方面，低軌衛(wèi)星與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)聯(lián)合定軌可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的低軌衛(wèi)星定軌精度，以維持空基的高精度動(dòng)態(tài)時(shí)空基準(zhǔn)[6-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)GNSS定軌技術(shù)及地基連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)(CORS)作了很多研究，其理論和技術(shù)都已十分成熟，GNSS中高軌道衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的軌道精度可達(dá)厘米級(jí)[9-12]，實(shí)現(xiàn)了成熟的厘米級(jí)精度的地面定位服務(wù)[13-15]。然而，地基CORS網(wǎng)是一個(gè)靜態(tài)、網(wǎng)絡(luò)不可重構(gòu)和不可伸縮的剛性網(wǎng)，只能在其覆蓋范圍內(nèi)提供定位服務(wù)，無(wú)法在近地空間、深海和邊遠(yuǎn)山區(qū)等無(wú)網(wǎng)覆蓋區(qū)域提供服務(wù)。天基CORS可彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，其原理是將低軌衛(wèi)星網(wǎng)作為基準(zhǔn)站，利用低軌通信技術(shù)傳輸星載GNSS數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理控制中心，生成基準(zhǔn)站差分定位修正信息，播發(fā)給用戶以實(shí)時(shí)解算精確的定位信息。天基CORS所依賴的空間信息網(wǎng)具有高動(dòng)態(tài)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)性和伸縮性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，如何在高動(dòng)態(tài)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)空行為復(fù)雜的環(huán)境下，利用少量地面控制源為空間信息網(wǎng)中的高動(dòng)態(tài)多層節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)提供統(tǒng)一的高精度時(shí)空基準(zhǔn)，是空間信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中所必須面對(duì)的問(wèn)題。

本文針對(duì)空間信息網(wǎng)的上述特點(diǎn)，擬通過(guò)融合LEO星載GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面站GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化區(qū)域地面跟蹤站組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)基于區(qū)域(中國(guó)境內(nèi))少量地面控制源的多系統(tǒng)多層次聯(lián)合定軌和在軌單點(diǎn)精密定位技術(shù)。

1 基于少量地面控制源的空間信息網(wǎng)軌道確定

1.1 空間基準(zhǔn)統(tǒng)一方案設(shè)計(jì)

在僅有區(qū)域少量地面基準(zhǔn)站支持的情況下，實(shí)現(xiàn)空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一須融合利用GEO/IGSO/MEO/LEO等高、中、低節(jié)點(diǎn)。針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)、多系統(tǒng)與多層次特點(diǎn)以及對(duì)空間基準(zhǔn)實(shí)時(shí)高精度統(tǒng)一的需求，空間基準(zhǔn)統(tǒng)一的方案設(shè)計(jì)如圖1所示。整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)。骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括少量地面控制源，少量LEO衛(wèi)星和中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星，用于聯(lián)合定軌產(chǎn)生整網(wǎng)的空間基準(zhǔn)。接入節(jié)點(diǎn)可以包括LEO衛(wèi)星，近地空間飛行器和地面用戶，這些節(jié)點(diǎn)作為空間信息網(wǎng)的用戶不參與基準(zhǔn)維持?？臻g信息網(wǎng)的空間基準(zhǔn)統(tǒng)一可分兩步實(shí)現(xiàn)：

圖1 空間信息網(wǎng)絡(luò)的空間基準(zhǔn)統(tǒng)一方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme of unified spatial datum design for spatial information network

(1) 空間基準(zhǔn)的建立與維持。從空間信息網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)中選擇質(zhì)量可靠的LEO衛(wèi)星和地面節(jié)點(diǎn)，與中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星一起形成骨干網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)合骨干網(wǎng)絡(luò)中星載GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)、地基GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)及其他各層次觀測(cè)數(shù)據(jù)，如GNSS星間鏈路數(shù)據(jù)等，開展多層次觀測(cè)數(shù)據(jù)支持下的高、中、低節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合定軌，獲得空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)精密軌道。

(2) 空間基準(zhǔn)的應(yīng)用。利用聯(lián)合解算產(chǎn)生的GNSS衛(wèi)星星歷，采用實(shí)時(shí)絕對(duì)精密定軌方式，獲取其他接入節(jié)點(diǎn)的精密軌道或者軌跡，從而實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

該方案能夠充分利用LEO節(jié)點(diǎn)彌補(bǔ)區(qū)域條件下地面基準(zhǔn)站幾何分布不足的問(wèn)題，提高GNSS衛(wèi)星星歷的精度，實(shí)現(xiàn)在少量區(qū)域基準(zhǔn)站的支持下，空間信息網(wǎng)絡(luò)中高、中、低、地各層次節(jié)點(diǎn)都能夠獲取其高精度位置信息，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與配置

搜集整理國(guó)內(nèi)外公開的低軌衛(wèi)星星載GPS數(shù)據(jù)，結(jié)合少量區(qū)域地面站，構(gòu)建一個(gè)基于GPS星座的高、中、低、地空間信息網(wǎng)絡(luò)。按照本文提出的空間基準(zhǔn)統(tǒng)一方案，開展GPS+LEO聯(lián)合定軌及基于聯(lián)合定軌星歷的LEO衛(wèi)星絕對(duì)定軌試驗(yàn)，從而驗(yàn)證空間信息網(wǎng)絡(luò)高、中、低各層次節(jié)點(diǎn)在區(qū)域少量地面基準(zhǔn)站下的軌道確定性能。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種地面站的分布方案：一種是基于中國(guó)境內(nèi)的5個(gè)IGS測(cè)站，即BJFS/JFNG/SHAO/LHAZ/URUM；另一種是對(duì)境內(nèi)測(cè)站分布空間進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，即采用中國(guó)境內(nèi)5個(gè)站和靠近南北極的CAS1/NRIL站。對(duì)于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，由于目前缺乏一個(gè)構(gòu)型理想的低軌星座，因此試驗(yàn)中低軌星座只能由同一時(shí)段內(nèi)具有可用星載GPS數(shù)據(jù)的LEO衛(wèi)星構(gòu)成。

目前公開可用的LEO衛(wèi)星大部分搭載雙頻GPS星載接收機(jī)，因此本文整理了國(guó)內(nèi)外32顆LEO衛(wèi)星可用的星載GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[16-19]。圖2對(duì)2000—2020年之間這32顆LEO衛(wèi)星的星載GPS數(shù)據(jù)可用時(shí)段進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，圖3對(duì)這期間星載GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)可用的LEO衛(wèi)星數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，同時(shí)段數(shù)據(jù)可用的LEO衛(wèi)星數(shù)最多達(dá)到16顆。本文選擇2016年年積日(DOY)為043—057期間的剔除各種處于非正常狀態(tài)的衛(wèi)星后的GRACE-A/B、Swarm-A/B/C、MetOp-A/B、ZY3-1、JASON-2/3、COSMIC/FM1與KOMPSAT-5等12個(gè)LEO衛(wèi)星，構(gòu)成小型低軌星座參與GPS+LEO的聯(lián)合定軌。

圖2 LEO衛(wèi)星星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用時(shí)段Fig.2 Data availability of LEO satellite onboard GPS observations

圖3 星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)可用的LEO衛(wèi)星數(shù)目Fig.3 Feasible LEO satellite number for onboard GPS observations

表1列出了空間信息網(wǎng)絡(luò)空間基準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理詳細(xì)策略。根據(jù)高、中、低軌道不同的力學(xué)特性，中高軌道的GPS衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星分別采用不同的動(dòng)力學(xué)模型配置[20-21]。GPS衛(wèi)星軌道較高，大氣阻力影響較小，衛(wèi)星受到的非保守力主要是太陽(yáng)光壓的影響，而經(jīng)驗(yàn)太陽(yáng)光壓模型精度有限，因此必須估計(jì)太陽(yáng)光壓系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)力模型的適應(yīng)性。對(duì)于低軌衛(wèi)星，其受大氣阻力影響較大，現(xiàn)有的大氣阻力模型也難以滿足精密定軌的要求，為了彌補(bǔ)其不足，在聯(lián)合定軌中增加了經(jīng)驗(yàn)力模型，在絕對(duì)定軌中則估計(jì)經(jīng)驗(yàn)加速度。此外，需要指出的是，空間基準(zhǔn)統(tǒng)一方案中的聯(lián)合定軌部分采用最小二乘估計(jì)器來(lái)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。在絕對(duì)定軌中，為適應(yīng)每個(gè)空間節(jié)點(diǎn)快速實(shí)現(xiàn)自身精密位置確定，參數(shù)估計(jì)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波。

表1 空間信息網(wǎng)絡(luò)空間基準(zhǔn)統(tǒng)一試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理策略Tab.1 Data processing strategy of unified spatial datum experiment for spatial information network

1.3 試驗(yàn)初步結(jié)果分析

1.3.1 導(dǎo)航衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合定軌精度

根據(jù)空間信息網(wǎng)絡(luò)中空間基準(zhǔn)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案，首先開展GPS+LEO的聯(lián)合定軌試驗(yàn)，12個(gè)LEO衛(wèi)星按照GRACE-A、GRACE-B、SWARM-A、SWARM-B、SWARM-C、MetOp-A、MetOp-B、ZY3-1、JASON-2、COSMIC/FM1、KOMPSAT-5與JASON-3的次序逐漸加入?yún)⑴c聯(lián)合定軌。圖4給出了區(qū)域5站與區(qū)域7站下不同LEO衛(wèi)星數(shù)目參與聯(lián)合定軌時(shí)GPS衛(wèi)星的軌道平均精度。可以看出，無(wú)論是基于區(qū)域5站還是區(qū)域7站，隨著LEO衛(wèi)星數(shù)目增加，GPS衛(wèi)星的軌道平均精度逐漸提高。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目分別增加到9顆與7顆時(shí)，兩種方案里GPS衛(wèi)星軌道平均精度提高不超過(guò)1 cm。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目分別增加到11顆與9顆時(shí)，兩種方案里GPS軌道平均精度提高不超過(guò)3 mm，而最終的GPS軌道平均精度分別達(dá)到了6.9 cm與5.0 cm。

圖4 不同LEO衛(wèi)星數(shù)目下GPS+LEO聯(lián)合定軌精度Fig.4 GPS+LEO combined orbit determination accuracy with different number of LEO satellites

圖5給出了聯(lián)合定軌中12個(gè)LEO衛(wèi)星對(duì)每顆GPS衛(wèi)星定軌增強(qiáng)的效果?？梢钥闯?，如果僅有區(qū)域5站或區(qū)域7站支持，GPS衛(wèi)星的軌道平均精度為20～80 cm，12個(gè)LEO衛(wèi)星參與聯(lián)合定軌后，GPS衛(wèi)星的軌道平均精度達(dá)到3～8 cm，定軌精度提高幅度達(dá)到80%～90%。分析其主要原因在于，LEO衛(wèi)星相當(dāng)于動(dòng)態(tài)跟蹤站，可以有效彌補(bǔ)區(qū)域地面站幾何分布不足的缺陷，增強(qiáng)GNSS衛(wèi)星觀測(cè)的幾何強(qiáng)度，從而提升GNSS衛(wèi)星的軌道確定精度。

圖5 12個(gè)LEO衛(wèi)星對(duì)GPS衛(wèi)星的定軌增強(qiáng)效果Fig.5 Improved GPS orbit determination performance by 12 LEO satellites

1.3.2 低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合定軌精度

圖6給出了GPS和12個(gè)LEO衛(wèi)星聯(lián)合定軌中LEO衛(wèi)星的軌道平均精度，其中“all”表示每顆衛(wèi)星整個(gè)定軌弧段的軌道平均精度。從圖6(a)可以明顯看出，基于區(qū)域5站時(shí)，除COSMIC/FM1、JASON-3與KOMPSAT-5等少數(shù)LEO衛(wèi)星在少數(shù)天的定軌精度大于7 cm外，其他LEO衛(wèi)星絕大部分時(shí)候都優(yōu)于7 cm。就整體定軌精度而言，COSMIC/FM1、JASON-3、KOMPSAT-5與MetOp-A衛(wèi)星的精度分別為7.1 cm、6.7 cm、5.4 cm與5.6 cm，其他LEO衛(wèi)星的整體定軌精度都優(yōu)于5 cm。從圖6(b)可以明顯看出，基于區(qū)域7站時(shí)，除COSMIC/FM1、JASON-3、KOMPSAT-5與MetOp-A衛(wèi)星在少數(shù)天的定軌精度大于5 cm外，其他絕大部分LEO衛(wèi)星定軌精度都優(yōu)于5 cm。COSMIC/FM1、JASON-3、KOMPSAT-5、MetOp-A與ZY3-1衛(wèi)星的整體定軌精度分別為6.0 cm、5.5 cm、3.9 cm、4.0 cm與4.0 cm，其他7顆LEO衛(wèi)星的整體定軌精度均優(yōu)于3 cm。需要特別指出的是，部分LEO衛(wèi)星在某些天定軌精度較差，主要是由星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差或者姿態(tài)等星體信息不明確引起的。圖6充分說(shuō)明了：即便只有區(qū)域少量地面站支持，參與聯(lián)合定軌的LEO衛(wèi)星定軌精度可達(dá)到與GPS衛(wèi)星相當(dāng)?shù)睦迕准?jí)水平(2～7 cm)。

圖6 GPS+LEO聯(lián)合定軌中LEO衛(wèi)星的軌道精度Fig.6 Orbit accuracy of LEO satellites in GPS and LEO combined orbit determination

1.3.3 LEO衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)定軌精度

基于“區(qū)域5站+12顆LEO”與“區(qū)域7站+12顆LEO”兩組聯(lián)合定軌試驗(yàn)，可產(chǎn)生厘米級(jí)的GPS軌道結(jié)果。理論上，基于聯(lián)合定軌星歷的LEO衛(wèi)星絕對(duì)定軌應(yīng)選擇該時(shí)段內(nèi)未參與聯(lián)合定軌的LEO衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)。然而，該時(shí)段內(nèi)目前還未收集到其他LEO衛(wèi)星有效可用的星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本節(jié)試驗(yàn)選擇除GRACE-A衛(wèi)星外的11顆LEO衛(wèi)星作為骨干節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行“區(qū)域7站+11顆LEO”聯(lián)合定軌試驗(yàn)產(chǎn)生GPS星歷，隨后對(duì)未參與聯(lián)合定軌的GRACE-A進(jìn)行絕對(duì)定軌。以IGS最終星歷產(chǎn)品為參考，首先對(duì)聯(lián)合定軌星歷精度進(jìn)行評(píng)估，其徑向/切向/法向(R/T/N)的軌道精度分別達(dá)到了2.8 cm、6.2 cm與5.4 cm，而3個(gè)方向的軌道平均精度達(dá)到了5.0 cm。

對(duì)2016年DOY為043—057期間GRACE-A衛(wèi)星的星載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，開展GRACE-A衛(wèi)星精密定軌試驗(yàn)，并對(duì)其定軌精度進(jìn)行評(píng)估。圖7給出了GRACE-A衛(wèi)星每天R、T、N方向的軌道精度與3個(gè)方向的軌道平均精度。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，GRACE-A衛(wèi)星R方向精度為9.0～16.0 cm，T方向精度為6.0～10.0 cm，N方向精度為7.0～13.0 cm，3個(gè)方向軌道平均精度為7.0～13.0 cm。對(duì)15 d的總體精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，R、T、N方向軌道精度分別為12.5 cm、7.7 cm與8.8 cm，3個(gè)方向的總體平均精度達(dá)到了9.9 cm。

圖7 基于兩種聯(lián)合星歷的GRACE-A衛(wèi)星每日定軌精度Fig.7 Daily orbit determination accuracy of GRACE-A satellite based on the combined ephemerides

在上述試驗(yàn)結(jié)果中，利用區(qū)域少量地面站結(jié)合低軌衛(wèi)星星座的星載GPS數(shù)據(jù)，開展GPS+LEO高、中、低軌聯(lián)合定軌解算，中高軌道GPS衛(wèi)星可以獲得3～8 cm水平的定軌結(jié)果，參與聯(lián)合定軌的LEO衛(wèi)星軌道平均精度為2～7 cm，未參與聯(lián)合定軌的LEO衛(wèi)星軌道平均精度也達(dá)到10 cm。試驗(yàn)充分表明，采用本文提出的空間信息網(wǎng)絡(luò)空間基準(zhǔn)統(tǒng)一方案，在僅有區(qū)域少量基準(zhǔn)站支持的情況下，結(jié)合低軌星座的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)高、中、低各層次節(jié)點(diǎn)厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)位置確定精度，從而最終實(shí)現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)高精度空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

2 高中低軌體系下空間信息網(wǎng)的時(shí)間同步

2.1 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步體系框架設(shè)計(jì)

空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步體系的構(gòu)建目的是建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)并實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)時(shí)間同步，具體的設(shè)計(jì)思想需要結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)、多層和異構(gòu)多節(jié)點(diǎn)特性，滿足各類節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步需要。基于空間信息網(wǎng)絡(luò)的分層特性，時(shí)間同步體系也呈現(xiàn)出軌道高度分層和功能分層的特點(diǎn)。根據(jù)平臺(tái)類別和守時(shí)性能，對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步體系的構(gòu)成單元進(jìn)行功能分層，可劃分為骨干節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)兩類，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也應(yīng)采用時(shí)間基準(zhǔn)骨干網(wǎng)和時(shí)間同步子網(wǎng)的分層架構(gòu)。

如圖8所示，骨干節(jié)點(diǎn)具有高性能的原子鐘組和高精度時(shí)間分發(fā)能力，可以部署于地面及高、中、低軌各個(gè)層面。骨干節(jié)點(diǎn)間通過(guò)彼此高精度的時(shí)間比對(duì)，構(gòu)成空間信息網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間基準(zhǔn)骨干網(wǎng)絡(luò)，共同進(jìn)行時(shí)間基準(zhǔn)的建立和維持，向整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)。作為空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步體系的核心，骨干節(jié)點(diǎn)間應(yīng)部署最高精度的時(shí)間同步手段。對(duì)于時(shí)間同步體系內(nèi)的用戶節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于不具備高精度守時(shí)能力，也不參與空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)的建立，則是通過(guò)單向授時(shí)、共視、雙向比對(duì)等多種方式從骨干節(jié)點(diǎn)獲取時(shí)間同步信息，接入時(shí)間同步體系中[22]，多種方式的綜合運(yùn)用可以滿足網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)多節(jié)點(diǎn)的特性需求。根據(jù)任務(wù)需要，不同類型的用戶節(jié)點(diǎn)可構(gòu)成通信網(wǎng)、對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)、空間試驗(yàn)網(wǎng)等功能網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)通過(guò)時(shí)間同步鏈路構(gòu)建局域的時(shí)間同步子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)會(huì)形成統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，并溯源到時(shí)間基準(zhǔn)骨干網(wǎng)。

圖8 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步體系Fig.8 Time synchronization system of spatial information network

空間信息網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)多節(jié)點(diǎn)的特性決定了眾多節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)間同步需求的差異性。采用最有效的時(shí)間同步手段，滿足節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步需求，是空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步體系設(shè)計(jì)需要關(guān)注的問(wèn)題?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步業(yè)務(wù)特性主要分為以下3類：①?gòu)墓?jié)點(diǎn)的任務(wù)屬性來(lái)說(shuō)，根據(jù)時(shí)間同步精度的需求，采用不同的時(shí)間同步技術(shù)手段滿足其需要，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步需求進(jìn)行自治域劃分，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的簡(jiǎn)化和資源的優(yōu)化配置；②從節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)多樣性來(lái)說(shuō)，由于不同類型節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步過(guò)程中動(dòng)態(tài)誤差的影響不同，所采用的補(bǔ)償策略也會(huì)有所區(qū)別；③從應(yīng)用時(shí)效性來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步業(yè)務(wù)可以分為實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性兩類。實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)主要面向一些不具有較好守時(shí)能力的節(jié)點(diǎn)，要保持時(shí)間同步，需要提高時(shí)間同步的頻度，強(qiáng)調(diào)鐘差信息的實(shí)時(shí)獲取[23-24]。對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，一種是裝備高穩(wěn)定原子鐘的節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，同步過(guò)程允許較長(zhǎng)時(shí)延的存在，另一種是面向事后數(shù)據(jù)處理的時(shí)間同步業(yè)務(wù)，時(shí)間比對(duì)信息不應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，而用于觀測(cè)數(shù)據(jù)后期融合處理、事后精密鐘差產(chǎn)品生成、精密軌道外推等[25-26]。

2.2 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)建立與時(shí)頻傳遞

原子鐘部署在空間平臺(tái)可獲得更好的精度和穩(wěn)定性指標(biāo)，基于高精度時(shí)間比對(duì)手段，連接空間信息網(wǎng)絡(luò)中天基和地基時(shí)間節(jié)點(diǎn)，聯(lián)合建立和維持綜合的時(shí)間基準(zhǔn)，可以提供更為穩(wěn)定精準(zhǔn)可靠的面向空間網(wǎng)絡(luò)和地面用戶的時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)的建立相比于地面時(shí)間基準(zhǔn)，最大的區(qū)別在于空間節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)和時(shí)變特性。因此，在時(shí)間基準(zhǔn)的建立過(guò)程中，對(duì)于加入時(shí)間基準(zhǔn)綜合的空間節(jié)點(diǎn)，除了需要長(zhǎng)期的穩(wěn)定度評(píng)估能力，同時(shí)也應(yīng)具有較快的節(jié)點(diǎn)篩選和分類能力，隨時(shí)對(duì)星鐘異常做出反應(yīng)。按照抽象建模的方法，對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)體系框架下的地基骨干節(jié)點(diǎn)、天基骨干節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)等，按照其原子時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度、漂移特性、可用性等物理特性進(jìn)行建模，得到各節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確參數(shù)估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘特性的科學(xué)描述和精準(zhǔn)數(shù)學(xué)表達(dá)。

表2 主要時(shí)間傳遞手段統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of main time transfer methods

需要指出的是，空間信息網(wǎng)絡(luò)鏈路以通信鏈路為主，實(shí)現(xiàn)基于星間/星地通信鏈路的高精度時(shí)間傳遞，對(duì)于空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)體系構(gòu)建和服務(wù)具有重要意義?；谛情g鏈路進(jìn)行時(shí)間比對(duì)數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)基于北斗的星間共視時(shí)間比對(duì)，通過(guò)對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)誤差精準(zhǔn)補(bǔ)償，時(shí)間比對(duì)精度理論上可優(yōu)于5 ns。圖9所示為使用GRACE兩顆低軌衛(wèi)星星載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行星間共視時(shí)間比對(duì)處理結(jié)果，誤差在±15 ns以內(nèi)。

圖9 GRACE衛(wèi)星星間共視時(shí)間比對(duì)測(cè)試結(jié)果Fig.9 Time synchronization test results of inter-satellite common view

筆者也設(shè)計(jì)了基于正交頻分調(diào)制信號(hào)(OFDM)的星間雙向時(shí)間比對(duì)體制，研制了原理樣機(jī)，并開展了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。測(cè)試時(shí)間比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為11 ns?；谕ㄐ艤y(cè)量一體化鏈路進(jìn)行高精度時(shí)間傳遞將是未來(lái)空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)傳遞的主要技術(shù)途徑。

圖10 基于OFDM通信測(cè)量一體化系統(tǒng)的時(shí)間同步測(cè)試結(jié)果Fig.10 Time synchronization test results of OFDM communication and measurement integration system

3 結(jié) 論

針對(duì)我國(guó)目前無(wú)法在全球范圍內(nèi)均勻地布設(shè)地面跟蹤站這一現(xiàn)狀，本文提出了綜合利用我國(guó)境內(nèi)少量地面基準(zhǔn)站和高中低軌衛(wèi)星星座，共同建立和維持我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)空基準(zhǔn)的方法。核心思路是，利用少量地面控制源和LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，與GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)高動(dòng)態(tài)多層次的骨干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)骨干節(jié)點(diǎn)的高精度軌道確定和高性能的時(shí)間同步?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)則通過(guò)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的軌道信息和時(shí)間傳遞，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)時(shí)空基準(zhǔn)的統(tǒng)一。充分利用網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)分布的LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，彌補(bǔ)了境內(nèi)少量地面跟蹤站網(wǎng)在幾何分布上的不足，實(shí)現(xiàn)了安全可靠的空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)空基準(zhǔn)確定。

在空間基準(zhǔn)建立方面，通過(guò)聯(lián)合導(dǎo)航衛(wèi)星、LEO骨干節(jié)點(diǎn)和地基骨干節(jié)點(diǎn)平差確定導(dǎo)航衛(wèi)星的精密軌道。與目前主要依靠地面站的導(dǎo)航衛(wèi)星定軌方法相比，該方法的優(yōu)勢(shì)在于，利用LEO平臺(tái)快速移動(dòng)的特性，減少了對(duì)大量地面站的依賴。該方法只需要使用幾個(gè)區(qū)域地面控制源和幾顆LEO衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)5～7 cm的定軌精度，與目前使用上百個(gè)地面站觀測(cè)值進(jìn)行定軌的精度相當(dāng)。另外，使用聯(lián)合定軌產(chǎn)生的星歷可以用于解算接入節(jié)點(diǎn)的精密空間位置，精度在10 cm左右。

針對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的建立，本文探討了空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)、多層和異構(gòu)多節(jié)點(diǎn)特性，基于部署于地面及高中低軌各個(gè)層面骨干節(jié)點(diǎn)上的高性能原子鐘組，利用其高精度時(shí)間分發(fā)能力，提出了面向時(shí)間同步業(yè)務(wù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)分層自治方法?；诙喾N星間星地鏈路通過(guò)單向雙向時(shí)間比對(duì)和時(shí)間傳遞，構(gòu)建更堅(jiān)韌的空間信息網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)體系。同時(shí)，在時(shí)間同步業(yè)務(wù)方面考慮和通信業(yè)務(wù)的融合，開展了相關(guān)的體制設(shè)計(jì)和原理樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用OFDM信號(hào)進(jìn)行高精度時(shí)間同步的可能性，對(duì)于空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)體系的構(gòu)建和服務(wù)具有重要意義。

本文提出的基于境內(nèi)少量地面控制源的空間信息網(wǎng)時(shí)空基準(zhǔn)確定方法，充分考慮了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)跟蹤相結(jié)合，由境內(nèi)地面跟蹤站的坐標(biāo)速度更新和高中低軌衛(wèi)星的實(shí)時(shí)精密定軌來(lái)共同維持星地一體化的動(dòng)態(tài)空間基準(zhǔn)。利用骨干節(jié)點(diǎn)間彼此高精度的時(shí)間比對(duì)，構(gòu)成空間信息網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間基準(zhǔn)骨干網(wǎng)，向整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)。這種方法不僅具有精度高、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大大降低對(duì)地面基準(zhǔn)站的數(shù)量和分布要求，減少對(duì)地面網(wǎng)的依賴和有效降低空天信息網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。